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[摘 要]大气电场仪是探测大气中电场强度的主要仪器，在雷电监测和预警中起着重要作用。充分发挥大气电场仪自身优势，结合雷达、卫星等监测资料对雷电移动轨迹、电场强度变化、雷电落区等进行判断，分析雷电发展趋势，进而形成雷电短临时预警，最大限度的降低雷电灾害损失。
[关键词]大气电场仪；雷电监测预警；应用
中图分类号：P415.35；P427.32 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）01-0184-02
引言
雷电是伴有闪电和雷鸣的一种放电现象，一般产生于对流发展旺盛的积雨云中，常伴有强烈的阵风、暴雨、冰雹和龙卷风。积雨云顶部一般较高，可达20km，云内存在电荷且分布复杂，云的上部以正电荷为主，下部以负电荷为主。云上、下部形成一个电位差，电位差达到一定程度后会产生放电，闪电平均电流是3万A，最大电流可达30万A，闪电电压约1～10亿V。一个中等强度雷暴，功率可达10，000，000瓦，相当于一座小型核电站输出功率，放电过程中，由于闪电通道中温度骤增，使空气体积急剧膨胀，产生冲击波，导致强烈雷鸣。带有电荷的雷云与地面突起物接近时，就发生激烈放电，雷电放电地点会出现强烈闪光和爆炸轰鸣声，甚至造成严重雷击事故。
大气电场仪是一种高科技高集成度的大气探测设备，是探测大气中电场强度的主要仪器，在雷电监测和预警中起着重要作用，可测量地面大气电场的强度和极性，还可对对流云起电过程连续性监测，能单独使用记录局地雷电情况，也可用于联网监测空中电结构。本文针对乌鲁木齐地区雷电监测预警业务中大气电场仪应用探讨分析。
1 大气电场仪系统及工作原理
大气电场仪是分为室外探头、仪器箱和室内数据处理显示中心三部分，其中探头探测大气电场变化，由仪器箱中电路将探测结果进行模数转换，并和时间信息一起打包，通过RS-485串口或者无线GPRS方式远程传送给室内计算机。雷雨云正在形成或正在靠近，对地静电场的电场强度会呈现显著变化特征。大气电场监测与雷电预警系统正是运用测量环境静电场的原理来对雷云进行侦测分析，当静电场的电场强度逐渐升高的时候，说明在测量区域范围很可能会出现雷电。根据这一现象，雷暴即将来临时，依托侦测探头发来的数据进行整理分析及计算，最后通过数据传输通讯控制器发出一个报警信号给计算机，并在计算机前台实时显示，其显示界面采用的是GOOGLE地图，所有的探测点以添加经纬度形式在地图上实时显示，并支持闪电定位仪和气象雷达系统的数据叠加与分析。探测人员在办公室实时观测电脑上的某地场强值数据及报警情况，从三大系统的结合的云层分布图中明显观察出雷云移动的方向、即将落雷区域、雷电临近痕迹、各点大气电场值变化、闪电强度大小等，该软件能对数据存储和分析，统计观测处年雷暴日次数、雷暴日场强度曲线图、雷闪发生时间方位和大小、单日雷闪次数等，实时测量记录地面上的静电场值与变化率，为雷电监测预报预警提供精准资料。
2 大气电场仪在雷电预警业务中的应用优势
大气电场仪Prestorm 2.0采用差模测量技术（有2个电极，所采集的数据是2个电极的差模），采用了倒置式结构，外形设计独特，最新一代的数据采集器，取样速度是4.5ms，宽广的量程范围（+/-300KV/M）与有效监测区域（半径15-20KM）能适合各种环境的监测，连续启动三级报警级别（图1），大气电场仪的系统参数值为：
系统采用先进通讯接口，可实现侦测探头远程监控；且系统能够组网，对多个探测点返回的信号分析，操作者可实时对不同范围探测，并运用相应计算机软件对收集的数据分析，扩大预警范围及预警精度。同时，系统能与其他气象设备配合使用，如多普勒雷达、闪电定位仪、TSS928雷电传感器等，进行综合雷电预警分析，判断雷云移动轨迹，计算闪电离各探测点距离，分析闪电发生时电场曲线变化，实现短时近精确预警；利用设计的短信平台服务，用户可根据需要添加维护值班人员手机号码，实现预警时短信自动发送，更方便服务于用戶。系统中心软件建立多产品数据库系统，具有雷电预警事件记录、预警次数柱状图查询、大气电场数据存储与分析、闪电定位数据存储与分析、雷达强回波数据存储与过滤、历史数据实时回放与查询、GIS地图实时显示、预警预报发布、区域边界线绘制、同站点历年数据差异性分析等功能。
3 大气电场仪在乌鲁木齐地区雷电预警中的应用
雷电是乌鲁木齐地区主要气象灾害之一，年平均雷暴日数5.7～35.0d，受地形抬升及局地水汽条件影响，牧试站、小渠子站和大西沟站为雷暴多发区。乌鲁木齐地区年雷暴天气主要集中在5-8月，雷暴最早在4月上旬，最晚出现在10月上旬，以7月次数最多，其中夏季6-8月雷暴日数占全年总日数的82%，其次是秋季，为13%，冬季无雷电天气。由于雷电灾害具有不可抗拒性，严重时可造成巨大财产损失和人员伤亡事件，因此加强雷电灾害预报预警十分重要。
为衡量雷击危险程度，设计三个可调节的等级的报警阈值：
1、第一级阈值通报出现了一个微弱的电场（预先通知）。
2、第二级阈值预示一个活动的雷雨正在靠近，在当前预知时间5到20分钟内会抵达现场。
3、第三级阈值预示着现场附近可能存在很大雷击概率。
分析雷雨天气现象主要循环过程，天气晴好无云时，监测到电场强度为200v/m（图2a）；5分钟左右，天空出现雷雨云，此时带电云层靠近区域上空，监测到电场强度增大（图2b）；10分钟左右，带电云层进一步靠近，观察到电场强度减小，这是正负电荷产生电场相互抵消作用引起（图2c）；20分钟左右，带电云层出现在上方雷雨云下，电场强度急剧增大，出现雷雨（图2d）；之后场强信号随着云层推移而变化，随雷雨云离开，雷雨逐渐结束（图2f）。
利用大气电场仪监测网获取到探测范围内实时雷电发生、发展数据，但需要结合雷达、闪电定位、卫星等观测数据来进一步确定雷电移动方向，获取雷电移动轨迹和电场强度变化，利用获取的指数分析其发展趋势，并结合区域地形、环境等各种因素作出该地区内短临时雷电预警（图3）。
首先按照乌鲁木齐地区雷电强度大小对雷电预警等级进行分级，第一等级场强门限值设定较低，可获取到雷电前期变化相关指示，第二等级需要结合雷达、卫星等监测资料确定出相关信息；第三等级激活自动操作系统，按照电场变化陡度，及时进行雷电预报预警；一旦大气场强降至门限场强水平以下，雷电预警声停止。
参考文献
[1] 鲁斌，刘慧.大气电场仪在雷电监测预警中的应用[J].黑龙江气象，2012（2）.
[2] 保尔汗江·买买提.1959-2008年乌鲁木齐地区雷暴日数特征分析[J]. 沙漠与绿洲气象，2011，5（2）.
作者简介
赵德龙（1988-），男，汉族，新疆省乌鲁木齐市人，本科，助理工程师，从事气象预报工作。
[关键词]大气电场仪；雷电监测预警；应用
中图分类号：P415.35；P427.32 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）01-0184-02
引言
雷电是伴有闪电和雷鸣的一种放电现象，一般产生于对流发展旺盛的积雨云中，常伴有强烈的阵风、暴雨、冰雹和龙卷风。积雨云顶部一般较高，可达20km，云内存在电荷且分布复杂，云的上部以正电荷为主，下部以负电荷为主。云上、下部形成一个电位差，电位差达到一定程度后会产生放电，闪电平均电流是3万A，最大电流可达30万A，闪电电压约1～10亿V。一个中等强度雷暴，功率可达10，000，000瓦，相当于一座小型核电站输出功率，放电过程中，由于闪电通道中温度骤增，使空气体积急剧膨胀，产生冲击波，导致强烈雷鸣。带有电荷的雷云与地面突起物接近时，就发生激烈放电，雷电放电地点会出现强烈闪光和爆炸轰鸣声，甚至造成严重雷击事故。
大气电场仪是一种高科技高集成度的大气探测设备，是探测大气中电场强度的主要仪器，在雷电监测和预警中起着重要作用，可测量地面大气电场的强度和极性，还可对对流云起电过程连续性监测，能单独使用记录局地雷电情况，也可用于联网监测空中电结构。本文针对乌鲁木齐地区雷电监测预警业务中大气电场仪应用探讨分析。
1 大气电场仪系统及工作原理
大气电场仪是分为室外探头、仪器箱和室内数据处理显示中心三部分，其中探头探测大气电场变化，由仪器箱中电路将探测结果进行模数转换，并和时间信息一起打包，通过RS-485串口或者无线GPRS方式远程传送给室内计算机。雷雨云正在形成或正在靠近，对地静电场的电场强度会呈现显著变化特征。大气电场监测与雷电预警系统正是运用测量环境静电场的原理来对雷云进行侦测分析，当静电场的电场强度逐渐升高的时候，说明在测量区域范围很可能会出现雷电。根据这一现象，雷暴即将来临时，依托侦测探头发来的数据进行整理分析及计算，最后通过数据传输通讯控制器发出一个报警信号给计算机，并在计算机前台实时显示，其显示界面采用的是GOOGLE地图，所有的探测点以添加经纬度形式在地图上实时显示，并支持闪电定位仪和气象雷达系统的数据叠加与分析。探测人员在办公室实时观测电脑上的某地场强值数据及报警情况，从三大系统的结合的云层分布图中明显观察出雷云移动的方向、即将落雷区域、雷电临近痕迹、各点大气电场值变化、闪电强度大小等，该软件能对数据存储和分析，统计观测处年雷暴日次数、雷暴日场强度曲线图、雷闪发生时间方位和大小、单日雷闪次数等，实时测量记录地面上的静电场值与变化率，为雷电监测预报预警提供精准资料。
2 大气电场仪在雷电预警业务中的应用优势
大气电场仪Prestorm 2.0采用差模测量技术（有2个电极，所采集的数据是2个电极的差模），采用了倒置式结构，外形设计独特，最新一代的数据采集器，取样速度是4.5ms，宽广的量程范围（+/-300KV/M）与有效监测区域（半径15-20KM）能适合各种环境的监测，连续启动三级报警级别（图1），大气电场仪的系统参数值为：
系统采用先进通讯接口，可实现侦测探头远程监控；且系统能够组网，对多个探测点返回的信号分析，操作者可实时对不同范围探测，并运用相应计算机软件对收集的数据分析，扩大预警范围及预警精度。同时，系统能与其他气象设备配合使用，如多普勒雷达、闪电定位仪、TSS928雷电传感器等，进行综合雷电预警分析，判断雷云移动轨迹，计算闪电离各探测点距离，分析闪电发生时电场曲线变化，实现短时近精确预警；利用设计的短信平台服务，用户可根据需要添加维护值班人员手机号码，实现预警时短信自动发送，更方便服务于用戶。系统中心软件建立多产品数据库系统，具有雷电预警事件记录、预警次数柱状图查询、大气电场数据存储与分析、闪电定位数据存储与分析、雷达强回波数据存储与过滤、历史数据实时回放与查询、GIS地图实时显示、预警预报发布、区域边界线绘制、同站点历年数据差异性分析等功能。
3 大气电场仪在乌鲁木齐地区雷电预警中的应用
雷电是乌鲁木齐地区主要气象灾害之一，年平均雷暴日数5.7～35.0d，受地形抬升及局地水汽条件影响，牧试站、小渠子站和大西沟站为雷暴多发区。乌鲁木齐地区年雷暴天气主要集中在5-8月，雷暴最早在4月上旬，最晚出现在10月上旬，以7月次数最多，其中夏季6-8月雷暴日数占全年总日数的82%，其次是秋季，为13%，冬季无雷电天气。由于雷电灾害具有不可抗拒性，严重时可造成巨大财产损失和人员伤亡事件，因此加强雷电灾害预报预警十分重要。
为衡量雷击危险程度，设计三个可调节的等级的报警阈值：
1、第一级阈值通报出现了一个微弱的电场（预先通知）。
2、第二级阈值预示一个活动的雷雨正在靠近，在当前预知时间5到20分钟内会抵达现场。
3、第三级阈值预示着现场附近可能存在很大雷击概率。
分析雷雨天气现象主要循环过程，天气晴好无云时，监测到电场强度为200v/m（图2a）；5分钟左右，天空出现雷雨云，此时带电云层靠近区域上空，监测到电场强度增大（图2b）；10分钟左右，带电云层进一步靠近，观察到电场强度减小，这是正负电荷产生电场相互抵消作用引起（图2c）；20分钟左右，带电云层出现在上方雷雨云下，电场强度急剧增大，出现雷雨（图2d）；之后场强信号随着云层推移而变化，随雷雨云离开，雷雨逐渐结束（图2f）。
利用大气电场仪监测网获取到探测范围内实时雷电发生、发展数据，但需要结合雷达、闪电定位、卫星等观测数据来进一步确定雷电移动方向，获取雷电移动轨迹和电场强度变化，利用获取的指数分析其发展趋势，并结合区域地形、环境等各种因素作出该地区内短临时雷电预警（图3）。
首先按照乌鲁木齐地区雷电强度大小对雷电预警等级进行分级，第一等级场强门限值设定较低，可获取到雷电前期变化相关指示，第二等级需要结合雷达、卫星等监测资料确定出相关信息；第三等级激活自动操作系统，按照电场变化陡度，及时进行雷电预报预警；一旦大气场强降至门限场强水平以下，雷电预警声停止。
参考文献
[1] 鲁斌，刘慧.大气电场仪在雷电监测预警中的应用[J].黑龙江气象，2012（2）.
[2] 保尔汗江·买买提.1959-2008年乌鲁木齐地区雷暴日数特征分析[J]. 沙漠与绿洲气象，2011，5（2）.
作者简介
赵德龙（1988-），男，汉族，新疆省乌鲁木齐市人，本科，助理工程师，从事气象预报工作。