基于电场变化的雷电预警分析

李庆申，张东东，赖晋科，李建勇，刘银锋，杜建苹

（1.北京华云东方探测技术有限公司，北京 100081；2.广东省气象探测数据中心，广东广州 510640）

雷电是发生于大气中的一种瞬态大电流、高电压、强电磁辐射的天气现象［1－2］。伴随微电子器件和信息技术的广泛应用，雷电灾害愈加严重。面对雷电灾害服务的社会需求，发展雷电灾害的监测、预警预报和产品服务，是社会和人类生活中雷电灾害防御系统的重要组成部分，也是雷电监测站网发展所要面临的难点。雷电发生前，大气电场会有明显变化，根据地面大气电场变化，提前进行雷电预警，减少雷电对社会造成的危害［3］。秦微等［4］利用多元回归技术，提取出与闪电发生相关性较高的因子，建立一套预报方程及最佳电场预警参数；王强等［5］利用电场差值法实现电场在雷电预警中的有效分析；李颖等［6］利用傅立叶变换将大气电场时间序列转变为频率特性，研究如何将大气电场数据应用于雷电预警。

本研究利用电场阈值、电场变化相结合的判断条件形成新型雷电预警模型，结合电场组网数据，进行雷电预警分析。通过对基于电场阈值预警及新型雷电预警模型两种预警方法分析，证明新型预警模型的可行性。

1 方法与实验

1.1 方法

当电场场值超过预设阈值时，大气电场仪就产生预警信号。由于电场易受周围环境及其它因素干扰，因此大气电场仪会产生误警［7－8］。根据柴瑞等［9］对大气电场的研究，利用实际电场场值，同时结合单位时间内电场差分，能够极大提高预警正确率。

新型雷电预警模式基于电场阈值及电场变化率作为预警判断条件，即当前电场场值达到预设等级阈值，并且连续3 s电场场值两两之差大于预设变化值，产生相应预警信息。例如：V3－V2＞ΔV，V2－V1＞ΔV，同时V3和V2大于1级预警值，则为1级预警，依次类推，如图1所示，其中V3、V2、V1分别代表连续3 s电场场值，ΔV代表预设变化值。雷暴发生时伴随着电场场值的正负交替变化，而电场变化值并不能完全反映正负交替变化。因此，新型雷电预警模式融合电场正负变化，能够提高预警正确率。

图1 电场阈值及变化率的预警流程示意图

1.2 实验

广东地区具有多雷电雷暴发生的特点［10－11］。根据大气电场仪探测半径，在广东从化行政区域组网布设11台电场仪，分别是温泉中学、吕田东明、吕田连麻、鳌头丁坑、鳌头山心、流溪河林场、太平二中、鳌头下西、吕田新联、大岭山林场、从化区气象局。

同时利用广东DDW1闪电定位数据，分析验证本方案预警效果。

1.3 仪器介绍

1）闪电定位仪。

闪电定位仪主要测量闪电信号极性、电磁场强度、电流幅值等各种雷电特征信息［12］。本研究使用广东省气象局DDW1型全闪闪电定位数据，包括云地闪（Cloud Ground Flash，CG）和云闪（Inter Cloud Flash，IC）数据。DDW1型全闪闪电定位仪定位精度低于500 m，云地闪及云闪探测效率分别为100%和50%以上。

2）大气电场仪。

大气电场是大气电学的基本参数，在晴天电学、雷暴电学和闪电的研究中，以及雷暴和闪电测量监测中具有重要作用［13－15］。本研究使用北京华云东方探测技术有限公司生产的AEFI型大气电场仪进行分析，其探测半径为20 km，测量范围为－50～＋50 kV／m，分辨率为10 V／m，测量误差小于5%。

2 结果与分析

利用一次雷暴过程介绍新型预警模型。分别利用电场阈值和新型预警模型两种预警方法对2018年6月—2018年7月电场数据预警统计分析比对，进一步验证新型预警模型的优点。

2.1 阈值和电场变化结合的新型预警模型

正常条件下，大气电场强度为每米几百伏，但是暴风雨的来临能够推进大气电场强度达到每米几千伏。由于电场变化过程较为缓慢，大概需要30 min，所以通常利用大气电场仪了解周围地区雷暴的发展活动状况，进行雷电预警［16－17］。

以2018年8月21日广州从化地区一次雷暴过程为例，选择从化区气象局电场数据进行分析（图2），其中图2a为实际电场场值，图2b为电场差值（即变化率），图2c为电场抖动，即电场正负交替变化情况。

图2 2018年8月21日从化电场仪电场场值及场变化

由图2a可以看出，在14：26（北京时，下同）出现高于预设阈值3 kV／m的电场场值。根据阈值预警，生成预警信号。图2b中14：13电场变化率高于预设阈值；利用电场差值预警，则在14：13后出现差值超过阈值情况。图2c中可见统计单位时间内场强抖动，包括正负交替，在14：02即出现抖动现象，随着场强的变化积累，抖动在14：10左右达到峰值。根据DDW1闪电定位结果，在14：19后该台站1 km范围内连续发生闪电。因此，单独利用阈值预警，则会产生误报信息。利用新型预警模式，能够至少提前10 min产生预警信息。

2.2 预警结果统计分析

利用阈值预警方法以及新型预警模式分析广州市从化区气象局（即11号站）2018年6—7月电场数据，获得预警信息。同时与该台站1 km范围内DDW1闪电定位数据进行比对，验证预警时效性。具体信息如表1所示。

表1 2018年6—7月电场预警信息与闪电定位数据对比

由表1可知，在15个样本统计中，具有以下几个特征：

（1）利用阈值预警，共有7次成功预警，其余8次分别存在漏警（有闪电发生，但是没有预警信号）及虚警（有预警信息，但是实际没有发生闪电）情况。即正确率：7／15＝47%；错误率：8／15＝53%。成功预警平均提前15 min 42 s。

（2）利用新型预警模式，共有10次成功预警，其余5次存在错误预警。即正确率：10／15＝66.7%；错误率：5／15＝33.3%。成功预警平均提前19 min17 s。

（3）相比阈值预警，新型预警模式正确率由47%提高到66.7%；错误率由53%降低到33.3%。

3 结论

1）雷暴个例分析证明电场变化与闪电存在相关性。

2）使用传统的电场阈值法时，预警时效较好，但是误报率较高；

3）通过电场变化进行预警，预警成功率高，误报率较低；并且能够实现接近20 min的短临预警。

通过上述对比分析，基于电场变化的新型预警模型的预警效果明显优于传统的阈值预警效果，包括预警成功率及预警时效。在下一步的工作中，将基于新型预警模式分析从化组网布设的电场数据，实现区域预警。