四川省复杂地貌区域雷电活动中大气电场特征研究

张婧雯,张远扬 ,刘 畅,余海蓉,吴 容,魏 庆

（四川省防雷中心,成都 610072）

引言

近年来，大气电场研究越来越受到国内外学者的重视。目前，气象学者对大气电场的研究主要集中在云体带电或闪电放电时大气电场的变化等方面[1−3]，对于平原、高原等不同地貌条件下雷电活动中大气电场变化的系统研究少见报道 。四川省位于青藏高原西侧与长江平原东侧之间的过渡带，由西向东依次为高原、平原地貌特征，区域差异明显[4−6]，其雷电过程的发生发展具有突发性和局地性，使得雷电潜势预报、闪电定位等方法在雷电短临预警方面效果并不理想。而大气电场仪能够对云体带电情况进行实时监测，通过监测大气电场强度、极性、振幅的连续变化，对雷电过程发生前异常的大气电场变化加以识别，从而达到预警目的[7−9]。本文拟利用四川省2009～2019 年大气电场仪监测资料，分析省内平原和高原地区雷电活动中地面电场的变化特征，以期为有效促进大气电场监测资料应用、显著提升雷电短临预警水平以及科学开展四川省地面电场组网工作打下理论基础[10−12]。

1 资料及其处理

研究数据主要来自于2009～2019 年四川省24 个大气电场站点（表1）监测资料[13−15]。

表1 四川省大气电场站点经纬度和安装环境

2 复杂地貌区域雷电活动中大气电场特征分析

2.1 平原地区雷电活动中大气电场特征

研究在光华村、温江、眉山、宜宾四个平原站点选取了20 次雷电天气过程地面电场数据，详见表2。经统计分析，平原地区雷电过程持续时间为30～350min，平均持续时间约为158min，电场绝对值最大为40kV/m。根据地面电场变化趋势，可分为两类：a类共12 次（60%），地面电场值主要为负，说明此类雷暴云上部有小部分正电荷区，下部大部分为负电荷区，雷暴云中主要为负电荷控制区域，此类雷暴云呈偶极性的电荷结构，也称双极型电荷结构（正-负）；b 类共8 次（40%），此类过程地面电场值开始为正，随雷暴云发展到旺盛阶段地面电场值转为负值，说明此类雷暴云上部为小部分正电荷区，中部为负电荷区，下部还有小部分的正电荷区，呈三极性电荷结构（正-负-正）。

表2 平原地区20 次雷暴过程

图1a 是平原地区2009 年7 月16 日雷暴过程中地面电场变化。如图所示，此次雷电过程在开始阶段主要以正电场为主，持续时间为120min。在雷暴云形成阶段，电场开始快变抖动，于02:00 转为负电场，说明此时地面电场所受雷暴云下部负电荷区域影响导致出现负值。03:00 电场转为正极性，说明此时降水粒子到达地面降水粒子荷电瞬间改变地面电场极性。03:25 电场再次转为负极性，此时地面电场继续受雷暴云下部负电荷区影响，负电场在持续25min 后雷电过程趋于消散。03:50 转为正电场，此阶段EOSO特征不明显。此次过程地面电场基本为负变化，说明雷暴云下部负电荷区为主要影响区域。

图1b 是平原地区2009 年7 月17 日雷暴过程中地面电场变化。如图所示，平原地区此次雷电过程在起始阶段电荷不断累积，电场开始快变抖动，以正变化为主。14:05 地面电场变化剧烈，此时电荷积累到一定程度，达到了击穿空气条件，闪电频发，此时为正电场，影响地面电场变化的主要是雷暴云下部小部分正电荷区。下部正电荷区域所带电荷逐渐增大，在14:50 达到第一个极值，随后减小。持续50min 后，电场于14:58 转为负电场，此时雷暴下部正电荷区电荷已中和殆尽，云团中部负电荷区开始影响地面电场变化，地面电场出现极性反转，地面电场值呈负抖动趋势。15:18 电场达到第二次极值，这是因为雷电过程中伴有的降水，降水粒子具有很强导电性，当降水到达地面时，会造成地面电场极性的瞬间变化。消散阶段负电场逐渐震荡趋零，此阶段EOSO 特征不明显。

图1 平原地区2009 年7 月16 日 (a) 和7 月17 日 (b) 雷暴过程地面电场变化

2.2 高原地区雷电活动中大气电场特征

研究在康定、马尔康、盐源等高原站点选取了11 次雷电天气过程地面电场数据，详见表3。经统计分析，雷电过程持续时间为30～360min，平均持续时间约为93min，电场绝对值最大值为37kV/m。根据地面电场变化趋势，可分为两类：a 类共6 次（55%），地面电场值主要为负，雷暴云中主要为负电荷控制区域，此类雷暴云呈偶极性电荷结构（双极型电荷结构）；b 类共5 次（45%），此类过程开始电场值为正，后转为负，此类雷暴云呈三极性电荷结构。

表3 高原地区11 次雷暴过程

图2a 是高原地区2015 年6 月16 日雷暴过程中地面电场变化。如图所示，高原地区此次雷电过程在起始阶出现短暂正电场，强度介于0～5kV/m。16:40地面电场迅速转为负值，随后很快出现极值，此时雷暴云底部负电荷区内电荷迅速累积。由于高原海拔高、云层低更易形成击穿，当电荷累积到一定程度时击穿空气，发生闪电，在17:00 出现第一个极值。随后缓慢震荡，在18:40 再次出现第二个极值，此时由于高原地区雷暴云对流能力减弱，极值强度较第一次极值有所减弱。由于高原地区地形、热力因素影响，伴随降雨或冰雹，云中的含水量降低，引起地面电荷量的累积量减小，此时地面电场抖动频率增多，出现多次极性反转，但是闪电强度锐减。21:45 进入消散阶段，呈现明显的EOSO 过程特征，电场不再剧烈变化，而是趋向于长时间、大幅度的起伏，这是雷暴消亡阶段的典型正弦波动，雷暴云下部负电荷不断中和后，上部的正电荷区域出现，这些电荷控制了地面电场极性，使得地面开始出现正电场，最后趋近于晴天大气电场。整个过程中地面电场变化依然主要受到雷暴云内下部负电荷区影响。

图2b 是高原地区2015 年6 月24 日雷暴过程中地面电场变化。如图所示，高原地区此次雷电过程起始阶段地面电场轻微抖动，主要为正电场，强度介于0～3kV/m。16:40 出现剧烈变化，极性转为负电场，抖动加剧，在16:55 出现第一个极值。受冰雹或降水离子影响，电场迅速出现极性反转，在短时间内出现第二个极值。此类雷暴下部电荷累积迅速，同样说明高原海拔高、云层低更易形成击穿。此时，雷暴云底部正电荷区域中和消耗完毕，中部负电荷区出现在大气电场仪上方，电场主要呈负变化，受中部负电荷区影响，在持续40min 连续快变抖动后，振幅逐渐减小，有明显的EOSO 变化特征。

图2 高原地区2015 年6 月16 日 (a) 和6 月24 日 (b) 雷暴过程地面电场变化

2.3 平原、高原地区雷电活动中大气电场特征差异分析

平原和高原地区雷电过程平均持续时间分别约为158min 和93min，电场绝对值最大值分别为40kV/m和37kV/m。平原地区持续时间为高原地区1.7 倍，电场极值相差不大。平原和高原地区雷电过程的大气电场波形变化可分为相同两类，说明这些地区雷暴云带电结构均为偶极性和三极性电荷结构。造成平原和高原地区雷电过程时间、强度差异的主要原因是高原地区雷暴云高度相对较低，空气介质厚度相对较小，更易发生击穿，雷电更易形成。但高原地区雷电活动的电场强度、持续时间、最大电场绝对值较平原地区偏弱。高原地区海拔较高，同时受地形的影响，地面温度相对较低，对流能量相对较弱，这是引起该地区雷电过程放电少、极值低、时间短的一个重要因素[16−17]。

3 结论

本文利用四川省2009～2019 年大气电场仪监测资料，分析了省内平原和高原地区雷电活动中地面电场的变化特征，得到如下结论：

（1）平原地区雷电过程持续时间最短为30min，最长为350min，平均约为158min，极值达到40kV/m。根据地面电场变化趋势，分为两类：地面电场值主要为负的偶极性的电荷结构，地面电场值由正到负的三极性电荷结构。

（2）高原地区雷电过程持续时间最短为30min，最长为360min，平均约为93min，极值达到37kV/m。根据地面电场变化趋势，分为两类：地面电场值主要为负的偶极性的电荷结构，地面电场值由正到负的三极性电荷结构。

（3）平原比高原地区雷电过程平均持续时间长1.7 倍，电场极值相差不大。高原雷暴云中电荷累积速度快，击穿空气发生早，雷电过程起始-旺盛过程时间短。

（4）高原地区受海拔、地形的影响，地面温度相对较低，对流能量相对较弱，这是高原地区雷电过程放电少、极值低、时间短的一个重要因素。