强玉华，杨 磊，姜燕敏，白云霞

(丽水市气象局，丽水 323000)

0 引言

大气电场是大气电活动的重要参数，雷暴、降水、沙尘暴等天气都会引发大气电场的剧烈波动。大气电场对各种气象要素的变化有着较敏锐的反应，对一个地区大气电场特征进行研究，有助于分析各种相关的天气过程，对该地区气候特征的研究也有重要意义[1-3]。目前国内多个省市建成了地面大气电场探测系统，丽水地区已布设48套地面场模式大气电场探测仪，文章通过差分和小波变化方法对比分析该地区降雨、降雪、雷暴等不同天气过程的大气电场特征[4-6]。

1 资料和方法

1.1 时序差分

雷暴发生时地面电场呈现脉冲式变化，相比其他天气现象要剧烈，其中雷暴电场的斜率变化接近π/2。雷暴在时序变化上非常迅速，可利用电场时序变化率法处理大气电场数据[7]。

在一维数值中，大气电场强度和电位绝对值是相等的，方向相反，ΔV(x，y，z)=-E(x，y，z)。大气电场数据进行一阶差分处理可表示为：

dE(x，y，z)/dt=[Et2(x，y，z)-Et1(x，y，z)]/Δt

(1)

Et2和Et1分别为大气电场的后一时刻和前一时刻的测量值，电场的差分大小与电场的测量时间间隔Δt有关，也与Et2、Et1之间的差值有关。文章中时间间隔Δt取1，式(1)可表示为：

E(x，y，z) =[Et+1(x，y，z)-Et(x，y，z)]

(2)

1.2 小波变换

利用小波函数来表示某一函数，分析对象的时间序列设为f(t)，小波函数是小波分析的关键，应具有一定的震荡性，是能够迅速衰减的函数类。小波基函数用ψ(t)表示，其满足：

(3)

它可以通过尺度延伸和时间平移后组成函数系列，表示为：

(4)

式中，ψa，b(t)为子小波；a为尺度因子，为小波的周期；b为平移因子，是时间上的平移，是时间参数或平移因子。那么f(t)与ψa，b(t)构成的小波变换形式为：

(5)

通过上式变换，将f(t)从一维时间函数转化为同时具有时间b和尺度a变化的二维参数空间：

(6)

式中，Δt为取样间隔；n为样本量。

由此可知小波分析的基本原理，即通过增加或减小伸缩尺度a得到f(t)的低频或高频信息，然后分析信号的特征，实现对f(t)信号不同时间尺度和空间局部特征的分析。文章主要是通过小波变换方程得到小波系数，从而分析时间序列的时序变化特征。

将小波系数的平方值取b域上的积分，得到小波方差：

(7)

小波变换具有信号降噪特性，小波分析降噪的具体过程为：选择小波基函数，对信号进行N层小波分析，在多次分解的各层系数中选择合理的阈值，最后对小波变换后的降噪信号进行重构。

2 丽水地区不同天气大气电场特征

2.1 降雨天气电场特征

选取丽水市老竹中学站2018-02-09大气电场数据，绘制大气电场如图1所示。全天累计降水0.1 mm，降水集中在08：00—13：00，大气电场发生了较明显的波动，最大电场强度达到0.66 kV/m，最小值为-0.37 kV/m，电场值未发生正负极之间的快速跳变转换。

图1 丽水老竹中学站降雨过程大气电场

2.2 降雪天气电场特征

2018-01-30夜间至31日白天丽水全市出现了降雪天气，缙云城区积雪4 cm，选取缙云城区的大气电场站点数据，绘制大气电场曲线如图2所示。

由图2可知，缙云气象局站31日00：00—05：00、11：00、16：00—18：00的电场值有明显波动，电场最大正值达到6.59 kV/m，最大负值达到-4.22 kV/m。缙云城区降雪主要集中在31日00：00—05：00，电场幅度达到了6.59 kV/m；11：00和16：00—18：00有零星的降雪，电场幅值为1.0 kV/m。降雪过程电场波动时间和实况降雪时间吻合，电场均有较大的波动，主要降雪时段的大气电场波动幅值较大，其余降雪时段的波动幅值较小，波动幅度和降雪量成正相关，正负极之间仅发生了1次快速跳变转换，电场值在正负值之间抖动跳变的频率并不剧烈。

图2 缙云气象局站降雪过程大气电场

2.3 雷暴天气电场特征

雷暴可看作是电荷的聚集、释放中和的过程，当电荷聚集到一定量值时，释放中和表现为闪电的发生，雷暴电荷结构具有多样性和复杂性，同一雷暴过程的不同阶段也会呈现不同的分布特征[8]。

选取2017-07-11联城中学站点雷暴天气大气电场波动(图3)。由图3可见，16：10—16：20大气电场不断抬升，最大值达到2.0 kV/m，该阶段是电荷不断聚集的过程，或是雷暴云不断靠近测站的过程；16：20—16：30大气电场最大值为3 kV/m；16：20—17：18大气电场值最大值为24.5 kV/m和-41.49 kV/m，分别出现在16：39和17：15；16：32—16：50，大气电场值在正负值之间快速跳变；17：20—17：30大气电场值最大值为7.3 kV/m，该时段的电场值强度和闪电频次、闪电强度均明显减弱，可认为是雷云的中期发展阶段，大气电场波动仍然较为剧烈；17：40—17：50，大气电场最大负值为-1.96 kV/m，未发生地闪，此时间段闪电次数明显减少，大气电场值波动频率明显减弱，说明雷暴处于晚期消亡时期；17：50之后，大气电场值在0 kV/m附近小幅颤抖，并恢复到大气电场的正常值，此次雷暴过程终结。

图3 联城中学站00：00—24：00雷暴过程大气电场

雷暴过程在初始、发展、成熟、消亡阶段的大气电场表现各不相同，根据这些特点，结合探测资料，找出雷电预警的关键参数，并在雷电预警中开展应用具有重要的意义。雷暴大气电场的变化特征，明显区别于降水和降雪天气，雷暴大气电场的波动峰值和频率更高。

3 不同天气过程时序差分

3.1 降雨时序差分

对丽水老竹中学站2018-02-09降雨天气大气电场差分后的电场值分段进行次数统计，次数分段统计直方图如图4所示。

图4 丽水老竹中学站降雨天气差分电场数据及数值分布

由图4可见，降雨天电场差分后电场幅值均有减小，波动总体曲线成直线分布；差分电场值82.7%分布在±0.05 kV/m范围内，最大和最小差分值均在±0.5 kV/m范围内。

3.2 降雪时序差分

对缙云气象局站2018-01-31降雪天气大气电场差分后的电场值分段进行次数统计，次数分段统计直方图如图5所示。

图5 缙云气象局站降雪天气差分电场数据及数值分布

由图5可知，降雪天气差分电场值的幅度较电场测试值幅度未见明显减小，原因可能是雪花中含有的静电电荷飘落至探测探头周边时引起了正负极性的快速跳变，经过差分后其幅度仍然较大。从电场差分次数分段统计直方图可得，大雪的差分值98.8%分布在±0.4 kV/m范围内，降雪的最大和最小差分值主要在±3.0 kV/m范围内。

3.3 雷暴时序差分

对联城中学站2017-07-11雷暴天气大气电场差分后的电场值分段进行次数统计。

经统计可知，雷暴差分幅值是降雨、降雪和雷暴3种天气过程中最大的，达到了13 kV/m和-20 kV/m，经过差分后其幅度仍然很大，同时发生了正负极性的快速高频次跳变。雷暴发生时段16：10—17：50的差分值主要集中在±0.1 kV/m至±1 kV/m的范围内，比降雨天气的差分值±0.05 kV/m大1个数量级，比降雪天气差分值±0.4 kV/m大1倍。

4 不同天气过程小波分析

4.1 降雨天气过程小波分析

对丽水老竹中学站2018-02-09降雨天气大气电场00：00—24：00的大气电场数据进行小波分析，经过sym5的5～6层小波变换后，将5层小波变换后的波形与原信号进行叠加显示。经过5层小波变换分析后，降低了地面大气电场数据波形的重叠特征，小波波形顺滑起伏，无突然跳变；大气电场信号幅值介于-0.3～0.3 kV/m。

4.2 降雪天气过程小波分析

对缙云气象局站2018-01-31降雪天气大气电场00：00—24：00的大气电场数据进行小波分析，经过sym5的5～6层小波变换后，将5层小波变换后的波形与原信号进行叠加显示。经过5层小波变换分析后，降低了地面大气电场数据波形的重叠特征，小波波形顺滑起伏；大气电场信号幅值介于-2～2 kV/m，幅值出现在降雪时段，小波电场信号的强度与降雪强度具有正相关性。

4.3 雷暴天气过程小波分析

联城中学站2017-07-11的00：00—24：00雷暴天气大气电场，经过sym5的5～6层小波变换后，将5层小波变换后的波形与原信号进行叠加显示。经过5层小波变换分析后，降低了地面大气电场数据波形的重叠特征；大气电场信号幅值比原始信号明显降低。小波变换信号在雷暴发生时段表现出活跃的上下起伏特征，起伏的幅度明显大于降雨和降雪时的幅度，小波电场信号的强度与雷暴发生具有相关性。

5 结束语

文章对比了2017—2018年发生在丽水地区的降雨、降雪、雷暴天气过程，通过时序差分和小波分析方法，得出以下结论：

1)在差分幅值上降雨、降雪天气逐级增大1个数量级。降雨波动总体成直线分布；降雪时段差分电场幅值较大，且发生了正负极性的快速跳变。雷暴差分幅值是所有天气过程中最大的，同时发生了正负极性的快速高频次跳变。

2)降雨、降雪在小波变换后，幅值比原始信号降低，小波信号波动变得平滑，不再发生正负极的快速跳变；降低了原始信号波形的重叠度。雷暴天气过程小波变换分析后，降低了地面大气电场数据波形的重叠特征，小波波形顺滑起伏，无突然跳变。小波变换信号在雷暴发生时段表现出活跃的上下波浪起伏，起伏的幅度明显大于降雨和降雪，小波电场信号的强度与雷暴发生具有相关性。