朱 彪， 林彬彬， 于 晨， 李 丹

(1.福建省灾害天气重点实验室，福州 350028；

2.中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京 100081；
3.福建省气象灾害防御技术中心，福州 350028)

雷电由于其强大的电流和猛烈的电磁辐射等物理效应，极易对地面物体及其周边环境造成严重的破坏；
雷电还常伴随强对流天气过程[1-2]。雷电监测，包括大气电场、卫星、闪电定位监测[3-10]等，是研究雷电灾害的重要手段。基于雷电监测资料开展雷电预警服务，能够减少雷电灾害损失[11-14]。

大气电场监测设备是利用置于电场中的导体上产生的感应电荷，来测量地面大气电场强度和方向的，可以对其上空一定半径范围内的云层带电状况进行监测，直观监测出监测区域内电场强度的分布情况[15-16]。雷暴云内及雷暴云和大地之间可产生放电，雷暴云顶和低电离层之间也存在大气放电[17]。大气电场仪能够记录云闪和地闪活动，可以测量地面大气电场的强度和极性，通过对雷暴云的放电过程进行连续监测，既能够记录闪电发生前雷暴中的电活动，又可记录雷暴过程中发生的闪电[18]。大气电场仪根据导体在电场中产生感应电荷的原理[19-20]，能够长时间连续测量大气电场的强度和极性，完整记录地面电场的变化情况。

近年来，国内外许多学者基于场磨式设备尝试设置阈值、比较电场抖动速度和极性反转等方法判断雷暴发生的概率，即进行雷电预警。国外，Aranguren等[21]根据大气电场资料分析西班牙地区的夏季雷暴特征，通过阈值法和极性反转法来进行雷电预警，雷电预警有效率约为38%。Montanya 等[22]研究得到在雷击发生前，雷暴云会导致大气电场产生剧烈变化，可以利用地面大气电场测量值作为雷电预警的基础，但由于下垫面的不规则和附近物体都会干扰大气电场值测量，要根据大气电场仪的具体布设位置来进行雷电预警，从而提升雷电预警水平。国内，一批研究人员基于大气电场监测设备进行雷电临近预警，大气电场监测设备在雷电预警中发挥重要作用[23-30]。

场磨式和电子式监测设备已投入运行。场磨式监测设备由于采用磨盘结构，涉及机械运转，需要经常维护和校准；
而电子式大气电场监测设备由于采用封闭式结构，无机械运转，对维护的需求相对较少。目前，国内外的研究人员已对场磨式监测设备监测资料的应用进行了分析。电子式设备是通过数字芯片采集信息来测量大气电场强度，采用封闭式结构运转，在石化行业雷电临近预警中得到了一定的应用[31-32]。开展大气电场仪雷电预警效果研究，以雷电监测信息的位置和时间为基础，建立基于预警时间、区域的雷电预警效果评估模型，对研究不同类型的大气电场监测设备的雷电预警效果评估具有重要意义。本研究利用福建省气象局观测场2019年17个闪电过程的大气电场资料和福建省闪电定位资料，对雷电预警效果进行对比分析，研究适宜于大气电场监测设备的雷电预警服务效果评估模型，评估大气电场监测设备的雷电预警服务能力，为不同类型大气电场资料的雷电预警应用提供技术参考。

1.1 闪电资料

福建省三维闪电监测系统建于2014年，全省共有16个监测站，系统定位误差小于500 m，云地闪探测效率大于90%。图1为福建省闪电定位仪和本文研究的大气电场仪分布图。

图1 福建省大气电场仪和闪电定位仪分布图

1.2 大气电场监测及雷电预警

大气电场监测设备可对雷暴云的起电和放电过程进行连续监测。因此，大气电场监测设备既能够记录闪电发生前雷暴中的电活动，也可以对闪电放电活动进行连续监测。地面大气电场的强度和极性是其主要监测内容。地面大气电场观测[33]是利用置于电场中的导体上产生感应电荷的原理来测量地面大气电场强度和方向的。大气电场监测设备电场传感器中定子上的感应电荷Q(t)为时间的函数，其值与外界电场强度E成正比：

Q(t)=-ε0EA(t)

(1)

式中,ε0为自由空间介电常数，A(t)为定子暴露在电场中的表面积，Q(t)为感应电荷。

地面大气电场表征的意义是大气中带电物质相互作用在地面产生的合成电场。因此，大气电场值的观测受安装环境影响较大。为了保障观测数据质量，安装场地应选择在无遮挡，以及周边无高大物体的室外空旷地带。大气电场测站附近的电磁环境、海拔高度、障碍物情况等因素，都会对电场仪的预警阈值产生影响，尤其是大气电场仪对周围电磁环境的变化比较敏感。本文研究的设备安装于福建省气象局观测场，安装环境能满足大气电场数据观测质量要求。两类监测设备的有效监测范围均大于10 km。场磨式监测设备采用磨盘的机械结构，电子式监测设备采用封装式的结构。研究期间，对两台设备均进行了定期维护，保障设备正常运行，设备安装环境和运维均符合地面大气电场观测规范，以保障数据观测质量。

场磨式监测设备根据大气电场监测设备的当前电场强度绝对值、电场强度连续滚动平均值的趋势、电场强度瞬间变化率等指标建立雷电预警模型。雷电发生时，大气电场波形是高耸的尖波，并伴随由于电荷中和过程而引起地面电场的反转，电场反转也是判断雷击发生的主要指标[34]。电子式监测设备通过测量大气电场的强度和极性的连续变化，实时地监测云层的带电状况。设备包含一次电极和二次电极，两电极间采用高速电子开关，在利用两次电极的同时，还利用静电场随动跟踪算法，将跃变动电场分离出来进行数据处理并建立模型进行雷电预警，根据大气电场值、大气电场变化率、大气电场变化持续时间等确定雷电预警等级。两类监测设备分别采用不同的雷电预警模型进行雷电预警，但生成的雷电临近预警产品均包括3级(黄色、橙色、红色)。本文基于福建省三维闪电系统资料，提出雷电预警效果评估方法，对不同类型的大气电场仪雷电预警效果进行评估。

1.3 雷电预警评估方法

两类不同的大气电场仪具有三种预警信号，由低到高依次为黄色、橙色和红色。开展不同类型的大气电场仪雷电预警效果评估，需要规定评估的几个条件。为了更加真实体现雷电预警效果，客观体现不同类型的大气电场仪雷电预警效果，本研究规定：

(1)评估区域以大气电场仪为中心，确定10 km为评估区域半径。

(2)雷电预警信号以黄色预警信号为阈值，连续不中断的雷电预警信号为1次雷电预警。

(3)预警信号结束时间与最后闪电发生时间间隔超过半小时，增加1次空报。

为了评估雷电预警服务效果，以黄色雷电预警信号为阈值节点，以连续雷电预警信号时间和福建省三维闪电监测系统数据为依据，采用两种方法对预警服务效果进行评估：一种是根据闪电发生频次进行效果评估，根据10 km区域的范围得到闪电总频次，统计连续预警信号期间闪电发生的数量，从而计算对闪电总频次的有效预警效率；
另一种是对连续预警信号的准确性进行评估，计算出命中率POD、空报率FAR、TS评分三个评估指标，具体见公式(2)-(4)。

(2)

(3)

(4)

式中，NAk为预报正确次数(预警期间区域内发生闪电)，NBk为空报次数(预警期间区域内未发生闪电)，NCk为漏报次数(未发预警信号，区域内发生闪电)。

本研究选取2019年17个闪电过程的大气电场资料和福建省三维闪电定位资料(云闪和地闪)，进行雷电预警效果对比分析。根据大气电场监测设备雷电预警服务效果评估模型，对两台大气电场监测设备雷电预警效果进行分析，分别介绍两类设备雷电预警结果。

2.1 闪电总频次评估

由于闪电过程往往伴随着强对流天气过程发生，在一定的区域内，短时间内往往发生大量的闪电，两类大气电场监测设备均能进行雷电预警并生成雷电预警信号。根据雷电预警信号的时间，并结合三维闪电定位系统数据，进行对比分析。根据对2019年17个闪电过程(编号1-17)的三维闪电定位系统数据查询，得到观测场站点10 km范围内共发生闪电3156次，表1和图2为17个闪电过程的具体预警和闪电频次的统计和对比。

对场磨式设备雷电预警信号分析发现，在预警信号生效期间的闪电总频次为1737次，表明场磨式监测设备对观测场站10 km范围内55.04%的闪电进行了有效预警。具体分析17个闪电过程发现，场磨式设备对14个闪电过程进行了预警，对3个闪电过程(过程1、3、5)漏报，无雷电预警信号产生。基于闪电资料的经纬度统计与监测设备的直线距离，得到闪电过程1的闪电发生位置与设备的平均直线距离为6.67 km，闪电过程3的闪电发生位置与设备的平均直线距离为6.06 km，闪电过程5的闪电发生位置与设备的平均直线距离为7.15 km。由于闪电发生位置距离监测设备较远，因而场磨式监测设备出现了漏报。针对其他14个预警的闪电过程统计分析发现，这14个闪电过程均发生在距离场磨式监测设备较近的位置，雷电预警效果较好。

表1 2019年17个闪电过程的两类设备闪电总频次预警效果分析

对电子式设备雷电预警信号分析结果显示，在预警信号生效期间的闪电总频次为2369次，表明系统对观测场站10 km范围内75.06%的闪电进行了有效预警。电子式设备对17个闪电过程均进行了预警，但是存在预警信号持续时间过长的问题。从闪电频次分析来看，电子式设备对每一个闪电过程都有较好的预警效果。从场磨式设备漏报3个闪电过程来看，当闪电发生位置距离场磨式监测设备位置较远，且闪电活动未向场磨式监测设备处移动时，容易出现漏报。从闪电总频次预警效果分析结果来看，电子式监测设备雷电预警效果更好，对闪电过程预警表现更为均衡。

图2 2019年17个闪电过程的两类设备闪电频次预警效果对比分析

2.2 预警信号评估

根据雷电预警预报服务产品的预报属性和时空特点，参照天气预报评分方法，考虑科学性、实用性和可行性，对两台设备的雷电预警结果与闪电监测数据进行对比，通过公式(2)-(4)计算出命中率POD、空报率FAR、TS评分三个评估指标，实现对雷电预警信号的准确性评估。表2为两类监测设备对17个闪电过程雷电预警信号评估情况。针对编号1-17个闪电过程，场磨式设备共发出47次连续雷电预警信号，其中35次雷电预警信号期间目标区域发生了闪电，12次连续雷电预警信号期间内目标区域内未发生闪电，目标区域内也出现了30次漏报的闪电。电子式设备共发出41次连续雷电预警信号，其中25次雷电预警信号期间目标区域发生了闪电，16次连续雷电预警信号期间内目标区域内未发生闪电，空报偏多，且出现24次闪电漏报。结合评估公式统计得到：场磨式设备的平均命中率为53.85%，平均空报率为25.53%，平均TS评分为0.45；
电子式设备平均命中率为51.02%，平均空报率为39.02%，平均TS评分为0.38。图3为两类设备对17次闪电过程的命中率、空报率和TS评分对比分析结果。对三个指标对比分析可看出，场磨式设备的雷电预警效果要优于电子式设备的预警效果，但场磨式设备对3个闪电过程漏报，对14个闪电过程进行了较好预警，需减少漏报情况。电子式设备对所有闪电过程均发出了雷电预警信号，但同时也出现了空报偏多，且雷电预警信号时间偏长，还需降低灵敏度，优化预警模型，提高雷电预警准确率。通过对闪电过程编号1-17和三维闪电监测数据统计得到，电子式设备对17个闪电过程均发出了雷电预警信号，场磨式设备对其中的14个闪电过程发出了雷电预警信号，对3个闪电过程出现漏报，电子式设备雷电预警表现更为均衡。针对雷电预警信号持续时间分析发现，电子式设备连续雷电预警信号时间往往较长，闪电活动结束后，电子式设备的雷电预警信号往往还持续一段时间。雷电预警信号持续时间长，基于闪电总频次评估其表现更优异，但是增加了空报。电子式设备需要合理设置阈值，避免雷电预警信号时间过长，进一步降低空报率。在实际应用中，两套大气电场仪还需进一步优化雷电预警算法，提高雷电预警准确率，在防雷减灾业务中发挥更大作用。

表2 两类监测设备对17个闪电过程雷电预警信号评估结果

本文基于雷电预警时间、雷电预警区域和闪电监测数据，提出了大气电场雷电预警效果评估方法，并根据福建省气象局观测场周边2019年17个闪电过程资料和福建省三维闪电监测系统数据，对场磨式和电子式设备雷电预警效果进行综合对比分析，得到以下结论：

(1)闪电总频次评估。针对编号1-17个闪电过程，在其雷电预警信号生效期间，场磨式设备对55.04%的闪电进行了有效预警，电子式设备对75.06%的闪电进行了有效预警。场磨式设备对3个闪电过程漏报。基于闪电频次评估对比分析来看，电子式设备的雷电预警效果优于场磨式设备的预警效果。

图3 两类监测设备对17个闪电过程雷电预警信号评估对比图

(2)雷电预警信号评估。针对编号1-17个闪电过程，场磨式设备的雷电预警信号的平均命中率为53.85%，平均空报率为25.53%，平均TS评分为0.45。电子式设备的平均命中率为51.02%，平均空报率为39.02%，平均TS评分为0.38。基于雷电预警信号评估，结合三个指标的综合效果来看，场磨式设备的雷电预警效果要优于电子式设备的预警效果，电子式设备预警时间较长，空报率更高。

(3)场磨式设备针对距离较远的闪电过程预警效果较差，容易出现漏报。电子式设备由于更为灵敏，对所有过程均进行了雷电预警，但存在空报率偏高且雷电预警信号持续时间过长的问题。在实际应用中，场磨式监测设备需要减少闪电过程的漏报，提高有效监测范围区域内的雷电预警水平；
电子式监测设备还需进一步减少空报率，避免雷电预警信号持续时间过长的问题。

本文基于雷电临近预警效果评估分析方法，对不同类型的单一站点大气电场的雷电预警效果进行分析，两类监测设备均具备一定的雷电预警服务能力，能够提升雷电灾害防御能力。大气电场监测设备安装和维护便捷，在景区、石化等行业得到了广泛的应用，在防雷减灾业务中发挥着重要作用。本研究对于不同类型的大气电场监测设备选型应用有重要参考意义。后续的研究可以从两个方面开展研究：一方面可以考虑建立不同区域气候特征下的单一大气电场仪器在雷电防护与预警中的应用，逐步建立不同区域与气候特征条件下的应用方法，提高其预警效率。另外一方面可结合雷暴云结构及放电本身的复杂性，融合气象雷达、闪电、大气电场等多源资料，建立雷电预警模型，不断提高雷电预警准确率。

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