大气电场仪在万载雷电预警中的应用

徐岗 苏缘 赵珞 李茜 刘菁

摘要 立足于万载地区的气候和地理特点，详细分析了大气电场仪的基本原理和技术参数，并深入探讨了大气电场仪逆行雷电预警的物理原理和操作方法。针对大气电场仪在万载雷电预警中的应用优势和挑战进行详细分析，并提出应对措施，为相关从业人员提供参考。

关键词 大气电场仪；雷电预警；应用

中图分类号：P427.3 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2023）09–0-03

雷电灾害给人们的生命和财产带来了极大的威胁，有效地预警雷电灾害成为一项重要任务。作为一种新型的雷电预警仪器，大气电场仪具有高灵敏度、高准确度、快速响应等特点，在雷电预警中发挥着重要作用。随着技术的不断进步和应用的不断推广，大气电场仪已成为现代雷电预警系统的重要组成部分。

1 万载县的气候和地理特点

万载县处于赣中西北边陲，属于亚热带湿润气候，1991—2020年年平均气温为17.9 ℃，年平均降水量为1 747.1 mm，降水集中在3—9月，占全年降水的70%以上。雨季期间雷电灾害频发，严重威胁当地农业生产和人民生命财产安全。

万载县地势复杂，南部和西北部地势高，东部地势偏低，地势由西北向东南逐渐倾斜。南部属峰顶山——蒙山山脉，北部为九岭山脉初级隆起所组成的古陆山脉。县境内800 m以上的山峰有36座，最高峰位于县北55 km处高村镇上坪村的仙姑岽（旧称太阳山），海拔1 404.4 m。最低点为三兴镇沙潭村的均车，海拔70 m。地形形状和高低起伏对雷电发生和传播具有重要影响。

万载自古有“花炮之乡”的美誉。截至2023年全县仍有170余家花炮企业，在县城区域内有大量一类防雷建筑物。花炮企业的生产过程中涉及大量的一类防雷库房、生产车间、设备，若防雷保护不到位，会对库房、生产车间、设备甚至人身安全造成极大的威胁。

作为雷电灾害高发地区之一，万载县气候和地理特点为雷电的发生和传播提供了较为有利的条件，同时也增加了雷电灾害的风险，因此开展雷电预警工作尤为重要。作为一种新型雷电预警仪器，大气电场仪发挥着越来越重要的作用。

2 大气电场仪概述

2.1 大氣电场仪逆行雷电预警的物理原理

大气电场仪能够检测空气中的电场强度和电荷密度，通过监测空气中的电场强度和电荷密度的变化，可以预测雷电的发生。

大气电场仪逆行雷电预警的物理原理基于静电场的相互作用原理，即通过测量空气中电场强度和电荷密度的变化判断雷电的发生。空气中存在正负电荷，在自然状态下形成一个电荷分布的静电场。雷电云在形成的过程中会产生大量的电荷会对地面附近的静电场产生影响，使得地面附近的大气电场强度变弱，如果检测到地面附近的电场强度突然下降，就可以判断可能有雷电即将发生[1]。这种逆行预警方式可以提前数分钟至数十分钟预警，为人们采取必要的防范措施提供了足够的时间，具有较强的预警准确性和实用性。但是大气电场仪的逆行雷电预警会受到地面污染物等因素的影响。当大气中存在较高浓度的细颗粒物或有机物等污染物时，会降低空气中的电荷密度，从而影响大气电场的分布和变化，因此需要对这些因素进行修正和校准[2]。

大气电场仪的探测技术基于电容原理，通过在探测杆和地面之间建立一个电容测量电场强度。当电荷分布发生变化时，探测杆所测得的电容值也会发生变化，通过测量电容值的变化，就可以判断电场强度的变化。为了保证探测的精度和可靠性，大气电场仪通常需要进行定期的校准和维护。

2.2 大气电场仪的技术参数和操作方法

2.2.1 大气电场仪的技术参数 大气电场仪主要包括探头、放大器、数据采集器等，主要技术参数包括灵敏度、响应时间、准确度等，具有防雷、防静电等功能，能够有效地进行逆行雷电预警，为防雷减灾工作提供了重要的技术支持。

灵敏度是指仪器检测的最小电场强度；响应时间是指仪器从检测到电场强度变化到发出预警信号的时间；准确度是指仪器检测结果与实际情况之间的误差。大气电场仪的灵敏度一般为0.1 V/m左右，响应时间一般在几毫秒到几十毫秒之间，准确度可以达到1%以内[3]。

2.2.2 大气电场仪的操作方法 大气电场仪的操作方法包括安装、校准、数据处理等步骤。

（1）安装。大气电场仪需要安装在一个开阔的场地，远离高压线路、建筑物等干扰源，以保证检测数据的准确性[4]。安装时需要将探头垂直于地面，且高度应根据实际情况进行调整。

（2）校准。大气电场仪需要定期进行校准，以保证数据的准确性。校准通常包括检查仪器是否损坏、清洁探头、检查放大器等部分的连接情况、检查数据采集器和计算机等设备的连接情况等。如果出现异常，需要及时维护和修复。

（3）数据处理。大气电场仪产生的数据需要进行处理，以便进行预测和预警。数据处理通常包括数据采集、数据传输、数据处理等步骤。大气电场仪通常会配备专业的数据采集器和计算机软件来进行数据处理[5-6]。

3 大气电场仪在万载雷电预警中应用的优势

3.1 提前预测优势

大气电场仪能够提前检测到雷电发生的可能性，预警时间较长，是其在雷电预警中应用的主要优势之一。通常情况下，雷电前的云层会带有大量的电荷，形成的电场强度会随着云层的移动而发生变化。当云层接近地面时，地面附近的电场强度也会随之发生变化，这种变化可以利用大气电场仪实时监测。

大气电场仪可以通过监测电场强度和电荷密度的变化，提前预测雷电的发生，并给出相应的预警信息。与其他雷电预警技术相比，大气电场仪预警时间更长，能够提前数分钟或数十分钟发出警报，给人们足够的时间采取措施，减少雷电灾害造成的损失[7]。

3.2 网络化监测和自动预警优势

大气电场仪可以实现网络化监测和自动预警。通过将多个大气电场仪设备连接至云端，可以实现远程监测和数据共享。在大范围雷电预警中，多台大气电场仪可以协同工作，实现对雷电活动的全方位监测和预警[8]。

大气电场仪可以通过预设的预警阈值，实现自动预警，避免人工监测中可能出现的漏检和误判问题。当大气电场仪检测到电场强度变化超过预警阈值时，会自动发出预警信号，向相关部门和群众发送警报信息。自动预警不仅提高了雷电预警的及时性和准确性，还节省了人力和物力资源，提高了预警效率。

3.3 数据处理优势

大气电场仪的数据处理能力较强，可以自动分析、记录和传输数据，减轻人工处理数据的负担，提高雷电预警的效率和准确性，有助于减少雷电灾害的发生，保障人民群众的生命和财产安全[9-11]。

大气电场仪采集的数据主要包括电场强度、电位变化、电荷密度等参数。在实际操作中，大气电场仪通过多种传感器获取数据，实现数据记录、存储、传输和分析，为雷电防范和科学研究提供重要的数据支持。大气电场仪的数据处理过程主要分为以下几个步骤：

首先，大气电场仪通过数字化处理和自动化分析技术可以实时采集空气中的电场强度、电位变化等数据，并将其转化为数字信号。这些数据通过传感器传输至数据采集器，进行数字化处理和存储，方便后续的数据分析和科学研究[12]。

其次，大气电场仪可以通过自带的算法和程序，自动对采集到的数据进行处理和分析。通过对数据的处理和分析，识别雷电的可能性，并进行预警。

最后，大气电场仪可以将处理后的数据传输至云端或本地计算机。同时，也可以通过网络或短信等方式，将数据实时传输给相关部门，提高了雷电预警的效率和准确性。

3.4 长期连续监测优势

大气电场仪在雷电预警中具有很高的应用价值，随着科技的不断进步和技术的不断成熟，大气电场仪的应用范围越来越广泛。大气电场仪对环境的干扰小，稳定性高，能够长期连续监测。

首先，大气电场仪使用的探头和放大器等设备对环境的影响小，在工作时不会对周围的生态环境和居民生活产生显著的影响。同时，大气电场仪的数据采集和传输过程中使用的电磁波辐射也很弱，对人类健康和环境影响较小。

其次，大气电场仪具有较高的稳定性，能够长期连续监测大气电场强度和电荷密度等数据。由于雷电活动的频繁变化，需要设备能够在长时间内稳定运行，以确保数据的准确性和可靠性。大气电场仪采用了多种稳定性较高的元器件和传感器，可以确保其长时间连续运行。

最后，大气电场仪具有很高的灵敏度，能够在电场强度发生微小变化时及时检测到并给出预警。而其灵敏度会受到环境因素的影响，因此大气电场仪的精度和灵敏度需要不断进行校准和优化。这也是大气电场仪需要不断进行维护和更新的原因。

4 大气电场仪在万载雷电预警中应用的挑战

4.1 地形复杂、海拔差异大的地区，安装和维护难度大

在如万载地区这类地形复杂、海拔差异大的地区时，大气电场仪的安装和维护面临一定的挑战。

一方面，在地形复杂的山区，安装大气电场仪需要考虑地形的起伏和不平坦性，以及不同地形对大气电场的影响。在不同地形的区域内，大气电场强度会因地形的起伏、坡度和方向等因素的不同而产生变化，这会给大气电场仪的安装和使用带来一定的困难。

另一方面，在海拔差異大的地区，如高山、峡谷等地区，大气电场仪的安装和维护也会遇到困难。在高海拔地区，空气稀薄、温度低，大气电场的强度也会随之变化，而大气电场仪的探头需要与环境接触才能进行检测，因此需要针对不同高度的区域，选择合适的探头，并对其进行调整和校准，以保证数据的准确性和可靠性。在峡谷地区，地形陡峭，操作空间狭窄，对大气电场仪的安装和维护也提出了严格的要求。

在面对这些困难和挑战时，相关人员需要采用科学、合理的安装和维护方法。例如，可以根据地形特点，合理选择安装点和探头类型，以提高大气电场仪的灵敏度和准确性；还可以利用现代化技术手段，如遥感技术和智能化维护等，进行网络化监测和远程维护，减少维护成本和人力投入，从而为大气电场仪在复杂地形和气象条件下的使用提供有力支持，增强其在雷电预警中的应用效果。

4.2 大气电场仪的精度和灵敏度易受气象和环境条件影响

虽然大气电场仪在雷电预警中有着广泛的应用前景和优势，但其精度和灵敏度受到多种因素的影响，如气象条件、周围环境、设备本身的性能等。这些因素都会导致大气电场仪的检测结果出现误差，影响雷电预警的准确性。

首先，气象条件，包括气温、湿度、风速、降雨量等。大气电场仪主要检测空气中的电场强度和电荷密度，而气象条件会直接影响空气中的电场强度和电荷密度，从而影响大气电场强度的测量结果，进而影响大气电场仪的准确性和精度。例如，下雨天空气中的电荷密度会显著增大，导致大气电场仪的检测结果出现误差。因此，在不同的天气条件下，大气电场仪需要进行不同的校准和优化，以提高其精度和灵敏度。

其次，周围环境。周围环境包括电磁干扰、人为干扰、地质构造等因素。这些因素会干扰大气电场仪的信号接收和传输，导致检测结果出现误差。为了避免这些干扰，大气电场仪需要在安装时选择合适的位置，并采取相应的干扰措施，从而更好地发挥大气电场仪在雷电预警中的作用。

最后，大气电场仪自身的性能。大气电场仪需要使用高质量的材料和精密的制造工艺，以确保其精度和灵敏度的稳定性。此外，大气电场仪还需要定期进行维护和校准，以保证其检测结果的准确性和可靠性。

4.3 大气电场仪需要多仪器配合，形成完整的雷电预警系统

大气电场仪虽然具有检测雷电的优势，但在实际应用中，其仍需要与其他雷电预警仪器配合工作，形成完整的雷电预警系统。雷电预警系统一般由雷电定位系统、电场仪、雷达、卫星等组成，通过互相配合能够更好地实现对雷电的预警。

雷电定位系统能够通过对雷电信号进行定位，精确地确定雷电活动的位置和范围，进而提供更精准的预警信息。雷达则能够探测到雷云内部的物理变化，进而确定雷电的产生和发展，提供更为准确的预警。卫星可以通过监测雷云形态和运动情况，预测雷电的发生概率和趋势。

配合使用这些仪器，能够提高雷电预警系统的准确性和时效性，从而更好地预防和减轻雷电灾害对人们生命财产造成的危害。同时，雷电预警系统的建设也需要考虑设备的互通性和数据共享问题，以实现预警信息的全面共享和有效传递。需要注意的是，由于各地区的气象条件和地形环境存在差异，因此雷电预警系统的配置和建设也需要根据具体情况进行调整和优化，以保证系统的适应性和灵活性。

5 结束语

大气电场仪是一种新型的雷电预警仪器，能够有效地预警雷电灾害。在类似万载雷电灾害高发的地区，大气电场仪在雷电预警中发挥了重要作用，优势明显，但在实际应用中也面临着一些挑战。未来需要进一步完善大气电场仪技术，提高其精度和稳定性，更好地服务于雷电灾害预警和防范工作。

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The Application of Atmospheric Electric Field Instrument on Lightning Warning in Wanzai County

Xu Gang et al（Wanzai Meteorological Bureau， Wanzai， Jiangxi 336100）

Abstract Based on the climate and geographical characteristics of the Wanzai region， the basic principles and technical parameters of the atmospheric electric field instrument were analyzed in detail， and the physical principles and operating methods of the atmospheric electric field instrument for retrograde lightning warning were deeply explored. A detailed analysis was made on the advantages and challenges of the application of atmospheric electric field instruments in lightning warning for ten thousand years， and corresponding measures were proposed to provide reference for relevant practitioners.

Key words Atmospheric electric field instrument; Lightning warning; Application