贵阳市大气电场数据适用性及预警方式浅析

黄 钰,高焱驹,陈 瑾

(1.贵州省人工影响天气办公室，贵州 贵阳 550081；2.贵州省冰雹防控技术工程中心，贵州 贵阳 550081；3.贵阳云安防雷装置检测站，贵州 贵阳 550081；4.贵州省金沙县气象局，贵州 金沙 551800)

0 引言

冰雹、雷雨等强对流天气常常伴随着闪电，很多研究发现闪电对强对流天气的发生有较好的指示作用[1]。目前常用的闪电定位仪为事后探测，必须是闪电发生之后，然而在闪电形成前云中必然有一个电荷积累的过程，如果能够通过电荷积累和空间分布等特征来分析判断未来强对流天气发展的剧烈程度，这将对预防雷电、大风和冰雹等气象灾害具有重要的指示意义。近些年来，随着大气电场仪的推广应用，为观测云中早期电荷积累过程提供了一定支撑，大气电场资料也被应用在雷电监测预警领域中[2]。目前普遍将大气电场的快速抖动作为雷电等强对流天气发生的判别依据，在对流形成之初地面大气电场便能够敏锐的给出反映，且强对流天气与晴天大气电场变化特征有着明显的区别[3-4]。它能够单站预警也可以组网观测，但是由于大气电场数据受到安装环境及布局的影响[5-7]，未能很好的进行组网反推空中电荷结构并应用于联合预警观测，即使形成了观测网实际应用中还是单站预警的原理，而仅仅依靠大气电场仪虚警率很高，因此，逐渐形成了结合闪电定位和雷达资料的多源数据预警模式[8-9]。本文主要是基于2020年贵阳市大气电场仪数据进行初步应用分析，包括数据适用性分析、不同天气类型的大气电场特征分析以及预警方式的初步探索。

1 数据适用性分析

1.1 基本数据分析

表1是贵阳市大气电场仪基本参数信息表，最大探测距离为20 km，但根据现场特征，受地形及周边环境影响，目前设置的探测距离为10 km，结合图1，基本能够覆盖贵阳主要区域。仪器于2019年12月陆续投入运行，多数仪器刚开始运行的时候均存在探测不连续的问题。本文主要利用2020年的探测数据，在个例分析中尽量避免了刚停机恢复的时段，选用稳定运行状态下的数据，尽可能增加准确率。

表1 大气电场仪主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of atmospheric electric field instrument

图1 仪器位置示意图Fig.1 Schematic diagram of instrument position

先选取1月6日(强对流)、4月28日(未见明显降水)电场数据进行数据的基本适用性和有效性的简单分析。图2为4月28日，对应贵阳雷达站及清镇犁倭的大气电场数据，不难发现其大气电场数据基本维持在±0.2 kV/m以内，偶见抖动变化，整体平稳，目前普遍认为陆地上，大气电场平均值为0.115 kV/m，大小变化范围为19～310 V/m，此处数据符合一般规律。1月6日贵阳市区、乌当、云岩、清镇、开阳、息烽午后均发生降雹强对流天气，当日有效大气电场数据共有13个站点，图3为1月6日部分站点的电场变化曲线，强对流天气过程大气电场变化的曲线较稳定天气存在快速抖动变化的特征，且电场幅值较大，当日云团整体上自西向东移动，比较清镇、贵阳城区的大气电场数据发现清镇站点首次电场快速抖动发生在13时附近，贵阳雷达站的电场快速抖动发生在14时左右，清镇的抖动变化要早于贵阳城区，这与云团实际移动先后顺序吻合，但不同站点电场值存在一定差异，贵阳雷达站的电场幅值较其他地区大出很多，且同是清镇地区王庄与犁倭的电场幅值变化差异也比较大，初步结合雷达回波发现云团与不同测站的距离有一定差距，此外，云团在清镇的时候未直接过测站顶，而贵阳城区则直接受对流云团影响(对应旺盛阶段)。整体上，大气电场仪对强对流的发生能够敏感反应，且除了表征电场强弱还能反应出云团的靠近和远离。

图2 4月28日部分站点大气电场变化曲线Fig.2 Change curve of atmospheric electric field of some sites on April 28

图3 1月6日部分站点大气电场仪电场变化曲线Fig.3 Change curve of atmospheric electric field of some sites on January 6

1.2 不同类型天气的大气电场表征

对晴天大气电场进行研究首先需要对晴天有明确定义，目前不同研究存在不同定义，在Israslsson等[10]研究中将电场值在0～250 V/m之间的数据归类为晴天的数据；Latha[11]给出晴天的定义为空中云量，结合空中云量≤3/8、风速≤4 m/s且无降水；根据贵州地面资料统计(国家站+区域站)，结合前人的研究和低纬高原实际情况[12]，将无明显降水、少云且探测站点有效探测范围内未收到外界和雷暴云影响作为晴天状态分析，将强对流天气主要分为强降水及冰雹天气。

1.2.1 稳定性天气大气电场特征 选取典型稳定性天气个例的具体电场变化曲线结果如图4所示：不难发现如1月7日晴天的情况整体上还是以正电场为主，在凌晨有一定时段的负电场，04—12时阶段均为正电场，且幅值一般不超过0.25 kV/m，当日12时之后仪器陆续停止运作，20时开始陆续恢复，该阶段数据使用价值不高。2月18日，当日云量接近10，为阴天，贵阳雷达站、花溪站及清镇犁倭站的大气电场幅值均在0.2 kV/m以内，且均为负电场，变化平缓且幅度很小。这是因为若是在较为平坦的地面，晴天的大气等电位面平行于地面，只存在垂直分量Ez，大气相对于地面带有正电荷，地面带负电荷，在静电学中，电场方向从正电荷指向负电荷为正电场，大气电场垂直向下为正，与z轴相反，故晴天大气电场一般为正值，而当有云层覆盖时，则更多体现为负值。

图4 稳定性天气电场变化曲线(上：1月7日；下：2月18日)Fig.4 Electric field change curve of stable weather (above:January 7;under :February 18)

不难发现，实际运行中数据常存在缺失或者不正常现象，剔除系统故障或重置时段的异常值后，85%以上未受对流云团影响的天气电场幅值不超过1 kV/m,未降水过程稳定性的云团形成的对地电场较为稳定。

1.2.2 强对流天气大气电场特征 整体上的对流天气，有对流云团靠近大气电场测站时，进入探测有效距离内，垂直电场强度均会增大，且出现电场抖动，只是抖动程度不一。

除前文已描述的1月6日罕见的冬日降雹个例外，此处还给出了4月10日、4月18日降雹个例部分站点的电场变化曲线。4月10日清镇犁倭19时12分—14分降雹，观察电场曲线变化特征，在18时40分左右已出现明显的抖动，且在降雹阶段抖动得十分密集；同时有明显的“针状”变化，当出现正向针状变化表明当时瞬时释放了大量负电荷，剩余大量正电荷，电场即向正向发展，对应发生了负闪，同理负向针状变化对应中和正电荷，发生了正闪。整个过程中正向针状变化更多，但在降雹阶段相对而言存在较多的负向针状变化。4月18日息烽清坪15时11分—18分降雹，选择息烽流长对应电场数据分析，在降雹前30 min也已出现明显的抖动，降雹前及降雹阶段有明显的“针状”变化(负向居多)，降雹结束后降水阶段明显以正向针状变化为主，直至最后恢复到平稳状态。

图5 电场变化曲线(上：4月10日清镇梨诿；下：4月18日息烽流长)Fig.5 Electric field change curve (above:Qingzhen Liwei on 10,April;under:18 April on Xifeng Liuchang)

从短时强降水天气的电场变化曲线(图6)发现，整体上电场的抖动较为平均，且以正向针状变化为主，即主负闪。结合上面降雹个例的结果，幅值上，强降水过程的幅值变化要稍微平稳一些，降雹过程最大电场强度可能更大；降雹过程伴随更多的负向针状变化，对应正闪的发生，而短时强降水几乎全为正向针状变化，对应负闪，这符合降水主要伴随负闪、降雹更容易产生正闪的普遍规律[13]。

图6 短时强降水过程大气电场变化曲线(5月16日)Fig.6 Atmospheric electric field change curve during Short-term Heavy Precipitation (May 16)

2 预警方式讨论

单站地面大气电场仪进行雷电预警主要是根据实时探测的大气平均电场值的变化曲线进行判断，根据电场强度，可以给出电场仪周边一定距离范围内发生雷暴的概率，通过设定电场强度门限等级，能够实现不同时长的提前报警。根据本地大气电场数据在不同天气中的表征发现地面电场曲线的快速抖动变化可以作为雷暴发生的一个判断标准，但随着不同地区的海拔、地形、天气差异，后续需通过经验和统计得到适应各区域的预警阈值。

贵阳已建成探测网，本文对多站探测进行尝试。多站联网探测主要是利用多个大气电场仪探测到的地面大气电场来反演雷暴云内电荷分布，通过分析雷暴云电荷结构对雷电的发生进行预警[3]。基于电荷等效模型，最常用的为点球对称模型(将大量的体电荷分布集中到一点上)，雷暴云的电荷分布一般都呈现偶极性或三极性结构特征，偶极性结构是指在雷暴云的上部为一个正电荷区，下部为一个负电荷区，三极性结构除了具有偶极性结构的主电荷区，认为在雷暴云的底部还有一个规模和电荷量较小的正电荷区。对于垂直偶极性电荷结构的雷暴,E1表示为：

(1)

对具有垂直三极性电荷结构的雷暴,E2可表示为:

(2)

E1、E2为地面垂直电场，D为电偶极轴与测站之间的水平距离,QP、ZP分别为雷暴上部正电荷区的电荷量和距离地面的高度；QN、ZN为中部负电荷区的电荷量和距离地面的高度；QSP、ZSP为下部正电荷区的电荷量和距离地面的高度。以反推偶极性电荷结构为例，有D、QP、ZP、QN、ZN5个未知数，则利用不少于5个测站的地面电场观测数据，求解由不少于5个非线性方程组成的非线性方程组就可以得到这些未知数的值，获得空中电荷分布，从而进行雷电预警。

梳理2020年贵阳的强对流天气过程，结合雷达资料，发现对流云团同时处于2个及以上大气电场仪探测范围内的很少。目前设置的大气电场仪探测距离为10 km，无法满足同时5个测站都能探测到，结合前文多站联合反演的原理，开展非线性反演计算反推电荷结构方式的雷电监测预警应用分析较难，但是通过研究发现多站的跟踪观测还是有一定的意义。

以2020年5月19日过程为例，15时55分对流单体从毕节生成，向东南移动，历时6个多小时，造成毕节、贵阳2市7县区(域)降雹，当日贵阳区域大气电场仪实现有效探测的站点有清镇境内的王庄、麦格，还有贵阳雷达站，且整个过程少有处于多个测站共同探测区域内(图7)，无法开展非线性反演计算反推电荷结构方式的雷电监测预警应用分析。

图7 2020年5月19日雷达强回波中心移动路径(紫色线)与贵阳大气电场仪分布图(圆圈为有效探测范围)Fig.7 Moving path of radar strong echo center on May 19,2020 (purple line)and distribution of atmospheric electric field instrument in Guiyang (circle stands for effective detection range)

基于大气电场资料、雷达资料进行多站大气电场仪雷电预警跟踪观测的初步应用探索。当日3个站点的电场曲线如图8所示，王庄电场抖动出现时间最早，其次是麦格，最后是贵阳雷达站，这与对流云团移动的先后顺序相一致，王庄站点大气电场在18时50分左右已开始出现一定的波动，虽然幅值不大，但是抖动明显，而19时02分时对流云团最强中心距离王庄测站大概30 km(图9),距云系边缘为12 km左右，在对流云团过了清镇范围往贵阳城区移动之后清镇2个站点的电场恢复平缓状态，可见大气电场仪对于对流云的识别十分敏感。当日，贵阳雷达站的大气电场值要比清镇范围内2个站点的值明显大出很多，结合当日雷达回波资料，对流云团经过清镇境内时已经发展很强，最大回波强度已超过55 dBz，且后续一直维持，对流的强中心基本都经过了3个站点的中心，数值上的差异主要考虑安装环境影响[6-7]。大气电场探测十分灵敏，虚警率较高。通过多站跟踪观测的探索，发现上游的站点响应要明显早于下游站点，如此，结合雷达回波移动方向，可以对下游的预警起到很好的提示作用，在冰雹等强雹暴过程中多站的跟踪观测比单站的预警更为可靠，对一些区域核心保护对象能起到更早的防范作用。同时，当有一个站点出现电场抖动时可以结合云团位置综合最近周边站点电场情况判断，在一定程度上可以减轻虚警率。

图8 2020年5月19日大气电场变化曲线Fig.8 Atmospheric electric field change curve on May 19,2020

图9 2020年5月19日贵阳雷达回波图Fig.9 Echo diagram of Guiyang radar on May 19,2020

3 结论与讨论

整体上，大气电场仪能够反映云中电荷的基本发展情况，通过对不同天气的大气电场变化特征的分析得到当电场出现快速抖动且电场出现跃增时一般都会出现雷电，时间上有一定的提前性，当电场曲线出现较高频率的负向“针尖”变化时可以警惕较强雷暴的出现。

受探测距离、安装环境等因素影响，利用目前布置的大气电场仪进行有效的多站联合反推电荷结构还是较难，现阶段更适用单站的预警原理，但仅依靠电场仪本身容易导致虚警率过高，需融入雷达及闪电定位资料综合判断，当雷达回波有靠近趋势并在周边有闪电发生时，应适当增加雷电预警等级；雷达回波缓慢向外离开，则应该适当降低雷电预警等级。多个单站的跟踪观测能够更全面的体现带电云团的活动特征，上游站点的信息对下游的预警可以起到很好的提示作用，比单站的预警更为可靠，对一些区域核心保护对象能起到更早的防范作用。