王曼霏 王樂樂 東 方

（內(nèi)蒙古自治區(qū)雷電預警防護中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特010051）

大氣電場雷電預警系統(tǒng)是根據(jù)大氣電場隨著雷暴云移動時地面大氣電場的變化特征，利用大氣電場儀對大氣電場指標監(jiān)測，從而對重點區(qū)域閃電活動進行雷電預警監(jiān)測的手段之一[1-2]。由于雷暴生命周期短、范圍小，導致雷暴預警預報是天氣預報中較困難的工作之一，而雷暴過程中云內(nèi)的起、放電不僅僅引發(fā)了閃電的發(fā)生發(fā)展，同時也使得近地面的大氣電場發(fā)生了劇烈變化。因此，大氣電場預警系統(tǒng)給雷電活動預警提供了可能[3]。

近年來，大氣電場在國內(nèi)外很多地區(qū)的觀測成為新的雷電預警手段。董文乾等[4]分析雷暴云電荷結(jié)構(gòu)、地面大氣電場曲線波形特征，提出利用地面電場曲線變化特征對雷暴預警的方法。羅琳艷等[5]針對大氣電場儀預警誤報率高等問題提出利用多站組網(wǎng)結(jié)合閃電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)對雷暴預警的方法。雷電預警為防災減災提供重要依據(jù)，因此，預警信號是否有效及時準確使用戶最關(guān)心的問題。那么，要想要提升預警的準確率，就要對預警指標進行檢驗，并且及時對預警閾值進行訂正。

表2 2018 年預警范圍在20km 以內(nèi)各站點準確率、漏報率和空警率7、8 月均值

1 研究方法

1.1 雷電預警等級的劃分及檢驗方法

大氣電場預警系統(tǒng)預警級別的劃分主要是依據(jù)電場強度的變化[6]。當電場強度達到2000V/m 時系統(tǒng)開始發(fā)出預警信號，為一級預警，隨著電場持續(xù)升高，預警信號不斷增大，當電場提升至4000V/m 預警提升至二級；當電場達到6000V/m 時預警信號提升至三級；當預警信號下降至500V/m 以下并持續(xù)30 分鐘時警報解除。為了將雷電預警過程與實況閃電（即閃電定位儀數(shù)據(jù)）作比較，利用大氣電場的變化特征與檢驗的三個指標擬定評分標準。將2018 年大氣電場預警系統(tǒng)于7、8 兩月運行期間觀測得到的內(nèi)蒙古呼和浩特市地區(qū)地面電場觀測數(shù)據(jù)根據(jù)預警事件、預警范圍進行統(tǒng)計處理，并計算出用于檢驗預警系統(tǒng)的三個指標。

為了與真實觀測數(shù)據(jù)對比，將以電場儀站點為中心的10km 和20km 范圍劃分為兩個標準。當一次雷暴事件過程中在10km（或20km）范圍內(nèi)有地閃發(fā)生時則將該次事件記為該月的一個正確樣本NA。當一次雷暴事件過程中在10km（或20km）范圍內(nèi)沒有地閃發(fā)生時則將該次事件記為該月的一個空報樣本NB。閃電實際發(fā)生系統(tǒng)卻沒有發(fā)出預警信號的情況為漏報，因此將發(fā)生時間間隔小于30 分鐘的一個或幾個閃電記為一次漏報事件，一次漏報事件為該月的一個漏報樣本數(shù)NC。

根據(jù)上述樣本可以得到以下三個指標：

TS 評分：Ts =NA/（NA+NB+NC）

漏報率：PO=NC/（NA+NC）

空報率：NH=NB/（NA+NB）

1.2 數(shù)值模式

本文采用的三維雷暴云動力- 電耦合數(shù)值模式對個例進行模擬，與實際觀測結(jié)果對比分析，從而對預警結(jié)果進行驗證。三維雷暴云動力- 電耦合數(shù)值模式是在孔凡鈾等的三維冰雹云模式基礎上，加入了詳細的起電和放電參數(shù)化方案而建立的。本文起電參數(shù)化方案考慮了霰粒子和云滴、冰晶及雹粒子和云滴、冰晶的感應碰撞起電機制，霰粒子和冰晶及雹粒子和冰晶的非感應起電機制。感應起電機制采用的是Ziegler 等的參數(shù)化方案，非感應起電機制采用的是基于Saunders 等試驗結(jié)果的參數(shù)化方案[7]。

2 內(nèi)蒙古地區(qū)大氣電場預警系統(tǒng)預警效果檢驗

通過對表1、表2 各個站點的數(shù)據(jù)分析，總體來看預警效果較好。TS 評分平均值為0.21，隨著預警范圍的縮小，TS 評分逐漸升高且空報率與漏報率均有下降；相同預警范圍內(nèi)，不同站點的漏報率和空警率有所不同，且相互之間成反比。預警范圍在10km 以內(nèi)的TS 評分、漏報率和空警率均值分別為0.21、50%和65%，略高于20km 以內(nèi)的0.20、71%和59%。所有站點中以醫(yī)科大學附屬醫(yī)院站評分最高，2018 年8 月TS 評分可達到0.32。

圖1 8 月6 日19：40：06 預警事件大氣電場觀測曲線

圖2 模擬大氣電場與閃電結(jié)果

3 預警個例數(shù)值模擬及對比分析

選取2018 年8 月6 日 19：40：06 至20：37：25 的一次預警事件，預警時長為0：57：19，19：41：36 首次發(fā)生閃電，預警時效為0：01：30。本次事件中共于19：41：36、19：48：58 和19：56：06 發(fā)生三次閃電。從圖1 中可以看出，雷暴發(fā)生時大氣電場起伏變化明顯，在電場達到預警閾值后及時觸發(fā)了預警信號，發(fā)出有效預警。

本次模擬過程中，采用當日20：00 呼和浩特地區(qū)探空資料進行模擬，模擬時長為60 分鐘，與實際預警時間相符。從探空資料中可得，當日對流有效位能較大，適合旺盛對流發(fā)展。將模式的模擬區(qū)域設置為36 km×36 km×18.5 km，其中水平網(wǎng)格距1 km，垂直網(wǎng)格距0.5 km，將地面電場的觀測點設置在模擬域下層中心，即閃電發(fā)生在距離18km 范圍內(nèi)。對流云采用使模擬域低層中心增加正位溫擾動場的方式啟動，即熱泡擾動方式。其中水平擾動半徑為8 km×8 km，垂直擾動半徑為2 km。模式的時步分離技術(shù)中大、小時步分別為10 s 和1 s，最大擾動位溫為4.0℃。

由圖2 可知在實際對流發(fā)生過程中，共于19：41：36、19：48：58和19：56：06 發(fā)生三次負地閃，電場變化較大時間主要發(fā)生在20：00 前后，與閃電發(fā)生時間較為吻合。模擬過程中發(fā)生正極性云閃37 次，負地閃4 次，閃電發(fā)生時間主要集中在30～40 分鐘（即時步180～240 步），即對流旺盛時期，引起的電場變化較大，最大值小于1.5kV/m，由此可以得出閃電發(fā)生時地面電場還未達到系統(tǒng)設置的2.0kV/m，大氣電場預警系統(tǒng)發(fā)出預警的最小值仍可降低，但不可否認的是，降低閾值也會造成空警率的提升，還有待于進一步研究。

4 結(jié)論

從2018 年7-8 月內(nèi)蒙古呼和浩特地區(qū)大氣電場預警系統(tǒng)數(shù)據(jù)TS 評分結(jié)果來看，內(nèi)蒙古地區(qū)大氣電場預警系統(tǒng)在不同站點具有較好的預警效果，給防災減災工作提供了重要依據(jù)。選取2018 年8 月6 日預警事件作為個例進行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，實際對流發(fā)生過程中共發(fā)生三次負地閃，電場變化較大時段與閃電發(fā)生時間較為吻合。模擬過程中盡管引起電場較大變化，但最大值小于1.5kV/m，由此可以可見大氣電場預警系統(tǒng)發(fā)出預警的最小值2.0 kV/m 仍可下調(diào)至1.5 kV/m，給今后預警閾值的選擇作為參考。