呼和浩特地区大气电场预警系统预警效果评估

王曼霏，王乐乐，申紫薇，徐燕霞，石茹琳

（1.内蒙古自治区雷电预警防护中心，内蒙呼和浩特 010051；2.内蒙古自治区气候中心，内蒙呼和浩特 010051）

0 引言

雷电灾害已成为影响内蒙古经济社会发展的严重灾害之一。近15年，内蒙古自治区共发生雷灾事故653起，平均每年发生43.5次。雷击直接经济损失17 516万元，每年雷击损失1 167.8万元；雷击人员伤亡的事故136起，伤亡人数233人，死亡人数154人[1]。由于雷暴生命周期短、范围小，而业务数值预报模式时空扩展性小以及水平、垂直分辨率较低，因此雷暴预警预报是天气预报中较困难的工作之一。强对流天气的发生、发展具有突发性和局地性，所以雷电预警更多地借助于实时监测手段[2]。而雷暴过程中云内的起、放电不仅仅引发了闪电的发生发展，同时也使得近地面的大气电场发生了剧烈变化。因此，大气电场预警系统有效利用雷暴云通过测站时大气电场的变化规律，对雷电活动进行预警[3]。对于雷电预警，其预警信号是否有效及时是用户最关心的问题，同时也是防灾减灾的重要依据，因此对大气电场预警系统的预警效果的评估，是为今后更好地服务于用户，改善预警能力提供重要依据。

1 研究方法

大气电场预警系统预警级别的划分主要是依据电场强度的变化。[4]当电场强度达到2 000 v/m时系统开始发出预警信号，为一级预警，电场提升至4 000 v/m预警提升至二级；当电场达到6 000 v/m时预警信号提升至三级；当预警信号下降至500 v/m以下并持续30分钟时警报解除。而雷电预警检验分 3 种指标：TS评分，空报率，漏报率。因此，利用大气电场的变化特征与检验的三个指标拟定评分标准。将2018—2019年大气电场预警系统于7、8两月运行期间观测得到的内蒙古呼和浩特市地区地面电场观测数据根据预警事件、预警范围进行统计处理，并计算出用于检验预警系统的三个指标。

2 呼和浩特地区大气电场预警系统预警评分

大气电场雷电预警服务系统是根据大气电场随着雷暴云移动时地面大气电场的变化特征，利用大气电场仪对大气电场指标监测，从而对重点区域闪电活动进行雷电预警监测的手段之一[5-6]。本文对2019-2019年7月、8月呼和浩特地区运行的测站的预警数据进行汇总与处理，利用TS评分对预警结果进行分析，从多个方面对大气电场雷电预警服务系统进行了评估，结果较好。

2.1 雷电预警等级的划分及评估标准

当电场强度达到2 000 v/m时系统开始发出预警信号，为一级预警，电场提升至4 000 v/m预警提升至二级；当电场达到6 000 v/m时预警信号提升至三级；当预警信号下降至500 v/m以下并持续30分钟时警报解除。

雷电预警检验分3种指标：TS评分，空报率，漏报率。采用了较严格TS评分方法。将雷电预警过程与实况闪电（即闪电定位仪数据）作比较。评估准则如下：

为了与真实观测数据对比，将预警范围划分为以电场仪站点为中心的5 km范围、10 km范围和20 km范围。在预警中，将首次预警发出的时间记为一次雷暴过程的开始时间，预警解除后若30分钟内没有再次发出预警则将首次预警解除时间记为该过程的结束时间，若30分钟内再次发出预警信号，则将结束时间顺延至第二次预警解除，以此类推，将开始时间到结束时间的整个过程记为以此雷暴事件。

当一次雷暴事件过程中在5 km（或10 km、20 km）范围内有地闪发生时则将该次事件记为该月的一个正确样本NA。当一次雷暴事件过程中在5 km（或10 km、20 km）范围内没有地闪发生时则将该次事件记为该月的一个空报样本NB。闪电实际发生系统却没有发出预警信号的情况为漏报，因此将发生时间间隔小于30分钟的一个或几个闪电记为一次漏报事件，一次漏报事件为该月的一个漏报样本数NC。

根据上述样本可以得到以下三个指标：

TS评分：Ts=NA/（NA+NB+NC）；

漏报率：PO=NC/（NA+NC）；

空报率：NH=NB/（NA+NB）。

2.2 呼和浩特地区测站2018—2019年7月、8月大气电场预警评分

通过对2018年7、8月两月各个站点的数据分析，可以得到预警范围在10 km以内的准确率、漏报率和空警率均值分别为20.2%、49.7% 和68.5%，明显高于20 km以内的18.8%、71.9%和59.1%。其中10 km以内范围准确率可达到32%高于预报中雷电预警水平。内蒙古医科大学附属医院站点8月份10 km预警范围内准确率为32%，漏报率为25%，空报率为65%。由该月全部预警事件可知，预警发生时出现地闪的情况为6次（即正确样本），未发生地闪的情况为11个（即空报样本），还有两次地闪发生时没有预警的时间（即漏报）。其中，正确样本中，从预警开始到首次地闪发生的时间（即预警时效）从2分钟到2小时不等。两次漏报分别发生在8月5日14：25：23和8月25日16：33：25。

通过对2019年7、8月两月各个站点的数据分析，可以得到2019年7月预警范围在5 km以内的TS评分、漏报率和空警率均值分别为0.14、30%和85%，预警范围在10 km以内的TS评分、漏报率和空警率均值分别为0.16、49%和80%，而预警范围在20 km以内的TS评分、漏报率和空警率均值分别为0.19、69%和65%。2019年8月预警范围在5 km以内的TS评分、漏报率和空警率均值分别为0.12、46%和81%，预警范围在10 km以内的TS评分、漏报率和空警率均值分别为0.18、56%和74%，而预警范围在20 km以内的TS评分、漏报率和空警率均值分别为0.18、73%和61%。由此可见，无论是7月还是8月，随着预警范围不断增大，闪电TS评分逐渐增高空警率逐渐降低，但范围的增大导致地闪数据增多，因此漏报率也逐渐增高。

2018—2019年7—8月呼和浩特地区大气电场预警系统观测结果如图1、2所示，漏报率和空警率随着站点的不同起伏变化较大，值之间成反比。TS评分无论是5 km、10 km、还是20 km均从0.17～0.39不等，但总体趋于0.2，仍然有待提高。其中以10 km范围预警准确率较高，可达到预报中雷电预警水平32%以上。

空报率偏高主要是由于：一是各个站点的参数设置中没有考虑到具体站点之间的差异而进行校准，大气电场预警的阈值每站也都相同，后期还将继续校准订正，从而提高准确率。二是城区内环境较为复杂，周围仪器设备会对大气电场仪产生干扰，从而使得观测值增大出现预警。三是在雷暴云通过测站的过程中除了会发生可以观测到的地闪，云内也会持续不断的发生云闪从而影响地面电场的值，因此在预警过程中也会产生空报，后期还应在与闪电定位资料对比的基础上与雷达资料进行对比。

3 结语

从2018—2019年7—8月呼和浩特地区大气电场预警系统数据TS评分结果来看，无论是7月还是8月，随着预警范围不断增大，闪电TS评分逐渐增高空警率逐渐降低，但范围的增大导致地闪数据增多，因此漏报率也逐渐增高。漏报率和空警率随着站点的不同起伏变化较大，值之间成反比。TS评分无论是5 km、10 km、还是20 km均从0.17～0.39不等，但总体趋于0.2，仍然有待提高。其中以10 km范围预警准确率较高，可达到预报中雷电预警水平32%以上，总体来说，预警效果较为符合预期，后期将继续研究以更好地提高预警效果。