大氣電場儀在雷電監測預警中的應用

魯 斌，劉 慧

（1.雞西市氣象局，黑龍江 雞西 158100；2.鶴崗市氣象局，黑龍江 鶴崗154100）

大氣電場儀在雷電監測預警中的應用

魯 斌1，劉 慧2

（1.雞西市氣象局，黑龍江 雞西 158100；2.鶴崗市氣象局，黑龍江 鶴崗154100）

1 引言

電場探測一般采用導體在電場中產生感應電荷的原理。從探測的對象上可分為地面大氣電場探測、空中電場探測及空間電場探測。現階段主要是對地面大氣電場進行探測，從而監測被探測地區上空雷雨云的整個過程（起電過程、電荷積累程度和消散過程）。大氣電場儀可連續監測雷暴在地面產生的靜電場以及云閃和地閃的發生情況,所以既可以用于局地的雷暴監測與預警,也可用于易起靜電或易受靜電危害的場所,監測靜電強度,避免可能發生的危險。因此大氣電場儀在雷電探測中是一種必不可少的設備。

2 大氣電場儀在雷電監測預警中的應用

地面電場儀無論在晴天還是雷暴天氣條件下都可以測量地面大氣平均電場的大小和極性的變化，根據電場資料可以反演得到可靠的雷雨云中強電荷中心的強度、極性和分布。

云中電荷分布的水平尺度遠遠大于其垂直尺度，為簡單起見，云中電荷當作垂直分布，以點電荷為例，一般把雷暴云的電荷分布認為是云上部為正電荷區，云下部為負電荷區，也有觀測表明在負電荷區下面還有一個小的正電荷區，云中閃電可以認為是在主要正負電荷區之間進行的。

對于垂直偶極性電荷結構的雷暴，地面垂直電場E1表示為：

其中，D為電偶極軸與測站之間的水平距離；QP、HP分別為雷暴上部正電荷區的電荷量和距離地面的高度;QN、HN為中部負電荷區的電荷量和距離地面的高度。

發生在上部正電荷區與中部負電荷區之間的云閃產生的電場變化為ΔE：

因此對具有垂直偶極性電荷結構的雷暴,地面電場和云閃產生的電場變化隨著雷暴的移動其極性的變化應是同時發生的。

為了簡化公式，假設Qp=Qn=Q，則

需要求解的還有 4 個變量：Q、D、HP、HN，當有 4 個以上的電場儀時，即可推算出雷暴的電荷量、電荷的高度以及雷暴的位置。離云荷電中心電場為零的距離D0為

D0又稱為電場的反轉距離，它僅與荷電中心高度有關。

3 單站電場儀資料在雷電監測預警中的應用

雷暴活動往往引起地面電場的顯著變化,由于大氣電場儀可以測量大氣平均電場的大小及極性的連續變化,因此能夠監測靜電電場的慢變化,甚至是比較弱的慢變化,對近距離雷暴過頂時的大氣電場很敏感，因此電場儀資料在雷電監測預警中有很重要的作用。地面電場曲線的抖動變化可以作為判斷雷電是否發生的標準，在雷電監測預警中是一項重要的指標。

從圖1可看出：

（1）地面電場曲線剛開始比較平緩，大約在17時慢慢發生上下抖動變化,說明在電場儀監測范圍內有云團經過并足以產生雷電。

（2）17時以后地面電場曲線不斷向負向靠攏，說明云中聚集了很多負電荷。當負電荷增加到一定程度，云層就會與地面形成一定的電勢差，當電勢差達到一定強度后，便會發生閃電先導，在18時有一個向上的快變尖峰，此時電場發生了逆轉，應該是回擊過程。第一次放電結束后，云層又會立即聚集電荷，開始下一次放電過程。

（3）19-20時，有幾個向下的快變尖峰，說明這幾次電場強度的變化是幾個正閃。

（4）20時往后地面電場曲線又變得比較平緩，說明雷暴云消失或不在電場儀監測范圍內。

圖1 一次雷電過程中的電場曲線

總的來說帶電云的活動是非常復雜的，在不同的天氣環境下其產生、聚集和消散變化都是不同的。從上圖雖然可以確定云內電荷極性及發生閃電的可能，但這種監測無法確定雷電的移動趨勢和發生位置,也無法判斷下一步電場強度會繼續增加直到雷電發生,還是會逐漸接近零點直到趨于平穩,短時雷電預警的準確率較低，而這些恰恰是需要了解的。

4 多站電場儀資料在雷電監測預警中的應用

大氣電場儀主要用于探測大氣中帶電物質所引發的地面電場變化,對局部地區潛在雷暴活動及靜電事故發出警報。為了增強大氣電場儀的功能和擴大電場的監測范圍,提高雷電的預警能力,可以進行電場儀聯網。電場儀聯網即在監測區域內使用多臺電場儀組成網絡,將各電場儀的數據通過有線或無線通信網絡傳送到中央處理機上,再通過預先設計好的算法對各電場儀數據進行處理,給出類似監測區域內地面電場等值線、云團電荷中心位置的產品。

根據以上分析，目前利用地面電場資料監測預警有兩種方法：

（1）將電場儀組網，按公式（2）或（3）即可推算出云中電荷中心的電荷量和位置，發出警報。但由于雷暴云內的電荷結構十分復雜，雷暴云中并不是只有一個雷暴單體，很難利用以上公式來確定雷暴的位置、電荷中心和電量。因此常將電場儀資料與閃電定位系統和天氣雷達等資料結合在一起研究，使得雷電預報的準確率大大提高。

（2）分析雷暴過程中地面電場的變化規律，設置多級雷電預警閾值，當地面電場達到閾值時發出雷電預警。常用的電場預警值為3 kV／m，大多數電場儀的預警值可調節（考慮到雷暴與觀測站之間的距離）。在雷暴沒有發展成熟且逐漸移近電場儀時，大氣電場儀測量值會迅速增大,當測量值超過設定的預警值時,電場儀報警。此方法的缺點是在大多情況下,雷暴在未到達探測范圍時已經發展成熟,并發生閃電,但是由于雷暴較遠,這時所測的電場值會比較小,電場儀不會報警，只有當雷暴靠近使得電場值超過預警值時才報警,這使得報警滯后。因為上述缺點，在設定電場預警值的同時，可以在電場儀的終端軟件中對相鄰2個電場采樣值進行比較，當2個采樣值的差值大于某一數值(稱其為跳變值)時，認為電場發生跳變，附近有閃電發生，電場儀開始報警。電場儀報警的解除則可以采用延時方式。當發生報警后，報警持續一定時間。根據雷暴的生命期和閃電發生的間隙時間，持續時間可取5 min左右(不能低于閃電發生的間隙時間)，如在報警持續時間內，又出現預警條件，重新計時。如果超過設定的持續時間，仍沒有再次出現預警條件，則解除報警。

5 環境對電場資料影響分析

地面電場儀是安裝在地面上的，因此容易受周圍物體的影響。若周圍有尖端物體，由于尖端電暈放電會形成厚達幾米的空間電荷屏蔽層，使地面電場不能真實反映雷暴本身所產生的電場。因此應該找相對一致的安裝環境，減小環境對大氣電場儀的影響。若無法找到相對一致的環境，就需要進行大氣電場受環境影響的研究，找出各種環境對大氣電場的影響關系，根據不同的環境給出不同的修正。

假設在晴天大氣電場中，可以認為建筑物處在均勻電場中。從數學角度來看電場問題，實際就是求滿足邊界條件的泊松方程解的問題。

泊松方程在物理中是用來描述穩定場的狀態的，寫為：

圖2 差分網格的結點坐標

建立二維的泊松方程和拉普拉斯方程的差分格式，Φ0代表中心 0 點電位值，Φ1、Φ2、Φ3、Φ4表示 1、2、3、4 點的電位值，所形成的差分網格如圖2所示：

用有限元法可得出：

結合Matlab畫圖可知，雷暴云下大氣電場電位分布由于地表、地物的影響而發生變化，遠處的電勢、場強分布相對較均勻。因此在利用電場儀資料時，一定要考慮周圍地形、地物的影響，盡量找出相對一致的安裝環境。

6 小結

利用地面電場儀進行雷電預警的優點在于易于安裝，可以自動、連續、實時監測雷雨云中強雷電活動中心在地面產生的電場強度、極性以及閃電數等。但單站大氣電場儀預警范圍小，因此一般將多個大氣電場儀聯網，組成地面電儀網后，可以擴大測量范圍，提高測量精度。本文利用點電荷模式，數值計算了雷暴云電荷分布在地面產生的電場變化的特征，從而可以推出云中電荷中心分布位置和電量。由于安裝場地對周圍電場的影響，大氣電場資料可能存在較大的誤差，因此當利用大氣電場儀測量的空間電場資料反演計算模型時，要適當地考慮地形、地物的影響。

1002-252X(2012)02-0037-02

2012-2-1

魯斌（1983-），男，黑龍江省雞西市人，成都信息工程學院，本科生，助理工程師.