大气电场仪辅助观测机场区域雷暴的方法探析

陈镇 徐志钦 林士渠 朱弘威

（中国民用航空厦门空中交通管理站，福建 厦门 361000）

雷暴是积雨云强烈垂直发展所产生的一种天气现象，夏季对流旺盛，气流在不断上升、下沉中发生大量的摩擦，积累大量电荷，一旦气流上升到一定高度，急速冷却后快速下沉，于是就形成了雷暴。除了带来强降水外，往往还可能伴有冰雹、大风、下击暴流、风切变、雷击等灾害性天气，会给飞行带来很大的困难，甚至会引起飞机失去控制、机上设备损坏、发动机失效等，对飞行安全产生严重威胁。

雷暴是目前严重威胁航空飞行安全的重要因素。以厦门高崎机场为例，雷暴年平均日数达29.8 天，最多达到49 天（1997 年），在飞行保障中，雷暴又是我们保障的重要天气与难点。现有的雷暴观测，基本依靠观测员的目力观测，观测的精力、经验的不足，观测的服务精度、准确度等难免保证不够。而大气电场仪能够准确地、不间断地连续测量大气背景电场强度的大小和变化状况，能够测量出某一个地区是否有存在雷暴活动并发出警报。如果能够利用大气电场仪的探测资料，结合雷达回波、卫星云图等提供服务，将大大提高服务质量。因此，该文从大气电场仪的资料辅助雷暴观测的方法进行探讨，期冀能减少雷暴对飞行安全的影响及危害，为进一步提升民航气象观测服务质量、保证飞行安全提供点滴经验。

1 大气电场仪原理简介

大气电场仪是当今先进的雷电遥感探测设备，不仅能实现大气电场变化的实时观测，还可以有效探测雷电的发生、发展过程[1]。大气电场仪是利用导体在电场中产生感应电荷的原理来测量电场，积雨云内的电荷累计到一定程度时产生放电现象，周围的电场就会发生变化。当携带电荷的积雨云形成或在远处的时候，电场强度开始增大；积雨云逐渐靠近，因为云层正负电荷产生的电场相互抵消，电场强度减小；当携带大量电荷的积雨云进一步靠近，电场强度急剧增大。地面电场仪上的感应电荷强度与云底部附近的电荷成正比，因此地面电场仪可以帮助我们实时探测其周围地区的大气电场信号[2]，再使用提前设定好的大气电场值来划分强度等级，从而达到雷暴预警的功能。

2 资料来源

该文所用的大气电场数据采集于厦门市气象局安装在厦门高崎机场气象观测场的大气电场仪，型号为ZQZ-TD1，其传感器性能数据如表1 所示。其大气电场值采样频率为每次/秒，该文采用本分钟秒数据的平均值(分钟平均值)，单位为kV/m。

表1 ZQZ-TD1 型大气电场仪部分性能数据

3 资料特征分析

3.1 雷暴天气与其它天气的特征对比

按照民航气象观测规定，雷暴天气现象在民航气象观测中的通报和记录尤为特殊，雷暴开始和终止时间的记录，以第一次闻雷或第一次探测到机场范围有闪电时（闪电定位仪）为开始时间，最后一次闻雷或探测到闪电，而且确认10分钟内没有再听到雷声或探测到闪电，就认为雷暴已经终止或已移出本场[3]。

在天气晴朗或阴天无强对流云系时，大气电场强度通常在-1kV/m 到+1kV/m 范围内，但是携带大量电荷的积雨云的发展能使四周的大气电场强度达到几千伏/米。在晴朗无云天气下，电场强度范围是：-500V/m 到+500V/m，如图1 所示。当出现雷暴天气时，大气电场强度随着积雨云产生的雷电强度的增大而增大，能够超过10kV/m，在发展旺盛的积雨云产生的雷暴甚至能够超过20kV/m。

图1 厦门机场某次晴朗天气大气电场值变化曲线

因此观测员密切监视雷达回波、卫星云图，结合大气电场值的变化，有利于掌握雷暴的强度和发展、移动的趋势。

3.2 雷暴天气特征分析

3.2.1 短时间雷暴特征分析

以2019 年4 月11 日发生的一次持续时间较短的雷暴天气过程为例，持续时间约1 小时，其移动路径大致为由机场西北方向东移至机场东北方向，大气电场值随时间变化由图2 所示。

图2 2019 年4 月11 日雷暴过程大气电场强度变化曲线

由上图所示本次雷暴过程大气电场强度的变化过程较为简单，可大致分为以下几个时间阶段：第一阶段为17:10-17:30，大气电场强度变化曲线由最开始稳定在-0.5kV/m 到+0.5kV/m 范围，到逐渐产生快速的波动，大气电场强度的最大值在不断增大并且在不停波动，这表明距离厦门机场较远的位置有雷电的发生。从雷达回波图3 所示可知，17:19 雷达回波中心距离厦门机场约20 公里，中心强度超过55dBZ。从大气电场强度曲线产生的快速波动分析，这个阶段大气电场强度值的波动范围是在零点值附近，其中大气电场强度的最大值达2.7kV/m，说明在大气电场仪的探测距离范围所产生的闪电可能为能量不大的云间闪。

第二阶段为17:30-17:50，从大气电场强度变化曲线可知这个阶段的大气电场强度开始向负轴快速增大，表明积雨云的位置向厦门机场方向靠近，并在不断发展，积雨云所积累的负电荷也在不断增加。当云层底端和地面之间的电势差达到一定强度，便会发生先导闪电，能够将地面电场瞬间倒转[4]，在大气电场强度变化曲线中表现为指向正轴的快变尖峰。雷达回波图3 所示的17:31 雷达回波图距离厦门机场约10-15 公里，观测员此时第一次闻雷，闻雷方向在机场西北面。当一次放电结束以后，云层又会马上重新聚集电荷，继续下一次的放电过程[4]。17:48 观测员闻雷已移至北面，可以看出观测员的实测闻雷与大气电场值变化较为一致。这个阶段内大气电场强度有三次明显的正负电场的转变，三次峰值分别为-27kV/m、+19kV/m 和-18kV/m，大气电场仪的报警等级达到3 级。

第三阶段为17:50 之后，大气电场强度在-5kV/m 到+5kV/m 范围波动，随后逐渐向零点值靠近，表明雷云回波中心减弱或逐渐远离机场范围。雷达回波图3 显示雷达回波中心已从主体分离，移动机场东北面。

图3 2019 年4 月11 日雷达组合反射率17:19(a)、17:31(b)、17:42(c)、17:55(d)

3.2.2 长时间雷暴特征分析

以2019 年4 月22 日发生的一次持续时间较长的雷暴天气过程为例，持续时间约4 个小时。其移动路径大致为由机场西面东移至机场东面，大气电场值随时间变化由图4 所示。

图4 2019 年4 月22 日雷暴过程大气电场值变化曲线

第一阶段为16:10-16:40，大气电场强度变化曲线由最开始稳定在-0.5kV/m 到+0.5kV/m 范围，到逐渐产生快速的波动，大气电场强度的最大值在不断增大，这表明距离厦门机场较远的位置有雷电的发生。雷达回波图5 所示的16:31 第一块雷达回波中心距离厦门机场约25 公里，中心强度超过60dBZ。

第二阶段为16:40-18:10，这段时间内地面电场强度除了有两次向负电场方向的转变，电场强度基本为正，说明第一块回波中心以正电荷为主，多为正闪。雷达回波图5 所示的16:53 回波中心距离厦门机场约10 公里，此时大气电场强度达到本阶段最大值+13kV/m，随后在16:56 时观测员此时第一次在机场西北面闻雷。17:51 雷达回波图显示第一块回波中心已逐渐远离机场并减弱，第二块回波中心正接近机场，位于机场西面约30 公里。

图5 2019 年4 月11 日组合反射率16:31(a)、16:53(b)、17:51(c)、18:13(d)、18:36(e)、19:10(f)

第三阶段为18:10-20:00，本阶段显示第二块回波中心以负电荷为主，多为负闪。18:13 第二块回波中心距机场约15公里，18:36 回波中心接近机场区域，19:10 东移至机场东面20 公里，此时大气电场强度任处于大幅波动阶段，第四阶段为20:00 之后，大气电场强度的波动逐渐趋于平稳，并且逐渐向零点值靠近，表明雷云回波中心减弱或逐渐远离机场范围。

3.2.3 雷暴特征与实际观测结果对比分析

大气电场强度的变化和雷暴的产生、发展和移动有着较好的对应关系。当雷暴接近时，大气电场值由稳定到逐渐增大，云层和地面电势差达到一定强度，放电导致电场瞬间倒转，从其变化曲线可以看出一个相对峰值。《民用航空气象地面观测规范》中第一百零一条规定，雷暴开始时间的记录是以第一次闻雷或第一次探测到机场范围内有闪电时为开始时间，但厦门高崎机场未配有闪电定位仪，所以雷暴开始时间以观测员第一次闻雷为开始时间。该文通过统计20 次雷暴，由图6 所示，对比其大气电场值由稳定首次增大到极大值的时间和观测员第一次闻雷时间，大气电场值首次达到极大值的时间平均提早于观测员第一次闻雷时间约3min，这对观测员观测雷暴有着较好的预警作用。

图6 大气电场值与闻雷时间散点图

4 总结与展望

4.1 总结

通过以上分析与比对，可以得到：

4.1.1 利用大气电场强度变化曲线特征可以掌握不同的天气情况，对于观测员有一定的指示作用。值班期间观测员可多关注和参考大气电场仪数据。当大气电场强度变化曲线由稳定逐渐发生快速波动，最大值不断增大且不断波动时，说明强对流天气即将发生，甚至强回波中心正在接近观测点，观测员应加强观测巡视工作。

4.1.2 雷暴天气现象发生时，大气电场强度首次增大达到极大值，开始放电向相反方向变化时，根据大气电场值首次达到极大值的时间和观测员第一次闻雷时间有较好的关联性，通常滞后3 分钟，观测员应集中精力，做好闻雷的观测、记录和发布天气报告准备。

4.1.3 当雷暴持续时间较长时，大气电场值达到峰值向相反方向变化时，会接近或经过零点值，大气电场仪的报警等级可能会显示为0，这时不代表雷暴已经远离或者消散，强回波中心可能在本场上空，正在为下一次放电重新聚集电荷。因此，观测员不可放松警惕，应持续做好观测与报告等工作。

4.2 应用展望

4.2.1 组建大气电场仪区域联合监测：利用多台大气电场仪，在相同时间，不同的站点的大气电场仪对同一雷暴系统的联合监测，能得到监测区域内大气电场强度的分布，进一步预测出雷暴系统中心方位及其移动路径。

4.2.2 大气电场仪和闪电定位仪结合监测：大气电场仪能够反映雷暴云的电场强度特征和活动状况，闪电定位仪能够确定闪电发生的位置，两者进行适当的组合，可以组成整个区域内对雷暴和雷电活动的综合监测网[5]，可以提升对雷暴天气系统的预报和预警功能。