朱 彪， 林彬彬， 于 晨， 李 丹

(1.福建省災(zāi)害天氣重點實驗室，福州 350028； 2.中國氣象科學研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室，北京 100081；3.福建省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，福州 350028)

引 言

雷電由于其強大的電流和猛烈的電磁輻射等物理效應(yīng)，極易對地面物體及其周邊環(huán)境造成嚴重的破壞；雷電還常伴隨強對流天氣過程[1-2]。雷電監(jiān)測，包括大氣電場、衛(wèi)星、閃電定位監(jiān)測[3-10]等，是研究雷電災(zāi)害的重要手段?；诶纂姳O(jiān)測資料開展雷電預(yù)警服務(wù)，能夠減少雷電災(zāi)害損失[11-14]。

大氣電場監(jiān)測設(shè)備是利用置于電場中的導體上產(chǎn)生的感應(yīng)電荷，來測量地面大氣電場強度和方向的，可以對其上空一定半徑范圍內(nèi)的云層帶電狀況進行監(jiān)測，直觀監(jiān)測出監(jiān)測區(qū)域內(nèi)電場強度的分布情況[15-16]。雷暴云內(nèi)及雷暴云和大地之間可產(chǎn)生放電，雷暴云頂和低電離層之間也存在大氣放電[17]。大氣電場儀能夠記錄云閃和地閃活動，可以測量地面大氣電場的強度和極性，通過對雷暴云的放電過程進行連續(xù)監(jiān)測，既能夠記錄閃電發(fā)生前雷暴中的電活動，又可記錄雷暴過程中發(fā)生的閃電[18]。大氣電場儀根據(jù)導體在電場中產(chǎn)生感應(yīng)電荷的原理[19-20]，能夠長時間連續(xù)測量大氣電場的強度和極性，完整記錄地面電場的變化情況。

近年來，國內(nèi)外許多學者基于場磨式設(shè)備嘗試設(shè)置閾值、比較電場抖動速度和極性反轉(zhuǎn)等方法判斷雷暴發(fā)生的概率，即進行雷電預(yù)警。國外，Aranguren等[21]根據(jù)大氣電場資料分析西班牙地區(qū)的夏季雷暴特征，通過閾值法和極性反轉(zhuǎn)法來進行雷電預(yù)警，雷電預(yù)警有效率約為38%。Montanya 等[22]研究得到在雷擊發(fā)生前，雷暴云會導致大氣電場產(chǎn)生劇烈變化，可以利用地面大氣電場測量值作為雷電預(yù)警的基礎(chǔ)，但由于下墊面的不規(guī)則和附近物體都會干擾大氣電場值測量，要根據(jù)大氣電場儀的具體布設(shè)位置來進行雷電預(yù)警，從而提升雷電預(yù)警水平。國內(nèi)，一批研究人員基于大氣電場監(jiān)測設(shè)備進行雷電臨近預(yù)警，大氣電場監(jiān)測設(shè)備在雷電預(yù)警中發(fā)揮重要作用[23-30]。

場磨式和電子式監(jiān)測設(shè)備已投入運行。場磨式監(jiān)測設(shè)備由于采用磨盤結(jié)構(gòu)，涉及機械運轉(zhuǎn)，需要經(jīng)常維護和校準；而電子式大氣電場監(jiān)測設(shè)備由于采用封閉式結(jié)構(gòu)，無機械運轉(zhuǎn)，對維護的需求相對較少。目前，國內(nèi)外的研究人員已對場磨式監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測資料的應(yīng)用進行了分析。電子式設(shè)備是通過數(shù)字芯片采集信息來測量大氣電場強度，采用封閉式結(jié)構(gòu)運轉(zhuǎn)，在石化行業(yè)雷電臨近預(yù)警中得到了一定的應(yīng)用[31-32]。開展大氣電場儀雷電預(yù)警效果研究，以雷電監(jiān)測信息的位置和時間為基礎(chǔ)，建立基于預(yù)警時間、區(qū)域的雷電預(yù)警效果評估模型，對研究不同類型的大氣電場監(jiān)測設(shè)備的雷電預(yù)警效果評估具有重要意義。本研究利用福建省氣象局觀測場2019年17個閃電過程的大氣電場資料和福建省閃電定位資料，對雷電預(yù)警效果進行對比分析，研究適宜于大氣電場監(jiān)測設(shè)備的雷電預(yù)警服務(wù)效果評估模型，評估大氣電場監(jiān)測設(shè)備的雷電預(yù)警服務(wù)能力，為不同類型大氣電場資料的雷電預(yù)警應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 資料與方法

1.1 閃電資料

福建省三維閃電監(jiān)測系統(tǒng)建于2014年，全省共有16個監(jiān)測站，系統(tǒng)定位誤差小于500 m，云地閃探測效率大于90%。圖1為福建省閃電定位儀和本文研究的大氣電場儀分布圖。

圖1 福建省大氣電場儀和閃電定位儀分布圖

1.2 大氣電場監(jiān)測及雷電預(yù)警

大氣電場監(jiān)測設(shè)備可對雷暴云的起電和放電過程進行連續(xù)監(jiān)測。因此，大氣電場監(jiān)測設(shè)備既能夠記錄閃電發(fā)生前雷暴中的電活動，也可以對閃電放電活動進行連續(xù)監(jiān)測。地面大氣電場的強度和極性是其主要監(jiān)測內(nèi)容。地面大氣電場觀測[33]是利用置于電場中的導體上產(chǎn)生感應(yīng)電荷的原理來測量地面大氣電場強度和方向的。大氣電場監(jiān)測設(shè)備電場傳感器中定子上的感應(yīng)電荷Q(t)為時間的函數(shù)，其值與外界電場強度E成正比：

Q(t)=-ε0EA(t)

(1)

式中,ε0為自由空間介電常數(shù)，A(t)為定子暴露在電場中的表面積，Q(t)為感應(yīng)電荷。

地面大氣電場表征的意義是大氣中帶電物質(zhì)相互作用在地面產(chǎn)生的合成電場。因此，大氣電場值的觀測受安裝環(huán)境影響較大。為了保障觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，安裝場地應(yīng)選擇在無遮擋，以及周邊無高大物體的室外空曠地帶。大氣電場測站附近的電磁環(huán)境、海拔高度、障礙物情況等因素，都會對電場儀的預(yù)警閾值產(chǎn)生影響，尤其是大氣電場儀對周圍電磁環(huán)境的變化比較敏感。本文研究的設(shè)備安裝于福建省氣象局觀測場，安裝環(huán)境能滿足大氣電場數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量要求。兩類監(jiān)測設(shè)備的有效監(jiān)測范圍均大于10 km。場磨式監(jiān)測設(shè)備采用磨盤的機械結(jié)構(gòu)，電子式監(jiān)測設(shè)備采用封裝式的結(jié)構(gòu)。研究期間，對兩臺設(shè)備均進行了定期維護，保障設(shè)備正常運行，設(shè)備安裝環(huán)境和運維均符合地面大氣電場觀測規(guī)范，以保障數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量。

場磨式監(jiān)測設(shè)備根據(jù)大氣電場監(jiān)測設(shè)備的當前電場強度絕對值、電場強度連續(xù)滾動平均值的趨勢、電場強度瞬間變化率等指標建立雷電預(yù)警模型。雷電發(fā)生時，大氣電場波形是高聳的尖波，并伴隨由于電荷中和過程而引起地面電場的反轉(zhuǎn)，電場反轉(zhuǎn)也是判斷雷擊發(fā)生的主要指標[34]。電子式監(jiān)測設(shè)備通過測量大氣電場的強度和極性的連續(xù)變化，實時地監(jiān)測云層的帶電狀況。設(shè)備包含一次電極和二次電極，兩電極間采用高速電子開關(guān)，在利用兩次電極的同時，還利用靜電場隨動跟蹤算法，將躍變動電場分離出來進行數(shù)據(jù)處理并建立模型進行雷電預(yù)警，根據(jù)大氣電場值、大氣電場變化率、大氣電場變化持續(xù)時間等確定雷電預(yù)警等級。兩類監(jiān)測設(shè)備分別采用不同的雷電預(yù)警模型進行雷電預(yù)警，但生成的雷電臨近預(yù)警產(chǎn)品均包括3級(黃色、橙色、紅色)。本文基于福建省三維閃電系統(tǒng)資料，提出雷電預(yù)警效果評估方法，對不同類型的大氣電場儀雷電預(yù)警效果進行評估。

1.3 雷電預(yù)警評估方法

兩類不同的大氣電場儀具有三種預(yù)警信號，由低到高依次為黃色、橙色和紅色。開展不同類型的大氣電場儀雷電預(yù)警效果評估，需要規(guī)定評估的幾個條件。為了更加真實體現(xiàn)雷電預(yù)警效果，客觀體現(xiàn)不同類型的大氣電場儀雷電預(yù)警效果，本研究規(guī)定：

(1)評估區(qū)域以大氣電場儀為中心，確定10 km為評估區(qū)域半徑。

(2)雷電預(yù)警信號以黃色預(yù)警信號為閾值，連續(xù)不中斷的雷電預(yù)警信號為1次雷電預(yù)警。

(3)預(yù)警信號結(jié)束時間與最后閃電發(fā)生時間間隔超過半小時，增加1次空報。

為了評估雷電預(yù)警服務(wù)效果，以黃色雷電預(yù)警信號為閾值節(jié)點，以連續(xù)雷電預(yù)警信號時間和福建省三維閃電監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用兩種方法對預(yù)警服務(wù)效果進行評估：一種是根據(jù)閃電發(fā)生頻次進行效果評估，根據(jù)10 km區(qū)域的范圍得到閃電總頻次，統(tǒng)計連續(xù)預(yù)警信號期間閃電發(fā)生的數(shù)量，從而計算對閃電總頻次的有效預(yù)警效率；另一種是對連續(xù)預(yù)警信號的準確性進行評估，計算出命中率POD、空報率FAR、TS評分三個評估指標，具體見公式(2)-(4)。

(2)

(3)

(4)

式中，NAk為預(yù)報正確次數(shù)(預(yù)警期間區(qū)域內(nèi)發(fā)生閃電)，NBk為空報次數(shù)(預(yù)警期間區(qū)域內(nèi)未發(fā)生閃電)，NCk為漏報次數(shù)(未發(fā)預(yù)警信號，區(qū)域內(nèi)發(fā)生閃電)。

2 效果分析

本研究選取2019年17個閃電過程的大氣電場資料和福建省三維閃電定位資料(云閃和地閃)，進行雷電預(yù)警效果對比分析。根據(jù)大氣電場監(jiān)測設(shè)備雷電預(yù)警服務(wù)效果評估模型，對兩臺大氣電場監(jiān)測設(shè)備雷電預(yù)警效果進行分析，分別介紹兩類設(shè)備雷電預(yù)警結(jié)果。

2.1 閃電總頻次評估

由于閃電過程往往伴隨著強對流天氣過程發(fā)生，在一定的區(qū)域內(nèi)，短時間內(nèi)往往發(fā)生大量的閃電，兩類大氣電場監(jiān)測設(shè)備均能進行雷電預(yù)警并生成雷電預(yù)警信號。根據(jù)雷電預(yù)警信號的時間，并結(jié)合三維閃電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)，進行對比分析。根據(jù)對2019年17個閃電過程(編號1-17)的三維閃電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢，得到觀測場站點10 km范圍內(nèi)共發(fā)生閃電3156次，表1和圖2為17個閃電過程的具體預(yù)警和閃電頻次的統(tǒng)計和對比。

對場磨式設(shè)備雷電預(yù)警信號分析發(fā)現(xiàn)，在預(yù)警信號生效期間的閃電總頻次為1737次，表明場磨式監(jiān)測設(shè)備對觀測場站10 km范圍內(nèi)55.04%的閃電進行了有效預(yù)警。具體分析17個閃電過程發(fā)現(xiàn)，場磨式設(shè)備對14個閃電過程進行了預(yù)警，對3個閃電過程(過程1、3、5)漏報，無雷電預(yù)警信號產(chǎn)生?；陂W電資料的經(jīng)緯度統(tǒng)計與監(jiān)測設(shè)備的直線距離，得到閃電過程1的閃電發(fā)生位置與設(shè)備的平均直線距離為6.67 km，閃電過程3的閃電發(fā)生位置與設(shè)備的平均直線距離為6.06 km，閃電過程5的閃電發(fā)生位置與設(shè)備的平均直線距離為7.15 km。由于閃電發(fā)生位置距離監(jiān)測設(shè)備較遠，因而場磨式監(jiān)測設(shè)備出現(xiàn)了漏報。針對其他14個預(yù)警的閃電過程統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，這14個閃電過程均發(fā)生在距離場磨式監(jiān)測設(shè)備較近的位置，雷電預(yù)警效果較好。

表1 2019年17個閃電過程的兩類設(shè)備閃電總頻次預(yù)警效果分析

對電子式設(shè)備雷電預(yù)警信號分析結(jié)果顯示，在預(yù)警信號生效期間的閃電總頻次為2369次，表明系統(tǒng)對觀測場站10 km范圍內(nèi)75.06%的閃電進行了有效預(yù)警。電子式設(shè)備對17個閃電過程均進行了預(yù)警，但是存在預(yù)警信號持續(xù)時間過長的問題。從閃電頻次分析來看，電子式設(shè)備對每一個閃電過程都有較好的預(yù)警效果。從場磨式設(shè)備漏報3個閃電過程來看，當閃電發(fā)生位置距離場磨式監(jiān)測設(shè)備位置較遠，且閃電活動未向場磨式監(jiān)測設(shè)備處移動時，容易出現(xiàn)漏報。從閃電總頻次預(yù)警效果分析結(jié)果來看，電子式監(jiān)測設(shè)備雷電預(yù)警效果更好，對閃電過程預(yù)警表現(xiàn)更為均衡。

圖2 2019年17個閃電過程的兩類設(shè)備閃電頻次預(yù)警效果對比分析

2.2 預(yù)警信號評估

根據(jù)雷電預(yù)警預(yù)報服務(wù)產(chǎn)品的預(yù)報屬性和時空特點，參照天氣預(yù)報評分方法，考慮科學性、實用性和可行性，對兩臺設(shè)備的雷電預(yù)警結(jié)果與閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，通過公式(2)-(4)計算出命中率POD、空報率FAR、TS評分三個評估指標，實現(xiàn)對雷電預(yù)警信號的準確性評估。表2為兩類監(jiān)測設(shè)備對17個閃電過程雷電預(yù)警信號評估情況。針對編號1-17個閃電過程，場磨式設(shè)備共發(fā)出47次連續(xù)雷電預(yù)警信號，其中35次雷電預(yù)警信號期間目標區(qū)域發(fā)生了閃電，12次連續(xù)雷電預(yù)警信號期間內(nèi)目標區(qū)域內(nèi)未發(fā)生閃電，目標區(qū)域內(nèi)也出現(xiàn)了30次漏報的閃電。電子式設(shè)備共發(fā)出41次連續(xù)雷電預(yù)警信號，其中25次雷電預(yù)警信號期間目標區(qū)域發(fā)生了閃電，16次連續(xù)雷電預(yù)警信號期間內(nèi)目標區(qū)域內(nèi)未發(fā)生閃電，空報偏多，且出現(xiàn)24次閃電漏報。結(jié)合評估公式統(tǒng)計得到：場磨式設(shè)備的平均命中率為53.85%，平均空報率為25.53%，平均TS評分為0.45；電子式設(shè)備平均命中率為51.02%，平均空報率為39.02%，平均TS評分為0.38。圖3為兩類設(shè)備對17次閃電過程的命中率、空報率和TS評分對比分析結(jié)果。對三個指標對比分析可看出，場磨式設(shè)備的雷電預(yù)警效果要優(yōu)于電子式設(shè)備的預(yù)警效果，但場磨式設(shè)備對3個閃電過程漏報，對14個閃電過程進行了較好預(yù)警，需減少漏報情況。電子式設(shè)備對所有閃電過程均發(fā)出了雷電預(yù)警信號，但同時也出現(xiàn)了空報偏多，且雷電預(yù)警信號時間偏長，還需降低靈敏度，優(yōu)化預(yù)警模型，提高雷電預(yù)警準確率。通過對閃電過程編號1-17和三維閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到，電子式設(shè)備對17個閃電過程均發(fā)出了雷電預(yù)警信號，場磨式設(shè)備對其中的14個閃電過程發(fā)出了雷電預(yù)警信號，對3個閃電過程出現(xiàn)漏報，電子式設(shè)備雷電預(yù)警表現(xiàn)更為均衡。針對雷電預(yù)警信號持續(xù)時間分析發(fā)現(xiàn)，電子式設(shè)備連續(xù)雷電預(yù)警信號時間往往較長，閃電活動結(jié)束后，電子式設(shè)備的雷電預(yù)警信號往往還持續(xù)一段時間。雷電預(yù)警信號持續(xù)時間長，基于閃電總頻次評估其表現(xiàn)更優(yōu)異，但是增加了空報。電子式設(shè)備需要合理設(shè)置閾值，避免雷電預(yù)警信號時間過長，進一步降低空報率。在實際應(yīng)用中，兩套大氣電場儀還需進一步優(yōu)化雷電預(yù)警算法，提高雷電預(yù)警準確率，在防雷減災(zāi)業(yè)務(wù)中發(fā)揮更大作用。

表2 兩類監(jiān)測設(shè)備對17個閃電過程雷電預(yù)警信號評估結(jié)果

3 結(jié)論與討論

本文基于雷電預(yù)警時間、雷電預(yù)警區(qū)域和閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)，提出了大氣電場雷電預(yù)警效果評估方法，并根據(jù)福建省氣象局觀測場周邊2019年17個閃電過程資料和福建省三維閃電監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對場磨式和電子式設(shè)備雷電預(yù)警效果進行綜合對比分析，得到以下結(jié)論：

(1)閃電總頻次評估。針對編號1-17個閃電過程，在其雷電預(yù)警信號生效期間，場磨式設(shè)備對55.04%的閃電進行了有效預(yù)警，電子式設(shè)備對75.06%的閃電進行了有效預(yù)警。場磨式設(shè)備對3個閃電過程漏報?；陂W電頻次評估對比分析來看，電子式設(shè)備的雷電預(yù)警效果優(yōu)于場磨式設(shè)備的預(yù)警效果。

圖3 兩類監(jiān)測設(shè)備對17個閃電過程雷電預(yù)警信號評估對比圖

(2)雷電預(yù)警信號評估。針對編號1-17個閃電過程，場磨式設(shè)備的雷電預(yù)警信號的平均命中率為53.85%，平均空報率為25.53%，平均TS評分為0.45。電子式設(shè)備的平均命中率為51.02%，平均空報率為39.02%，平均TS評分為0.38?；诶纂婎A(yù)警信號評估，結(jié)合三個指標的綜合效果來看，場磨式設(shè)備的雷電預(yù)警效果要優(yōu)于電子式設(shè)備的預(yù)警效果，電子式設(shè)備預(yù)警時間較長，空報率更高。

(3)場磨式設(shè)備針對距離較遠的閃電過程預(yù)警效果較差，容易出現(xiàn)漏報。電子式設(shè)備由于更為靈敏，對所有過程均進行了雷電預(yù)警，但存在空報率偏高且雷電預(yù)警信號持續(xù)時間過長的問題。在實際應(yīng)用中，場磨式監(jiān)測設(shè)備需要減少閃電過程的漏報，提高有效監(jiān)測范圍區(qū)域內(nèi)的雷電預(yù)警水平；電子式監(jiān)測設(shè)備還需進一步減少空報率，避免雷電預(yù)警信號持續(xù)時間過長的問題。

本文基于雷電臨近預(yù)警效果評估分析方法，對不同類型的單一站點大氣電場的雷電預(yù)警效果進行分析，兩類監(jiān)測設(shè)備均具備一定的雷電預(yù)警服務(wù)能力，能夠提升雷電災(zāi)害防御能力。大氣電場監(jiān)測設(shè)備安裝和維護便捷，在景區(qū)、石化等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，在防雷減災(zāi)業(yè)務(wù)中發(fā)揮著重要作用。本研究對于不同類型的大氣電場監(jiān)測設(shè)備選型應(yīng)用有重要參考意義。后續(xù)的研究可以從兩個方面開展研究：一方面可以考慮建立不同區(qū)域氣候特征下的單一大氣電場儀器在雷電防護與預(yù)警中的應(yīng)用，逐步建立不同區(qū)域與氣候特征條件下的應(yīng)用方法，提高其預(yù)警效率。另外一方面可結(jié)合雷暴云結(jié)構(gòu)及放電本身的復雜性，融合氣象雷達、閃電、大氣電場等多源資料，建立雷電預(yù)警模型，不斷提高雷電預(yù)警準確率。