四川省復雜地貌區域雷電活動中大氣電場特征研究

張婧雯,張遠揚 ,劉 暢,余海蓉,吳 容,魏 慶

（四川省防雷中心,成都 610072）

引言

近年來，大氣電場研究越來越受到國內外學者的重視。目前，氣象學者對大氣電場的研究主要集中在云體帶電或閃電放電時大氣電場的變化等方面[1?3]，對于平原、高原等不同地貌條件下雷電活動中大氣電場變化的系統研究少見報道 。四川省位于青藏高原西側與長江平原東側之間的過渡帶，由西向東依次為高原、平原地貌特征，區域差異明顯[4?6]，其雷電過程的發生發展具有突發性和局地性，使得雷電潛勢預報、閃電定位等方法在雷電短臨預警方面效果并不理想。而大氣電場儀能夠對云體帶電情況進行實時監測，通過監測大氣電場強度、極性、振幅的連續變化，對雷電過程發生前異常的大氣電場變化加以識別，從而達到預警目的[7?9]。本文擬利用四川省2009～2019 年大氣電場儀監測資料，分析省內平原和高原地區雷電活動中地面電場的變化特征，以期為有效促進大氣電場監測資料應用、顯著提升雷電短臨預警水平以及科學開展四川省地面電場組網工作打下理論基礎[10?12]。

1 資料及其處理

研究數據主要來自于2009～2019 年四川省24 個大氣電場站點（表1）監測資料[13?15]。

表1 四川省大氣電場站點經緯度和安裝環境

2 復雜地貌區域雷電活動中大氣電場特征分析

2.1 平原地區雷電活動中大氣電場特征

研究在光華村、溫江、眉山、宜賓四個平原站點選取了20 次雷電天氣過程地面電場數據，詳見表2。經統計分析，平原地區雷電過程持續時間為30～350min，平均持續時間約為158min，電場絕對值最大為40kV/m。根據地面電場變化趨勢，可分為兩類：a類共12 次（60%），地面電場值主要為負，說明此類雷暴云上部有小部分正電荷區，下部大部分為負電荷區，雷暴云中主要為負電荷控制區域，此類雷暴云呈偶極性的電荷結構，也稱雙極型電荷結構（正-負）；b 類共8 次（40%），此類過程地面電場值開始為正，隨雷暴云發展到旺盛階段地面電場值轉為負值，說明此類雷暴云上部為小部分正電荷區，中部為負電荷區，下部還有小部分的正電荷區，呈三極性電荷結構（正-負-正）。

表2 平原地區20 次雷暴過程

圖1a 是平原地區2009 年7 月16 日雷暴過程中地面電場變化。如圖所示，此次雷電過程在開始階段主要以正電場為主，持續時間為120min。在雷暴云形成階段，電場開始快變抖動，于02:00 轉為負電場，說明此時地面電場所受雷暴云下部負電荷區域影響導致出現負值。03:00 電場轉為正極性，說明此時降水粒子到達地面降水粒子荷電瞬間改變地面電場極性。03:25 電場再次轉為負極性，此時地面電場繼續受雷暴云下部負電荷區影響，負電場在持續25min 后雷電過程趨于消散。03:50 轉為正電場，此階段EOSO特征不明顯。此次過程地面電場基本為負變化，說明雷暴云下部負電荷區為主要影響區域。

圖1b 是平原地區2009 年7 月17 日雷暴過程中地面電場變化。如圖所示，平原地區此次雷電過程在起始階段電荷不斷累積，電場開始快變抖動，以正變化為主。14:05 地面電場變化劇烈，此時電荷積累到一定程度，達到了擊穿空氣條件，閃電頻發，此時為正電場，影響地面電場變化的主要是雷暴云下部小部分正電荷區。下部正電荷區域所帶電荷逐漸增大，在14:50 達到第一個極值，隨后減小。持續50min 后，電場于14:58 轉為負電場，此時雷暴下部正電荷區電荷已中和殆盡，云團中部負電荷區開始影響地面電場變化，地面電場出現極性反轉，地面電場值呈負抖動趨勢。15:18 電場達到第二次極值，這是因為雷電過程中伴有的降水，降水粒子具有很強導電性，當降水到達地面時，會造成地面電場極性的瞬間變化。消散階段負電場逐漸震蕩趨零，此階段EOSO 特征不明顯。

圖1 平原地區2009 年7 月16 日 (a) 和7 月17 日 (b) 雷暴過程地面電場變化

2.2 高原地區雷電活動中大氣電場特征

研究在康定、馬爾康、鹽源等高原站點選取了11 次雷電天氣過程地面電場數據，詳見表3。經統計分析，雷電過程持續時間為30～360min，平均持續時間約為93min，電場絕對值最大值為37kV/m。根據地面電場變化趨勢，可分為兩類：a 類共6 次（55%），地面電場值主要為負，雷暴云中主要為負電荷控制區域，此類雷暴云呈偶極性電荷結構（雙極型電荷結構）；b 類共5 次（45%），此類過程開始電場值為正，后轉為負，此類雷暴云呈三極性電荷結構。

表3 高原地區11 次雷暴過程

圖2a 是高原地區2015 年6 月16 日雷暴過程中地面電場變化。如圖所示，高原地區此次雷電過程在起始階出現短暫正電場，強度介于0～5kV/m。16:40地面電場迅速轉為負值，隨后很快出現極值，此時雷暴云底部負電荷區內電荷迅速累積。由于高原海拔高、云層低更易形成擊穿，當電荷累積到一定程度時擊穿空氣，發生閃電，在17:00 出現第一個極值。隨后緩慢震蕩，在18:40 再次出現第二個極值，此時由于高原地區雷暴云對流能力減弱，極值強度較第一次極值有所減弱。由于高原地區地形、熱力因素影響，伴隨降雨或冰雹，云中的含水量降低，引起地面電荷量的累積量減小，此時地面電場抖動頻率增多，出現多次極性反轉，但是閃電強度銳減。21:45 進入消散階段，呈現明顯的EOSO 過程特征，電場不再劇烈變化，而是趨向于長時間、大幅度的起伏，這是雷暴消亡階段的典型正弦波動，雷暴云下部負電荷不斷中和后，上部的正電荷區域出現，這些電荷控制了地面電場極性，使得地面開始出現正電場，最后趨近于晴天大氣電場。整個過程中地面電場變化依然主要受到雷暴云內下部負電荷區影響。

圖2b 是高原地區2015 年6 月24 日雷暴過程中地面電場變化。如圖所示，高原地區此次雷電過程起始階段地面電場輕微抖動，主要為正電場，強度介于0～3kV/m。16:40 出現劇烈變化，極性轉為負電場，抖動加劇，在16:55 出現第一個極值。受冰雹或降水離子影響，電場迅速出現極性反轉，在短時間內出現第二個極值。此類雷暴下部電荷累積迅速，同樣說明高原海拔高、云層低更易形成擊穿。此時，雷暴云底部正電荷區域中和消耗完畢，中部負電荷區出現在大氣電場儀上方，電場主要呈負變化，受中部負電荷區影響，在持續40min 連續快變抖動后，振幅逐漸減小，有明顯的EOSO 變化特征。

圖2 高原地區2015 年6 月16 日 (a) 和6 月24 日 (b) 雷暴過程地面電場變化

2.3 平原、高原地區雷電活動中大氣電場特征差異分析

平原和高原地區雷電過程平均持續時間分別約為158min 和93min，電場絕對值最大值分別為40kV/m和37kV/m。平原地區持續時間為高原地區1.7 倍，電場極值相差不大。平原和高原地區雷電過程的大氣電場波形變化可分為相同兩類，說明這些地區雷暴云帶電結構均為偶極性和三極性電荷結構。造成平原和高原地區雷電過程時間、強度差異的主要原因是高原地區雷暴云高度相對較低，空氣介質厚度相對較小，更易發生擊穿，雷電更易形成。但高原地區雷電活動的電場強度、持續時間、最大電場絕對值較平原地區偏弱。高原地區海拔較高，同時受地形的影響，地面溫度相對較低，對流能量相對較弱，這是引起該地區雷電過程放電少、極值低、時間短的一個重要因素[16?17]。

3 結論

本文利用四川省2009～2019 年大氣電場儀監測資料，分析了省內平原和高原地區雷電活動中地面電場的變化特征，得到如下結論：

（1）平原地區雷電過程持續時間最短為30min，最長為350min，平均約為158min，極值達到40kV/m。根據地面電場變化趨勢，分為兩類：地面電場值主要為負的偶極性的電荷結構，地面電場值由正到負的三極性電荷結構。

（2）高原地區雷電過程持續時間最短為30min，最長為360min，平均約為93min，極值達到37kV/m。根據地面電場變化趨勢，分為兩類：地面電場值主要為負的偶極性的電荷結構，地面電場值由正到負的三極性電荷結構。

（3）平原比高原地區雷電過程平均持續時間長1.7 倍，電場極值相差不大。高原雷暴云中電荷累積速度快，擊穿空氣發生早，雷電過程起始-旺盛過程時間短。

（4）高原地區受海拔、地形的影響，地面溫度相對較低，對流能量相對較弱，這是高原地區雷電過程放電少、極值低、時間短的一個重要因素。