安順市大氣電場時空分布及其不同天氣形勢下的特征

黃歡,袁晨,馬曉紅,夏曉玲,呂乾勇, 謝清霞,毛先胤

(1.貴州電網有限責任公司，貴州 貴陽 550002；2.貴州新氣象科技有限責任公司，貴州 貴陽 550002；)

雷電災害是聯合國公布的最嚴重的十種自然災害之一，全球每年因雷擊造成的人員傷亡、財產損失不計其數。云南省氣象局[1]收集了2001年-2017年的云南省雷災資料進行統計分析，發現平均每年有超過40人死于雷災、有超過50人在雷災中受傷，并從地理空間角度得出了雷災傷亡的分布情況。有研究顯示[2]內蒙古每年雷擊傷亡事故的大多集中在6-8月份，且下午13時至18時為高事故發生時段，雷電最易發生在農村牧區，傷亡年齡分布主要集中在40歲-69歲，男性比例高達70.73%。許多省份研究顯示[3]對電力行業沖擊最大、影響最深的自然災害為雷電災害，體現在人員傷亡和設備損毀，同時雷擊還易造成電力設備起火[4]。

學者對雷電特征與預警均展開多方向、多維度的研究[5]。一些學者從統計學角度分析評估雷電災害，并開展風險區劃研究[6]。蔡忠周選取了閃電強度、閃電密度、人工雷暴日數、土壤電導率、河網密度、人口密度、GDP密度、生命易損指數、經濟易損指數、防護能力指數等10個因子作為西寧地區雷電災害風險評估指標,結合層次分析法反映西寧地區雷電災害風險,實現本地雷電災害的風險區劃。史津梅通過分析青海省東部農業區的閃電定位資料、雷擊災情資料以及各地區的GDP數據，開展該地區雷電災害風險評估及區劃，為科學合理制定雷電防護技術提供依據。一些學者從氣候角度開展雷電特征分析，Adnan Ahmad[7]從ENSO時間尺度上對印度上空閃電活動的變化開展相關研究，發現在兩次厄爾尼諾期間，閃電總數分別增加了10%和18%，而在兩次拉尼娜期間，與非ENSO同期的平均值相比，閃電總數分別減少了約19%和28%。

雷達回波資料和閃電定位系統資料常被用來分析雷電的時間和空間特征[8-13]。楊波通過分析南京地區罕見的冬季雷暴，發現電極性多以正地閃為主，且遠高于當地夏季雷暴正地閃數量。楊美榮初步利用雷達參量與雷暴未來閃電數量進行相關性分析,發現初始地閃階段40dBZ回波頂高與最初半小時閃電數量的相關系數為0.82,說明初始地閃發生時的雷達參量可以較好地指示雷暴未來半小時電活動強度。吳姍姍利用廣州高建筑物雷電觀測站的地閃光學觀測資料,結合雷聲和電磁場變化波形,分析了當地下行地閃分布特征，并提出增強對地閃的捕獲效率用以改進光學觀測方案。近年來雙偏振雷達在雷電活動特征分析中嶄露頭角，劉澤利用雙偏振雷達觀測數據分析了廣東一次暖云強降水對流單體的閃電活動及其與云降水結構的關系。

近年來多領域學者致力于提高雷電預警能力，中國氣象局在廣州建設了雷電野外科學試驗基地，以期實現雷電活動特征的理論突破。在此基礎上，王藝儒[14]不斷調整主負電荷區參數進行二維高分辨率閃電模擬試驗,討論自持型上行負地閃與云中閃電之間的相互競爭關系以及有利于自持型上行負地閃始發的云中電荷結構。張金波[15]采用柱形二維時域有限差分法和Agrawal耦合模型，計算了兩種典型的多導體線路在有耗地面上的雷電感應電壓,發現與平坦地形相比，垂直和水平配置的雷電感應電壓在撞擊錐形山時都能明顯提高，特別是在有限地面電導率較低的情況下。

目前國內有大量學者設計了雷電監測與預警以及災后評估分析模型[16-17]，且國內外大量研究顯示多源數據融合的預警模式[18]和預警算法的改進是提高雷電預警能力的關鍵性技術手段。龐華基[19-23]建立雷電實時預警系統融合了地面電場,閃電定位儀和多普雷天氣雷達等多種實時監測信息。梁宇提出一種基于雷達組合反射率的線路走廊雷電風險主動預警方法。

在對雷電的直接監測手段中，閃電定位儀只能監測已經發生的雷電活動，而對未發生雷電的雷暴云沒有任何反饋，但大氣電場儀能夠監測地面大氣電場的極性及強度,反映帶電云團中閃電活動情況，從而進行雷電預警。大氣電場儀的應用非常廣泛[24-27]，除了探測雷電發生前云團中的帶電活動，還可用于沙塵天氣的探測[28-29]。更有一些學者將搭載大氣電場儀的氣球做升空實驗[30]，得到特殊地形表面近地面如火山噴發形成的熔巖平臺地區上空電場特征。大氣電場儀器設備也在不斷改進中[31]。張鈺雯設計了一種新型大氣電場監測裝置，特點是光伏供電且低耗能。王光東設計了一種能夠有效消除共模干擾的雙定子差分式電場傳感器。

目前國內外研究多以單點地面電場儀為主，其探測距離較小，一般為10km-20km半徑范圍內，對于臨近的小尺度雷暴云有一定的捕捉能力，但對于系統性雷暴云如西南地區常見的MCS其探測能力是遠遠不夠的。利用多部大氣電場儀聯網開展綜合監測，可以提供大范圍內地面電場的分布以及雷電活動的移動路徑信息，將大大改善雷電的預報和預警功能，實現雷電天氣的精準靶向預警。本文將分析貴州安順市組網監測的多部大氣電場儀采集的電場數據，得到該地區大氣電場的時空分布特征，以及不同天氣形勢下大氣電場演變特征，為后期進一步開展雷電預警工作打下理論基礎。

1 數據說明

本文利用安順8個大氣電場儀(東屯、鳳凰、關嶺、化處、久聯、久聯民爆、雙堡、夏云)2020年1月～2021年5月的大氣電場觀測數據進行分析。

文中大氣電場數據所使用的觀測儀器型號為上海晨輝公司研制的Pre-Storm(預雷者)，Pre-Storm是建立在差模測量技術基礎上的大氣探測產品，它的工作原理是對不斷被屏蔽及開放的探測電極帶電量的增益放大，轉換為數字電場值，從而實時監測大氣電場的變化，進而實現對半徑15km-20km區域可能產生的雷電進行預測和報警。電場儀電場的正負按照國際標準定義，即當地面電場受雷暴云正電荷區控制，地面電場為負(強度方向由天指向地)；反之，則為正(強度方向由地指向天)，其主要性能與技術參數見表1。

表1 大氣電場儀主要性能與技術參數Tab.1 Main performance and technical parameters of the atmospheric electric field instrument

Pre-Storm利用先進的微處理器數據系統，能實時準確地測量記錄地面上的靜電場值與變化率,能連續啟動三級雷電報警。一般我們用以下三個場強閾值來界定警報等級：

(1)1級警報:默認的閾值為2kV/m,此時雷暴正在形成，對雷暴的初始活動進行報警;

(2)2級警報: 默認的閾值為4kV/m,此時雷暴正逐漸逼近，對正在接近的雷暴或在本地生成的雷暴進行報警;

(3)3級警報: 默認的閾值為6kV/m,雷暴即將發生，對即將在監測地發生的雷擊進行報警。

2 大氣電場的時間和空間分布特征

2.1 大氣電場的時間分布特征

(a)日(a) Day

(b) 月 (b)Month

(c) 年(c)Year圖1 2020年大氣電場當前電場時間分布特征Fig.1 Time distribution characteristics of current electric field in 2020

利用安順市8個站的大氣電場進行日變化、月變化和年變化分析，在日變化中(圖1a)，數值范圍在0.2kV/m～0.3kV/m之間，其中最大值出現在05時，為0.29kV/m，其次是09時，為0.25kV/m，最小值出現在21時，為0.2kV/m；線性趨勢線的趨勢系數為-0.0005，可知數值整體呈現減弱趨勢，即從00點到24點，電場有減弱的趨勢；由多項式擬合線可知在凌晨電場逐漸增強，在白天逐漸減弱，傍晚又開始增強。

在月變化中(圖1b)，數值范圍在0.09kV/m～0.33kV/m之間，其中最大值出現在15日，為0.33kV/m，其次為16日，為0.32kV/m，最小值出現在12日，為0.09kV/m，其次為9日和11日，均為0.1kV/m；線性趨勢線的趨勢系數為-0.0016，可知數值整體呈現減弱趨勢，即從月初到月末，電場有減弱的趨勢；由多項式擬合線可知電場在月上旬先逐漸增強，后逐漸減弱，月中旬又逐漸增強，月下旬先呈下降趨勢，后又明顯增強。

在年變化中(圖1c)，數值范圍在-0.13kV/m～0.86kV/m之間，其中最大值出現在7月，為0.86kV/m，其次是3月，為0.56kV/m，最小值出現在5月，為-0.13kV/m；線性趨勢線的趨勢系數為-0.0245，可知數值整體呈現減弱趨勢，即從年初到年末，電場有減弱的趨勢；由多項式擬合線可知在冬季到初春電場逐漸增強，在春季逐漸減弱，夏季又開始增強，秋季再次減弱。

可見，大氣電場的整體時間變化趨勢均為下降趨勢。

2.2 大氣電場的空間分布特征

(a)15:00(a)15:00

(b)23:00(b)23:00圖2 2020年安順大氣電場日變化空間分布特征Fig.2 Spatial distribution characteristics of the diurnal variation of Anshun atmospheric electric field in 2020

在大氣電場的日變化空間分布中，安順市由西北至東部大氣電場值逐漸減弱，西北部的化處站一直為所有站點中最大值站點，最大值出現在13(圖略)和15時(圖2a)，為0.7kV/m，東部的東屯站一直為最小值站點，最小值為-0.1kV/m；以東屯站為中心，一直維持一個低值中心，該低值中心在一天中出現3個由強到弱的變化周期，且范圍也相應由大變小，其中范圍最大出現在15時(圖2a)，該中心已向西擴大至關嶺站，最小范圍出現在23時(圖2b)，僅包括東屯本站，在12時～15時該低中心范圍基本維持；在安順市東北部站點分布較多，在九聯站到東屯站之間電場梯度最大。

(a)3日(a)3 days

(b)12日(b)12 days

(c)19日(c)19 days圖3 2020年安順大氣電場月變化空間分布特征Fig.3 Spatial distribution characteristics of monthly variation of Anshun atmospheric electric field in 2020

在大氣電場的月變化空間分布中，也是安順市由西北至東部逐漸減弱，西北部的化處站為所有站點中最大值站點，最大值出現在3日(圖3a)，為1.3kV/m，其次為久聯站，在13日(圖略)為0.8kV/m，東部的東屯站也一直為最小值站點，最小值為-0.1kV/m；在2日～13日，大值區從安順西北角逐漸向東擴展，但大值中心范圍逐漸縮小，在8日(圖略)久聯站開始為最大值中心，在12日(圖3b)大值范圍最小，0值線已縮小至關嶺、化處、鳳凰和東屯站，然后在14日(圖略)正值區范圍突然躍增，負值區僅為東屯站和關嶺南部局地，15日(圖略)開始正值大中心西北路退出安順市，負值區開始增大，在19日(圖3c)負值區范圍逐漸擴大為東屯-關嶺站，在最后一旬又經歷3次短時的強弱變化；在安順市東北部站點分布較多，在九聯站到東屯站之間電場梯度最大。

在月上旬，安順市西北部大氣電場均為正值，且大值中心由西北路向東移動，最后久聯站成為大值中心，月中到下旬，大值中心西北路退出安順，但大值區范圍幾乎覆蓋整個安順市，僅以東屯站為低值中心的范圍出現大小變化。

(a)1月(a)January

(b)4月(b)April

(c)5月(c)May

(d)7月(d)July

(e)8月(e)August

(f)9月(f)September 圖4 2020年安順大氣電場年變化1月、4月、5月、7月、8月和9月空間分布特征Fig.4 Spatial distribution characteristics of annual variation of Anshun atmospheric electric Field in January, April, May, July, August and September in 2020

在年變化中，共出現3次正負強弱變化，1月(圖4a)，以久聯0.8kV/m為最大正值中心，0kV/m線包含有鳳凰和雙堡站，其余站點均在負值區域，化處為最小值(-1.6kV/m)；2月(圖略)正值范圍擴大，僅有東屯和關嶺西側局地為負值區域，久聯最大值為1.2kV/m，3月(圖略)正值區域變化不大，但強度明顯增強，久聯的正值中心減弱，轉為夏云為7個站點中最大值，為3.0kV/m，增幅達到2kV/m，僅關嶺站北側局地為負值區域，4月(圖4b)強度略有減弱，夏云站降至2kV/m，東屯站附近降為負值區；5月(圖4c)正值區域突然減小，僅以雙堡為中心，包含久聯、東屯西側、關嶺東側和化處東側為正值區，且雙堡強度為0.5kV/m，夏云為7個站點最低-1.5kV/m；6月(圖略)負值區范圍縮小，正值中心向西北側移動，并范圍增大，化處站轉為最大值1kV/m，其次為久聯0.8kV/m，安順市東部以夏云、鳳凰東側、雙堡東側和東屯站均為負值區域，7月(圖4d)和6月基本一致，只是強度增強，化處站增強至4.8kV/m；8月(圖4e)負值區域突然明顯擴大至全市，其中以夏云、久聯和關嶺為3個高值中心；9月(圖4f)正值中心從西北路徑進入，化處再次成為正值中心，為4kV/m，負值區域減小，夏云是最低值站，為-2kV/m；10月(圖略)負值區域又再次擴大到全市范圍，關嶺略高，為-0.03kV/m，11月(圖略)與10月基本一致，只是負值強度增強，關嶺依然為負值區的高值中心，久聯成為低值中心，為-0.42kV/m；12月(圖略)負值強度減弱，久聯轉為正值區。

春季(2月至4月)全市大部均為正值區域，且以3月強度最強，初夏5月大部又轉為負電場，6和7月正值中心西北路北撤，但正值范圍擴大至市中西部地區，8月負值區擴大至全市，9月負值范圍減小，市的中西部轉為正值區，暮秋到冬季(10月至1月)，全市大部均為負值，且以11月負值強度最強。在全年中，負電場最低為9月的夏云站，正電場最強為7月的化處站。

3 不同天氣形勢下的大氣電場特征

結合前面時空分布，挑選正值大中心化處和久聯站進行進一步分析，由于化處站的數據有部分缺失，最后選取久聯站。首先挑選出久聯站2020年強雷暴(伴隨冰雹大風)過程9個，然后利用閃電定位數據挑選出普通雷雨過程57個，最后剩下為穩定性天氣(含晴天、多云、陰天和降雨等無雷電天氣)，分析這三種不同天氣形勢下的大氣電場特征。

3.1 穩定性天氣

(a)7月1日(a)July 1

(b)11月9日(b)November 9圖5 2020年7月1日和11月9日久聯站穩定性天氣大氣電場變化Fig.5 Variation of atmospheric electric field in stable weather of Jiulian Station on July 1 and November 9 in 2020

穩定性天氣的大氣電場變化范圍為-0.51kV/m～2.85kV/m。7月1日(圖5a)，久聯站陰天間多云有陣雨，大氣電場沒有明顯的抖動，基本維持在2kV/m左右。圖5(b)為2020年11月9日久聯站大氣電場變化圖，天氣現象為多云間陰，電場值基本在-0.1kV/m～0.1kV/m之間，平均值為0.017kV/m，在08:08分之前和22:49之后均為正值，說明期間為晴空云量較少，其余時間正負相間，其中最大值出現在16：55：14，為0.24kV/m，最小值出現在15：40：10，為-0.39kV/m。可見就算是穩定性天氣，大氣電場在夏季的值也明顯高于冬季，這與前面時間變化吻合。

3.2 普通雷雨天氣

(a)7月17日(a)July 17

(b)9月5日(b)September 5圖6 2020年7月17日和9月5日久聯站普通雷雨天氣大氣電場變化Fig.6 Variation of atmospheric electric field during ordinary thunderstorm at Jiulian Station on July 17 and September 5 in 2020

普通雷雨天氣的大氣電場變化范圍平均值為-5.25kV/m～4.16kV/m，明顯強于穩定天氣電場，挑選久聯站在2020年7月17日(圖6a)和9月5日(圖6b)的兩次普通雷雨天氣過程，在7月17日(圖6a)，在19時左右出現雷雨，此時大氣電場最大值為4.16kV/m，最小值為-3.58kV/m，其余時間大氣電場基本維持在2kV/m附近，這與當時多云有分散雷陣雨天氣吻合；在9月5日(圖6b)，雷電主要發生在17時，大氣電場在此時也有正負電荷的明顯躍增，最大值為3.4kV/m，最小值為-5.25kV/m，均超過2kV/m的雷電預警值，其余時間基本在1kV/m之間，與上面時間變化均值吻合。

3.3 強雷暴天氣

(a)1月6日(a)January 6

(b)4月18日(b)April 18圖7 2020年1月6日和4月18日久聯站強雷暴天氣大氣電場變化Fig.7 Changes of atmospheric electric field during severe thunderstorm at Jiulian Station on January 6 and April 18 in 2020

強雷暴天氣的大氣電場范圍-33kV/m～80.92kV/m，挑選2020年1月6日(圖7a)安順市大部發生的強雷暴天氣過程，伴隨有冰雹、短時強降雨和大風等強對流天氣。當天電場出現3次明顯抖動，分別在13:30:29左右、15:17:03左右和17點～18點左右，其中傍晚17點～18點的時間維持最長，正負電場強度也最強，正電場最大值為80.92kV/m，負電場最大值為-9.96kV/m，主要范圍在-10kV/m～35kV/m之間，此時段也與當日冰雹時段相對應，在其余時段，大氣電場均變現為正值，范圍在2.6kV/m左右；在4月18日(圖7b)，安順市北部出現強對流天氣，并伴有降雹和雷暴大風，久聯站在16點～17點出現明顯的電場抖動，且最大值為40.35kV/m，最小值為-33kV/m，其余時間均維持在2kV/m左右，抖動時間與降雹基本吻合。電場相比于穩定性天氣和普通雷暴天氣偏強。

4 結論

1.大氣電場的日、月和年變化趨勢均為整體下降趨勢，對于日變化，在夜間逐漸增強，凌晨達到最強，白天逐漸減弱，這與貴州多夜雨吻合；月變化表現在月上旬主要為減弱，中旬增強，下旬先減弱后增強；年變化變現在冬季到初春電場逐漸增強，春季略有減弱，夏季又開始增強，秋季再次減弱，這與貴州雷電多出現在春夏季節一致。

2.安順市大氣電場日和月變化均由西北至東部大氣電場值逐漸減弱，西北部的化處站一直為最大值，其次為久聯站，東部的東屯站一直為最小值；在月上旬，安順市西北部大氣電場均為正值，大值中心由西北路向東移動，最后久聯站成為大值中心，月中到下旬，大值中心西北路退出安順；春季(2月至4月)全市大部均為正值區域，暮秋到冬季(10月至1月)全市大部均為負值，其余月份大氣電場表現為不穩定的正負交替，這正與貴州易于出現雷電天氣時段吻合，大值站點依然分別是化處和久聯。

3.通過選取資料齊全的大值中心久聯站進行不同天氣形勢下的大氣電場特征分析，久聯站穩定性天氣的大氣電場變化范圍為-0.51kV/m～2.85kV/m；普通雷雨天氣的大氣電場變化范圍平均值為-5.25kV/m～4.16kV/m；強雷暴天氣的大氣電場范圍-33kV/m～80.92kV/m，可見三種不同天氣形勢下，大氣電場出現不同等級的躍增。