強(qiáng)玉華，楊 磊，姜燕敏，白云霞

(麗水市氣象局，麗水 323000)

0 引言

大氣電場(chǎng)是大氣電活動(dòng)的重要參數(shù)，雷暴、降水、沙塵暴等天氣都會(huì)引發(fā)大氣電場(chǎng)的劇烈波動(dòng)。大氣電場(chǎng)對(duì)各種氣象要素的變化有著較敏銳的反應(yīng)，對(duì)一個(gè)地區(qū)大氣電場(chǎng)特征進(jìn)行研究，有助于分析各種相關(guān)的天氣過(guò)程，對(duì)該地區(qū)氣候特征的研究也有重要意義[1-3]。目前國(guó)內(nèi)多個(gè)省市建成了地面大氣電場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)，麗水地區(qū)已布設(shè)48套地面場(chǎng)模式大氣電場(chǎng)探測(cè)儀，文章通過(guò)差分和小波變化方法對(duì)比分析該地區(qū)降雨、降雪、雷暴等不同天氣過(guò)程的大氣電場(chǎng)特征[4-6]。

1 資料和方法

1.1 時(shí)序差分

雷暴發(fā)生時(shí)地面電場(chǎng)呈現(xiàn)脈沖式變化，相比其他天氣現(xiàn)象要?jiǎng)×?，其中雷暴電?chǎng)的斜率變化接近π/2。雷暴在時(shí)序變化上非常迅速，可利用電場(chǎng)時(shí)序變化率法處理大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù)[7]。

在一維數(shù)值中，大氣電場(chǎng)強(qiáng)度和電位絕對(duì)值是相等的，方向相反，ΔV(x，y，z)=-E(x，y，z)。大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行一階差分處理可表示為：

dE(x，y，z)/dt=[Et2(x，y，z)-Et1(x，y，z)]/Δt

(1)

Et2和Et1分別為大氣電場(chǎng)的后一時(shí)刻和前一時(shí)刻的測(cè)量值，電場(chǎng)的差分大小與電場(chǎng)的測(cè)量時(shí)間間隔Δt有關(guān)，也與Et2、Et1之間的差值有關(guān)。文章中時(shí)間間隔Δt取1，式(1)可表示為：

E(x，y，z) =[Et+1(x，y，z)-Et(x，y，z)]

(2)

1.2 小波變換

利用小波函數(shù)來(lái)表示某一函數(shù)，分析對(duì)象的時(shí)間序列設(shè)為f(t)，小波函數(shù)是小波分析的關(guān)鍵，應(yīng)具有一定的震蕩性，是能夠迅速衰減的函數(shù)類。小波基函數(shù)用ψ(t)表示，其滿足：

(3)

它可以通過(guò)尺度延伸和時(shí)間平移后組成函數(shù)系列，表示為：

(4)

式中，ψa，b(t)為子小波；a為尺度因子，為小波的周期；b為平移因子，是時(shí)間上的平移，是時(shí)間參數(shù)或平移因子。那么f(t)與ψa，b(t)構(gòu)成的小波變換形式為：

(5)

通過(guò)上式變換，將f(t)從一維時(shí)間函數(shù)轉(zhuǎn)化為同時(shí)具有時(shí)間b和尺度a變化的二維參數(shù)空間：

(6)

式中，Δt為取樣間隔；n為樣本量。

由此可知小波分析的基本原理，即通過(guò)增加或減小伸縮尺度a得到f(t)的低頻或高頻信息，然后分析信號(hào)的特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)f(t)信號(hào)不同時(shí)間尺度和空間局部特征的分析。文章主要是通過(guò)小波變換方程得到小波系數(shù)，從而分析時(shí)間序列的時(shí)序變化特征。

將小波系數(shù)的平方值取b域上的積分，得到小波方差：

(7)

小波變換具有信號(hào)降噪特性，小波分析降噪的具體過(guò)程為：選擇小波基函數(shù)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行N層小波分析，在多次分解的各層系數(shù)中選擇合理的閾值，最后對(duì)小波變換后的降噪信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)。

2 麗水地區(qū)不同天氣大氣電場(chǎng)特征

2.1 降雨天氣電場(chǎng)特征

選取麗水市老竹中學(xué)站2018-02-09大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù)，繪制大氣電場(chǎng)如圖1所示。全天累計(jì)降水0.1 mm，降水集中在08：00—13：00，大氣電場(chǎng)發(fā)生了較明顯的波動(dòng)，最大電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到0.66 kV/m，最小值為-0.37 kV/m，電場(chǎng)值未發(fā)生正負(fù)極之間的快速跳變轉(zhuǎn)換。

圖1 麗水老竹中學(xué)站降雨過(guò)程大氣電場(chǎng)

2.2 降雪天氣電場(chǎng)特征

2018-01-30夜間至31日白天麗水全市出現(xiàn)了降雪天氣，縉云城區(qū)積雪4 cm，選取縉云城區(qū)的大氣電場(chǎng)站點(diǎn)數(shù)據(jù)，繪制大氣電場(chǎng)曲線如圖2所示。

由圖2可知，縉云氣象局站31日00：00—05：00、11：00、16：00—18：00的電場(chǎng)值有明顯波動(dòng)，電場(chǎng)最大正值達(dá)到6.59 kV/m，最大負(fù)值達(dá)到-4.22 kV/m?？N云城區(qū)降雪主要集中在31日00：00—05：00，電場(chǎng)幅度達(dá)到了6.59 kV/m；11：00和16：00—18：00有零星的降雪，電場(chǎng)幅值為1.0 kV/m。降雪過(guò)程電場(chǎng)波動(dòng)時(shí)間和實(shí)況降雪時(shí)間吻合，電場(chǎng)均有較大的波動(dòng)，主要降雪時(shí)段的大氣電場(chǎng)波動(dòng)幅值較大，其余降雪時(shí)段的波動(dòng)幅值較小，波動(dòng)幅度和降雪量成正相關(guān)，正負(fù)極之間僅發(fā)生了1次快速跳變轉(zhuǎn)換，電場(chǎng)值在正負(fù)值之間抖動(dòng)跳變的頻率并不劇烈。

圖2 縉云氣象局站降雪過(guò)程大氣電場(chǎng)

2.3 雷暴天氣電場(chǎng)特征

雷暴可看作是電荷的聚集、釋放中和的過(guò)程，當(dāng)電荷聚集到一定量值時(shí)，釋放中和表現(xiàn)為閃電的發(fā)生，雷暴電荷結(jié)構(gòu)具有多樣性和復(fù)雜性，同一雷暴過(guò)程的不同階段也會(huì)呈現(xiàn)不同的分布特征[8]。

選取2017-07-11聯(lián)城中學(xué)站點(diǎn)雷暴天氣大氣電場(chǎng)波動(dòng)(圖3)。由圖3可見，16：10—16：20大氣電場(chǎng)不斷抬升，最大值達(dá)到2.0 kV/m，該階段是電荷不斷聚集的過(guò)程，或是雷暴云不斷靠近測(cè)站的過(guò)程；16：20—16：30大氣電場(chǎng)最大值為3 kV/m；16：20—17：18大氣電場(chǎng)值最大值為24.5 kV/m和-41.49 kV/m，分別出現(xiàn)在16：39和17：15；16：32—16：50，大氣電場(chǎng)值在正負(fù)值之間快速跳變；17：20—17：30大氣電場(chǎng)值最大值為7.3 kV/m，該時(shí)段的電場(chǎng)值強(qiáng)度和閃電頻次、閃電強(qiáng)度均明顯減弱，可認(rèn)為是雷云的中期發(fā)展階段，大氣電場(chǎng)波動(dòng)仍然較為劇烈；17：40—17：50，大氣電場(chǎng)最大負(fù)值為-1.96 kV/m，未發(fā)生地閃，此時(shí)間段閃電次數(shù)明顯減少，大氣電場(chǎng)值波動(dòng)頻率明顯減弱，說(shuō)明雷暴處于晚期消亡時(shí)期；17：50之后，大氣電場(chǎng)值在0 kV/m附近小幅顫抖，并恢復(fù)到大氣電場(chǎng)的正常值，此次雷暴過(guò)程終結(jié)。

圖3 聯(lián)城中學(xué)站00：00—24：00雷暴過(guò)程大氣電場(chǎng)

雷暴過(guò)程在初始、發(fā)展、成熟、消亡階段的大氣電場(chǎng)表現(xiàn)各不相同，根據(jù)這些特點(diǎn)，結(jié)合探測(cè)資料，找出雷電預(yù)警的關(guān)鍵參數(shù)，并在雷電預(yù)警中開展應(yīng)用具有重要的意義。雷暴大氣電場(chǎng)的變化特征，明顯區(qū)別于降水和降雪天氣，雷暴大氣電場(chǎng)的波動(dòng)峰值和頻率更高。

3 不同天氣過(guò)程時(shí)序差分

3.1 降雨時(shí)序差分

對(duì)麗水老竹中學(xué)站2018-02-09降雨天氣大氣電場(chǎng)差分后的電場(chǎng)值分段進(jìn)行次數(shù)統(tǒng)計(jì)，次數(shù)分段統(tǒng)計(jì)直方圖如圖4所示。

圖4 麗水老竹中學(xué)站降雨天氣差分電場(chǎng)數(shù)據(jù)及數(shù)值分布

由圖4可見，降雨天電場(chǎng)差分后電場(chǎng)幅值均有減小，波動(dòng)總體曲線成直線分布；差分電場(chǎng)值82.7%分布在±0.05 kV/m范圍內(nèi)，最大和最小差分值均在±0.5 kV/m范圍內(nèi)。

3.2 降雪時(shí)序差分

對(duì)縉云氣象局站2018-01-31降雪天氣大氣電場(chǎng)差分后的電場(chǎng)值分段進(jìn)行次數(shù)統(tǒng)計(jì)，次數(shù)分段統(tǒng)計(jì)直方圖如圖5所示。

圖5 縉云氣象局站降雪天氣差分電場(chǎng)數(shù)據(jù)及數(shù)值分布

由圖5可知，降雪天氣差分電場(chǎng)值的幅度較電場(chǎng)測(cè)試值幅度未見明顯減小，原因可能是雪花中含有的靜電電荷飄落至探測(cè)探頭周邊時(shí)引起了正負(fù)極性的快速跳變，經(jīng)過(guò)差分后其幅度仍然較大。從電場(chǎng)差分次數(shù)分段統(tǒng)計(jì)直方圖可得，大雪的差分值98.8%分布在±0.4 kV/m范圍內(nèi)，降雪的最大和最小差分值主要在±3.0 kV/m范圍內(nèi)。

3.3 雷暴時(shí)序差分

對(duì)聯(lián)城中學(xué)站2017-07-11雷暴天氣大氣電場(chǎng)差分后的電場(chǎng)值分段進(jìn)行次數(shù)統(tǒng)計(jì)。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)可知，雷暴差分幅值是降雨、降雪和雷暴3種天氣過(guò)程中最大的，達(dá)到了13 kV/m和-20 kV/m，經(jīng)過(guò)差分后其幅度仍然很大，同時(shí)發(fā)生了正負(fù)極性的快速高頻次跳變。雷暴發(fā)生時(shí)段16：10—17：50的差分值主要集中在±0.1 kV/m至±1 kV/m的范圍內(nèi)，比降雨天氣的差分值±0.05 kV/m大1個(gè)數(shù)量級(jí)，比降雪天氣差分值±0.4 kV/m大1倍。

4 不同天氣過(guò)程小波分析

4.1 降雨天氣過(guò)程小波分析

對(duì)麗水老竹中學(xué)站2018-02-09降雨天氣大氣電場(chǎng)00：00—24：00的大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分析，經(jīng)過(guò)sym5的5～6層小波變換后，將5層小波變換后的波形與原信號(hào)進(jìn)行疊加顯示。經(jīng)過(guò)5層小波變換分析后，降低了地面大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù)波形的重疊特征，小波波形順滑起伏，無(wú)突然跳變；大氣電場(chǎng)信號(hào)幅值介于-0.3～0.3 kV/m。

4.2 降雪天氣過(guò)程小波分析

對(duì)縉云氣象局站2018-01-31降雪天氣大氣電場(chǎng)00：00—24：00的大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分析，經(jīng)過(guò)sym5的5～6層小波變換后，將5層小波變換后的波形與原信號(hào)進(jìn)行疊加顯示。經(jīng)過(guò)5層小波變換分析后，降低了地面大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù)波形的重疊特征，小波波形順滑起伏；大氣電場(chǎng)信號(hào)幅值介于-2～2 kV/m，幅值出現(xiàn)在降雪時(shí)段，小波電場(chǎng)信號(hào)的強(qiáng)度與降雪強(qiáng)度具有正相關(guān)性。

4.3 雷暴天氣過(guò)程小波分析

聯(lián)城中學(xué)站2017-07-11的00：00—24：00雷暴天氣大氣電場(chǎng)，經(jīng)過(guò)sym5的5～6層小波變換后，將5層小波變換后的波形與原信號(hào)進(jìn)行疊加顯示。經(jīng)過(guò)5層小波變換分析后，降低了地面大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù)波形的重疊特征；大氣電場(chǎng)信號(hào)幅值比原始信號(hào)明顯降低。小波變換信號(hào)在雷暴發(fā)生時(shí)段表現(xiàn)出活躍的上下起伏特征，起伏的幅度明顯大于降雨和降雪時(shí)的幅度，小波電場(chǎng)信號(hào)的強(qiáng)度與雷暴發(fā)生具有相關(guān)性。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)比了2017—2018年發(fā)生在麗水地區(qū)的降雨、降雪、雷暴天氣過(guò)程，通過(guò)時(shí)序差分和小波分析方法，得出以下結(jié)論：

1)在差分幅值上降雨、降雪天氣逐級(jí)增大1個(gè)數(shù)量級(jí)。降雨波動(dòng)總體成直線分布；降雪時(shí)段差分電場(chǎng)幅值較大，且發(fā)生了正負(fù)極性的快速跳變。雷暴差分幅值是所有天氣過(guò)程中最大的，同時(shí)發(fā)生了正負(fù)極性的快速高頻次跳變。

2)降雨、降雪在小波變換后，幅值比原始信號(hào)降低，小波信號(hào)波動(dòng)變得平滑，不再發(fā)生正負(fù)極的快速跳變；降低了原始信號(hào)波形的重疊度。雷暴天氣過(guò)程小波變換分析后，降低了地面大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù)波形的重疊特征，小波波形順滑起伏，無(wú)突然跳變。小波變換信號(hào)在雷暴發(fā)生時(shí)段表現(xiàn)出活躍的上下波浪起伏，起伏的幅度明顯大于降雨和降雪，小波電場(chǎng)信號(hào)的強(qiáng)度與雷暴發(fā)生具有相關(guān)性。