呼和浩特地區大氣電場預警系統預警效果評估

王曼霏，王樂樂，申紫薇，徐燕霞，石茹琳

（1.內蒙古自治區雷電預警防護中心，內蒙呼和浩特 010051；2.內蒙古自治區氣候中心，內蒙呼和浩特 010051）

0 引言

雷電災害已成為影響內蒙古經濟社會發展的嚴重災害之一。近15年，內蒙古自治區共發生雷災事故653起，平均每年發生43.5次。雷擊直接經濟損失17 516萬元，每年雷擊損失1 167.8萬元；雷擊人員傷亡的事故136起，傷亡人數233人，死亡人數154人[1]。由于雷暴生命周期短、范圍小，而業務數值預報模式時空擴展性小以及水平、垂直分辨率較低，因此雷暴預警預報是天氣預報中較困難的工作之一。強對流天氣的發生、發展具有突發性和局地性，所以雷電預警更多地借助于實時監測手段[2]。而雷暴過程中云內的起、放電不僅僅引發了閃電的發生發展，同時也使得近地面的大氣電場發生了劇烈變化。因此，大氣電場預警系統有效利用雷暴云通過測站時大氣電場的變化規律，對雷電活動進行預警[3]。對于雷電預警，其預警信號是否有效及時是用戶最關心的問題，同時也是防災減災的重要依據，因此對大氣電場預警系統的預警效果的評估，是為今后更好地服務于用戶，改善預警能力提供重要依據。

1 研究方法

大氣電場預警系統預警級別的劃分主要是依據電場強度的變化。[4]當電場強度達到2 000 v/m時系統開始發出預警信號，為一級預警，電場提升至4 000 v/m預警提升至二級；當電場達到6 000 v/m時預警信號提升至三級；當預警信號下降至500 v/m以下并持續30分鐘時警報解除。而雷電預警檢驗分 3 種指標：TS評分，空報率，漏報率。因此，利用大氣電場的變化特征與檢驗的三個指標擬定評分標準。將2018—2019年大氣電場預警系統于7、8兩月運行期間觀測得到的內蒙古呼和浩特市地區地面電場觀測數據根據預警事件、預警范圍進行統計處理，并計算出用于檢驗預警系統的三個指標。

2 呼和浩特地區大氣電場預警系統預警評分

大氣電場雷電預警服務系統是根據大氣電場隨著雷暴云移動時地面大氣電場的變化特征，利用大氣電場儀對大氣電場指標監測，從而對重點區域閃電活動進行雷電預警監測的手段之一[5-6]。本文對2019-2019年7月、8月呼和浩特地區運行的測站的預警數據進行匯總與處理，利用TS評分對預警結果進行分析，從多個方面對大氣電場雷電預警服務系統進行了評估，結果較好。

2.1 雷電預警等級的劃分及評估標準

當電場強度達到2 000 v/m時系統開始發出預警信號，為一級預警，電場提升至4 000 v/m預警提升至二級；當電場達到6 000 v/m時預警信號提升至三級；當預警信號下降至500 v/m以下并持續30分鐘時警報解除。

雷電預警檢驗分3種指標：TS評分，空報率，漏報率。采用了較嚴格TS評分方法。將雷電預警過程與實況閃電（即閃電定位儀數據）作比較。評估準則如下：

為了與真實觀測數據對比，將預警范圍劃分為以電場儀站點為中心的5 km范圍、10 km范圍和20 km范圍。在預警中，將首次預警發出的時間記為一次雷暴過程的開始時間，預警解除后若30分鐘內沒有再次發出預警則將首次預警解除時間記為該過程的結束時間，若30分鐘內再次發出預警信號，則將結束時間順延至第二次預警解除，以此類推，將開始時間到結束時間的整個過程記為以此雷暴事件。

當一次雷暴事件過程中在5 km（或10 km、20 km）范圍內有地閃發生時則將該次事件記為該月的一個正確樣本NA。當一次雷暴事件過程中在5 km（或10 km、20 km）范圍內沒有地閃發生時則將該次事件記為該月的一個空報樣本NB。閃電實際發生系統卻沒有發出預警信號的情況為漏報，因此將發生時間間隔小于30分鐘的一個或幾個閃電記為一次漏報事件，一次漏報事件為該月的一個漏報樣本數NC。

根據上述樣本可以得到以下三個指標：

TS評分：Ts=NA/（NA+NB+NC）；

漏報率：PO=NC/（NA+NC）；

空報率：NH=NB/（NA+NB）。

2.2 呼和浩特地區測站2018—2019年7月、8月大氣電場預警評分

通過對2018年7、8月兩月各個站點的數據分析，可以得到預警范圍在10 km以內的準確率、漏報率和空警率均值分別為20.2%、49.7% 和68.5%，明顯高于20 km以內的18.8%、71.9%和59.1%。其中10 km以內范圍準確率可達到32%高于預報中雷電預警水平。內蒙古醫科大學附屬醫院站點8月份10 km預警范圍內準確率為32%，漏報率為25%，空報率為65%。由該月全部預警事件可知，預警發生時出現地閃的情況為6次（即正確樣本），未發生地閃的情況為11個（即空報樣本），還有兩次地閃發生時沒有預警的時間（即漏報）。其中，正確樣本中，從預警開始到首次地閃發生的時間（即預警時效）從2分鐘到2小時不等。兩次漏報分別發生在8月5日14：25：23和8月25日16：33：25。

通過對2019年7、8月兩月各個站點的數據分析，可以得到2019年7月預警范圍在5 km以內的TS評分、漏報率和空警率均值分別為0.14、30%和85%，預警范圍在10 km以內的TS評分、漏報率和空警率均值分別為0.16、49%和80%，而預警范圍在20 km以內的TS評分、漏報率和空警率均值分別為0.19、69%和65%。2019年8月預警范圍在5 km以內的TS評分、漏報率和空警率均值分別為0.12、46%和81%，預警范圍在10 km以內的TS評分、漏報率和空警率均值分別為0.18、56%和74%，而預警范圍在20 km以內的TS評分、漏報率和空警率均值分別為0.18、73%和61%。由此可見，無論是7月還是8月，隨著預警范圍不斷增大，閃電TS評分逐漸增高空警率逐漸降低，但范圍的增大導致地閃數據增多，因此漏報率也逐漸增高。

2018—2019年7—8月呼和浩特地區大氣電場預警系統觀測結果如圖1、2所示，漏報率和空警率隨著站點的不同起伏變化較大，值之間成反比。TS評分無論是5 km、10 km、還是20 km均從0.17～0.39不等，但總體趨于0.2，仍然有待提高。其中以10 km范圍預警準確率較高，可達到預報中雷電預警水平32%以上。

空報率偏高主要是由于：一是各個站點的參數設置中沒有考慮到具體站點之間的差異而進行校準，大氣電場預警的閾值每站也都相同，后期還將繼續校準訂正，從而提高準確率。二是城區內環境較為復雜，周圍儀器設備會對大氣電場儀產生干擾，從而使得觀測值增大出現預警。三是在雷暴云通過測站的過程中除了會發生可以觀測到的地閃，云內也會持續不斷的發生云閃從而影響地面電場的值，因此在預警過程中也會產生空報，后期還應在與閃電定位資料對比的基礎上與雷達資料進行對比。

3 結語

從2018—2019年7—8月呼和浩特地區大氣電場預警系統數據TS評分結果來看，無論是7月還是8月，隨著預警范圍不斷增大，閃電TS評分逐漸增高空警率逐漸降低，但范圍的增大導致地閃數據增多，因此漏報率也逐漸增高。漏報率和空警率隨著站點的不同起伏變化較大，值之間成反比。TS評分無論是5 km、10 km、還是20 km均從0.17～0.39不等，但總體趨于0.2，仍然有待提高。其中以10 km范圍預警準確率較高，可達到預報中雷電預警水平32%以上，總體來說，預警效果較為符合預期，后期將繼續研究以更好地提高預警效果。