張春龍,李鵬飛,李春影,張衛(wèi)星

（黑龍江省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，黑龍江哈爾濱150030）

基于大氣電場(chǎng)與閃電定位資料的哈爾濱地區(qū)雷電預(yù)警方法研究

張春龍,李鵬飛,李春影,張衛(wèi)星

（黑龍江省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，黑龍江哈爾濱150030）

利用大氣電場(chǎng)和閃電定位兩種資料相結(jié)合，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析哈爾濱地區(qū)32次雷暴過(guò)程中的大氣電場(chǎng)強(qiáng)度和雷電發(fā)生距離數(shù)據(jù)，依據(jù)大氣電場(chǎng)強(qiáng)度等級(jí)和雷電發(fā)生距離等級(jí)兩個(gè)因子建立了哈爾濱地區(qū)雷電預(yù)警指標(biāo)分級(jí)矩陣，最終將雷電預(yù)警等級(jí)劃分為黃色、橙色、紅色三個(gè)級(jí)別，預(yù)警等級(jí)分值R劃分為三個(gè)等級(jí)并賦以三種顏色，表示雷電發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的三個(gè)等級(jí)：紅色代表極易發(fā)生雷電，R分值為6－9；橙色代表易發(fā)生雷電，R分值為3－4；黃色代表可能發(fā)生雷電，R分值為1－2。實(shí)踐表明兩種探測(cè)資料結(jié)合建立了預(yù)警等級(jí)矩陣模型對(duì)提高雷電預(yù)警的準(zhǔn)確率有重要意義。

1 引言

雷電是強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生時(shí)雷暴云的一種劇烈的放電現(xiàn)象，是聯(lián)合國(guó)公布的最嚴(yán)重的10種自然災(zāi)害之一[1]。如何做好雷電災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)工作，提高雷電災(zāi)害的防御能力是氣象部門所面臨的難點(diǎn)和挑戰(zhàn)。

雷電的監(jiān)測(cè)手段分為直接監(jiān)測(cè)和間接監(jiān)測(cè)，閃電定位系統(tǒng)可用于直接監(jiān)測(cè)雷電信息，對(duì)雷電的監(jiān)測(cè)取得了較好的成果。值得注意的是，閃電定位系統(tǒng)對(duì)于尚未發(fā)生雷電的云沒(méi)有任何監(jiān)測(cè)結(jié)果響應(yīng)，無(wú)法探測(cè)到閃電形成前云中電活動(dòng)的演變過(guò)程。以往的雷電預(yù)警服務(wù)大多是借助大氣電場(chǎng)儀，通過(guò)測(cè)量大氣電場(chǎng)的強(qiáng)度和極性的變化特征實(shí)現(xiàn)短時(shí)臨近預(yù)警。由于大氣電場(chǎng)儀對(duì)周圍環(huán)境的響應(yīng)極為靈敏，容易受天氣狀況、電磁場(chǎng)干擾及其它外界因素的影響，進(jìn)而觸發(fā)預(yù)警門限而出現(xiàn)空?qǐng)?bào)[2]。

高菊霞等人分析了閃電定位資料和大氣電場(chǎng)資料在陜西省預(yù)警業(yè)務(wù)中的應(yīng)用，指出了兩種資料的特征在強(qiáng)對(duì)流天過(guò)程中具有很好的指示作用[3]。為了對(duì)可能造成的雷擊危險(xiǎn)進(jìn)行有效識(shí)別和預(yù)警，本文將閃電定位系統(tǒng)與大氣電場(chǎng)儀進(jìn)行結(jié)合，在此基礎(chǔ)上研制出不同等級(jí)的雷電警報(bào)閾值，有助于提高區(qū)域的綜合雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警水平。

2 資料來(lái)源

本研究所用的大氣電場(chǎng)資料來(lái)源于安裝在黑龍江省氣象臺(tái)（45°43′27″N,126°43′42″E）的大氣電場(chǎng)儀，數(shù)據(jù)時(shí)段為2014年1月1日－2016年12月30日。電場(chǎng)儀的大氣電場(chǎng)強(qiáng)度探測(cè)范圍為±150 kV/m，最大探測(cè)距離為20 km，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為每秒一個(gè)。

本研究所用到的閃電定位數(shù)據(jù)為2005年建立的ADTD閃電定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要用來(lái)探測(cè)云地閃,并且能區(qū)分正負(fù)極性,在氣象、航天、航空、通訊、林業(yè)、電力、建筑等國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。監(jiān)測(cè)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)地閃時(shí)間、位置（經(jīng)度、緯度）、雷電流峰值和極性的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

3 雷電預(yù)警指標(biāo)的建立

3.1 雷電預(yù)警指標(biāo)的選取

本研究通過(guò)對(duì)黑龍江省大氣電場(chǎng)資料和閃電定位資料的分析得出，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度曲線增加時(shí)，大氣電場(chǎng)儀并不能探測(cè)出是云層帶電量的不斷增加，還是因?yàn)橛袕?qiáng)的帶電云團(tuán)正在靠近電場(chǎng)儀。與大氣電場(chǎng)儀監(jiān)測(cè)方式截然不同的是，閃電定位系統(tǒng)通過(guò)大氣中閃電電磁脈沖的特征，可以確定閃電發(fā)生的具體位置。

一般情況下，電場(chǎng)強(qiáng)度波動(dòng)越劇烈、閃電距離中心點(diǎn)越近，那么中心點(diǎn)發(fā)生對(duì)地閃擊的概率越大，將大氣電場(chǎng)儀和閃電定位系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合，閃電定位數(shù)據(jù)和大氣電場(chǎng)儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示平臺(tái)可以獲取閃電發(fā)生距離、大氣電場(chǎng)儀的距離和大氣電場(chǎng)強(qiáng)度的數(shù)值，從而更加直觀地監(jiān)測(cè)雷暴活動(dòng)。因此本研究選取大氣電場(chǎng)強(qiáng)度和閃電發(fā)生距大氣電場(chǎng)儀的距離兩個(gè)因子分別建立三級(jí)預(yù)警指標(biāo)，分別為雷電發(fā)生低、中、高三種可能性，將其量化為分之等級(jí)，對(duì)應(yīng)分?jǐn)?shù)為1分、2分、3分。

分析了32次雷暴過(guò)程本地區(qū)大氣電場(chǎng)變化特征和閃電定位數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析后得到大氣電場(chǎng)強(qiáng)度因子三級(jí)分別為3 kV/m、6 kV/m、9.5 kV/m，雷電發(fā)生距離因子三級(jí)分別為10 km、15 km、20 km。本研究的原理是通過(guò)不斷將監(jiān)測(cè)值與預(yù)先設(shè)定的警報(bào)閾值相比較，就可以在第一次雷擊產(chǎn)生前，探測(cè)到其發(fā)生的可能性，并且發(fā)出危險(xiǎn)信息。雷電預(yù)警指標(biāo)等級(jí)分值見(jiàn)表1。

表1 雷電預(yù)警指標(biāo)等級(jí)分值

3.2 雷電預(yù)警等級(jí)分級(jí)矩陣的建立

將雷電預(yù)警等級(jí)分為三個(gè)級(jí)別，分別為黃色、橙色、紅色。黃色警報(bào)代表可能發(fā)生雷電；橙色警報(bào)代表雷電發(fā)生概率較高，易發(fā)生雷擊；紅色警報(bào)則表明雷電發(fā)生概率非常高，極易發(fā)生雷擊。

雷電預(yù)警等級(jí)由大氣電場(chǎng)強(qiáng)度等級(jí)和雷電發(fā)生距離等級(jí)決定。以P代表大氣電場(chǎng)強(qiáng)度等級(jí)，以C代表雷電發(fā)生距離的等級(jí)，以R代表雷電預(yù)警等級(jí)。R的等級(jí)由P和C的乘積決定，見(jiàn)式1。

R=P×C（1）

式中：

R——雷電預(yù)警等級(jí)分值

P——大氣電場(chǎng)強(qiáng)度等級(jí)分值

C——雷電發(fā)生距離的等級(jí)分值

將雷電預(yù)警指標(biāo)等級(jí)劃分為高、中、低三個(gè)級(jí)別，預(yù)警等級(jí)分值R劃分為三個(gè)等級(jí)并賦以三種顏色，表示雷電發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的三個(gè)等級(jí)：紅色代表極易發(fā)生雷電，R分值為6－9；橙色代表易發(fā)生雷電，R分值為3－4；黃色代表可能發(fā)生雷電，R分值為1－2。

將大氣電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值和閃電發(fā)生距離兩個(gè)因子作為雷電預(yù)警等級(jí)劃分的判別指標(biāo)，各自取長(zhǎng)補(bǔ)短，就可以組成一個(gè)較為完善的對(duì)雷暴和雷電活動(dòng)的進(jìn)行監(jiān)測(cè)的綜合系統(tǒng)。三個(gè)級(jí)別的警報(bào)閾值的準(zhǔn)確率均在75%以上，通過(guò)實(shí)例檢驗(yàn)，其黃色警報(bào)閾值的準(zhǔn)確率達(dá)到78%，而紅色警報(bào)閾值的準(zhǔn)確率超過(guò)90%。

4 結(jié)論和討論

（1）大氣電場(chǎng)強(qiáng)度三級(jí)雷電警報(bào)閾值分別為3 kV/m、6 kV/m、9.5 kV/m，閃電發(fā)生距離的三級(jí)雷電警報(bào)閾值分別為10 km、15 km、20 km。兩種探測(cè)資料結(jié)合對(duì)提高雷電預(yù)警的準(zhǔn)確率有重要意義。

（2）每一次雷暴天氣過(guò)程都極其復(fù)雜，都是綜合多種因素才形成的,所以想要得到更精確的雷電預(yù)警結(jié)果，需要進(jìn)一步綜合天氣雷達(dá)回波圖、氣壓、溫度、濕度等氣象資料。這些方法、模式的結(jié)合還有待研究。目前哈爾濱地區(qū)的雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)正處于完善階段，在未來(lái)綜合多種氣象觀測(cè)因素對(duì)雷電進(jìn)行預(yù)報(bào)會(huì)更為科學(xué)。

[1]馬明，呂偉濤，張義軍,等.我國(guó)雷電災(zāi)害及相關(guān)因素分析.地球科學(xué)進(jìn)展，2008,23(8):856-865.

[2]Aranguren D,Montanya J,Sola G,et al.On the lightning hazard warning using electrostatic field:Analysis of summer thunderstorms in Spain[J].Journal of Electrostatics,2009,67(2-3):507-512.

[3]高菊霞，楊碧軒，程永進(jìn)，等.閃電和大氣電場(chǎng)資料在預(yù)警業(yè)務(wù)中的應(yīng)用［J］.陜西氣象，2015（S1）：20-24.

1002－252X（2017）02－0034－02

2017－3－1

張春龍（1986－），男，黑龍江省依安縣人，南京信息工程大學(xué)，博士生，工程師.