高菊霞,楊碧軒,楊 舟

(陜西省防雷中心,西安 710014)

西安市周邊大氣電場特征分析

高菊霞,楊碧軒,楊 舟

(陜西省防雷中心,西安 710014)

利用西安周邊7個大氣電場探測站2010—2011年有效樣本,分別計算各站的大氣電場強度平均值、最大值、最小值,電場強度平均值世園站最大,長安站最小,電場強度最大負極值出現(xiàn)在臨潼站(-81.7kV/m),電場強度最大正極值出現(xiàn)在秦都區(qū)(39.64kV/m)。根據(jù)影響范圍將樣本分為區(qū)域性 (3個縣區(qū)站及以上)和局地性 (3站以下)雷電過程兩類,7個探測站共有雷電天氣過程樣本24d,其中局地性19d,區(qū)域性5d。對典型區(qū)域性雷電天氣過程進行分析,結(jié)果表明：電場強度平均值對雷電的發(fā)生有指示性,如果大氣電場強度大于平均值,預(yù)示探測站上空有帶電荷的雷暴云在發(fā)展；大氣電場強度曲線中抖動跳變、第一個正負極值、最大負極值和最大正極值4個特征量對雷電天氣的出現(xiàn)有明顯預(yù)警指示,一級預(yù)警 (電場值為2 kV/m)提前量為4～86min,平均提前量約22min,抖動跳變預(yù)警平均提前量約18min。

大氣電場；雷電；監(jiān)測；預(yù)警

大氣電場監(jiān)測,即探測方圓15km范圍內(nèi)晴天和雷暴天氣條件下大氣平均電場強度大小和極性的連續(xù)變化,也可以探測閃電放電所引起的電場變化。雷電的發(fā)生總是與大氣電場密切相關(guān),當大氣電位梯度[1]達到大氣的擊穿電位梯度時,將會有雷電的發(fā)生。一般空氣介質(zhì)擊穿電位梯度大約為3×1013V/m,若空氣介質(zhì)中有半徑為1mm的水滴,擊穿電位梯度降低為1×1013V/m。當有閃電發(fā)生時,大氣電場儀指示的大氣電場值會出現(xiàn)明顯不規(guī)則振動。因此,根據(jù)地面大氣電場的變化,可判斷探測站上空雷暴云中電荷變化,對閃電事件進行有效監(jiān)測和預(yù)警。

陜西省于2009年底,在華山、臨潼、長安縣及咸陽的秦都區(qū)建立4臺大氣電場儀,用于雷電的實時監(jiān)測和預(yù)警預(yù)報研究。為了做好2011年西安世界園藝博覽會氣象服務(wù)保障工作,在西安城區(qū)、涇河氣象站和博覽會園區(qū)又建立了3臺大氣電場監(jiān)測儀,大氣電場監(jiān)測在園藝博覽會氣象服務(wù)中發(fā)揮了重要作用。柴瑞等[2]分析了12次雷暴過程,發(fā)現(xiàn)電場的快變抖動和閃電的發(fā)生具有0-1化關(guān)系；王振會等[3]根據(jù)雷暴云電場特征,結(jié)合雷達等觀測資料,提出一個利用電場幅值閾值和差分閾值方法,為進行電場測站的首次地閃的雷電臨近預(yù)報方法；朱男男等[4]指出大氣電場儀曲線在雷暴發(fā)生前15～50min有劇烈變化。國內(nèi)還有許多關(guān)于大氣電場預(yù)警預(yù)警方面的研究成果[5-7],但都缺乏針對特定區(qū)域、電場特征量的基礎(chǔ)性研究,本研究填補了這方面的空白。

1 資料處理分析

7個探測站分別為臨潼站、秦都區(qū)站、長安區(qū)站、華山站、涇河站、西安市氣象局站及世界博覽會園區(qū)站,分布在西安市的東南西北4個方向,可以有效監(jiān)測西安上空雷暴特征。資料樣本為7個站2010—2011年大氣電場監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過與雷暴觀測實況、閃電定位及其他天氣現(xiàn)象對比分析,對各站資料進行篩選,華山、臨潼、長安縣和秦都區(qū)有效資料為2010年4月—2011年10月,西安、涇河、世園站可用資料為2011年5—12月。7站資料樣本集中在4—10月,其中臨潼、秦都區(qū)、長安和華山站樣本在300d以上,涇河站和西安站樣本為165d,臨潼站樣本最多為352d,世園站樣本最少為87d。華山站2011年4—10月資料,平均值在-0.8786～0.89kV/m之間,數(shù)據(jù)值不可用,可用樣本僅有2010年4—6月的77d。華山、世園站樣本較少,對總結(jié)雷電預(yù)警指標因子和預(yù)警門限值、預(yù)警等級和報警時間調(diào)整會產(chǎn)生一定影響。

2 特征分析及典型個例

2.1 各個探測站特征量

對每個探測站的樣本資料進行對比分析 (表1)可知,西安周邊的平均電場強度值為-0.1975～0.83754kV/m,最大值為39.64kV/m,最小值為-81.7kV/m,當雷暴云接近西安地區(qū)上空時,西安地區(qū)的地面平均電場波動明顯。長安區(qū)和華山站地面平均電場以負極性為主,而臨潼、秦都區(qū)、涇河、西安和世園站地面平均電場以正極性為主。進入4月,陜西全省氣溫開始回升,春季、初夏、盛夏、初秋是每年雷電發(fā)生的主要季節(jié),由于每個階段的天氣氣候特征不同,天氣影響系統(tǒng)以及水汽輸送差別較大,使每個月的大氣平均電場存在很大差異。由于大氣電場探測最大范圍為15km,有效范圍僅有10km,逐站分析各月大氣電場特征比較有意義,臨潼站8月平均電場強度最大,電場最小值月變化呈“V”字形變化,其中7月負極性最大；秦都區(qū)站8月電場平均值最大,電場最大值出現(xiàn)在6月,電場最小值出現(xiàn)在9月,6—8月正極性, 9—10負極性；長安站負極性最大值出現(xiàn)在6—7月,正極性最大值出現(xiàn)在8月,主汛期6—8月電場變化波動明顯；涇河站電場平均值月變化呈“V”字型,7—8月電場最大值正極性強度較大,電場最小值負極性強度也大,本站電場波動明顯,極性變化也明顯；西安站電場強度最大值月變化為2～5kV/m,變化幅度小,最小值月變化為-1～9kV/m,變化幅度大；世園站樣本少,安裝高度較高,電場變化曲線較明顯,預(yù)警應(yīng)用效果好；華山站海拔高、樣本少,資料代表性差。

表1 各個探測站的大氣平均電場強度最大值、最小值和平均值 kV/m

2.2 典型個例

對有明顯波動和跳變的樣本與監(jiān)測實況對比分析,結(jié)果表明,在雷電天氣發(fā)生前期或者發(fā)生過程中,大氣電場曲線波動比較明顯,雷電天氣過程樣本最多的是臨潼站有14個,最少的是秦都區(qū)和華山站為4個,7個探測站共有54個過程樣本。3站及以上同時發(fā)生雷電天氣的過程定義為區(qū)域性雷電天氣,有5個過程樣本；3站以下同時發(fā)生雷電天氣的過程為局地性雷電天氣過程,有49個樣本,且局地強對流特征明顯。西安區(qū)域性雷電天氣出現(xiàn)較少,5次天氣過程中西安、臨潼、長安、涇河、秦都區(qū)和世園站10km范圍內(nèi)有強雷電發(fā)生,特別是2011年7月17日、8月15日和8月25日發(fā)生閃電幾百次,電場強度曲線變化非常明顯,很有代表性。各個天 氣過程閃電和電場特征見表2。

表2 2011年3次區(qū)域性雷電天氣過程閃電和電場特征

2.2.1 2011年7月17日 西安周邊6個探測站在其10km范圍內(nèi)都有閃電發(fā)生,其中臨潼站最多為42次,各站電場波動與閃電發(fā)生時段基本相符,一級報警(電場強度為2kV/m)平均提前約32min,最短提前9min,最長提前86min,抖動跳變預(yù)警提前量也較明顯。選取涇河、臨潼、秦都區(qū)和西安四站說明這次過程電場變化特征(圖1)。07時開始,臨潼站大氣電場強度大于平均值,最大負極值-8.623kV/m出現(xiàn)在20：55,最大正極值5.6kV/m出現(xiàn)在20：50,首次閃電發(fā)生在20：41,一級報警發(fā)生在19：15,提前預(yù)警86min,抖動跳變出現(xiàn)在20：34,比首次閃電早出現(xiàn)7min。秦都區(qū)站19：00開始電場強度大于平均值,明顯的波動出現(xiàn)在19：30以后,19：49達到一級報警,比首次閃電發(fā)生早31min,19：51出現(xiàn)抖動跳變,比首次閃電發(fā)生提前29min。涇河站電場強度明顯抖動跳變和極值出現(xiàn)在20：00,20：05達到一級報警,首次閃電發(fā)生在20：27,提前22min預(yù)警,抖動跳變發(fā)生在20：07,提前20min預(yù)警,最大負極值-3.255kV/m出現(xiàn)在21：17,最大正極值3.463kV/m出現(xiàn)在20：52。西安站電場強度20：14出現(xiàn)明顯抖動跳變,比首次閃電早16min,第一個最大負極值-6.815kV/m出現(xiàn)在20：16,比首次閃電提前14min。

2.2.2 2011年8月15日 6個探測站10km范圍內(nèi)均發(fā)生高頻度閃電,秦都區(qū)站閃電最多179次,其次涇河站135次,電場波動和閃電發(fā)生時段基本相符,電場特征量提前預(yù)警明顯,除臨潼資料有誤,西安站未報警,其余4站提前預(yù)警時間平均25min,最短提前17min,最長提前35min,抖動跳變預(yù)警提前量也較明顯。選取秦都區(qū)、涇河、長安和世園四站說明這次過程電場變化特征(圖2)。秦都區(qū)站大氣電場強度從20：00開始大于平均值并出現(xiàn)波動,20：53達到一級報警,比首次閃電發(fā)生提前23min,21：18開始第一次抖動跳變,比首次閃電發(fā)生晚2min,此后電場值不斷升高,波動明顯,閃電密集發(fā)生。長安站大氣電場強度00—22時在平均值附近波動,22時達一級報警,比首次閃電提前17 min,長安站10km范圍內(nèi)發(fā)生閃電5次,最大負極值-26.452kV/m出現(xiàn)在22：23,最大正極值17.29kV/m出現(xiàn)在22：28。涇河站大氣電場強度00—21時一直小于平均值,21：34發(fā)生首次抖動跳變,比首次閃電提前5min,最大負極值-9.82kV/m出現(xiàn)在23：30,最大正極值5.43kV/m出現(xiàn)在23：56。世園站大氣電場強度00：00—21：00電場強度一直在平均值附近波動,21：13出現(xiàn)第一個正極值,比首次閃電提前32min,最大負極值-11.835kV/m出現(xiàn)在22：29,最大正極值8.752kV/m出現(xiàn)在22：11,10km范圍內(nèi)首次閃電出現(xiàn)在21：45,一級預(yù)警提前35min,首次抖動跳變提前15 min。

圖1 2011-07-17西安周邊四站大氣電場變化

圖2 2011-08-15西安周邊四站大氣電場變化

2.2.3 2011年8月25日 6個探測站10km范圍內(nèi)均發(fā)生較高頻度閃電,其中長安站最多102次,雷電過程伴有短時暴雨和大風,電場波動和閃電發(fā)生時段基本相符,電場變化提前預(yù)警特征較弱,僅長安站和世園站分別提前4min和13min,臨潼站未報警,涇河和西安站一級預(yù)警比首次閃電晚,秦都區(qū)站首次閃電和一級預(yù)警同時發(fā)生,長安和涇河站抖動跳變預(yù)警提前量較明顯。選取秦都區(qū)、西安、長安和世園四站說明這次過程電場變化特征 (圖3)。秦都區(qū)站大氣電場強度從16：00開始大于平均值并出現(xiàn)波動,16：07達到一級報警,與首次閃電同時發(fā)生,16：39開始第一次抖動跳變,比首次閃電發(fā)生晚32min,閃電密集發(fā)生同時電場值不斷升高,抖動跳變明顯。長安站大氣電場強度最大負極值-17.645kV/m出現(xiàn)在17：18,最大正極值18.737kV/m出現(xiàn)在17：35,16：28出現(xiàn)首次抖動跳變,比首次閃電發(fā)生提前10min,一級預(yù)警發(fā)生在16：34,比首次閃電提前4min。西安站閃電發(fā)生在17：23—19：37,最大正極值2.078kV/m出現(xiàn)在18：31,一級預(yù)警出現(xiàn)在17：57,比首次閃電發(fā)生晚34min,預(yù)警特征不明顯。世園站大氣電場強度17：00—20：00大于平均值,17：10達到一級預(yù)警,比首次閃電發(fā)生提前13min,17：22出現(xiàn)首次抖動跳變,比首次閃電發(fā)生提前1min,閃電持續(xù)約2h,在測站10km范圍發(fā)生閃電74次。

圖3 2011-08-25西安周邊四站大氣電場變化

3 結(jié)論

(1)對7個探測站的有效樣本進行分析,計算各站大氣電場強度平均值、最大值、最小值,其中世園站電場強度平均值最大,長安站最小。電場強度最大負極值-81.7kV/m出現(xiàn)在臨潼站,最大正極值39.64kV/m出現(xiàn)在秦都區(qū)。

(2)雷電過程樣本可分為兩類：一是區(qū)域性雷電過程,影響范圍在三縣區(qū)及以上；二是局地性雷電過程,影響范圍在三縣區(qū)以下。共有雷電天氣過程24d,其中局地性19d,區(qū)域性5d。

(3)電場強度平均值對雷電的發(fā)生有指示性,大氣電場強度大于平均值預(yù)示探測站上空有帶電荷的雷暴云發(fā)展；抖動跳變、第一個正負極值、最大負極值和最大正極值四個電場特征量對首次閃電的發(fā)生預(yù)警明顯；一級預(yù)警 (電場值為2kV/m)提前量在4～86min,平均提前量約22min,抖動跳變預(yù)警平均提前量約18min。

(4)大氣電場資料單一、特征量少,須結(jié)合天氣形勢、雷達、衛(wèi)星等資料才能真正做到雷電天氣有效預(yù)警。

[1] 黃榮輝.大氣科學(xué)概論[M].北京：氣象出版社,2005：25-30.

[2] 柴瑞,王振會,肖穩(wěn)安,等.大氣電場資料在雷電預(yù)警中應(yīng)用[J].氣象科技,2009,37(6)：724-728.

[3] 王振會,徐棟璞,曾慶鋒,等.利用地面大氣電場和雷達資料進行雷電臨近預(yù)報方法 [J].科技導(dǎo)報,2012,30(14)：42-48.

[4] 朱男男,宮全勝,易笑園,等.地面大氣電場資料在強對流天氣預(yù)報中的應(yīng)用 [J].氣象科技2010,38(4)：423-426.

[5] 徐斌,張穎,賈煥玉,等.西藏羊八井地區(qū)近地晴天大氣電場周期變化[J].高原氣象,2009, 28(2)：314-318.

[6] 潘家利,王明亮,吳海,等.基于大氣電場的雷電監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究 [J].氣象研究與應(yīng)用, 2012,33(3)：94-98.

[7] 羅林艷,祝燕德,王智剛,等.基于大氣電場與閃電資料的雷電臨近預(yù)警方法 [J].成都信息工程學(xué)院學(xué)報2010,25(5)：524-530.

P427

A

高菊霞,楊碧軒,楊舟.西安市周邊大氣電場特征分析[J].陜西氣象,2015(2)：27-31.

1006-4354(2015)02-0027-05

2014-09-28

高菊霞(1972—),女,漢族,陜西眉縣人,學(xué)士,高級工程師,從事雷電監(jiān)測、預(yù)報、預(yù)警業(yè)務(wù)服務(wù)和雷電臨近預(yù)警研究。

2013年度陜西省氣象局預(yù)報員專項(2013Y-11)