内蒙古地区大气电场预警系统预警效果检验及预警指标优化

王曼霏 王乐乐 东 方

（内蒙古自治区雷电预警防护中心，内蒙古 呼和浩特010051）

大气电场雷电预警系统是根据大气电场随着雷暴云移动时地面大气电场的变化特征，利用大气电场仪对大气电场指标监测，从而对重点区域闪电活动进行雷电预警监测的手段之一[1-2]。由于雷暴生命周期短、范围小，导致雷暴预警预报是天气预报中较困难的工作之一，而雷暴过程中云内的起、放电不仅仅引发了闪电的发生发展，同时也使得近地面的大气电场发生了剧烈变化。因此，大气电场预警系统给雷电活动预警提供了可能[3]。

近年来，大气电场在国内外很多地区的观测成为新的雷电预警手段。董文乾等[4]分析雷暴云电荷结构、地面大气电场曲线波形特征，提出利用地面电场曲线变化特征对雷暴预警的方法。罗琳艳等[5]针对大气电场仪预警误报率高等问题提出利用多站组网结合闪电定位系统数据对雷暴预警的方法。雷电预警为防灾减灾提供重要依据，因此，预警信号是否有效及时准确使用户最关心的问题。那么，要想要提升预警的准确率，就要对预警指标进行检验，并且及时对预警阈值进行订正。

表2 2018 年预警范围在20km 以内各站点准确率、漏报率和空警率7、8 月均值

1 研究方法

1.1 雷电预警等级的划分及检验方法

大气电场预警系统预警级别的划分主要是依据电场强度的变化[6]。当电场强度达到2000V/m 时系统开始发出预警信号，为一级预警，随着电场持续升高，预警信号不断增大，当电场提升至4000V/m 预警提升至二级；当电场达到6000V/m 时预警信号提升至三级；当预警信号下降至500V/m 以下并持续30 分钟时警报解除。为了将雷电预警过程与实况闪电（即闪电定位仪数据）作比较，利用大气电场的变化特征与检验的三个指标拟定评分标准。将2018 年大气电场预警系统于7、8 两月运行期间观测得到的内蒙古呼和浩特市地区地面电场观测数据根据预警事件、预警范围进行统计处理，并计算出用于检验预警系统的三个指标。

为了与真实观测数据对比，将以电场仪站点为中心的10km 和20km 范围划分为两个标准。当一次雷暴事件过程中在10km（或20km）范围内有地闪发生时则将该次事件记为该月的一个正确样本NA。当一次雷暴事件过程中在10km（或20km）范围内没有地闪发生时则将该次事件记为该月的一个空报样本NB。闪电实际发生系统却没有发出预警信号的情况为漏报，因此将发生时间间隔小于30 分钟的一个或几个闪电记为一次漏报事件，一次漏报事件为该月的一个漏报样本数NC。

根据上述样本可以得到以下三个指标：

TS 评分：Ts =NA/（NA+NB+NC）

漏报率：PO=NC/（NA+NC）

空报率：NH=NB/（NA+NB）

1.2 数值模式

本文采用的三维雷暴云动力- 电耦合数值模式对个例进行模拟，与实际观测结果对比分析，从而对预警结果进行验证。三维雷暴云动力- 电耦合数值模式是在孔凡铀等的三维冰雹云模式基础上，加入了详细的起电和放电参数化方案而建立的。本文起电参数化方案考虑了霰粒子和云滴、冰晶及雹粒子和云滴、冰晶的感应碰撞起电机制，霰粒子和冰晶及雹粒子和冰晶的非感应起电机制。感应起电机制采用的是Ziegler 等的参数化方案，非感应起电机制采用的是基于Saunders 等试验结果的参数化方案[7]。

2 内蒙古地区大气电场预警系统预警效果检验

通过对表1、表2 各个站点的数据分析，总体来看预警效果较好。TS 评分平均值为0.21，随着预警范围的缩小，TS 评分逐渐升高且空报率与漏报率均有下降；相同预警范围内，不同站点的漏报率和空警率有所不同，且相互之间成反比。预警范围在10km 以内的TS 评分、漏报率和空警率均值分别为0.21、50%和65%，略高于20km 以内的0.20、71%和59%。所有站点中以医科大学附属医院站评分最高，2018 年8 月TS 评分可达到0.32。

图1 8 月6 日19：40：06 预警事件大气电场观测曲线

图2 模拟大气电场与闪电结果

3 预警个例数值模拟及对比分析

选取2018 年8 月6 日 19：40：06 至20：37：25 的一次预警事件，预警时长为0：57：19，19：41：36 首次发生闪电，预警时效为0：01：30。本次事件中共于19：41：36、19：48：58 和19：56：06 发生三次闪电。从图1 中可以看出，雷暴发生时大气电场起伏变化明显，在电场达到预警阈值后及时触发了预警信号，发出有效预警。

本次模拟过程中，采用当日20：00 呼和浩特地区探空资料进行模拟，模拟时长为60 分钟，与实际预警时间相符。从探空资料中可得，当日对流有效位能较大，适合旺盛对流发展。将模式的模拟区域设置为36 km×36 km×18.5 km，其中水平网格距1 km，垂直网格距0.5 km，将地面电场的观测点设置在模拟域下层中心，即闪电发生在距离18km 范围内。对流云采用使模拟域低层中心增加正位温扰动场的方式启动，即热泡扰动方式。其中水平扰动半径为8 km×8 km，垂直扰动半径为2 km。模式的时步分离技术中大、小时步分别为10 s 和1 s，最大扰动位温为4.0℃。

由图2 可知在实际对流发生过程中，共于19：41：36、19：48：58和19：56：06 发生三次负地闪，电场变化较大时间主要发生在20：00 前后，与闪电发生时间较为吻合。模拟过程中发生正极性云闪37 次，负地闪4 次，闪电发生时间主要集中在30～40 分钟（即时步180～240 步），即对流旺盛时期，引起的电场变化较大，最大值小于1.5kV/m，由此可以得出闪电发生时地面电场还未达到系统设置的2.0kV/m，大气电场预警系统发出预警的最小值仍可降低，但不可否认的是，降低阈值也会造成空警率的提升，还有待于进一步研究。

4 结论

从2018 年7-8 月内蒙古呼和浩特地区大气电场预警系统数据TS 评分结果来看，内蒙古地区大气电场预警系统在不同站点具有较好的预警效果，给防灾减灾工作提供了重要依据。选取2018 年8 月6 日预警事件作为个例进行数值模拟发现，实际对流发生过程中共发生三次负地闪，电场变化较大时段与闪电发生时间较为吻合。模拟过程中尽管引起电场较大变化，但最大值小于1.5kV/m，由此可以可见大气电场预警系统发出预警的最小值2.0 kV/m 仍可下调至1.5 kV/m，给今后预警阈值的选择作为参考。