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青島地區(qū)電場儀資料在一次雷暴天氣過程中的應(yīng)用分析

2017-04-13 03:38:34吳蓓閆景東任兆鵬謝豐
海洋氣象學(xué)報 2017年1期
關(guān)鍵詞:雷暴極性雷電

吳蓓,閆景東,任兆鵬,謝豐

(1. 青島市氣象防雷中心,山東 青島 266003; 2. 聊城市氣象局,山東 聊城 252060; 3. 青島市氣象臺,山東 青島 266003)

青島地區(qū)電場儀資料在一次雷暴天氣過程中的應(yīng)用分析

吳蓓1,閆景東2,任兆鵬3,謝豐3

(1. 青島市氣象防雷中心,山東 青島 266003; 2. 聊城市氣象局,山東 聊城 252060; 3. 青島市氣象臺,山東 青島 266003)

利用大氣電場儀資料,結(jié)合天氣實況、天氣雷達和閃電定位儀等資料,對2013年7月1日青島地區(qū)一次雷暴天氣過程進行了綜合分析。結(jié)果表明,當?shù)孛骐妶鰪姸惹€在幾十到幾百毫秒量級內(nèi)發(fā)生極性反轉(zhuǎn),變化幅度在2 kV/m以上,且完成后電場值會迅速回到極性反轉(zhuǎn)前的電場值附近時,可以判斷為發(fā)生了一次地閃。單站電場強度曲線可以反映出雷暴云與測站間距離的變化,閃電發(fā)生前電場強度的增加可為雷電預(yù)警提供時間。大氣電場儀組網(wǎng)監(jiān)測資料可以對雷暴云的移動路徑做出判斷。綜合分析大氣電場儀組網(wǎng)數(shù)據(jù)、天氣雷達以及閃電定位資料等多源資料,可以更好地判斷雷暴云的活動狀況,提高雷電的預(yù)警準確率和時間提前量。

雷電; 大氣電場; 閃電定位; 天氣雷達

引言

近年來,隨著社會的不斷發(fā)展,微電子器件和信息技術(shù)在社會各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用, 因雷擊造成的電子系統(tǒng)中斷、數(shù)據(jù)無法傳輸、線路板燒毀,建筑物損壞、人畜傷亡等惡性事故時有發(fā)生,給人們的生活、生產(chǎn)造成了一定的影響。隨著人們防雷意識的不斷提高,社會對雷電預(yù)警技術(shù)服務(wù)的要求越來越迫切。與此同時,隨著防雷技術(shù)的不斷發(fā)展,利用多站大氣電場聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測地面電場,提供監(jiān)測區(qū)域內(nèi)地面電場的分布以及雷暴空間電荷的分布和移動路徑,為雷電的監(jiān)測和預(yù)報提供重要的信息,同時結(jié)合閃電定位系統(tǒng)的觀測,使雷電和雷暴預(yù)警的專項服務(wù)成為可能[1-2]。

相關(guān)研究表明,大氣電場資料,能夠有效探測雷暴云不同階段特征,有助于業(yè)務(wù)人員有效判斷和識別強雷暴云影響區(qū)域及未來發(fā)展趨勢,有效進行雷電預(yù)警服務(wù)[3]。為減少雷電災(zāi)害給社會生產(chǎn)和人民生活造成的損失,更好地為各行業(yè)提供對雷電活動的預(yù)警、預(yù)報需求,青島市氣象局于2008年1月起,在全市布設(shè)了6套法國AMEO340型大氣電場儀, 2008年12月通過驗收,并于2009年起正式開始運行。根據(jù)青島市雷電業(yè)務(wù)發(fā)展需求,2011年又增設(shè)6套國產(chǎn)AEFD340型大氣電場儀,并入原大氣電場監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),進一步擴大了青島市雷電監(jiān)測范圍。

此文利用大氣電場儀資料,結(jié)合閃電定位資料、天氣形勢分析及天氣雷達監(jiān)測產(chǎn)品,對2013年7月1日青島地區(qū)一次雷電天氣過程進行了多種資料的綜合分析,為雷電臨近預(yù)警業(yè)務(wù)提供幫助。

1 大氣電場儀站點信息

基于監(jiān)測資料的可比性,選用地物環(huán)境相同[4]即安裝于觀測場內(nèi)的6套大氣電場監(jiān)測資料進行對比分析,站點名稱分別為伏龍山、即墨、李村、世紀公園、膠南、董家口,基本信息見表1。

表1 青島地區(qū)大氣電場儀基本信息

Table 1 Basic information of atmospheric electric field mills in Qingdao

縣區(qū)站名位置海拔高度/m經(jīng)度/°E緯度/°N啟用時間(年-月-日)設(shè)備型號市南區(qū)伏龍山觀測場內(nèi)40 833120 33036 0672008-12-13AMEO340即墨市即墨觀測場內(nèi)18 009120 46736 3802008-12-13AMEO340李滄區(qū)李村觀測場內(nèi)30 345120 41636 1662008-12-13AMEO340城陽區(qū)世紀公園觀測場內(nèi)17 615120 39536 2892011-12-13AEFD340膠南市膠南觀測場內(nèi)15 362120 00935 8772011-12-13AEFD340膠南市董家口觀測場內(nèi)17 372119 76135 5882011-12-13AEFD340

大氣電場儀的基本工作原理是導(dǎo)體在電場中產(chǎn)生感應(yīng)電荷,當云中發(fā)生電荷分離時,地面電場將發(fā)生相應(yīng)的變化,其強度與云中電荷的積累量和分布有關(guān),因此通過測量地面大氣電場的變化,可以反演出高空云層電場的變化,并可以對閃電的發(fā)生提前作出預(yù)警。由于地面電場相應(yīng)時刻的波動幅度明顯小于空中電場,且只有部分空中電場的波動能通過地面電場較好地反映[5],因此在討論地面電場變化之前作如下約定:當?shù)孛骐妶鍪芾妆┰苾?nèi)正電荷控制時,地面電場為負值,一次閃電中和了負電荷,則對應(yīng)地面電場正向變化;反之亦然[6]。每次地面電場出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn),該過程可能對應(yīng)云閃或者地閃,對于那些沒有極性反轉(zhuǎn)的電場脈沖很可能代表一次云閃,該文暫不討論云閃問題。

大氣電場儀僅能單一指示其有效探測范圍(一般為15~30 km)內(nèi)的大氣電場變化和有無閃電發(fā)生,無法確定閃電的移動方向,大氣電場儀組網(wǎng)系統(tǒng)的建立能夠彌補這種不足,通過不同站點反應(yīng)時間的順序判斷雷暴云的移動路徑,對雷暴云的動向作出判斷[7]。

2 天氣形勢和雷達回波分析

受副熱帶高壓與西風槽的共同影響,2013年7月1日山東大部分地區(qū)出現(xiàn)了雷陣雨天氣。副熱帶高壓連續(xù)幾天穩(wěn)定在華南沿海地區(qū),從7月1日08:00(北京時,下同)的500 hPa天氣圖上(圖1a)來看,青島位于副熱帶高壓的西北側(cè)。700~925 hPa(圖1b)盛行一致的西南風,并逐漸達到急流強度,在山東半島地區(qū)聚集了大量水汽和能量。同時在上游河北西北部地區(qū),有淺槽東移南壓,冷空氣從高層滲入,觸發(fā)了對流天氣的發(fā)生。從1日08:00濟南站的探空分析(圖1c)看出,CAPE值達到1 200 J/kg以上,K指數(shù)為42 ℃,沙氏指數(shù)小于-2 ℃,表明大氣層結(jié)處于較強不穩(wěn)定狀態(tài)。隨著高空淺槽的東移南壓,整個山東地區(qū)自西向東陸續(xù)出現(xiàn)對流性降雨天氣。

圖1 2013年7月1日08:00 500 hPa(a)、700 hPa(b)天氣圖和濟南站探空圖(c)Fig.1 Weather maps at 500 hPa(a) and 700 hPa(b), and sounding plot at Jinan station(c) at 08:00 BST 1 July 2013

根據(jù)青島雷達反射率演變(圖2)可知,雷暴自魯東南的日照和臨沂地區(qū)向東北方向移動,并逐漸影響青島地區(qū)。雷暴云團在東移過程中維持較強的強度,14:04時強回波中心位于日照五蓮縣上空(圖2a),最大回波強度為55 dBZ;15:02時強回波中心到達膠南,位于青島膠南市南部沿海上空(圖2b),雷暴中心最大回波強度為56 dBZ;16:00時強回波中心已經(jīng)覆蓋幾乎整個青島市區(qū)(圖2c),最大回波強度仍維持在56 dBZ。雷達平均徑向速度產(chǎn)品顯示,低層為一致的西南氣流,而且有急流存在,15:02雷達以南25~50 km處有徑向輻合存在(圖2d),正好對應(yīng)組合反射率上雷暴中心的位置(圖2b)。在16:00,強雷暴中心已經(jīng)移動到了雷達東側(cè)(圖2c),速度圖上此時雷暴中心低層最大徑向速度達到27 m/s(圖2e)。

圖2 2013年7月1日14:04(a)、15:02(b)、16:00(c)青島雷達組合反射率和15:02(d)、16:00(e)青島雷達平均徑向速度圖Fig.2 Radar composite reflectivity at 14:04 BST(a), 15:02 BST (b) and 16:00 BST (c) 1 July 2013, and average radial velocity of radar at 15:02 BST (d) and 16:00 BST (e) 1 July 2013 in Qingdao

3 大氣電場資料分析

由于大氣電場儀探測的是大氣電場的平均值,因此不僅僅是在有雷暴產(chǎn)生時,即使是在晴天條件下,依然會探測到大氣電場值的變化。研究表明,將電場值在0~250 V/m之間的數(shù)據(jù)都歸為晴天數(shù)據(jù)[8]。除此之外,大氣電場儀資料還受到儀器本身及外界干擾等多種因素的影響,產(chǎn)生一些虛假的極性反轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)。因此如何在大氣電場資料中甄別真實的閃電現(xiàn)象是首先要解決的問題。

一般認為,在每次地閃發(fā)生時,地面電場值會在幾十到幾百毫秒量級內(nèi)產(chǎn)生極性反轉(zhuǎn)[5,9]。本地閃電經(jīng)驗值默認為2 kV/m(絕對值,可調(diào))以上,且在放電完成后其電場值會迅速回到閃電發(fā)生前的電場值附近。以7月1日15:16在董家口測站觀測的一次閃電現(xiàn)象為例(圖3),電場強度曲線在15:16發(fā)生一次明顯的極性反轉(zhuǎn),變化范圍在-6~3 kV/m之間,在隨后的約120 s時間內(nèi),電場強度迅速回到極性反轉(zhuǎn)前的數(shù)值,符合判據(jù)標準。極性反轉(zhuǎn)發(fā)生之后,強度恢復(fù)的過程可被理解為大氣電場能量的積累,為下一次閃電發(fā)生做準備。

圖3 7月1日15:16—15:18董家口站大氣電場強度曲線Fig.3 The change curve of atmospheric electric intensity observed by atmospheric electric field mill at Dongjiakou station from 15:16 BST to 15:18 BST 1 July

通過分析青島全市大氣電場儀的監(jiān)測時序圖,大氣電場儀資料很好地反映了此次雷電過程的演變。從單站大氣電場強度變化圖上來看,以董家口站為例,14:00之前約半小時內(nèi),電場強度開始逐漸增強,電場強度劇烈的極性反轉(zhuǎn)集中在14:00—15:00之間,與之前雷達反射率演變圖上強雷暴云經(jīng)過董家口站上空的時間一致。15:00之后,仍有極性反轉(zhuǎn)產(chǎn)生,但相比之前密度已明顯減小,說明強雷暴中心已逐漸遠離測站。還應(yīng)看到,從單站的電場強度變化圖上,雖然能夠看出雷暴云與測站之間距離的變化,卻并不能體現(xiàn)出雷暴云具體的移動方向。

綜合青島地區(qū)6個測站的電場強度曲線(圖4),則能很清楚地看到強雷暴云移動的特征。特別是從董家口—膠南—伏龍山一線的3個測站,3站的分布位置基本呈西南—東北走向,與雷達監(jiān)測圖上雷暴云的走向一致。從圖上看到,3站的強極性反轉(zhuǎn)時間段,分別發(fā)生在14:00—15:00(圖4a)、15:00—16:00(圖4b)、16:00—18:00(圖4c)。時間上的滯后性,表明了強雷暴云的移動路徑。而李村(圖4d)、世紀公園(圖4e)及即墨(圖4f)3個測站基本處于西南—東北的延伸方向上,但由于雷暴云并沒有直接從測站附近經(jīng)過,因此,這3個站所監(jiān)測到的電場強度變化并沒有之前3個站劇烈。

以膠南站為例,在14:10左右,大氣電場儀探測到的電場值持續(xù)增強并伴有劇烈波動(圖4b)。此時,最近的(東北方向)強雷達回波區(qū)距離膠南站有15 km左右,最遠的(西南方向)強雷達回波區(qū)距離膠南站尚有30 km左右(圖5a)。通過雷達回波圖上可以看到,在14:44,原西南方向強回波區(qū)移動到達膠南站,而原東北方向強回波區(qū)移出膠南測站觀測范圍(圖5b)。14:40左右,大氣電場儀探測到一次瞬時極性反轉(zhuǎn),判斷發(fā)生了一次地閃(圖4b)。通過此次個例的分析看出,從測站電場強度開始增強并伴有劇烈波動比雷電的發(fā)生(電場強度極性反轉(zhuǎn))提前了約30 min,因此可提前約30 min進行雷電預(yù)警。需要說明的是由于大氣電場儀的探測范圍是既定的,因此預(yù)警時間的提前量還取決于天氣系統(tǒng)的移動速度。從上述分析可以看出,大氣電場儀探測數(shù)據(jù)并無法區(qū)分是受單一還是多個雷暴云影響,也無法判斷雷暴云的移動方向,而大氣電場儀組網(wǎng)監(jiān)測,通過不同站點反應(yīng)時間的不同,可以對雷暴云的移動路徑做出判斷,同時結(jié)合雷達回波和閃電定位系統(tǒng)來綜合判斷,可為下游地區(qū)提供定位更精準、強度更準確的雷電預(yù)警。

圖4 7月1日13:00—19:00董家口(a)、膠南(b)、伏龍山(c)、李村(d)、世紀公園(e)和即墨(f)站大氣電場強度曲線Fig.4 The change curve of atmospheric electric intensity observed by atmospheric electric fields mill at stations of Dongjiakou (a), Jiaonan (b), Fulong Mountain (c), Licun (d), Century Park (e) and Jimo (f) from 13:00 BST to 19:00 BST 1 July

圖5 2013年7月1日06:09 UTC(a)和06:44 UTC(b)青島雷達組合反射率(紅色箭頭指示的是膠南站的位置)Fig.5 The composite reflectivity map detected by Qingdao radar at 06:09 UTC (a) and 06:44 UTC (b) 1 July 2013(The red arrows indicate the location of Jiaonan station)

4 閃電定位資料分析

閃電定位儀通過監(jiān)測閃電的發(fā)生時刻及位置,可以從宏觀上清楚地看到閃電的分布及走向[10]。從7月1日13:00—20:00青島地區(qū)的閃電定位圖上(圖6)來看,雷電主要集中在膠南市西南部和即墨市境內(nèi),而此時段強雷達回波區(qū)正好從膠南市西南部和即墨市區(qū)經(jīng)過(圖2a-c),閃電定位圖上閃電發(fā)生的位置與雷達反射率圖上雷暴云的移動路徑基本一致,而董家口(圖4a)和膠南(圖4b)測站的大氣電場數(shù)據(jù)變化頻度最為劇烈,與膠南市西南部地閃密度大密切相關(guān)。

但閃電定位儀也存在局限性,只有當雷雨云中電荷積累達到擊穿電場強度之后,閃電定位系統(tǒng)才能對其進行監(jiān)測,對于尚未發(fā)生雷電的云,沒有任何預(yù)警功能,也不能探測到閃電形成前云中電荷活動的演變過程[1,11-12]。但閃電定位數(shù)據(jù)可以作為雷電預(yù)警效果檢驗的一個重要指標。

圖6 2013年7月1日13:00—20:00青島地區(qū)的閃電定位圖(“+”代表正閃電,即雷云帶正電荷的放電過程;“-”代表負閃電,即雷云帶負電荷的放電過程)Fig.6 Map of lighting positions in Qingdao from 13:00 BST to 20:00 BST 1 July 2013 (“+” stands for positive flash, which is discharge process of positive charged thundercloud; “-” stands for negative flash, which is discharge process of negative charged thundercloud)

5 結(jié)論

1)當?shù)孛骐妶鰪姸惹€在幾十到幾百毫秒量級內(nèi)發(fā)生極性反轉(zhuǎn),變化幅度在2 kV/m以上,且完成后電場值會迅速回到極性反轉(zhuǎn)前的電場值附近時,可以判斷為發(fā)生了一次地閃。

2)閃電發(fā)生前電場強度的增加可為雷電預(yù)警提供時間,但不能體現(xiàn)出雷暴云具體的移動方向。

3)通過不同站點反應(yīng)時間的不同,大氣電場儀組網(wǎng)監(jiān)測可以對雷暴云的移動路徑做出判斷。

4)通過對大氣電場儀組網(wǎng)數(shù)據(jù)、雷達回波以及閃電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)的綜合分析,可以更好地判斷雷暴云的活動狀況,提高雷電的預(yù)警準確率和時間提前量。

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A case study of forewarning with atmospheric field mill for thunderstorm weather in Qingdao

WU Bei1, YAN Jingdong2, REN Zhaopeng3, XIE Feng3

(1.QingdaoLightningProtectionCenter,Qingdao266003,China; 2.LiaochengMeteorologicalBureau,Liaocheng252060,China; 3.QingdaoMeteorologicalObservatory,Qingdao266003,China)

By using data of atmospheric electric field mills, weather radars and lighting position indicators, a thunderstorm on 1 July 2013 in Qingdao was studied. The results show that on the curve of measured earth surface electric intensity, when a polarity reversal greater than 2 kV/m within tens to hundreds of milliseconds is observed, and followed by an electric intensity swift falling back to the previous data value range, one occurrence of cloud-to-ground lighting can be confirmed. As measured electric intensity curve presents the change of the distance between the thunder cloud and the observation point, lighting forecasting and warning can be made via measuring the rise of the atmospheric electric intensity in advance. Using atmospheric electric field observation network, the track of the thunder cloud can be deduced. By comprehensive analysis of data of atmospheric electric field observation network, weather radars and lighting location systems, the activity of the thunder cloud can be better captured, and lighting forecasting and warning can be improved.

lightning; atmospheric electric field; lightning location; weather radar

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.01.010. (in Chinese)

2016-08-02;

2017-01-26

山東省氣象局科研項目(sdqd2013-19)

吳蓓(1983—),女,碩士,工程師,主要從事雷電災(zāi)害風險評估、雷電監(jiān)測預(yù)警研究,wu.bei@126.com。

P427.311

A

2096-3599(2017)01-0092-06

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.01.010

吳蓓,閆景東,任兆鵬,等.青島地區(qū)電場儀資料在一次雷暴天氣過程中的應(yīng)用分析[J].海洋氣象學(xué)報,2017,37(1):92-97.

Wu Bei, Yan Jingdong, Ren Zhaopeng, et al. A case study of forewarning with atmospheric field mill for thunderstorm weather in Qingdao[J].Journal of Marine Meteorology,2017,37(1):92-97.

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