李兵 刘宸钊 靳小兵 陈文龙

摘要 主要利用西昌北郊山区内的旋转式地面大气电场仪所监测的数据资料，对西昌北郊山区场区内大气电场的变化特征分析，确定电场强度预警阈值，对不同季节的雷电天气过程中电场强度的变化进行预警雷电天气的有效性分析。结果表明：利用地面电场变化在一定程度上可以有效预警非雨季（过渡期和旱季）、雨季雷电天气。非雨季（过渡期和旱季）、雨季的地面电场预警阈值不同，能够有效地提高雷击及伴随气象灾害的综合预警防御能力。

关键词 地面电场;雷电预警;分析应用

中图分类号：P457 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2021）10–0099–05

雷电灾害具有发生频率高、突发性强和后果严重等特点，被联合国确定为十大自然灾害之一[1]。随着当前电子信息技术的发展和微集成电子元器件的广泛应用，雷灾事件也趋于严重[2]。西昌北郊山区地处大凉山高原山地，峡谷腹地，气候复杂多样，年平均雷暴日数69.9 d，属高雷暴区。目前，雷电天气预警主要基于地面电场、闪电定位等站网进行实时监测[3]。本文通过分析西昌北郊山区综合优化布设的地面大气电场仪监测地面电场的变化特征，为雷电天气提供重要的预警信息，从而为地方防雷减灾工作提供一定的技术支持。

1 地面电场仪设备及资料

目前，测量大气平均电场强度的设备主要有地面大气电场儀，它可以测量晴天和雷雨条件下大气平均电场大小和极性的连续变化，同时可检测雷电放电（包括云闪和地闪）引起的电场变化。当云中有闪电时大气电场会发生变化，这也是监测带电云层活动的主要特征[4-6]。由于地面大气电场计可以测量平均大气电场大小和极性的连续变化，因此可以监测静电场的缓慢变化，甚至相对微弱的缓慢变化。当闪电近距离过顶时，它对大气电场非常敏感，可连续监测地面雷电产生的静电场，同时监测云闪和地闪的发生，因此可以用于雷电天气的监测与预警。地面大气电场仪主要性能指标参数见表1。

地面大气电场仪可监测20 km范围内地面电场随时间的变化情况，并实时传送到服务器气象数据库中。不同地区的地面电场会有所不同，电场仪的感应面离地面的距离不同时，其地面电场强度也会不一样[7]。本文所用地面电场数据是由安装在西昌北郊山区内的旋转式地面大气电场仪所监测和采集的数据。

2 地面电场特征

电场随时间的演变主要有4种形态，其中有2种基本形态：一是变化幅度在正负百伏每米之间的平直型电场;二是变化幅度在正负千伏每米甚至上万伏每米之间波动的跳变型电场。两类由基本形态经过组合或叠加而成的形态分别称为组合型电场和叠加型电场。

2.1 平直型电场

平直型电场常常在天气条件为晴空、层云和稳定性降水下出现。

2.1.1 晴空电场 观测表明，晴天的低层大气中存在着垂直向下方向的静电场，其全球平均值为120 V/m左右，在海洋上则为130 V/m左右。在晴空电场条件下发展起来的大多是一些扰动天气条件的大气电现象和云中起电过程。

当西昌北郊山区为晴天条件时，电场的演变较为平直，变化幅度小，且多以正电场为主。图1a为晴天大气电场的示意图，该电场随时间演变曲线是一条最大值为513 V/m、最小值为259 V/m、平均值为345 V/m上下起伏的曲线。西昌北郊山区平均最大值为323 V/m，极大值能超过500 V/m，个别能超过1 000 V/m。尽管从图1a看曲线较平直，但也能看到波动情况。

大多数情况下西昌北郊山区晴空电场均为正值，但在晴空电场出现较有规律的日变化时，电场也能出现负值的情况（图1b）。在21：00～23：00由正电场变为负电场，次日08：00～10：00恢复到正电场，并维持到傍晚，负电场有时能到达-1 000 V/m。

2.1.2 层云电场 西昌北郊山区上空为稳定性的层云时，电场演变也比较平直（图略）。其分布特点是：电场随时间的演变曲线比较平直，电场数值多数情况为负电场。统计表明，电场平均最大值是-449 V/m，最小值是-28.9 V/m，最大值能达到-981 V/m。也有个别表现为正电场（图略），其电场平均最大值为202 V/m，极大值能达499 V/m。

2.1.3 稳定性降水电场 当西昌北郊山区出现连续稳定性降水时，地面电场的演变也较为平直，且主要以负电场为主（图略）。也有个别情况短时出现正电场，且正电场数值狠小。电场演变情况类似层云电场，平均数值比层云偏大。平均大值为-1 585 V/m，极大值能超过-2 000 V/m，平均小值为-179 V/m，极小值为3.4  V/m。

2.2 跳变型电场

跳变型电场主要在西昌北郊山区有明显对流活动时出现，包括其上空对流云发展、有阵雨出现、有雷电发生[8]。尤其在雷电伴有明显阵雨时电场跳变的特点更加明显。由于跳变型电场为正负电场交替出现，能出现负电场大值和正电场大值，因此在统计大值时，均记为绝对值。

2.2.1 雷电电场 雷电电场是指出现雷电时电场的演变情况（图2）。雷电情况下是否伴有阵雨、雷电持续的时间及降水类型单纯的闪电条件下电场的演变均有所不同。

（1）典型雷电电场。典型雷电电场是指雷电持续时间较长（多于2 h）、阵雨雨量中雨以上的天气下的演变电场。其特点是：当西昌北郊山区有对流发展时，地面电场开始加强，随着对流的进一步发展，出现雷电和阵雨，正负电场开始跳变，强度急剧加大;当雷电和降水趋于结束时，电场又开始变得平直。大部分雷暴过程强弱趋势不明显，雷暴开始或结束时，跳变电场出现陡升陡降。少部分电场随着对流逐渐加强或减弱，能看到逐渐变强和减弱的趋势[9]。有时电场的变化与天气现象的出现几乎同步，部分能超前数分钟到十几分钟，个别提前得更多一些，达半小时以上。

（2）短时弱雷阵雨电场。短时弱雷阵雨是相对典型雷电而言的，过程持续时间短，有的就几分钟，雨量小[10]。电场也会出现明显跳变，但跳变幅度小，仅数千伏每米。当雷阵雨开始后，正负电场交替跳变，多负电场情况，平均最大值7 666 V/m，极大值26 600 V/m，小值4 995 V/m。平均电场值大，跳变幅度大。正电场也能过万。

（3）闻雷电场。闻雷电场是西昌北郊山区干雷暴情况下的电场，电场可以表现为负电场为主，也可以正电场为主。电场平均最大值为4 418 V/m，极大值11 133 V/m，小值1 782 V/m。

（4）闪电电场。闪电情况下，电场也能出现明显跳变，以负电场为主，极大值为8 536 V/m。

2.2.2 阵雨电场 阵雨电场，与雷暴电场类似，但跳变时间短，幅度偏小。个别情况幅度很大。小阵雨电场平均大值为5 961 V/m，极大值为8 374 V/m，小值为1 743 V/m。中阵雨平均大值为4 285 V/m。大阵雨平均大值为5 620 V/m。

2.2.3 对流云电场 对流云电场是指有对流发展而没有出现天气现象的电场，这类情况出现的不多。与前两者明显不同的地方，有跳变但幅度小（图3）。图3a为短时对流云影响下的电场分布。对流云发展得不够旺盛，还未能产生雷电和降水，电场由正电场变为负电场，后跳变明显，最大值为-874 V/m。图3b电场的跳变时间维持较长。跳变电场以负电场为主，大值为-2 695 V/m。单一对流电场出现的少，说明当西昌北郊山区有对流云发展时，多数情况将伴有天气现象。

2.3 组合电场

组合电场是指由上述2种基本电场组合而成的电场分布情况，既能看到电场的平直变化，也能看到电场跳变的剧烈变化，主要在天气发生转折、降水性质发生变化的情况下出现，其形态分布根据天气组合类型不同而异。

2.3.1 非雷暴组合电场 图4a是西昌北郊山区晴空背景下短时上云的电场演变情况。晴空时电场为弱的正电场，上云后电场转变为负电场，当再次转晴后电场为正。图4b是多云转阵雨条件下的电场演变情况，这种组合电场与稳定性降水转为阵雨天气的电场形态类似。平直部分为多云电场或稳定性降水天气，开始出现跳变的后段为降水电场。阵雨电场的个别时段振幅很大。图4c是晴转阵雨条件下的电场演变情况。前段数值较小而平直的正值电场为晴空电场，之后的跳变电场为阵雨电场。图4d是阵雨后连续性大降水条件下的电场演变情况。前段跳变电场为阵雨电场，后段平直而数值为负的为稳定型大降水电场。

2.3.2 有雷暴组合电场 图5a为晴转雷暴电场，前段数值较小而平直的正值电场为晴空电场，之后的跳变电场为雷暴电场。图5b闪电阵雨转雷暴，前两段跳变电场是西昌北郊山區出现闪电阵雨电场，后面振幅最大的为雷暴电场。图5c雷暴后连续性降水，前段跳变电场为典型的雷暴电场，后段平直的负电场为稳定型降水电场。天气各阶段很明显，天气与电场一一对应得比较好，电场的变化与天气的转变对应好。

2.4 叠加型电场

在天气类型单一或从某天气类型间转变时（如2.2和2.3节），电场也相应的转变。在2种或2种以上天气同时出现时，会出现天气叠加的情况。在这样的天气条件下，电场也会出现叠加的情况。稳定性降水云底高度低，对流性运动位置高，因此叠加型电场主要是中高层强对流运动电场叠加在低层稳定性降水电场之上，即平直电场基础上叠加跳变电场。图6a开始为稳定性降水，电场平直，1 903 m开始出现阵雨，21：35出现闪电，22：16出现雷暴。图6b是稳定性降水的开始，03：00～04：00出现中阵雨电场变大，后稳定性小雨，19：00～21：00再次出现中阵雨电场再次增大，后稳定性小雨。这2例电场分布情况的共同点是：电场演变曲线上能看到毛刺但跳变幅度比典型雷电电场明显偏小，电场值也明显高于稳定性降水电场。因此叠加型电场没有稳定性降水电场那么平直，存在明显的振幅和跳变，但其电场的跳变又没有典型雷电电场那么激烈，振幅也比雷电电场小。

3 地面电场数据在雷电预警中的典型个例

西昌北郊山区气候特点为一年分为干季、过渡季节和雨季。下面按不同季节，通过典型个例分析来总结地面电场数据在短时雷电预警中的应用方法，以及雷电天气中地面电场的一般特征。

3.1 干季个例

2015年2月16日08：00形势场显示，受南支槽过境和冷空气共同影响，夜间出现短时雷阵雨天气，雷电从22：17开始至22：40结束，阵雨从21：40开始至23：20结束，过程累计降水3.2 mm，过程伴有8 m/s的地面大风。

从图7可以看到，21：22之前电场强度一直保持晴空电场的平稳状态，之后地面电场强度开始明显变化，由正值变化为负值，到21：27达到-1 074 V/m，之后不断上下快速跳变，21：47出现过程最大电场强度9 496 V/m。

3.2 过渡季节个例

2015年5月6日08：00形势场显示，受弱西北气流和低层辐合影响，午后出现2段雷阵雨天气，第一段雷电从16：51开始至18：05结束，降水1.1 mm（15：35开始出现阵雨）;第二段雷电从21：10开始至23：44结束，降水0.6 mm。

从图8可以看到，15：10之前电场强度一直保持晴空电场的平稳状态，之后开始地面电场强度开始明显变化，由正值变化为负值，但变化幅度较小，实况对应只出现阵雨天气。到16：49开始不断上下快速跳变，17：36出现第一次雷电过程最大电场强度5 375 V/m，18：17后电场又趋于平稳，21：26又开始快速跳变，22：05出现过程第二次雷电过程最大电场强度5 053 V/m。

3.3 雨季个例

2015年9月4日08;00形势场显示，受高空槽和冷空气共同影响，夜间出现强雷暴天气，雷电从23：04开始至次日05：31结束，降水从21：35开始至次日09：35结束，过程累计降水50.2 mm。

图9可以看到4日21：31之前电场强度一直保持晴空电场的平稳状态，之后地面电场强度开始明显变化，由正值变化为负值，但变化幅度较小，实况对应只出现阵雨天气。到22：56开始上下快速跳变，5日02：23出现过程最大电场强度14 746 V/m，5日05：39（雷暴已结束）至08：17电场稳定在-2 500 V/m左右，实况对应一直在降水（降水量2.4 mm），之后电场强度逐渐减小，到09：54减小到-300 V/m左右，降水结束。

4 雷电天气中地面电场的一般特征

分析雷电天气过程中地面电场数据可知，地面电场强度在雷电天气发生前均会出现明显增大和快速跳变，对雷电天气有很好的预警作用。分析2014—2015年181次雷电过程中记录完整的地面电场，发现监测带电云层活动状况的主要特征是：当云层内有雷电发生时，大气电场会发生针状变化。根据雷电天气过程地面电场的变化情况，可以将其划分为雷电前、雷电、雷电后3个阶段的一般特征（图10）。

阶段Ⅰ（雷电前）：该阶段地面电场监测数据大致在100～200 V/m之间，相对趋于平稳，后期逐渐发生小幅的快变，由正转为负值并且强度不断增加，这与之前学者的研究结论相一致，说明探测区域内正在有积雨云生成或带有大量电荷的积雨云正在靠近地面电场探测仪所在地，这也从侧面反映了大气能量的积聚与不稳定。雷电的预警就在这一阶段。20：13电场开始变化，强度增加;20：20电场强度突破1 000 V/m;20：24达到雷电开始前最大值1 496 V/m;20：30地面观测站观测到雷电天气。

阶段Ⅱ（雷雨）：该阶段雷电已经开始，地面电场由负值跳变为正值，此时积雨云强中心正对头顶，云系发展旺盛，积雨云底层出现小的正电荷区域，所以该时段出现正的地面电场，该现象一般与强降水相对应。正地面电场值出现时间短，强度较弱，因此当日雷阵雨只出现0 mm降水量。

阶段Ⅲ（雷电后）：该阶段雷电减弱后，逐渐消失，电场强度也随之减弱，尤其是跳动幅度明显减小。随着积雨云的消散或移走，地面电场逐渐恢复至100～200 V/m之间。

5 地面电场中雷电天气预警效果分析

5.1 电场强度阈值预警

5.1.1 虚警率与漏警率 虚警率是指在探测区域内，检测系统在检测到某类别目标中，误检测目标数量的占比概率;漏警率是指在探测区域内，检测目标信号异常漏报的占比概率。一般而言，这2个概率越小越好，但实际两者具有相对性，无法同时达到任意小。在同一门限（即阈值）下，地面电场的虚警率与漏警率是两个相对立的值，由于西昌北郊山区属高原山地气候，海拔高度约1 857 m以上，雷电天气预警电场可能低于平原地区，误报率和漏报率也可能较高。因而合理的地面电场预警阈值要同時须具有较低的虚警率和漏警率。

由于非雨季（过渡期和旱季）的地面电场预警阈值明显高于雨季，因此将数据分为雨季和非雨季，并根据年单日地面电场最大值和当天是否有雷电天气发生，而得出单日最大地面电场强度所对应的虚警率和漏警率（图11）

非雨季（图11a）阈值为±2 700 V/m和雨季（图11b）阈值为±900 V/m时，误报率和漏报率为12.5%时为最佳预警阈值。然而，雷电通常在地面电场强度达到最大值后开始消亡，不能满足提前预警的需要。此外，在雷电天气预警期间，应保持低误报率，并尽可能降低漏报率。

综合上述分析，在保持低误报率和降低漏报率时，将非雨季地面电场阈值确定为1 000 V/m（图11a），雨季地面电场阈值取600 V/m（图11b）相对科学合理。

5.1.2 预警能力分析 根据确定的地面电场预警阈值，分析181次雷电发生所记录的完整的地面电场，其预警时间所在范围见表2。雷电预警时间≤1 min为71次，漏警率为39.23%;预警时间在1～10 min以内的为44次，漏警率占24.31%;预警时间10～20 min以上28次，漏警率占15.47%。如以雷电预警时间≥20 min为可预警雷电，则可预警雷电84.53%。

5.2 电场极性跳变预警

通过地面电场的特征分析可知，雷电天气前的电场强度极性通常为正极，雷电天气有时会跳变到负极，有时正电场逐渐增大，然后再跳到负极。表3分析了雷电天气期间正电场直接跳变为负电场的情况，并总结了极性跳变预警的有效性。雷电预警时间≤1 min为41次，漏警率为37.2%;预警时间在1～10 min以内的为30次，漏警率占27.3%;预警时间10～20 min以上18次，漏警率占16.4%。如以雷电预警时间≥10 min为可预警雷电，则可预警雷电达到72.7%。

根据确定的地面电场预警阈值，重新对雷电天气过程进行分析（表4）。若以雷电预警时间≥20 min为可预警雷电，则可预警雷电达到84.3%。

综合上述分析，利用地面电场在一定程度上可以有效预警雷电天气过程。

6 小结与讨论

地面电场强度在雷电天气发生前均会出现增大现象。分析西昌北郊山区的地面电场变化特征结果表明：以地面电场达到预警阈值作为雷电天气预警的指标，可以有效监测预警西昌北郊山区雷电天气。

西昌北郊山区的非雨季（过渡期和旱季）雷电天气预警阈值为±1 000 V/m以上;雨季雷电天气预警阈值为±600 V/m以上。利用西昌北郊山区内的地面电场变化，可以有效预警雷电天气，预警时间≥20 min，可预警雷电达到84.3%。

雷电天气预警的有效性在不同的天气系统中也有所不同。系统性雷电过程的预警时间长于局地雷电过程，系统雷电过程的地面电场强度阀值要略高于局地雷电天气的地面电场强度阀值，且系统雷电过程的最大地面电场强度明显大于局地雷电过程的最大地面电场强度。

单一利用地面电场强度进行雷电天气预警的有效性具有一定的局限性。随着国家三维闪电监测系统的不断投入应用，在融合地面电场探测以及雷达监测系统的基础上，将为雷电监测和预警预报提供实时性强、准确性高、均匀性和一致性好的综合科学信息，也可将雷电天气预警的时效性提前10 min以内，其有效性也可提升至90%以上。

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责任编辑：黄艳飞

Analysis and Application of Ground Electric Field in Thunder and Lightning Warning in Mountainous Area of Northern Suburb of Xichang

—Take the Mountainous Area in the Northern Suburbs of Xichang as An Example

LI Bing et al（Liangshan Meteorological Bureau， Xichagn， Sichuan 615000）

Abstract This paper mainly used the data monitored by the rotary ground atmospheric electric field instrument in the mountainous area of the northern suburb of Xichang to analyze the variation characteristics of the atmospheric electric field in the mountainous area of the northern suburb of Xichang， determine the early warning threshold of the electricd field intensity， and analyzed the effectiveness of early warning the change of the electric field intensity in the process of lightning weather in different seasons. The results showed that the change of ground electric field could effectively warn the lightning weather in non rainy season （transition period and dry season） and rainy season to a certain extent. The ground electric field early warning thresholds in non rainy season （transition period and dry season） and rainy season were different， which could effectively improve the comprehensive early warning and defense ability of lightning and accompanying meteorological disasters.

Key words Ground electric field; Lightn-ing warning; Analysis and Application