徐崗 蘇緣 趙珞 李茜 劉菁

摘要 立足于萬載地區(qū)的氣候和地理特點(diǎn)，詳細(xì)分析了大氣電場(chǎng)儀的基本原理和技術(shù)參數(shù)，并深入探討了大氣電場(chǎng)儀逆行雷電預(yù)警的物理原理和操作方法。針對(duì)大氣電場(chǎng)儀在萬載雷電預(yù)警中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)進(jìn)行詳細(xì)分析，并提出應(yīng)對(duì)措施，為相關(guān)從業(yè)人員提供參考。

關(guān)鍵詞 大氣電場(chǎng)儀；雷電預(yù)警；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：P427.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2023）09–0-03

雷電災(zāi)害給人們的生命和財(cái)產(chǎn)帶來了極大的威脅，有效地預(yù)警雷電災(zāi)害成為一項(xiàng)重要任務(wù)。作為一種新型的雷電預(yù)警儀器，大氣電場(chǎng)儀具有高靈敏度、高準(zhǔn)確度、快速響應(yīng)等特點(diǎn)，在雷電預(yù)警中發(fā)揮著重要作用。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的不斷推廣，大氣電場(chǎng)儀已成為現(xiàn)代雷電預(yù)警系統(tǒng)的重要組成部分。

1 萬載縣的氣候和地理特點(diǎn)

萬載縣處于贛中西北邊陲，屬于亞熱帶濕潤(rùn)氣候，1991—2020年年平均氣溫為17.9 ℃，年平均降水量為1 747.1 mm，降水集中在3—9月，占全年降水的70%以上。雨季期間雷電災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

萬載縣地勢(shì)復(fù)雜，南部和西北部地勢(shì)高，東部地勢(shì)偏低，地勢(shì)由西北向東南逐漸傾斜。南部屬峰頂山——蒙山山脈，北部為九嶺山脈初級(jí)隆起所組成的古陸山脈。縣境內(nèi)800 m以上的山峰有36座，最高峰位于縣北55 km處高村鎮(zhèn)上坪村的仙姑崠（舊稱太陽山），海拔1 404.4 m。最低點(diǎn)為三興鎮(zhèn)沙潭村的均車，海拔70 m。地形形狀和高低起伏對(duì)雷電發(fā)生和傳播具有重要影響。

萬載自古有“花炮之鄉(xiāng)”的美譽(yù)。截至2023年全縣仍有170余家花炮企業(yè)，在縣城區(qū)域內(nèi)有大量一類防雷建筑物?；ㄅ谄髽I(yè)的生產(chǎn)過程中涉及大量的一類防雷庫房、生產(chǎn)車間、設(shè)備，若防雷保護(hù)不到位，會(huì)對(duì)庫房、生產(chǎn)車間、設(shè)備甚至人身安全造成極大的威脅。

作為雷電災(zāi)害高發(fā)地區(qū)之一，萬載縣氣候和地理特點(diǎn)為雷電的發(fā)生和傳播提供了較為有利的條件，同時(shí)也增加了雷電災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)，因此開展雷電預(yù)警工作尤為重要。作為一種新型雷電預(yù)警儀器，大氣電場(chǎng)儀發(fā)揮著越來越重要的作用。

2 大氣電場(chǎng)儀概述

2.1 大氣電場(chǎng)儀逆行雷電預(yù)警的物理原理

大氣電場(chǎng)儀能夠檢測(cè)空氣中的電場(chǎng)強(qiáng)度和電荷密度，通過監(jiān)測(cè)空氣中的電場(chǎng)強(qiáng)度和電荷密度的變化，可以預(yù)測(cè)雷電的發(fā)生。

大氣電場(chǎng)儀逆行雷電預(yù)警的物理原理基于靜電場(chǎng)的相互作用原理，即通過測(cè)量空氣中電場(chǎng)強(qiáng)度和電荷密度的變化判斷雷電的發(fā)生?？諝庵写嬖谡?fù)電荷，在自然狀態(tài)下形成一個(gè)電荷分布的靜電場(chǎng)。雷電云在形成的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的電荷會(huì)對(duì)地面附近的靜電場(chǎng)產(chǎn)生影響，使得地面附近的大氣電場(chǎng)強(qiáng)度變?nèi)?，如果檢測(cè)到地面附近的電場(chǎng)強(qiáng)度突然下降，就可以判斷可能有雷電即將發(fā)生[1]。這種逆行預(yù)警方式可以提前數(shù)分鐘至數(shù)十分鐘預(yù)警，為人們采取必要的防范措施提供了足夠的時(shí)間，具有較強(qiáng)的預(yù)警準(zhǔn)確性和實(shí)用性。但是大氣電場(chǎng)儀的逆行雷電預(yù)警會(huì)受到地面污染物等因素的影響。當(dāng)大氣中存在較高濃度的細(xì)顆粒物或有機(jī)物等污染物時(shí)，會(huì)降低空氣中的電荷密度，從而影響大氣電場(chǎng)的分布和變化，因此需要對(duì)這些因素進(jìn)行修正和校準(zhǔn)[2]。

大氣電場(chǎng)儀的探測(cè)技術(shù)基于電容原理，通過在探測(cè)桿和地面之間建立一個(gè)電容測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)電荷分布發(fā)生變化時(shí)，探測(cè)桿所測(cè)得的電容值也會(huì)發(fā)生變化，通過測(cè)量電容值的變化，就可以判斷電場(chǎng)強(qiáng)度的變化。為了保證探測(cè)的精度和可靠性，大氣電場(chǎng)儀通常需要進(jìn)行定期的校準(zhǔn)和維護(hù)。

2.2 大氣電場(chǎng)儀的技術(shù)參數(shù)和操作方法

2.2.1 大氣電場(chǎng)儀的技術(shù)參數(shù) 大氣電場(chǎng)儀主要包括探頭、放大器、數(shù)據(jù)采集器等，主要技術(shù)參數(shù)包括靈敏度、響應(yīng)時(shí)間、準(zhǔn)確度等，具有防雷、防靜電等功能，能夠有效地進(jìn)行逆行雷電預(yù)警，為防雷減災(zāi)工作提供了重要的技術(shù)支持。

靈敏度是指儀器檢測(cè)的最小電場(chǎng)強(qiáng)度；響應(yīng)時(shí)間是指儀器從檢測(cè)到電場(chǎng)強(qiáng)度變化到發(fā)出預(yù)警信號(hào)的時(shí)間；準(zhǔn)確度是指儀器檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況之間的誤差。大氣電場(chǎng)儀的靈敏度一般為0.1 V/m左右，響應(yīng)時(shí)間一般在幾毫秒到幾十毫秒之間，準(zhǔn)確度可以達(dá)到1%以內(nèi)[3]。

2.2.2 大氣電場(chǎng)儀的操作方法 大氣電場(chǎng)儀的操作方法包括安裝、校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)處理等步驟。

（1）安裝。大氣電場(chǎng)儀需要安裝在一個(gè)開闊的場(chǎng)地，遠(yuǎn)離高壓線路、建筑物等干擾源，以保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[4]。安裝時(shí)需要將探頭垂直于地面，且高度應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

（2）校準(zhǔn)。大氣電場(chǎng)儀需要定期進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。校準(zhǔn)通常包括檢查儀器是否損壞、清潔探頭、檢查放大器等部分的連接情況、檢查數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)等設(shè)備的連接情況等。如果出現(xiàn)異常，需要及時(shí)維護(hù)和修復(fù)。

（3）數(shù)據(jù)處理。大氣電場(chǎng)儀產(chǎn)生的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行處理，以便進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)警。數(shù)據(jù)處理通常包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理等步驟。大氣電場(chǎng)儀通常會(huì)配備專業(yè)的數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)軟件來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[5-6]。

3 大氣電場(chǎng)儀在萬載雷電預(yù)警中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

3.1 提前預(yù)測(cè)優(yōu)勢(shì)

大氣電場(chǎng)儀能夠提前檢測(cè)到雷電發(fā)生的可能性，預(yù)警時(shí)間較長(zhǎng)，是其在雷電預(yù)警中應(yīng)用的主要優(yōu)勢(shì)之一。通常情況下，雷電前的云層會(huì)帶有大量的電荷，形成的電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)隨著云層的移動(dòng)而發(fā)生變化。當(dāng)云層接近地面時(shí)，地面附近的電場(chǎng)強(qiáng)度也會(huì)隨之發(fā)生變化，這種變化可以利用大氣電場(chǎng)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

大氣電場(chǎng)儀可以通過監(jiān)測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度和電荷密度的變化，提前預(yù)測(cè)雷電的發(fā)生，并給出相應(yīng)的預(yù)警信息。與其他雷電預(yù)警技術(shù)相比，大氣電場(chǎng)儀預(yù)警時(shí)間更長(zhǎng)，能夠提前數(shù)分鐘或數(shù)十分鐘發(fā)出警報(bào)，給人們足夠的時(shí)間采取措施，減少雷電災(zāi)害造成的損失[7]。

3.2 網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)和自動(dòng)預(yù)警優(yōu)勢(shì)

大氣電場(chǎng)儀可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)和自動(dòng)預(yù)警。通過將多個(gè)大氣電場(chǎng)儀設(shè)備連接至云端，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)共享。在大范圍雷電預(yù)警中，多臺(tái)大氣電場(chǎng)儀可以協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷電活動(dòng)的全方位監(jiān)測(cè)和預(yù)警[8]。

大氣電場(chǎng)儀可以通過預(yù)設(shè)的預(yù)警閾值，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)預(yù)警，避免人工監(jiān)測(cè)中可能出現(xiàn)的漏檢和誤判問題。當(dāng)大氣電場(chǎng)儀檢測(cè)到電場(chǎng)強(qiáng)度變化超過預(yù)警閾值時(shí)，會(huì)自動(dòng)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，向相關(guān)部門和群眾發(fā)送警報(bào)信息。自動(dòng)預(yù)警不僅提高了雷電預(yù)警的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，還節(jié)省了人力和物力資源，提高了預(yù)警效率。

3.3 數(shù)據(jù)處理優(yōu)勢(shì)

大氣電場(chǎng)儀的數(shù)據(jù)處理能力較強(qiáng)，可以自動(dòng)分析、記錄和傳輸數(shù)據(jù)，減輕人工處理數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)，提高雷電預(yù)警的效率和準(zhǔn)確性，有助于減少雷電災(zāi)害的發(fā)生，保障人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全[9-11]。

大氣電場(chǎng)儀采集的數(shù)據(jù)主要包括電場(chǎng)強(qiáng)度、電位變化、電荷密度等參數(shù)。在實(shí)際操作中，大氣電場(chǎng)儀通過多種傳感器獲取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、存儲(chǔ)、傳輸和分析，為雷電防范和科學(xué)研究提供重要的數(shù)據(jù)支持。大氣電場(chǎng)儀的數(shù)據(jù)處理過程主要分為以下幾個(gè)步驟：

首先，大氣電場(chǎng)儀通過數(shù)字化處理和自動(dòng)化分析技術(shù)可以實(shí)時(shí)采集空氣中的電場(chǎng)強(qiáng)度、電位變化等數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。這些數(shù)據(jù)通過傳感器傳輸至數(shù)據(jù)采集器，進(jìn)行數(shù)字化處理和存儲(chǔ)，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和科學(xué)研究[12]。

其次，大氣電場(chǎng)儀可以通過自帶的算法和程序，自動(dòng)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。通過對(duì)數(shù)據(jù)的處理和分析，識(shí)別雷電的可能性，并進(jìn)行預(yù)警。

最后，大氣電場(chǎng)儀可以將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至云端或本地計(jì)算機(jī)。同時(shí)，也可以通過網(wǎng)絡(luò)或短信等方式，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給相關(guān)部門，提高了雷電預(yù)警的效率和準(zhǔn)確性。

3.4 長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)

大氣電場(chǎng)儀在雷電預(yù)警中具有很高的應(yīng)用價(jià)值，隨著科技的不斷進(jìn)步和技術(shù)的不斷成熟，大氣電場(chǎng)儀的應(yīng)用范圍越來越廣泛。大氣電場(chǎng)儀對(duì)環(huán)境的干擾小，穩(wěn)定性高，能夠長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)。

首先，大氣電場(chǎng)儀使用的探頭和放大器等設(shè)備對(duì)環(huán)境的影響小，在工作時(shí)不會(huì)對(duì)周圍的生態(tài)環(huán)境和居民生活產(chǎn)生顯著的影響。同時(shí)，大氣電場(chǎng)儀的數(shù)據(jù)采集和傳輸過程中使用的電磁波輻射也很弱，對(duì)人類健康和環(huán)境影響較小。

其次，大氣電場(chǎng)儀具有較高的穩(wěn)定性，能夠長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)大氣電場(chǎng)強(qiáng)度和電荷密度等數(shù)據(jù)。由于雷電活動(dòng)的頻繁變化，需要設(shè)備能夠在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。大氣電場(chǎng)儀采用了多種穩(wěn)定性較高的元器件和傳感器，可以確保其長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行。

最后，大氣電場(chǎng)儀具有很高的靈敏度，能夠在電場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生微小變化時(shí)及時(shí)檢測(cè)到并給出預(yù)警。而其靈敏度會(huì)受到環(huán)境因素的影響，因此大氣電場(chǎng)儀的精度和靈敏度需要不斷進(jìn)行校準(zhǔn)和優(yōu)化。這也是大氣電場(chǎng)儀需要不斷進(jìn)行維護(hù)和更新的原因。

4 大氣電場(chǎng)儀在萬載雷電預(yù)警中應(yīng)用的挑戰(zhàn)

4.1 地形復(fù)雜、海拔差異大的地區(qū)，安裝和維護(hù)難度大

在如萬載地區(qū)這類地形復(fù)雜、海拔差異大的地區(qū)時(shí)，大氣電場(chǎng)儀的安裝和維護(hù)面臨一定的挑戰(zhàn)。

一方面，在地形復(fù)雜的山區(qū)，安裝大氣電場(chǎng)儀需要考慮地形的起伏和不平坦性，以及不同地形對(duì)大氣電場(chǎng)的影響。在不同地形的區(qū)域內(nèi)，大氣電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)因地形的起伏、坡度和方向等因素的不同而產(chǎn)生變化，這會(huì)給大氣電場(chǎng)儀的安裝和使用帶來一定的困難。

另一方面，在海拔差異大的地區(qū)，如高山、峽谷等地區(qū)，大氣電場(chǎng)儀的安裝和維護(hù)也會(huì)遇到困難。在高海拔地區(qū)，空氣稀薄、溫度低，大氣電場(chǎng)的強(qiáng)度也會(huì)隨之變化，而大氣電場(chǎng)儀的探頭需要與環(huán)境接觸才能進(jìn)行檢測(cè)，因此需要針對(duì)不同高度的區(qū)域，選擇合適的探頭，并對(duì)其進(jìn)行調(diào)整和校準(zhǔn)，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。在峽谷地區(qū)，地形陡峭，操作空間狹窄，對(duì)大氣電場(chǎng)儀的安裝和維護(hù)也提出了嚴(yán)格的要求。

在面對(duì)這些困難和挑戰(zhàn)時(shí)，相關(guān)人員需要采用科學(xué)、合理的安裝和維護(hù)方法。例如，可以根據(jù)地形特點(diǎn)，合理選擇安裝點(diǎn)和探頭類型，以提高大氣電場(chǎng)儀的靈敏度和準(zhǔn)確性；還可以利用現(xiàn)代化技術(shù)手段，如遙感技術(shù)和智能化維護(hù)等，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程維護(hù)，減少維護(hù)成本和人力投入，從而為大氣電場(chǎng)儀在復(fù)雜地形和氣象條件下的使用提供有力支持，增強(qiáng)其在雷電預(yù)警中的應(yīng)用效果。

4.2 大氣電場(chǎng)儀的精度和靈敏度易受氣象和環(huán)境條件影響

雖然大氣電場(chǎng)儀在雷電預(yù)警中有著廣泛的應(yīng)用前景和優(yōu)勢(shì)，但其精度和靈敏度受到多種因素的影響，如氣象條件、周圍環(huán)境、設(shè)備本身的性能等。這些因素都會(huì)導(dǎo)致大氣電場(chǎng)儀的檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)誤差，影響雷電預(yù)警的準(zhǔn)確性。

首先，氣象條件，包括氣溫、濕度、風(fēng)速、降雨量等。大氣電場(chǎng)儀主要檢測(cè)空氣中的電場(chǎng)強(qiáng)度和電荷密度，而氣象條件會(huì)直接影響空氣中的電場(chǎng)強(qiáng)度和電荷密度，從而影響大氣電場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量結(jié)果，進(jìn)而影響大氣電場(chǎng)儀的準(zhǔn)確性和精度。例如，下雨天空氣中的電荷密度會(huì)顯著增大，導(dǎo)致大氣電場(chǎng)儀的檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)誤差。因此，在不同的天氣條件下，大氣電場(chǎng)儀需要進(jìn)行不同的校準(zhǔn)和優(yōu)化，以提高其精度和靈敏度。

其次，周圍環(huán)境。周圍環(huán)境包括電磁干擾、人為干擾、地質(zhì)構(gòu)造等因素。這些因素會(huì)干擾大氣電場(chǎng)儀的信號(hào)接收和傳輸，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)誤差。為了避免這些干擾，大氣電場(chǎng)儀需要在安裝時(shí)選擇合適的位置，并采取相應(yīng)的干擾措施，從而更好地發(fā)揮大氣電場(chǎng)儀在雷電預(yù)警中的作用。

最后，大氣電場(chǎng)儀自身的性能。大氣電場(chǎng)儀需要使用高質(zhì)量的材料和精密的制造工藝，以確保其精度和靈敏度的穩(wěn)定性。此外，大氣電場(chǎng)儀還需要定期進(jìn)行維護(hù)和校準(zhǔn)，以保證其檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

4.3 大氣電場(chǎng)儀需要多儀器配合，形成完整的雷電預(yù)警系統(tǒng)

大氣電場(chǎng)儀雖然具有檢測(cè)雷電的優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際應(yīng)用中，其仍需要與其他雷電預(yù)警儀器配合工作，形成完整的雷電預(yù)警系統(tǒng)。雷電預(yù)警系統(tǒng)一般由雷電定位系統(tǒng)、電場(chǎng)儀、雷達(dá)、衛(wèi)星等組成，通過互相配合能夠更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)雷電的預(yù)警。

雷電定位系統(tǒng)能夠通過對(duì)雷電信號(hào)進(jìn)行定位，精確地確定雷電活動(dòng)的位置和范圍，進(jìn)而提供更精準(zhǔn)的預(yù)警信息。雷達(dá)則能夠探測(cè)到雷云內(nèi)部的物理變化，進(jìn)而確定雷電的產(chǎn)生和發(fā)展，提供更為準(zhǔn)確的預(yù)警。衛(wèi)星可以通過監(jiān)測(cè)雷云形態(tài)和運(yùn)動(dòng)情況，預(yù)測(cè)雷電的發(fā)生概率和趨勢(shì)。

配合使用這些儀器，能夠提高雷電預(yù)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性，從而更好地預(yù)防和減輕雷電災(zāi)害對(duì)人們生命財(cái)產(chǎn)造成的危害。同時(shí)，雷電預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)也需要考慮設(shè)備的互通性和數(shù)據(jù)共享問題，以實(shí)現(xiàn)預(yù)警信息的全面共享和有效傳遞。需要注意的是，由于各地區(qū)的氣象條件和地形環(huán)境存在差異，因此雷電預(yù)警系統(tǒng)的配置和建設(shè)也需要根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以保證系統(tǒng)的適應(yīng)性和靈活性。

5 結(jié)束語

大氣電場(chǎng)儀是一種新型的雷電預(yù)警儀器，能夠有效地預(yù)警雷電災(zāi)害。在類似萬載雷電災(zāi)害高發(fā)的地區(qū)，大氣電場(chǎng)儀在雷電預(yù)警中發(fā)揮了重要作用，優(yōu)勢(shì)明顯，但在實(shí)際應(yīng)用中也面臨著一些挑戰(zhàn)。未來需要進(jìn)一步完善大氣電場(chǎng)儀技術(shù)，提高其精度和穩(wěn)定性，更好地服務(wù)于雷電災(zāi)害預(yù)警和防范工作。

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The Application of Atmospheric Electric Field Instrument on Lightning Warning in Wanzai County

Xu Gang et al（Wanzai Meteorological Bureau， Wanzai， Jiangxi 336100）

Abstract Based on the climate and geographical characteristics of the Wanzai region， the basic principles and technical parameters of the atmospheric electric field instrument were analyzed in detail， and the physical principles and operating methods of the atmospheric electric field instrument for retrograde lightning warning were deeply explored. A detailed analysis was made on the advantages and challenges of the application of atmospheric electric field instruments in lightning warning for ten thousand years， and corresponding measures were proposed to provide reference for relevant practitioners.

Key words Atmospheric electric field instrument; Lightning warning; Application