李兵 劉宸釗 靳小兵 陳文龍

摘要 主要利用西昌北郊山區(qū)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)式地面大氣電場(chǎng)儀所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)資料，對(duì)西昌北郊山區(qū)場(chǎng)區(qū)內(nèi)大氣電場(chǎng)的變化特征分析，確定電場(chǎng)強(qiáng)度預(yù)警閾值，對(duì)不同季節(jié)的雷電天氣過(guò)程中電場(chǎng)強(qiáng)度的變化進(jìn)行預(yù)警雷電天氣的有效性分析。結(jié)果表明：利用地面電場(chǎng)變化在一定程度上可以有效預(yù)警非雨季（過(guò)渡期和旱季）、雨季雷電天氣。非雨季（過(guò)渡期和旱季）、雨季的地面電場(chǎng)預(yù)警閾值不同，能夠有效地提高雷擊及伴隨氣象災(zāi)害的綜合預(yù)警防御能力。

關(guān)鍵詞 地面電場(chǎng);雷電預(yù)警;分析應(yīng)用

中圖分類號(hào)：P457 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2021）10–0099–05

雷電災(zāi)害具有發(fā)生頻率高、突發(fā)性強(qiáng)和后果嚴(yán)重等特點(diǎn)，被聯(lián)合國(guó)確定為十大自然災(zāi)害之一[1]。隨著當(dāng)前電子信息技術(shù)的發(fā)展和微集成電子元器件的廣泛應(yīng)用，雷災(zāi)事件也趨于嚴(yán)重[2]。西昌北郊山區(qū)地處大涼山高原山地，峽谷腹地，氣候復(fù)雜多樣，年平均雷暴日數(shù)69.9 d，屬高雷暴區(qū)。目前，雷電天氣預(yù)警主要基于地面電場(chǎng)、閃電定位等站網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[3]。本文通過(guò)分析西昌北郊山區(qū)綜合優(yōu)化布設(shè)的地面大氣電場(chǎng)儀監(jiān)測(cè)地面電場(chǎng)的變化特征，為雷電天氣提供重要的預(yù)警信息，從而為地方防雷減災(zāi)工作提供一定的技術(shù)支持。

1 地面電場(chǎng)儀設(shè)備及資料

目前，測(cè)量大氣平均電場(chǎng)強(qiáng)度的設(shè)備主要有地面大氣電場(chǎng)儀，它可以測(cè)量晴天和雷雨條件下大氣平均電場(chǎng)大小和極性的連續(xù)變化，同時(shí)可檢測(cè)雷電放電（包括云閃和地閃）引起的電場(chǎng)變化。當(dāng)云中有閃電時(shí)大氣電場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化，這也是監(jiān)測(cè)帶電云層活動(dòng)的主要特征[4-6]。由于地面大氣電場(chǎng)計(jì)可以測(cè)量平均大氣電場(chǎng)大小和極性的連續(xù)變化，因此可以監(jiān)測(cè)靜電場(chǎng)的緩慢變化，甚至相對(duì)微弱的緩慢變化。當(dāng)閃電近距離過(guò)頂時(shí)，它對(duì)大氣電場(chǎng)非常敏感，可連續(xù)監(jiān)測(cè)地面雷電產(chǎn)生的靜電場(chǎng)，同時(shí)監(jiān)測(cè)云閃和地閃的發(fā)生，因此可以用于雷電天氣的監(jiān)測(cè)與預(yù)警。地面大氣電場(chǎng)儀主要性能指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表1。

地面大氣電場(chǎng)儀可監(jiān)測(cè)20 km范圍內(nèi)地面電場(chǎng)隨時(shí)間的變化情況，并實(shí)時(shí)傳送到服務(wù)器氣象數(shù)據(jù)庫(kù)中。不同地區(qū)的地面電場(chǎng)會(huì)有所不同，電場(chǎng)儀的感應(yīng)面離地面的距離不同時(shí)，其地面電場(chǎng)強(qiáng)度也會(huì)不一樣[7]。本文所用地面電場(chǎng)數(shù)據(jù)是由安裝在西昌北郊山區(qū)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)式地面大氣電場(chǎng)儀所監(jiān)測(cè)和采集的數(shù)據(jù)。

2 地面電場(chǎng)特征

電場(chǎng)隨時(shí)間的演變主要有4種形態(tài)，其中有2種基本形態(tài)：一是變化幅度在正負(fù)百伏每米之間的平直型電場(chǎng);二是變化幅度在正負(fù)千伏每米甚至上萬(wàn)伏每米之間波動(dòng)的跳變型電場(chǎng)。兩類由基本形態(tài)經(jīng)過(guò)組合或疊加而成的形態(tài)分別稱為組合型電場(chǎng)和疊加型電場(chǎng)。

2.1 平直型電場(chǎng)

平直型電場(chǎng)常常在天氣條件為晴空、層云和穩(wěn)定性降水下出現(xiàn)。

2.1.1 晴空電場(chǎng) 觀測(cè)表明，晴天的低層大氣中存在著垂直向下方向的靜電場(chǎng)，其全球平均值為120 V/m左右，在海洋上則為130 V/m左右。在晴空電場(chǎng)條件下發(fā)展起來(lái)的大多是一些擾動(dòng)天氣條件的大氣電現(xiàn)象和云中起電過(guò)程。

當(dāng)西昌北郊山區(qū)為晴天條件時(shí)，電場(chǎng)的演變較為平直，變化幅度小，且多以正電場(chǎng)為主。圖1a為晴天大氣電場(chǎng)的示意圖，該電場(chǎng)隨時(shí)間演變曲線是一條最大值為513 V/m、最小值為259 V/m、平均值為345 V/m上下起伏的曲線。西昌北郊山區(qū)平均最大值為323 V/m，極大值能超過(guò)500 V/m，個(gè)別能超過(guò)1 000 V/m。盡管從圖1a看曲線較平直，但也能看到波動(dòng)情況。

大多數(shù)情況下西昌北郊山區(qū)晴空電場(chǎng)均為正值，但在晴空電場(chǎng)出現(xiàn)較有規(guī)律的日變化時(shí)，電場(chǎng)也能出現(xiàn)負(fù)值的情況（圖1b）。在21：00～23：00由正電場(chǎng)變?yōu)樨?fù)電場(chǎng)，次日08：00～10：00恢復(fù)到正電場(chǎng)，并維持到傍晚，負(fù)電場(chǎng)有時(shí)能到達(dá)-1 000 V/m。

2.1.2 層云電場(chǎng) 西昌北郊山區(qū)上空為穩(wěn)定性的層云時(shí)，電場(chǎng)演變也比較平直（圖略）。其分布特點(diǎn)是：電場(chǎng)隨時(shí)間的演變曲線比較平直，電場(chǎng)數(shù)值多數(shù)情況為負(fù)電場(chǎng)。統(tǒng)計(jì)表明，電場(chǎng)平均最大值是-449 V/m，最小值是-28.9 V/m，最大值能達(dá)到-981 V/m。也有個(gè)別表現(xiàn)為正電場(chǎng)（圖略），其電場(chǎng)平均最大值為202 V/m，極大值能達(dá)499 V/m。

2.1.3 穩(wěn)定性降水電場(chǎng) 當(dāng)西昌北郊山區(qū)出現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定性降水時(shí)，地面電場(chǎng)的演變也較為平直，且主要以負(fù)電場(chǎng)為主（圖略）。也有個(gè)別情況短時(shí)出現(xiàn)正電場(chǎng)，且正電場(chǎng)數(shù)值狠小。電場(chǎng)演變情況類似層云電場(chǎng)，平均數(shù)值比層云偏大。平均大值為-1 585 V/m，極大值能超過(guò)-2 000 V/m，平均小值為-179 V/m，極小值為3.4? V/m。

2.2 跳變型電場(chǎng)

跳變型電場(chǎng)主要在西昌北郊山區(qū)有明顯對(duì)流活動(dòng)時(shí)出現(xiàn)，包括其上空對(duì)流云發(fā)展、有陣雨出現(xiàn)、有雷電發(fā)生[8]。尤其在雷電伴有明顯陣雨時(shí)電場(chǎng)跳變的特點(diǎn)更加明顯。由于跳變型電場(chǎng)為正負(fù)電場(chǎng)交替出現(xiàn)，能出現(xiàn)負(fù)電場(chǎng)大值和正電場(chǎng)大值，因此在統(tǒng)計(jì)大值時(shí)，均記為絕對(duì)值。

2.2.1 雷電電場(chǎng) 雷電電場(chǎng)是指出現(xiàn)雷電時(shí)電場(chǎng)的演變情況（圖2）。雷電情況下是否伴有陣雨、雷電持續(xù)的時(shí)間及降水類型單純的閃電條件下電場(chǎng)的演變均有所不同。

（1）典型雷電電場(chǎng)。典型雷電電場(chǎng)是指雷電持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)（多于2 h）、陣雨雨量中雨以上的天氣下的演變電場(chǎng)。其特點(diǎn)是：當(dāng)西昌北郊山區(qū)有對(duì)流發(fā)展時(shí)，地面電場(chǎng)開(kāi)始加強(qiáng)，隨著對(duì)流的進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)雷電和陣雨，正負(fù)電場(chǎng)開(kāi)始跳變，強(qiáng)度急劇加大;當(dāng)雷電和降水趨于結(jié)束時(shí)，電場(chǎng)又開(kāi)始變得平直。大部分雷暴過(guò)程強(qiáng)弱趨勢(shì)不明顯，雷暴開(kāi)始或結(jié)束時(shí)，跳變電場(chǎng)出現(xiàn)陡升陡降。少部分電場(chǎng)隨著對(duì)流逐漸加強(qiáng)或減弱，能看到逐漸變強(qiáng)和減弱的趨勢(shì)[9]。有時(shí)電場(chǎng)的變化與天氣現(xiàn)象的出現(xiàn)幾乎同步，部分能超前數(shù)分鐘到十幾分鐘，個(gè)別提前得更多一些，達(dá)半小時(shí)以上。

（2）短時(shí)弱雷陣雨電場(chǎng)。短時(shí)弱雷陣雨是相對(duì)典型雷電而言的，過(guò)程持續(xù)時(shí)間短，有的就幾分鐘，雨量小[10]。電場(chǎng)也會(huì)出現(xiàn)明顯跳變，但跳變幅度小，僅數(shù)千伏每米。當(dāng)雷陣雨開(kāi)始后，正負(fù)電場(chǎng)交替跳變，多負(fù)電場(chǎng)情況，平均最大值7 666 V/m，極大值26 600 V/m，小值4 995 V/m。平均電場(chǎng)值大，跳變幅度大。正電場(chǎng)也能過(guò)萬(wàn)。

（3）聞雷電場(chǎng)。聞雷電場(chǎng)是西昌北郊山區(qū)干雷暴情況下的電場(chǎng)，電場(chǎng)可以表現(xiàn)為負(fù)電場(chǎng)為主，也可以正電場(chǎng)為主。電場(chǎng)平均最大值為4 418 V/m，極大值11 133 V/m，小值1 782 V/m。

（4）閃電電場(chǎng)。閃電情況下，電場(chǎng)也能出現(xiàn)明顯跳變，以負(fù)電場(chǎng)為主，極大值為8 536 V/m。

2.2.2 陣雨電場(chǎng) 陣雨電場(chǎng)，與雷暴電場(chǎng)類似，但跳變時(shí)間短，幅度偏小。個(gè)別情況幅度很大。小陣雨電場(chǎng)平均大值為5 961 V/m，極大值為8 374 V/m，小值為1 743 V/m。中陣雨平均大值為4 285 V/m。大陣雨平均大值為5 620 V/m。

2.2.3 對(duì)流云電場(chǎng) 對(duì)流云電場(chǎng)是指有對(duì)流發(fā)展而沒(méi)有出現(xiàn)天氣現(xiàn)象的電場(chǎng)，這類情況出現(xiàn)的不多。與前兩者明顯不同的地方，有跳變但幅度?。▓D3）。圖3a為短時(shí)對(duì)流云影響下的電場(chǎng)分布。對(duì)流云發(fā)展得不夠旺盛，還未能產(chǎn)生雷電和降水，電場(chǎng)由正電場(chǎng)變?yōu)樨?fù)電場(chǎng)，后跳變明顯，最大值為-874 V/m。圖3b電場(chǎng)的跳變時(shí)間維持較長(zhǎng)。跳變電場(chǎng)以負(fù)電場(chǎng)為主，大值為-2 695 V/m。單一對(duì)流電場(chǎng)出現(xiàn)的少，說(shuō)明當(dāng)西昌北郊山區(qū)有對(duì)流云發(fā)展時(shí)，多數(shù)情況將伴有天氣現(xiàn)象。

2.3 組合電場(chǎng)

組合電場(chǎng)是指由上述2種基本電場(chǎng)組合而成的電場(chǎng)分布情況，既能看到電場(chǎng)的平直變化，也能看到電場(chǎng)跳變的劇烈變化，主要在天氣發(fā)生轉(zhuǎn)折、降水性質(zhì)發(fā)生變化的情況下出現(xiàn)，其形態(tài)分布根據(jù)天氣組合類型不同而異。

2.3.1 非雷暴組合電場(chǎng) 圖4a是西昌北郊山區(qū)晴空背景下短時(shí)上云的電場(chǎng)演變情況。晴空時(shí)電場(chǎng)為弱的正電場(chǎng)，上云后電場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)電場(chǎng)，當(dāng)再次轉(zhuǎn)晴后電場(chǎng)為正。圖4b是多云轉(zhuǎn)陣雨條件下的電場(chǎng)演變情況，這種組合電場(chǎng)與穩(wěn)定性降水轉(zhuǎn)為陣雨天氣的電場(chǎng)形態(tài)類似。平直部分為多云電場(chǎng)或穩(wěn)定性降水天氣，開(kāi)始出現(xiàn)跳變的后段為降水電場(chǎng)。陣雨電場(chǎng)的個(gè)別時(shí)段振幅很大。圖4c是晴轉(zhuǎn)陣雨條件下的電場(chǎng)演變情況。前段數(shù)值較小而平直的正值電場(chǎng)為晴空電場(chǎng)，之后的跳變電場(chǎng)為陣雨電場(chǎng)。圖4d是陣雨后連續(xù)性大降水條件下的電場(chǎng)演變情況。前段跳變電場(chǎng)為陣雨電場(chǎng)，后段平直而數(shù)值為負(fù)的為穩(wěn)定型大降水電場(chǎng)。

2.3.2 有雷暴組合電場(chǎng) 圖5a為晴轉(zhuǎn)雷暴電場(chǎng)，前段數(shù)值較小而平直的正值電場(chǎng)為晴空電場(chǎng)，之后的跳變電場(chǎng)為雷暴電場(chǎng)。圖5b閃電陣雨轉(zhuǎn)雷暴，前兩段跳變電場(chǎng)是西昌北郊山區(qū)出現(xiàn)閃電陣雨電場(chǎng)，后面振幅最大的為雷暴電場(chǎng)。圖5c雷暴后連續(xù)性降水，前段跳變電場(chǎng)為典型的雷暴電場(chǎng)，后段平直的負(fù)電場(chǎng)為穩(wěn)定型降水電場(chǎng)。天氣各階段很明顯，天氣與電場(chǎng)一一對(duì)應(yīng)得比較好，電場(chǎng)的變化與天氣的轉(zhuǎn)變對(duì)應(yīng)好。

2.4 疊加型電場(chǎng)

在天氣類型單一或從某天氣類型間轉(zhuǎn)變時(shí)（如2.2和2.3節(jié)），電場(chǎng)也相應(yīng)的轉(zhuǎn)變。在2種或2種以上天氣同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)天氣疊加的情況。在這樣的天氣條件下，電場(chǎng)也會(huì)出現(xiàn)疊加的情況。穩(wěn)定性降水云底高度低，對(duì)流性運(yùn)動(dòng)位置高，因此疊加型電場(chǎng)主要是中高層強(qiáng)對(duì)流運(yùn)動(dòng)電場(chǎng)疊加在低層穩(wěn)定性降水電場(chǎng)之上，即平直電場(chǎng)基礎(chǔ)上疊加跳變電場(chǎng)。圖6a開(kāi)始為穩(wěn)定性降水，電場(chǎng)平直，1 903 m開(kāi)始出現(xiàn)陣雨，21：35出現(xiàn)閃電，22：16出現(xiàn)雷暴。圖6b是穩(wěn)定性降水的開(kāi)始，03：00～04：00出現(xiàn)中陣雨電場(chǎng)變大，后穩(wěn)定性小雨，19：00～21：00再次出現(xiàn)中陣雨電場(chǎng)再次增大，后穩(wěn)定性小雨。這2例電場(chǎng)分布情況的共同點(diǎn)是：電場(chǎng)演變曲線上能看到毛刺但跳變幅度比典型雷電電場(chǎng)明顯偏小，電場(chǎng)值也明顯高于穩(wěn)定性降水電場(chǎng)。因此疊加型電場(chǎng)沒(méi)有穩(wěn)定性降水電場(chǎng)那么平直，存在明顯的振幅和跳變，但其電場(chǎng)的跳變又沒(méi)有典型雷電電場(chǎng)那么激烈，振幅也比雷電電場(chǎng)小。

3 地面電場(chǎng)數(shù)據(jù)在雷電預(yù)警中的典型個(gè)例

西昌北郊山區(qū)氣候特點(diǎn)為一年分為干季、過(guò)渡季節(jié)和雨季。下面按不同季節(jié)，通過(guò)典型個(gè)例分析來(lái)總結(jié)地面電場(chǎng)數(shù)據(jù)在短時(shí)雷電預(yù)警中的應(yīng)用方法，以及雷電天氣中地面電場(chǎng)的一般特征。

3.1 干季個(gè)例

2015年2月16日08：00形勢(shì)場(chǎng)顯示，受南支槽過(guò)境和冷空氣共同影響，夜間出現(xiàn)短時(shí)雷陣雨天氣，雷電從22：17開(kāi)始至22：40結(jié)束，陣雨從21：40開(kāi)始至23：20結(jié)束，過(guò)程累計(jì)降水3.2 mm，過(guò)程伴有8 m/s的地面大風(fēng)。

從圖7可以看到，21：22之前電場(chǎng)強(qiáng)度一直保持晴空電場(chǎng)的平穩(wěn)狀態(tài)，之后地面電場(chǎng)強(qiáng)度開(kāi)始明顯變化，由正值變化為負(fù)值，到21：27達(dá)到-1 074 V/m，之后不斷上下快速跳變，21：47出現(xiàn)過(guò)程最大電場(chǎng)強(qiáng)度9 496 V/m。

3.2 過(guò)渡季節(jié)個(gè)例

2015年5月6日08：00形勢(shì)場(chǎng)顯示，受弱西北氣流和低層輻合影響，午后出現(xiàn)2段雷陣雨天氣，第一段雷電從16：51開(kāi)始至18：05結(jié)束，降水1.1 mm（15：35開(kāi)始出現(xiàn)陣雨）;第二段雷電從21：10開(kāi)始至23：44結(jié)束，降水0.6 mm。

從圖8可以看到，15：10之前電場(chǎng)強(qiáng)度一直保持晴空電場(chǎng)的平穩(wěn)狀態(tài)，之后開(kāi)始地面電場(chǎng)強(qiáng)度開(kāi)始明顯變化，由正值變化為負(fù)值，但變化幅度較小，實(shí)況對(duì)應(yīng)只出現(xiàn)陣雨天氣。到16：49開(kāi)始不斷上下快速跳變，17：36出現(xiàn)第一次雷電過(guò)程最大電場(chǎng)強(qiáng)度5 375 V/m，18：17后電場(chǎng)又趨于平穩(wěn)，21：26又開(kāi)始快速跳變，22：05出現(xiàn)過(guò)程第二次雷電過(guò)程最大電場(chǎng)強(qiáng)度5 053 V/m。

3.3 雨季個(gè)例

2015年9月4日08;00形勢(shì)場(chǎng)顯示，受高空槽和冷空氣共同影響，夜間出現(xiàn)強(qiáng)雷暴天氣，雷電從23：04開(kāi)始至次日05：31結(jié)束，降水從21：35開(kāi)始至次日09：35結(jié)束，過(guò)程累計(jì)降水50.2 mm。

圖9可以看到4日21：31之前電場(chǎng)強(qiáng)度一直保持晴空電場(chǎng)的平穩(wěn)狀態(tài)，之后地面電場(chǎng)強(qiáng)度開(kāi)始明顯變化，由正值變化為負(fù)值，但變化幅度較小，實(shí)況對(duì)應(yīng)只出現(xiàn)陣雨天氣。到22：56開(kāi)始上下快速跳變，5日02：23出現(xiàn)過(guò)程最大電場(chǎng)強(qiáng)度14 746 V/m，5日05：39（雷暴已結(jié)束）至08：17電場(chǎng)穩(wěn)定在-2 500 V/m左右，實(shí)況對(duì)應(yīng)一直在降水（降水量2.4 mm），之后電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減小，到09：54減小到-300 V/m左右，降水結(jié)束。

4 雷電天氣中地面電場(chǎng)的一般特征

分析雷電天氣過(guò)程中地面電場(chǎng)數(shù)據(jù)可知，地面電場(chǎng)強(qiáng)度在雷電天氣發(fā)生前均會(huì)出現(xiàn)明顯增大和快速跳變，對(duì)雷電天氣有很好的預(yù)警作用。分析2014—2015年181次雷電過(guò)程中記錄完整的地面電場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)帶電云層活動(dòng)狀況的主要特征是：當(dāng)云層內(nèi)有雷電發(fā)生時(shí)，大氣電場(chǎng)會(huì)發(fā)生針狀變化。根據(jù)雷電天氣過(guò)程地面電場(chǎng)的變化情況，可以將其劃分為雷電前、雷電、雷電后3個(gè)階段的一般特征（圖10）。

階段Ⅰ（雷電前）：該階段地面電場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)大致在100～200 V/m之間，相對(duì)趨于平穩(wěn)，后期逐漸發(fā)生小幅的快變，由正轉(zhuǎn)為負(fù)值并且強(qiáng)度不斷增加，這與之前學(xué)者的研究結(jié)論相一致，說(shuō)明探測(cè)區(qū)域內(nèi)正在有積雨云生成或帶有大量電荷的積雨云正在靠近地面電場(chǎng)探測(cè)儀所在地，這也從側(cè)面反映了大氣能量的積聚與不穩(wěn)定。雷電的預(yù)警就在這一階段。20：13電場(chǎng)開(kāi)始變化，強(qiáng)度增加;20：20電場(chǎng)強(qiáng)度突破1 000 V/m;20：24達(dá)到雷電開(kāi)始前最大值1 496 V/m;20：30地面觀測(cè)站觀測(cè)到雷電天氣。

階段Ⅱ（雷雨）：該階段雷電已經(jīng)開(kāi)始，地面電場(chǎng)由負(fù)值跳變?yōu)檎?，此時(shí)積雨云強(qiáng)中心正對(duì)頭頂，云系發(fā)展旺盛，積雨云底層出現(xiàn)小的正電荷區(qū)域，所以該時(shí)段出現(xiàn)正的地面電場(chǎng)，該現(xiàn)象一般與強(qiáng)降水相對(duì)應(yīng)。正地面電場(chǎng)值出現(xiàn)時(shí)間短，強(qiáng)度較弱，因此當(dāng)日雷陣雨只出現(xiàn)0 mm降水量。

階段Ⅲ（雷電后）：該階段雷電減弱后，逐漸消失，電場(chǎng)強(qiáng)度也隨之減弱，尤其是跳動(dòng)幅度明顯減小。隨著積雨云的消散或移走，地面電場(chǎng)逐漸恢復(fù)至100～200 V/m之間。

5 地面電場(chǎng)中雷電天氣預(yù)警效果分析

5.1 電場(chǎng)強(qiáng)度閾值預(yù)警

5.1.1 虛警率與漏警率 虛警率是指在探測(cè)區(qū)域內(nèi)，檢測(cè)系統(tǒng)在檢測(cè)到某類別目標(biāo)中，誤檢測(cè)目標(biāo)數(shù)量的占比概率;漏警率是指在探測(cè)區(qū)域內(nèi)，檢測(cè)目標(biāo)信號(hào)異常漏報(bào)的占比概率。一般而言，這2個(gè)概率越小越好，但實(shí)際兩者具有相對(duì)性，無(wú)法同時(shí)達(dá)到任意小。在同一門限（即閾值）下，地面電場(chǎng)的虛警率與漏警率是兩個(gè)相對(duì)立的值，由于西昌北郊山區(qū)屬高原山地氣候，海拔高度約1 857 m以上，雷電天氣預(yù)警電場(chǎng)可能低于平原地區(qū)，誤報(bào)率和漏報(bào)率也可能較高。因而合理的地面電場(chǎng)預(yù)警閾值要同時(shí)須具有較低的虛警率和漏警率。

由于非雨季（過(guò)渡期和旱季）的地面電場(chǎng)預(yù)警閾值明顯高于雨季，因此將數(shù)據(jù)分為雨季和非雨季，并根據(jù)年單日地面電場(chǎng)最大值和當(dāng)天是否有雷電天氣發(fā)生，而得出單日最大地面電場(chǎng)強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的虛警率和漏警率（圖11）

非雨季（圖11a）閾值為±2 700 V/m和雨季（圖11b）閾值為±900 V/m時(shí)，誤報(bào)率和漏報(bào)率為12.5%時(shí)為最佳預(yù)警閾值。然而，雷電通常在地面電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大值后開(kāi)始消亡，不能滿足提前預(yù)警的需要。此外，在雷電天氣預(yù)警期間，應(yīng)保持低誤報(bào)率，并盡可能降低漏報(bào)率。

綜合上述分析，在保持低誤報(bào)率和降低漏報(bào)率時(shí)，將非雨季地面電場(chǎng)閾值確定為1 000 V/m（圖11a），雨季地面電場(chǎng)閾值取600 V/m（圖11b）相對(duì)科學(xué)合理。

5.1.2 預(yù)警能力分析 根據(jù)確定的地面電場(chǎng)預(yù)警閾值，分析181次雷電發(fā)生所記錄的完整的地面電場(chǎng)，其預(yù)警時(shí)間所在范圍見(jiàn)表2。雷電預(yù)警時(shí)間≤1 min為71次，漏警率為39.23%;預(yù)警時(shí)間在1～10 min以內(nèi)的為44次，漏警率占24.31%;預(yù)警時(shí)間10～20 min以上28次，漏警率占15.47%。如以雷電預(yù)警時(shí)間≥20 min為可預(yù)警雷電，則可預(yù)警雷電84.53%。

5.2 電場(chǎng)極性跳變預(yù)警

通過(guò)地面電場(chǎng)的特征分析可知，雷電天氣前的電場(chǎng)強(qiáng)度極性通常為正極，雷電天氣有時(shí)會(huì)跳變到負(fù)極，有時(shí)正電場(chǎng)逐漸增大，然后再跳到負(fù)極。表3分析了雷電天氣期間正電場(chǎng)直接跳變?yōu)樨?fù)電場(chǎng)的情況，并總結(jié)了極性跳變預(yù)警的有效性。雷電預(yù)警時(shí)間≤1 min為41次，漏警率為37.2%;預(yù)警時(shí)間在1～10 min以內(nèi)的為30次，漏警率占27.3%;預(yù)警時(shí)間10～20 min以上18次，漏警率占16.4%。如以雷電預(yù)警時(shí)間≥10 min為可預(yù)警雷電，則可預(yù)警雷電達(dá)到72.7%。

根據(jù)確定的地面電場(chǎng)預(yù)警閾值，重新對(duì)雷電天氣過(guò)程進(jìn)行分析（表4）。若以雷電預(yù)警時(shí)間≥20 min為可預(yù)警雷電，則可預(yù)警雷電達(dá)到84.3%。

綜合上述分析，利用地面電場(chǎng)在一定程度上可以有效預(yù)警雷電天氣過(guò)程。

6 小結(jié)與討論

地面電場(chǎng)強(qiáng)度在雷電天氣發(fā)生前均會(huì)出現(xiàn)增大現(xiàn)象。分析西昌北郊山區(qū)的地面電場(chǎng)變化特征結(jié)果表明：以地面電場(chǎng)達(dá)到預(yù)警閾值作為雷電天氣預(yù)警的指標(biāo)，可以有效監(jiān)測(cè)預(yù)警西昌北郊山區(qū)雷電天氣。

西昌北郊山區(qū)的非雨季（過(guò)渡期和旱季）雷電天氣預(yù)警閾值為±1 000 V/m以上;雨季雷電天氣預(yù)警閾值為±600 V/m以上。利用西昌北郊山區(qū)內(nèi)的地面電場(chǎng)變化，可以有效預(yù)警雷電天氣，預(yù)警時(shí)間≥20 min，可預(yù)警雷電達(dá)到84.3%。

雷電天氣預(yù)警的有效性在不同的天氣系統(tǒng)中也有所不同。系統(tǒng)性雷電過(guò)程的預(yù)警時(shí)間長(zhǎng)于局地雷電過(guò)程，系統(tǒng)雷電過(guò)程的地面電場(chǎng)強(qiáng)度閥值要略高于局地雷電天氣的地面電場(chǎng)強(qiáng)度閥值，且系統(tǒng)雷電過(guò)程的最大地面電場(chǎng)強(qiáng)度明顯大于局地雷電過(guò)程的最大地面電場(chǎng)強(qiáng)度。

單一利用地面電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行雷電天氣預(yù)警的有效性具有一定的局限性。隨著國(guó)家三維閃電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不斷投入應(yīng)用，在融合地面電場(chǎng)探測(cè)以及雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將為雷電監(jiān)測(cè)和預(yù)警預(yù)報(bào)提供實(shí)時(shí)性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高、均勻性和一致性好的綜合科學(xué)信息，也可將雷電天氣預(yù)警的時(shí)效性提前10 min以內(nèi)，其有效性也可提升至90%以上。

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責(zé)任編輯：黃艷飛

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