基于大气电场与闪电定位资料的哈尔滨地区雷电预警方法研究

张春龙,李鹏飞,李春影,张卫星

（黑龙江省气象灾害防御技术中心，黑龙江哈尔滨150030）

基于大气电场与闪电定位资料的哈尔滨地区雷电预警方法研究

张春龙,李鹏飞,李春影,张卫星

（黑龙江省气象灾害防御技术中心，黑龙江哈尔滨150030）

利用大气电场和闪电定位两种资料相结合，通过统计分析哈尔滨地区32次雷暴过程中的大气电场强度和雷电发生距离数据，依据大气电场强度等级和雷电发生距离等级两个因子建立了哈尔滨地区雷电预警指标分级矩阵，最终将雷电预警等级划分为黄色、橙色、红色三个级别，预警等级分值R划分为三个等级并赋以三种颜色，表示雷电发生风险的三个等级：红色代表极易发生雷电，R分值为6－9；橙色代表易发生雷电，R分值为3－4；黄色代表可能发生雷电，R分值为1－2。实践表明两种探测资料结合建立了预警等级矩阵模型对提高雷电预警的准确率有重要意义。

1 引言

雷电是强对流天气发生时雷暴云的一种剧烈的放电现象，是联合国公布的最严重的10种自然灾害之一[1]。如何做好雷电灾害监测预警服务工作，提高雷电灾害的防御能力是气象部门所面临的难点和挑战。

雷电的监测手段分为直接监测和间接监测，闪电定位系统可用于直接监测雷电信息，对雷电的监测取得了较好的成果。值得注意的是，闪电定位系统对于尚未发生雷电的云没有任何监测结果响应，无法探测到闪电形成前云中电活动的演变过程。以往的雷电预警服务大多是借助大气电场仪，通过测量大气电场的强度和极性的变化特征实现短时临近预警。由于大气电场仪对周围环境的响应极为灵敏，容易受天气状况、电磁场干扰及其它外界因素的影响，进而触发预警门限而出现空报[2]。

高菊霞等人分析了闪电定位资料和大气电场资料在陕西省预警业务中的应用，指出了两种资料的特征在强对流天过程中具有很好的指示作用[3]。为了对可能造成的雷击危险进行有效识别和预警，本文将闪电定位系统与大气电场仪进行结合，在此基础上研制出不同等级的雷电警报阈值，有助于提高区域的综合雷电监测预警水平。

2 资料来源

本研究所用的大气电场资料来源于安装在黑龙江省气象台（45°43′27″N,126°43′42″E）的大气电场仪，数据时段为2014年1月1日－2016年12月30日。电场仪的大气电场强度探测范围为±150 kV/m，最大探测距离为20 km，数据采集时间间隔为每秒一个。

本研究所用到的闪电定位数据为2005年建立的ADTD闪电定位系统，该系统主要用来探测云地闪,并且能区分正负极性,在气象、航天、航空、通讯、林业、电力、建筑等国防和国民经济的许多领域都有着广泛的应用。监测网实现了对地闪时间、位置（经度、纬度）、雷电流峰值和极性的自动监测。

3 雷电预警指标的建立

3.1 雷电预警指标的选取

本研究通过对黑龙江省大气电场资料和闪电定位资料的分析得出，当电场强度曲线增加时，大气电场仪并不能探测出是云层带电量的不断增加，还是因为有强的带电云团正在靠近电场仪。与大气电场仪监测方式截然不同的是，闪电定位系统通过大气中闪电电磁脉冲的特征，可以确定闪电发生的具体位置。

一般情况下，电场强度波动越剧烈、闪电距离中心点越近，那么中心点发生对地闪击的概率越大，将大气电场仪和闪电定位系统进行适当的组合，闪电定位数据和大气电场仪监测数据显示平台可以获取闪电发生距离、大气电场仪的距离和大气电场强度的数值，从而更加直观地监测雷暴活动。因此本研究选取大气电场强度和闪电发生距大气电场仪的距离两个因子分别建立三级预警指标，分别为雷电发生低、中、高三种可能性，将其量化为分之等级，对应分数为1分、2分、3分。

分析了32次雷暴过程本地区大气电场变化特征和闪电定位数据，经过统计分析后得到大气电场强度因子三级分别为3 kV/m、6 kV/m、9.5 kV/m，雷电发生距离因子三级分别为10 km、15 km、20 km。本研究的原理是通过不断将监测值与预先设定的警报阈值相比较，就可以在第一次雷击产生前，探测到其发生的可能性，并且发出危险信息。雷电预警指标等级分值见表1。

表1 雷电预警指标等级分值

3.2 雷电预警等级分级矩阵的建立

将雷电预警等级分为三个级别，分别为黄色、橙色、红色。黄色警报代表可能发生雷电；橙色警报代表雷电发生概率较高，易发生雷击；红色警报则表明雷电发生概率非常高，极易发生雷击。

雷电预警等级由大气电场强度等级和雷电发生距离等级决定。以P代表大气电场强度等级，以C代表雷电发生距离的等级，以R代表雷电预警等级。R的等级由P和C的乘积决定，见式1。

R=P×C（1）

式中：

R——雷电预警等级分值

P——大气电场强度等级分值

C——雷电发生距离的等级分值

将雷电预警指标等级划分为高、中、低三个级别，预警等级分值R划分为三个等级并赋以三种颜色，表示雷电发生风险的三个等级：红色代表极易发生雷电，R分值为6－9；橙色代表易发生雷电，R分值为3－4；黄色代表可能发生雷电，R分值为1－2。

将大气电场强度数值和闪电发生距离两个因子作为雷电预警等级划分的判别指标，各自取长补短，就可以组成一个较为完善的对雷暴和雷电活动的进行监测的综合系统。三个级别的警报阈值的准确率均在75%以上，通过实例检验，其黄色警报阈值的准确率达到78%，而红色警报阈值的准确率超过90%。

4 结论和讨论

（1）大气电场强度三级雷电警报阈值分别为3 kV/m、6 kV/m、9.5 kV/m，闪电发生距离的三级雷电警报阈值分别为10 km、15 km、20 km。两种探测资料结合对提高雷电预警的准确率有重要意义。

（2）每一次雷暴天气过程都极其复杂，都是综合多种因素才形成的,所以想要得到更精确的雷电预警结果，需要进一步综合天气雷达回波图、气压、温度、湿度等气象资料。这些方法、模式的结合还有待研究。目前哈尔滨地区的雷电监测预警系统正处于完善阶段，在未来综合多种气象观测因素对雷电进行预报会更为科学。

[1]马明，吕伟涛，张义军,等.我国雷电灾害及相关因素分析.地球科学进展，2008,23(8):856-865.

[2]Aranguren D,Montanya J,Sola G,et al.On the lightning hazard warning using electrostatic field:Analysis of summer thunderstorms in Spain[J].Journal of Electrostatics,2009,67(2-3):507-512.

[3]高菊霞，杨碧轩，程永进，等.闪电和大气电场资料在预警业务中的应用［J］.陕西气象，2015（S1）：20-24.

1002－252X（2017）02－0034－02

2017－3－1

张春龙（1986－），男，黑龙江省依安县人，南京信息工程大学，博士生，工程师.