大气电场仪在雷电监测预警中的应用

鲁 斌，刘 慧

（1.鸡西市气象局，黑龙江 鸡西 158100；2.鹤岗市气象局，黑龙江 鹤岗154100）

大气电场仪在雷电监测预警中的应用

鲁 斌1，刘 慧2

（1.鸡西市气象局，黑龙江 鸡西 158100；2.鹤岗市气象局，黑龙江 鹤岗154100）

1 引言

电场探测一般采用导体在电场中产生感应电荷的原理。从探测的对象上可分为地面大气电场探测、空中电场探测及空间电场探测。现阶段主要是对地面大气电场进行探测，从而监测被探测地区上空雷雨云的整个过程（起电过程、电荷积累程度和消散过程）。大气电场仪可连续监测雷暴在地面产生的静电场以及云闪和地闪的发生情况,所以既可以用于局地的雷暴监测与预警,也可用于易起静电或易受静电危害的场所,监测静电强度,避免可能发生的危险。因此大气电场仪在雷电探测中是一种必不可少的设备。

2 大气电场仪在雷电监测预警中的应用

地面电场仪无论在晴天还是雷暴天气条件下都可以测量地面大气平均电场的大小和极性的变化，根据电场资料可以反演得到可靠的雷雨云中强电荷中心的强度、极性和分布。

云中电荷分布的水平尺度远远大于其垂直尺度，为简单起见，云中电荷当作垂直分布，以点电荷为例，一般把雷暴云的电荷分布认为是云上部为正电荷区，云下部为负电荷区，也有观测表明在负电荷区下面还有一个小的正电荷区，云中闪电可以认为是在主要正负电荷区之间进行的。

对于垂直偶极性电荷结构的雷暴，地面垂直电场E1表示为：

其中，D为电偶极轴与测站之间的水平距离；QP、HP分别为雷暴上部正电荷区的电荷量和距离地面的高度;QN、HN为中部负电荷区的电荷量和距离地面的高度。

发生在上部正电荷区与中部负电荷区之间的云闪产生的电场变化为ΔE：

因此对具有垂直偶极性电荷结构的雷暴,地面电场和云闪产生的电场变化随着雷暴的移动其极性的变化应是同时发生的。

为了简化公式，假设Qp=Qn=Q，则

需要求解的还有 4 个变量：Q、D、HP、HN，当有 4 个以上的电场仪时，即可推算出雷暴的电荷量、电荷的高度以及雷暴的位置。离云荷电中心电场为零的距离D0为

D0又称为电场的反转距离，它仅与荷电中心高度有关。

3 单站电场仪资料在雷电监测预警中的应用

雷暴活动往往引起地面电场的显著变化,由于大气电场仪可以测量大气平均电场的大小及极性的连续变化,因此能够监测静电电场的慢变化,甚至是比较弱的慢变化,对近距离雷暴过顶时的大气电场很敏感，因此电场仪资料在雷电监测预警中有很重要的作用。地面电场曲线的抖动变化可以作为判断雷电是否发生的标准，在雷电监测预警中是一项重要的指标。

从图1可看出：

（1）地面电场曲线刚开始比较平缓，大约在17时慢慢发生上下抖动变化,说明在电场仪监测范围内有云团经过并足以产生雷电。

（2）17时以后地面电场曲线不断向负向靠拢，说明云中聚集了很多负电荷。当负电荷增加到一定程度，云层就会与地面形成一定的电势差，当电势差达到一定强度后，便会发生闪电先导，在18时有一个向上的快变尖峰，此时电场发生了逆转，应该是回击过程。第一次放电结束后，云层又会立即聚集电荷，开始下一次放电过程。

（3）19-20时，有几个向下的快变尖峰，说明这几次电场强度的变化是几个正闪。

（4）20时往后地面电场曲线又变得比较平缓，说明雷暴云消失或不在电场仪监测范围内。

图1 一次雷电过程中的电场曲线

总的来说带电云的活动是非常复杂的，在不同的天气环境下其产生、聚集和消散变化都是不同的。从上图虽然可以确定云内电荷极性及发生闪电的可能，但这种监测无法确定雷电的移动趋势和发生位置,也无法判断下一步电场强度会继续增加直到雷电发生,还是会逐渐接近零点直到趋于平稳,短时雷电预警的准确率较低，而这些恰恰是需要了解的。

4 多站电场仪资料在雷电监测预警中的应用

大气电场仪主要用于探测大气中带电物质所引发的地面电场变化,对局部地区潜在雷暴活动及静电事故发出警报。为了增强大气电场仪的功能和扩大电场的监测范围,提高雷电的预警能力,可以进行电场仪联网。电场仪联网即在监测区域内使用多台电场仪组成网络,将各电场仪的数据通过有线或无线通信网络传送到中央处理机上,再通过预先设计好的算法对各电场仪数据进行处理,给出类似监测区域内地面电场等值线、云团电荷中心位置的产品。

根据以上分析，目前利用地面电场资料监测预警有两种方法：

（1）将电场仪组网，按公式（2）或（3）即可推算出云中电荷中心的电荷量和位置，发出警报。但由于雷暴云内的电荷结构十分复杂，雷暴云中并不是只有一个雷暴单体，很难利用以上公式来确定雷暴的位置、电荷中心和电量。因此常将电场仪资料与闪电定位系统和天气雷达等资料结合在一起研究，使得雷电预报的准确率大大提高。

（2）分析雷暴过程中地面电场的变化规律，设置多级雷电预警阈值，当地面电场达到阈值时发出雷电预警。常用的电场预警值为3 kV／m，大多数电场仪的预警值可调节（考虑到雷暴与观测站之间的距离）。在雷暴没有发展成熟且逐渐移近电场仪时，大气电场仪测量值会迅速增大,当测量值超过设定的预警值时,电场仪报警。此方法的缺点是在大多情况下,雷暴在未到达探测范围时已经发展成熟,并发生闪电,但是由于雷暴较远,这时所测的电场值会比较小,电场仪不会报警，只有当雷暴靠近使得电场值超过预警值时才报警,这使得报警滞后。因为上述缺点，在设定电场预警值的同时，可以在电场仪的终端软件中对相邻2个电场采样值进行比较，当2个采样值的差值大于某一数值(称其为跳变值)时，认为电场发生跳变，附近有闪电发生，电场仪开始报警。电场仪报警的解除则可以采用延时方式。当发生报警后，报警持续一定时间。根据雷暴的生命期和闪电发生的间隙时间，持续时间可取5 min左右(不能低于闪电发生的间隙时间)，如在报警持续时间内，又出现预警条件，重新计时。如果超过设定的持续时间，仍没有再次出现预警条件，则解除报警。

5 环境对电场资料影响分析

地面电场仪是安装在地面上的，因此容易受周围物体的影响。若周围有尖端物体，由于尖端电晕放电会形成厚达几米的空间电荷屏蔽层，使地面电场不能真实反映雷暴本身所产生的电场。因此应该找相对一致的安装环境，减小环境对大气电场仪的影响。若无法找到相对一致的环境，就需要进行大气电场受环境影响的研究，找出各种环境对大气电场的影响关系，根据不同的环境给出不同的修正。

假设在晴天大气电场中，可以认为建筑物处在均匀电场中。从数学角度来看电场问题，实际就是求满足边界条件的泊松方程解的问题。

泊松方程在物理中是用来描述稳定场的状态的，写为：

图2 差分网格的结点坐标

建立二维的泊松方程和拉普拉斯方程的差分格式，Φ0代表中心 0 点电位值，Φ1、Φ2、Φ3、Φ4表示 1、2、3、4 点的电位值，所形成的差分网格如图2所示：

用有限元法可得出：

结合Matlab画图可知，雷暴云下大气电场电位分布由于地表、地物的影响而发生变化，远处的电势、场强分布相对较均匀。因此在利用电场仪资料时，一定要考虑周围地形、地物的影响，尽量找出相对一致的安装环境。

6 小结

利用地面电场仪进行雷电预警的优点在于易于安装，可以自动、连续、实时监测雷雨云中强雷电活动中心在地面产生的电场强度、极性以及闪电数等。但单站大气电场仪预警范围小，因此一般将多个大气电场仪联网，组成地面电仪网后，可以扩大测量范围，提高测量精度。本文利用点电荷模式，数值计算了雷暴云电荷分布在地面产生的电场变化的特征，从而可以推出云中电荷中心分布位置和电量。由于安装场地对周围电场的影响，大气电场资料可能存在较大的误差，因此当利用大气电场仪测量的空间电场资料反演计算模型时，要适当地考虑地形、地物的影响。

1002-252X(2012)02-0037-02

2012-2-1

鲁斌（1983-），男，黑龙江省鸡西市人，成都信息工程学院，本科生，助理工程师.