安顺市大气电场时空分布及其不同天气形势下的特征

2021-03-18黄欢袁晨马晓红夏晓玲吕乾勇谢清霞毛先胤

电力大数据 2021年12期

黄欢,袁晨,马晓红,夏晓玲,吕乾勇, 谢清霞,毛先胤

(1.贵州电网有限责任公司，贵州贵阳 550002；2.贵州新气象科技有限责任公司，贵州贵阳 550002；)

雷电灾害是联合国公布的最严重的十种自然灾害之一，全球每年因雷击造成的人员伤亡、财产损失不计其数。云南省气象局[1]收集了2001年-2017年的云南省雷灾资料进行统计分析，发现平均每年有超过40人死于雷灾、有超过50人在雷灾中受伤，并从地理空间角度得出了雷灾伤亡的分布情况。有研究显示[2]内蒙古每年雷击伤亡事故的大多集中在6-8月份，且下午13时至18时为高事故发生时段，雷电最易发生在农村牧区，伤亡年龄分布主要集中在40岁-69岁，男性比例高达70.73%。许多省份研究显示[3]对电力行业冲击最大、影响最深的自然灾害为雷电灾害，体现在人员伤亡和设备损毁，同时雷击还易造成电力设备起火[4]。

学者对雷电特征与预警均展开多方向、多维度的研究[5]。一些学者从统计学角度分析评估雷电灾害，并开展风险区划研究[6]。蔡忠周选取了闪电强度、闪电密度、人工雷暴日数、土壤电导率、河网密度、人口密度、GDP密度、生命易损指数、经济易损指数、防护能力指数等10个因子作为西宁地区雷电灾害风险评估指标,结合层次分析法反映西宁地区雷电灾害风险,实现本地雷电灾害的风险区划。史津梅通过分析青海省东部农业区的闪电定位资料、雷击灾情资料以及各地区的GDP数据，开展该地区雷电灾害风险评估及区划，为科学合理制定雷电防护技术提供依据。一些学者从气候角度开展雷电特征分析，Adnan Ahmad[7]从ENSO时间尺度上对印度上空闪电活动的变化开展相关研究，发现在两次厄尔尼诺期间，闪电总数分别增加了10%和18%，而在两次拉尼娜期间，与非ENSO同期的平均值相比，闪电总数分别减少了约19%和28%。

雷达回波资料和闪电定位系统资料常被用来分析雷电的时间和空间特征[8-13]。杨波通过分析南京地区罕见的冬季雷暴，发现电极性多以正地闪为主，且远高于当地夏季雷暴正地闪数量。杨美荣初步利用雷达参量与雷暴未来闪电数量进行相关性分析,发现初始地闪阶段40dBZ回波顶高与最初半小时闪电数量的相关系数为0.82,说明初始地闪发生时的雷达参量可以较好地指示雷暴未来半小时电活动强度。吴姗姗利用广州高建筑物雷电观测站的地闪光学观测资料,结合雷声和电磁场变化波形,分析了当地下行地闪分布特征，并提出增强对地闪的捕获效率用以改进光学观测方案。近年来双偏振雷达在雷电活动特征分析中崭露头角，刘泽利用双偏振雷达观测数据分析了广东一次暖云强降水对流单体的闪电活动及其与云降水结构的关系。

近年来多领域学者致力于提高雷电预警能力，中国气象局在广州建设了雷电野外科学试验基地，以期实现雷电活动特征的理论突破。在此基础上，王艺儒[14]不断调整主负电荷区参数进行二维高分辨率闪电模拟试验,讨论自持型上行负地闪与云中闪电之间的相互竞争关系以及有利于自持型上行负地闪始发的云中电荷结构。张金波[15]采用柱形二维时域有限差分法和Agrawal耦合模型，计算了两种典型的多导体线路在有耗地面上的雷电感应电压,发现与平坦地形相比，垂直和水平配置的雷电感应电压在撞击锥形山时都能明显提高，特别是在有限地面电导率较低的情况下。

目前国内有大量学者设计了雷电监测与预警以及灾后评估分析模型[16-17]，且国内外大量研究显示多源数据融合的预警模式[18]和预警算法的改进是提高雷电预警能力的关键性技术手段。庞华基[19-23]建立雷电实时预警系统融合了地面电场,闪电定位仪和多普雷天气雷达等多种实时监测信息。梁宇提出一种基于雷达组合反射率的线路走廊雷电风险主动预警方法。

在对雷电的直接监测手段中，闪电定位仪只能监测已经发生的雷电活动，而对未发生雷电的雷暴云没有任何反馈，但大气电场仪能够监测地面大气电场的极性及强度,反映带电云团中闪电活动情况，从而进行雷电预警。大气电场仪的应用非常广泛[24-27]，除了探测雷电发生前云团中的带电活动，还可用于沙尘天气的探测[28-29]。更有一些学者将搭载大气电场仪的气球做升空实验[30]，得到特殊地形表面近地面如火山喷发形成的熔岩平台地区上空电场特征。大气电场仪器设备也在不断改进中[31]。张钰雯设计了一种新型大气电场监测装置，特点是光伏供电且低耗能。王光东设计了一种能够有效消除共模干扰的双定子差分式电场传感器。

目前国内外研究多以单点地面电场仪为主，其探测距离较小，一般为10km-20km半径范围内，对于临近的小尺度雷暴云有一定的捕捉能力，但对于系统性雷暴云如西南地区常见的MCS其探测能力是远远不够的。利用多部大气电场仪联网开展综合监测，可以提供大范围内地面电场的分布以及雷电活动的移动路径信息，将大大改善雷电的预报和预警功能，实现雷电天气的精准靶向预警。本文将分析贵州安顺市组网监测的多部大气电场仪采集的电场数据，得到该地区大气电场的时空分布特征，以及不同天气形势下大气电场演变特征，为后期进一步开展雷电预警工作打下理论基础。

1 数据说明

本文利用安顺8个大气电场仪(东屯、凤凰、关岭、化处、久联、久联民爆、双堡、夏云)2020年1月～2021年5月的大气电场观测数据进行分析。

文中大气电场数据所使用的观测仪器型号为上海晨辉公司研制的Pre-Storm(预雷者)，Pre-Storm是建立在差模测量技术基础上的大气探测产品，它的工作原理是对不断被屏蔽及开放的探测电极带电量的增益放大，转换为数字电场值，从而实时监测大气电场的变化，进而实现对半径15km-20km区域可能产生的雷电进行预测和报警。电场仪电场的正负按照国际标准定义，即当地面电场受雷暴云正电荷区控制，地面电场为负(强度方向由天指向地)；反之，则为正(强度方向由地指向天)，其主要性能与技术参数见表1。

表1 大气电场仪主要性能与技术参数Tab.1 Main performance and technical parameters of the atmospheric electric field instrument

Pre-Storm利用先进的微处理器数据系统，能实时准确地测量记录地面上的静电场值与变化率,能连续启动三级雷电报警。一般我们用以下三个场强阈值来界定警报等级：

(1)1级警报:默认的阈值为2kV/m,此时雷暴正在形成，对雷暴的初始活动进行报警;

(2)2级警报: 默认的阈值为4kV/m,此时雷暴正逐渐逼近，对正在接近的雷暴或在本地生成的雷暴进行报警;

(3)3级警报: 默认的阈值为6kV/m,雷暴即将发生，对即将在监测地发生的雷击进行报警。

2 大气电场的时间和空间分布特征

2.1 大气电场的时间分布特征

(a)日(a) Day

(b) 月 (b)Month

利用安顺市8个站的大气电场进行日变化、月变化和年变化分析，在日变化中(图1a)，数值范围在0.2kV/m～0.3kV/m之间，其中最大值出现在05时，为0.29kV/m，其次是09时，为0.25kV/m，最小值出现在21时，为0.2kV/m；线性趋势线的趋势系数为-0.0005，可知数值整体呈现减弱趋势，即从00点到24点，电场有减弱的趋势；由多项式拟合线可知在凌晨电场逐渐增强，在白天逐渐减弱，傍晚又开始增强。

在月变化中(图1b)，数值范围在0.09kV/m～0.33kV/m之间，其中最大值出现在15日，为0.33kV/m，其次为16日，为0.32kV/m，最小值出现在12日，为0.09kV/m，其次为9日和11日，均为0.1kV/m；线性趋势线的趋势系数为-0.0016，可知数值整体呈现减弱趋势，即从月初到月末，电场有减弱的趋势；由多项式拟合线可知电场在月上旬先逐渐增强，后逐渐减弱，月中旬又逐渐增强，月下旬先呈下降趋势，后又明显增强。

在年变化中(图1c)，数值范围在-0.13kV/m～0.86kV/m之间，其中最大值出现在7月，为0.86kV/m，其次是3月，为0.56kV/m，最小值出现在5月，为-0.13kV/m；线性趋势线的趋势系数为-0.0245，可知数值整体呈现减弱趋势，即从年初到年末，电场有减弱的趋势；由多项式拟合线可知在冬季到初春电场逐渐增强，在春季逐渐减弱，夏季又开始增强，秋季再次减弱。

可见，大气电场的整体时间变化趋势均为下降趋势。

2.2 大气电场的空间分布特征

(a)15:00(a)15:00

(b)23:00(b)23:00图2 2020年安顺大气电场日变化空间分布特征Fig.2 Spatial distribution characteristics of the diurnal variation of Anshun atmospheric electric field in 2020

在大气电场的日变化空间分布中，安顺市由西北至东部大气电场值逐渐减弱，西北部的化处站一直为所有站点中最大值站点，最大值出现在13(图略)和15时(图2a)，为0.7kV/m，东部的东屯站一直为最小值站点，最小值为-0.1kV/m；以东屯站为中心，一直维持一个低值中心，该低值中心在一天中出现3个由强到弱的变化周期，且范围也相应由大变小，其中范围最大出现在15时(图2a)，该中心已向西扩大至关岭站，最小范围出现在23时(图2b)，仅包括东屯本站，在12时～15时该低中心范围基本维持；在安顺市东北部站点分布较多，在九联站到东屯站之间电场梯度最大。

(a)3日(a)3 days

(b)12日(b)12 days

(c)19日(c)19 days图3 2020年安顺大气电场月变化空间分布特征Fig.3 Spatial distribution characteristics of monthly variation of Anshun atmospheric electric field in 2020

在大气电场的月变化空间分布中，也是安顺市由西北至东部逐渐减弱，西北部的化处站为所有站点中最大值站点，最大值出现在3日(图3a)，为1.3kV/m，其次为久联站，在13日(图略)为0.8kV/m，东部的东屯站也一直为最小值站点，最小值为-0.1kV/m；在2日～13日，大值区从安顺西北角逐渐向东扩展，但大值中心范围逐渐缩小，在8日(图略)久联站开始为最大值中心，在12日(图3b)大值范围最小，0值线已缩小至关岭、化处、凤凰和东屯站，然后在14日(图略)正值区范围突然跃增，负值区仅为东屯站和关岭南部局地，15日(图略)开始正值大中心西北路退出安顺市，负值区开始增大，在19日(图3c)负值区范围逐渐扩大为东屯-关岭站，在最后一旬又经历3次短时的强弱变化；在安顺市东北部站点分布较多，在九联站到东屯站之间电场梯度最大。

在月上旬，安顺市西北部大气电场均为正值，且大值中心由西北路向东移动，最后久联站成为大值中心，月中到下旬，大值中心西北路退出安顺，但大值区范围几乎覆盖整个安顺市，仅以东屯站为低值中心的范围出现大小变化。

(a)1月(a)January

(b)4月(b)April

(d)7月(d)July

(e)8月(e)August

(f)9月(f)September 图4 2020年安顺大气电场年变化1月、4月、5月、7月、8月和9月空间分布特征Fig.4 Spatial distribution characteristics of annual variation of Anshun atmospheric electric Field in January, April, May, July, August and September in 2020

在年变化中，共出现3次正负强弱变化，1月(图4a)，以久联0.8kV/m为最大正值中心，0kV/m线包含有凤凰和双堡站，其余站点均在负值区域，化处为最小值(-1.6kV/m)；2月(图略)正值范围扩大，仅有东屯和关岭西侧局地为负值区域，久联最大值为1.2kV/m，3月(图略)正值区域变化不大，但强度明显增强，久联的正值中心减弱，转为夏云为7个站点中最大值，为3.0kV/m，增幅达到2kV/m，仅关岭站北侧局地为负值区域，4月(图4b)强度略有减弱，夏云站降至2kV/m，东屯站附近降为负值区；5月(图4c)正值区域突然减小，仅以双堡为中心，包含久联、东屯西侧、关岭东侧和化处东侧为正值区，且双堡强度为0.5kV/m，夏云为7个站点最低-1.5kV/m；6月(图略)负值区范围缩小，正值中心向西北侧移动，并范围增大，化处站转为最大值1kV/m，其次为久联0.8kV/m，安顺市东部以夏云、凤凰东侧、双堡东侧和东屯站均为负值区域，7月(图4d)和6月基本一致，只是强度增强，化处站增强至4.8kV/m；8月(图4e)负值区域突然明显扩大至全市，其中以夏云、久联和关岭为3个高值中心；9月(图4f)正值中心从西北路径进入，化处再次成为正值中心，为4kV/m，负值区域减小，夏云是最低值站，为-2kV/m；10月(图略)负值区域又再次扩大到全市范围，关岭略高，为-0.03kV/m，11月(图略)与10月基本一致，只是负值强度增强，关岭依然为负值区的高值中心，久联成为低值中心，为-0.42kV/m；12月(图略)负值强度减弱，久联转为正值区。

春季(2月至4月)全市大部均为正值区域，且以3月强度最强，初夏5月大部又转为负电场，6和7月正值中心西北路北撤，但正值范围扩大至市中西部地区，8月负值区扩大至全市，9月负值范围减小，市的中西部转为正值区，暮秋到冬季(10月至1月)，全市大部均为负值，且以11月负值强度最强。在全年中，负电场最低为9月的夏云站，正电场最强为7月的化处站。

3 不同天气形势下的大气电场特征

结合前面时空分布，挑选正值大中心化处和久联站进行进一步分析，由于化处站的数据有部分缺失，最后选取久联站。首先挑选出久联站2020年强雷暴(伴随冰雹大风)过程9个，然后利用闪电定位数据挑选出普通雷雨过程57个，最后剩下为稳定性天气(含晴天、多云、阴天和降雨等无雷电天气)，分析这三种不同天气形势下的大气电场特征。

3.1 稳定性天气

(a)7月1日(a)July 1

(b)11月9日(b)November 9图5 2020年7月1日和11月9日久联站稳定性天气大气电场变化Fig.5 Variation of atmospheric electric field in stable weather of Jiulian Station on July 1 and November 9 in 2020

稳定性天气的大气电场变化范围为-0.51kV/m～2.85kV/m。7月1日(图5a)，久联站阴天间多云有阵雨，大气电场没有明显的抖动，基本维持在2kV/m左右。图5(b)为2020年11月9日久联站大气电场变化图，天气现象为多云间阴，电场值基本在-0.1kV/m～0.1kV/m之间，平均值为0.017kV/m，在08:08分之前和22:49之后均为正值，说明期间为晴空云量较少，其余时间正负相间，其中最大值出现在16：55：14，为0.24kV/m，最小值出现在15：40：10，为-0.39kV/m。可见就算是稳定性天气，大气电场在夏季的值也明显高于冬季，这与前面时间变化吻合。

3.2 普通雷雨天气

(a)7月17日(a)July 17

(b)9月5日(b)September 5图6 2020年7月17日和9月5日久联站普通雷雨天气大气电场变化Fig.6 Variation of atmospheric electric field during ordinary thunderstorm at Jiulian Station on July 17 and September 5 in 2020

普通雷雨天气的大气电场变化范围平均值为-5.25kV/m～4.16kV/m，明显强于稳定天气电场，挑选久联站在2020年7月17日(图6a)和9月5日(图6b)的两次普通雷雨天气过程，在7月17日(图6a)，在19时左右出现雷雨，此时大气电场最大值为4.16kV/m，最小值为-3.58kV/m，其余时间大气电场基本维持在2kV/m附近，这与当时多云有分散雷阵雨天气吻合；在9月5日(图6b)，雷电主要发生在17时，大气电场在此时也有正负电荷的明显跃增，最大值为3.4kV/m，最小值为-5.25kV/m，均超过2kV/m的雷电预警值，其余时间基本在1kV/m之间，与上面时间变化均值吻合。

3.3 强雷暴天气

(a)1月6日(a)January 6

(b)4月18日(b)April 18图7 2020年1月6日和4月18日久联站强雷暴天气大气电场变化Fig.7 Changes of atmospheric electric field during severe thunderstorm at Jiulian Station on January 6 and April 18 in 2020

强雷暴天气的大气电场范围-33kV/m～80.92kV/m，挑选2020年1月6日(图7a)安顺市大部发生的强雷暴天气过程，伴随有冰雹、短时强降雨和大风等强对流天气。当天电场出现3次明显抖动，分别在13:30:29左右、15:17:03左右和17点～18点左右，其中傍晚17点～18点的时间维持最长，正负电场强度也最强，正电场最大值为80.92kV/m，负电场最大值为-9.96kV/m，主要范围在-10kV/m～35kV/m之间，此时段也与当日冰雹时段相对应，在其余时段，大气电场均变现为正值，范围在2.6kV/m左右；在4月18日(图7b)，安顺市北部出现强对流天气，并伴有降雹和雷暴大风，久联站在16点～17点出现明显的电场抖动，且最大值为40.35kV/m，最小值为-33kV/m，其余时间均维持在2kV/m左右，抖动时间与降雹基本吻合。电场相比于稳定性天气和普通雷暴天气偏强。

4 结论

1.大气电场的日、月和年变化趋势均为整体下降趋势，对于日变化，在夜间逐渐增强，凌晨达到最强，白天逐渐减弱，这与贵州多夜雨吻合；月变化表现在月上旬主要为减弱，中旬增强，下旬先减弱后增强；年变化变现在冬季到初春电场逐渐增强，春季略有减弱，夏季又开始增强，秋季再次减弱，这与贵州雷电多出现在春夏季节一致。

2.安顺市大气电场日和月变化均由西北至东部大气电场值逐渐减弱，西北部的化处站一直为最大值，其次为久联站，东部的东屯站一直为最小值；在月上旬，安顺市西北部大气电场均为正值，大值中心由西北路向东移动，最后久联站成为大值中心，月中到下旬，大值中心西北路退出安顺；春季(2月至4月)全市大部均为正值区域，暮秋到冬季(10月至1月)全市大部均为负值，其余月份大气电场表现为不稳定的正负交替，这正与贵州易于出现雷电天气时段吻合，大值站点依然分别是化处和久联。

3.通过选取资料齐全的大值中心久联站进行不同天气形势下的大气电场特征分析，久联站稳定性天气的大气电场变化范围为-0.51kV/m～2.85kV/m；普通雷雨天气的大气电场变化范围平均值为-5.25kV/m～4.16kV/m；强雷暴天气的大气电场范围-33kV/m～80.92kV/m，可见三种不同天气形势下，大气电场出现不同等级的跃增。