黔中地区大气平均电场特征分析及小波技术的应用

刘 波，李 艳，武 斌，吴安坤，杨 群

(1.贵州省防雷减灾中心，贵州 贵阳 550002;2.贵州省大气探测与技术保障中心，贵州 贵阳 550002)

1 前言

大气电场指存在于大气中与带电物质产生电力相互作用的物理场。尽管对地面大气电场进行观测已经有一百多年的历史，地面大气电场以及电场变化观测也已经广泛用于对云体带电情况分析以及闪电放电机理等研究中，但是对大气平均电场波形变化规律依然缺乏全面深入地了解。这主要是因为地面大气电场受到各种因素的影响，在对地面大气电场进行观测时，没有对其它气象要素的同步观测，难以对大气电场变化特征及规律进行全面分析。

在国内，许多学者对不同地区大气平均电场特征进行了一系列分析，吴亭［2］等对北京地区不同天气条件下的近地面大气电场特征进行了分析研究，但迄今为止几乎没有对黔中地区大气平均电场活动特征进行分析的研究结果。

本文通过对黔中地区不同天气条件下大气电场的活动情况进行统计，对大气电场波形特征进行分析，在一定程度上揭示了黔中地区雷电活动特征及规律。同时，通过分析黔中地区雷暴天气下的大气电场特征，结合实时的闪电定位资料，并采用统计假设检验方法，得到雷电预警阈值，从而提高了黔中地区雷电预警预报水平。

2 黔中地区大气平均电场仪概述

贵州省目前共有3台大气电场仪，分别安装于贵阳市气象局观测场、安顺市气象局观测场和白云区气象局观测场内。

大气平均电场仪有效探测半径约为10 km(图1红色虚线圈)，安装在距观测场地面以上0.7 m的高度。3台大气电场仪安装于气象观测场内，并得到了其它气象要素同步观测资料(如气温、空气湿度、风速风向、天气现象等)，因此可以研究不同天气条件下大气平均电场的变化特征。

图1 贵州大气平均电场仪分布图

3 晴天大气平均电场特征分析

晴天大气电场是指晴天条件下的大气电场值，定义电场正向为垂直向下。据统计，全球平均陆地上的晴天大气电场平均值约为120 V/m，海洋上约为 130 V/m［3］。

本文通过查询黔中地区的历史天气实况资料，从中挑选出50 d为晴天的大气平均电场波形资料，对每天24 h大气平均电场值求绝对平均值，如图2。

图2 黔中晴天条件下大气电场

从图2可知，黔中地区晴天大气电场值在0.094～0.435 kV/m范围内变动，最大值为0.435 kV/m，最小值为0.094 kV/m，两值相差了0.341 kV/m。黔中地区晴天大气电场平均值为0.221 kV/m，是全球平均值(0.120 kV/m)的1.8倍，说明黔中地区的晴天大气电场值较全球平均水平高。

4 雷暴天气下大气电场特征分析

通过查询贵阳市和安顺市的历史天气实况资料，挑选出50 d雷暴天气的大气平均电场，并结合闪电定位仪资料，确定雷暴过程持续时间，对持续时间内的大气电场求绝对平均值，如图3。

图3 雷暴天气条件下大气电场绝对平均值图

从图3可知，黔中地区雷暴天气下大气电场绝对平均值在1.312～9.008 kV/m范围内变动，最大值为kV/m，最小值为 kV/m，两者相差了6.9倍。雷暴天气大气电场绝对平均值为3.701 kV/m。

5 雷暴天气下大气电场阈值确定

雷暴天气过程中，大气电场强度随闪电能量的增加而逐渐增加，当雷暴发生时，大气电场强度可以增大到14 kV/m以上［4］。由于上述变化过程较缓慢，可以根据大气电场强度的变化，了解其周围地区闪电的发展活动状况，并可近距离分析闪电发生的可能性，结合闪电定位等同步资料，从而开展雷电灾害的预警预报工作。

目前贵州省雷电监测预警软件所设定的雷电电场预警阈值为 5 级，分别是 2、5、7、10、15 kV/m，此5级预警阈值是参考浙江、江苏等省份的经验值而设定，由于上述地区多为平原地形，而贵阳市处于云贵高原东段，其特有的山地地形条件与江南地区存在较大差异，因此雷电预警阈值的设定不够精确。

根据黔中地区雷暴大气电场强度的变化特征，利用统计学原理中的假设检验法:假设某一固定值能最大可能地拟合大气电场强度变化范围，然后对该假设值进行溯源校验，检验该值是否能判断出该地区有较大可能发生雷暴天气。如果能，选取该值作为雷电预警的最佳阈值;如果不能，则继续假设检验，直至找到最佳阈值为止。

黔中地区雷暴天气大气电场平均值为3.701 kV/m。其中在平均值以上的天数有28 d，占总天数的56%。假定黔中地区的雷暴天气的阈值为上述统计的绝对平均值(3.701 kV/m)，即当黔中地区的大气电场值达到3.701 kV/m时，预报将发生雷暴天气。统计50 d雷暴天气的大气电场数据，其中有28 d的大气电场超过了平均值，因此黔中地区以3.701 kV/m作为雷暴天气阈值的预报准确率为56%，漏报率为44%。

为了更好地预报黔中地区的雷暴天气，利用以上统计的50 d雷暴天气资料，将其预报准确率和漏报率列表(表1)。需要说明的是，受实验条件限制，这里没有考虑虚报率的情况。

为了更好地利用大气电场值作好雷暴天气的预报，分别在平均值上下假定几个阈值，并分别统计这几个阈值的准确率和漏报率，以供预报员参考。

假定需要准确率达到90%、80%、60%、50%时，则需要确定的阈值分别为1.544 kV/m、2.111 kV/m、2.777 kV/m、3.204 kV/m。可以根据表1来选择所需要达到的准确率的预报阈值。

表1 雷暴天气预报准确率和漏报率表

6 小波滤波技术的应用与分析

6.1 小波滤波方法

地面大气电场仪得到的地面大气电场波形数据中，既包含需要探测的实际大气电场信号，也掺杂着各种干扰噪声，这些干扰噪声中包含系统的随机噪声。由于系统的随机噪声无论在时域还是频域都是宽带信号，无法直接去除，只能用滤波的方法来抑制噪声，增大信噪比。

傅里叶分析是一种能对频域信号进行准确分析的高效方法，但不包含任何时域的信息，在时域无任何分辨能力。小波分析在时域、频域都具有表征信号局部特征的能力，是一种窗口大小固定不变，但其形状可改变，时间窗和频率窗都可以改变的时域局部化分析方法。

6.2 小波分解层数

为了确定小波分解层数，合理地对地面大气电场数据波形进行滤波，选取2012年7月的地面大气电场数据进行功率谱分析。将采样序列经快速傅里叶变换后，取其幅值的平方，并除以序列的长度，得到序列的功率谱。分析结果如图4。

图4 大气电场功率谱

由图4可知:地面大气电场数据序列的功率谱主要集中在10－2～8×10－3Hz之间。功率谱集中在8×10－3Hz以下。仪器每秒采集一次数据，采样频率为1 Hz，功率谱集中在8×10－3Hz以下时，确定分层为10层。

7 实例分析

7.1 晴天地面大气电场数据小波分析

选取2012年4月3日贵阳东山的24 h晴天大气电场波形数据进行小波滤波。小波函数选取sym5，分解层数为10层。该天的天气和气象要素为:晴天，日平均气温18.7℃、日平均风速3.1 m/s，空气湿度为62%。

图5 晴天大气电场小波滤波分析

通过小波10层分解滤波后得到图5，从图5可知，地面大气电场幅值介于－0.25～0.25 kV/m，存在4个波峰和3个波谷。

7.2 有雷暴天气的地面大气电场数据小波分析

随机选取2012年7月28日贵阳的24 h大气电场数据波形进行小波分析。小波函数选取sym5，分解层数为10层，得到图6。

图6 雷暴天气大气电场小波滤波分析

该天实况天气情况为:多云转雷阵雨，日降水量12.3 mm，日平均气温21.9℃，空气湿度91%;闪电定位仪同步资料显示闪电发生在贵阳市气象局观测场中心位置(106.44°E、26.35°N)10 km 范围内，持续时间为13时02分—18时16分。

通过图6可以看出，大气电场在13时30分开始发生陡变，并一直持续至18时左右，这与闪电定位仪显示的闪电持续时间基本一致。

8 结论

①黔中地区的晴天大气电场平均值为0.221 kV/m，约为全球平均值(0.120 kV/m)的1.8倍，说明黔中地区的晴天大气电场值较大;雷暴天气的大气电场平均值为3.701 kV/m。

②采用假设检验的方法确定了准确率达到90%、80%、60%、50%时的阈值分别为1.544 kV/m、2.111 kV/m、2.802 kV/m、3.448 kV/m。可以根据文中雷暴天气预报准确率和漏报率表(表1)来确定需要的准确率所对应的雷暴阈值。

③利用小波滤波技术得到采用频率为1 Hz时的功率谱集中在8×10－3Hz以下，确定小波分解层数为10层。

［1］孟青，吕伟涛，姚雯，等.地面电场资料在雷电预警技术中的应用［J］. 气象，2005，09.

［2］吴亭，吕伟涛，刘晓阳，等.北京地区不同天气条件下近地面大气电场特征［J］.应用气象学报，2009，04.

［3］吴健，陈毅芬，曾智聪.利用地面电场仪与闪电定位资料进行短时雷电预警的方法［J］.气象与环境科学，2009，01.

［4］付晓辉.雷达和闪电定位仪资料在天气分析和预报中的应用研究［D］.南京信息工程大学，2007.

［5］王强，王建初，顾宇丹.电场时序差分在雷电预警中的有效性分析［J］. 气象科学，2009，05.

［6］罗林艳，祝燕德，王智刚，等.基于大气电场与闪电资料的雷电临近预警方法［J］.成都信息工程学院学报，2010，05.

［7］丁德平，甘璐，邓长菊，等.北京地区大气电场的特征及在雷电预警中的应用［A］.第28届中国气象学会年会——S13雷电物理、监测预警和防护［C］.2011.