黔中地區(qū)大氣平均電場特征分析及小波技術(shù)的應(yīng)用

劉 波，李 艷，武 斌，吳安坤，楊 群

(1.貴州省防雷減災(zāi)中心，貴州 貴陽 550002;2.貴州省大氣探測與技術(shù)保障中心，貴州 貴陽 550002)

1 前言

大氣電場指存在于大氣中與帶電物質(zhì)產(chǎn)生電力相互作用的物理場。盡管對地面大氣電場進(jìn)行觀測已經(jīng)有一百多年的歷史，地面大氣電場以及電場變化觀測也已經(jīng)廣泛用于對云體帶電情況分析以及閃電放電機(jī)理等研究中，但是對大氣平均電場波形變化規(guī)律依然缺乏全面深入地了解。這主要是因?yàn)榈孛娲髿怆妶鍪艿礁鞣N因素的影響，在對地面大氣電場進(jìn)行觀測時，沒有對其它氣象要素的同步觀測，難以對大氣電場變化特征及規(guī)律進(jìn)行全面分析。

在國內(nèi)，許多學(xué)者對不同地區(qū)大氣平均電場特征進(jìn)行了一系列分析，吳亭［2］等對北京地區(qū)不同天氣條件下的近地面大氣電場特征進(jìn)行了分析研究，但迄今為止幾乎沒有對黔中地區(qū)大氣平均電場活動特征進(jìn)行分析的研究結(jié)果。

本文通過對黔中地區(qū)不同天氣條件下大氣電場的活動情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對大氣電場波形特征進(jìn)行分析，在一定程度上揭示了黔中地區(qū)雷電活動特征及規(guī)律。同時，通過分析黔中地區(qū)雷暴天氣下的大氣電場特征，結(jié)合實(shí)時的閃電定位資料，并采用統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)方法，得到雷電預(yù)警閾值，從而提高了黔中地區(qū)雷電預(yù)警預(yù)報水平。

2 黔中地區(qū)大氣平均電場儀概述

貴州省目前共有3臺大氣電場儀，分別安裝于貴陽市氣象局觀測場、安順市氣象局觀測場和白云區(qū)氣象局觀測場內(nèi)。

大氣平均電場儀有效探測半徑約為10 km(圖1紅色虛線圈)，安裝在距觀測場地面以上0.7 m的高度。3臺大氣電場儀安裝于氣象觀測場內(nèi)，并得到了其它氣象要素同步觀測資料(如氣溫、空氣濕度、風(fēng)速風(fēng)向、天氣現(xiàn)象等)，因此可以研究不同天氣條件下大氣平均電場的變化特征。

圖1 貴州大氣平均電場儀分布圖

3 晴天大氣平均電場特征分析

晴天大氣電場是指晴天條件下的大氣電場值，定義電場正向?yàn)榇怪毕蛳隆?jù)統(tǒng)計(jì)，全球平均陸地上的晴天大氣電場平均值約為120 V/m，海洋上約為 130 V/m［3］。

本文通過查詢黔中地區(qū)的歷史天氣實(shí)況資料，從中挑選出50 d為晴天的大氣平均電場波形資料，對每天24 h大氣平均電場值求絕對平均值，如圖2。

圖2 黔中晴天條件下大氣電場

從圖2可知，黔中地區(qū)晴天大氣電場值在0.094～0.435 kV/m范圍內(nèi)變動，最大值為0.435 kV/m，最小值為0.094 kV/m，兩值相差了0.341 kV/m。黔中地區(qū)晴天大氣電場平均值為0.221 kV/m，是全球平均值(0.120 kV/m)的1.8倍，說明黔中地區(qū)的晴天大氣電場值較全球平均水平高。

4 雷暴天氣下大氣電場特征分析

通過查詢貴陽市和安順市的歷史天氣實(shí)況資料，挑選出50 d雷暴天氣的大氣平均電場，并結(jié)合閃電定位儀資料，確定雷暴過程持續(xù)時間，對持續(xù)時間內(nèi)的大氣電場求絕對平均值，如圖3。

圖3 雷暴天氣條件下大氣電場絕對平均值圖

從圖3可知，黔中地區(qū)雷暴天氣下大氣電場絕對平均值在1.312～9.008 kV/m范圍內(nèi)變動，最大值為kV/m，最小值為 kV/m，兩者相差了6.9倍。雷暴天氣大氣電場絕對平均值為3.701 kV/m。

5 雷暴天氣下大氣電場閾值確定

雷暴天氣過程中，大氣電場強(qiáng)度隨閃電能量的增加而逐漸增加，當(dāng)雷暴發(fā)生時，大氣電場強(qiáng)度可以增大到14 kV/m以上［4］。由于上述變化過程較緩慢，可以根據(jù)大氣電場強(qiáng)度的變化，了解其周圍地區(qū)閃電的發(fā)展活動狀況，并可近距離分析閃電發(fā)生的可能性，結(jié)合閃電定位等同步資料，從而開展雷電災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報工作。

目前貴州省雷電監(jiān)測預(yù)警軟件所設(shè)定的雷電電場預(yù)警閾值為 5 級，分別是 2、5、7、10、15 kV/m，此5級預(yù)警閾值是參考浙江、江蘇等省份的經(jīng)驗(yàn)值而設(shè)定，由于上述地區(qū)多為平原地形，而貴陽市處于云貴高原東段，其特有的山地地形條件與江南地區(qū)存在較大差異，因此雷電預(yù)警閾值的設(shè)定不夠精確。

根據(jù)黔中地區(qū)雷暴大氣電場強(qiáng)度的變化特征，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理中的假設(shè)檢驗(yàn)法:假設(shè)某一固定值能最大可能地擬合大氣電場強(qiáng)度變化范圍，然后對該假設(shè)值進(jìn)行溯源校驗(yàn)，檢驗(yàn)該值是否能判斷出該地區(qū)有較大可能發(fā)生雷暴天氣。如果能，選取該值作為雷電預(yù)警的最佳閾值;如果不能，則繼續(xù)假設(shè)檢驗(yàn)，直至找到最佳閾值為止。

黔中地區(qū)雷暴天氣大氣電場平均值為3.701 kV/m。其中在平均值以上的天數(shù)有28 d，占總天數(shù)的56%。假定黔中地區(qū)的雷暴天氣的閾值為上述統(tǒng)計(jì)的絕對平均值(3.701 kV/m)，即當(dāng)黔中地區(qū)的大氣電場值達(dá)到3.701 kV/m時，預(yù)報將發(fā)生雷暴天氣。統(tǒng)計(jì)50 d雷暴天氣的大氣電場數(shù)據(jù)，其中有28 d的大氣電場超過了平均值，因此黔中地區(qū)以3.701 kV/m作為雷暴天氣閾值的預(yù)報準(zhǔn)確率為56%，漏報率為44%。

為了更好地預(yù)報黔中地區(qū)的雷暴天氣，利用以上統(tǒng)計(jì)的50 d雷暴天氣資料，將其預(yù)報準(zhǔn)確率和漏報率列表(表1)。需要說明的是，受實(shí)驗(yàn)條件限制，這里沒有考慮虛報率的情況。

為了更好地利用大氣電場值作好雷暴天氣的預(yù)報，分別在平均值上下假定幾個閾值，并分別統(tǒng)計(jì)這幾個閾值的準(zhǔn)確率和漏報率，以供預(yù)報員參考。

假定需要準(zhǔn)確率達(dá)到90%、80%、60%、50%時，則需要確定的閾值分別為1.544 kV/m、2.111 kV/m、2.777 kV/m、3.204 kV/m。可以根據(jù)表1來選擇所需要達(dá)到的準(zhǔn)確率的預(yù)報閾值。

表1 雷暴天氣預(yù)報準(zhǔn)確率和漏報率表

6 小波濾波技術(shù)的應(yīng)用與分析

6.1 小波濾波方法

地面大氣電場儀得到的地面大氣電場波形數(shù)據(jù)中，既包含需要探測的實(shí)際大氣電場信號，也摻雜著各種干擾噪聲，這些干擾噪聲中包含系統(tǒng)的隨機(jī)噪聲。由于系統(tǒng)的隨機(jī)噪聲無論在時域還是頻域都是寬帶信號，無法直接去除，只能用濾波的方法來抑制噪聲，增大信噪比。

傅里葉分析是一種能對頻域信號進(jìn)行準(zhǔn)確分析的高效方法，但不包含任何時域的信息，在時域無任何分辨能力。小波分析在時域、頻域都具有表征信號局部特征的能力，是一種窗口大小固定不變，但其形狀可改變，時間窗和頻率窗都可以改變的時域局部化分析方法。

6.2 小波分解層數(shù)

為了確定小波分解層數(shù)，合理地對地面大氣電場數(shù)據(jù)波形進(jìn)行濾波，選取2012年7月的地面大氣電場數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜分析。將采樣序列經(jīng)快速傅里葉變換后，取其幅值的平方，并除以序列的長度，得到序列的功率譜。分析結(jié)果如圖4。

圖4 大氣電場功率譜

由圖4可知:地面大氣電場數(shù)據(jù)序列的功率譜主要集中在10－2～8×10－3Hz之間。功率譜集中在8×10－3Hz以下。儀器每秒采集一次數(shù)據(jù)，采樣頻率為1 Hz，功率譜集中在8×10－3Hz以下時，確定分層為10層。

7 實(shí)例分析

7.1 晴天地面大氣電場數(shù)據(jù)小波分析

選取2012年4月3日貴陽東山的24 h晴天大氣電場波形數(shù)據(jù)進(jìn)行小波濾波。小波函數(shù)選取sym5，分解層數(shù)為10層。該天的天氣和氣象要素為:晴天，日平均氣溫18.7℃、日平均風(fēng)速3.1 m/s，空氣濕度為62%。

圖5 晴天大氣電場小波濾波分析

通過小波10層分解濾波后得到圖5，從圖5可知，地面大氣電場幅值介于－0.25～0.25 kV/m，存在4個波峰和3個波谷。

7.2 有雷暴天氣的地面大氣電場數(shù)據(jù)小波分析

隨機(jī)選取2012年7月28日貴陽的24 h大氣電場數(shù)據(jù)波形進(jìn)行小波分析。小波函數(shù)選取sym5，分解層數(shù)為10層，得到圖6。

圖6 雷暴天氣大氣電場小波濾波分析

該天實(shí)況天氣情況為:多云轉(zhuǎn)雷陣雨，日降水量12.3 mm，日平均氣溫21.9℃，空氣濕度91%;閃電定位儀同步資料顯示閃電發(fā)生在貴陽市氣象局觀測場中心位置(106.44°E、26.35°N)10 km 范圍內(nèi)，持續(xù)時間為13時02分—18時16分。

通過圖6可以看出，大氣電場在13時30分開始發(fā)生陡變，并一直持續(xù)至18時左右，這與閃電定位儀顯示的閃電持續(xù)時間基本一致。

8 結(jié)論

①黔中地區(qū)的晴天大氣電場平均值為0.221 kV/m，約為全球平均值(0.120 kV/m)的1.8倍，說明黔中地區(qū)的晴天大氣電場值較大;雷暴天氣的大氣電場平均值為3.701 kV/m。

②采用假設(shè)檢驗(yàn)的方法確定了準(zhǔn)確率達(dá)到90%、80%、60%、50%時的閾值分別為1.544 kV/m、2.111 kV/m、2.802 kV/m、3.448 kV/m。可以根據(jù)文中雷暴天氣預(yù)報準(zhǔn)確率和漏報率表(表1)來確定需要的準(zhǔn)確率所對應(yīng)的雷暴閾值。

③利用小波濾波技術(shù)得到采用頻率為1 Hz時的功率譜集中在8×10－3Hz以下，確定小波分解層數(shù)為10層。

［1］孟青，呂偉濤，姚雯，等.地面電場資料在雷電預(yù)警技術(shù)中的應(yīng)用［J］. 氣象，2005，09.

［2］吳亭，呂偉濤，劉曉陽，等.北京地區(qū)不同天氣條件下近地面大氣電場特征［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報，2009，04.

［3］吳健，陳毅芬，曾智聰.利用地面電場儀與閃電定位資料進(jìn)行短時雷電預(yù)警的方法［J］.氣象與環(huán)境科學(xué)，2009，01.

［4］付曉輝.雷達(dá)和閃電定位儀資料在天氣分析和預(yù)報中的應(yīng)用研究［D］.南京信息工程大學(xué)，2007.

［5］王強(qiáng)，王建初，顧宇丹.電場時序差分在雷電預(yù)警中的有效性分析［J］. 氣象科學(xué)，2009，05.

［6］羅林艷，祝燕德，王智剛，等.基于大氣電場與閃電資料的雷電臨近預(yù)警方法［J］.成都信息工程學(xué)院學(xué)報，2010，05.

［7］丁德平，甘璐，鄧長菊，等.北京地區(qū)大氣電場的特征及在雷電預(yù)警中的應(yīng)用［A］.第28屆中國氣象學(xué)會年會——S13雷電物理、監(jiān)測預(yù)警和防護(hù)［C］.2011.