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user: 4. 雷暴过境时地面电场变化特征分析 4.1. 雷暴过程电场变化的阶段特征分析 一般而言，大气电场仪的有效探测范围为以站点为圆心，半径为15 km以内雷暴云电荷量变化情况，故而可以将距测站15 km范围内的区域叫做预警区域(Row)，在对2016~2017年6~8月南京地区140个雷暴天气电场样本详细研究分析的基础上，根据发生闪电时的位置距电场测站的距离得出雷暴过程中的大气电场变化大致有如下阶段： 第一阶段：无雷暴云影响或者闪电发生在距电场仪较远处的阶段，此时电场的快变抖动主要围绕在零点附近，相应的电场幅值变化也不太明显； 第二阶段：雷暴云逐渐向测站靠近的阶段，闪电在15 km范围内发生，伴随云底聚集的电荷累积电场幅值渐渐增大，当先导闪电发生时，电场迅疾发生极性翻转；而后伴随雷暴云更进一步的临近，电场曲线表现为频繁上下跳动； 第三阶段：雷暴云继续发展移近到电场仪5 Km范围内，电场曲线变化抖动剧烈； 第四阶段：雷暴云离境阶段，这个阶段的地面电场经过一段时间震荡后，电场幅值也渐渐恢复到晴天时的电场值，雷暴过程进入消亡阶段。 以2016年7月15日南京江宁测站的一次雷暴过程电场资料为例，设闪电定位仪探测到某电场仪站点15 km内首次闪击的时刻为t 1 ，探测到该站点10 km内首次闪击的时刻为t 2 ，探测到该站点5 km内首次闪击的时刻为t 3 。则上述各个阶段的电场曲线变化特征见图3(a)。其电场幅值的变化情况也与雷暴云的逐渐临近密切相关，见图3(b)和图3(c)。由图3(a)可以看出15:20分之前雷暴云逐渐移近江宁观测站，随后电场反向增大，主要是受雷暴云所带正电荷所致；当15:10分左右雷暴云抵达测站附近区域时，此时大气发生了明显的击穿放电现象(首次闪击发生在15:12分)，主要表现为图3(a)中较为明显的针状脉冲凸起，伴随第一次充放电的完成，从图中可以看出后续也发生了多次闪击，主要为负地闪，电场也主要呈现出明显的负向增大特征。在此过程中与之相对应的雷达回波的强度也是明显加强的，图3(b)所示的为此次雷暴过程临近测站时的回波变化发展情况，伴随闪电的临近，回波面积逐步增大，回波强度加强。之后随着雷暴云的过境与离开，电场曲线波动也会逐渐回到0轴附近，在15:48分以后(见图3(a)是雷暴云的消散阶段，从图3(c)上也能看出此阶段的雷达回波也是逐渐减弱并消散的。 图3. 2016年7月15日江宁站一次雷暴过程电场变化及雷达回波图；(a) 2016年7月15日江宁站雷暴过程电场曲线和闪击点距离T阶段为下降型波形；(b) 测站第二阶段10 km内15:25分雷达回波图；(c) 第四阶段雷暴云消散阶段16:02分雷达回波图 根据以电场仪测站为中心半径15 km的区域叫做预警区域(Row)定义的雷暴过程的四个阶段(见图3(a)中t 1 -t 4 阶段)，当发生闪击时距江宁电场测站的各阶段的具体闪电情况分析如下： 第一阶段(t 1 -t 2 时段)：闪电定位仪探测到的电场仪站点15 km内首次闪击发生在15:12 (北京时，下同)，距离江宁站13.1 km，这一阶段共探测到42次闪击，距测站最近距离为9.6 km。 第二阶段(t 2 -t 3 时段)：10~5 km内首次闪击发生在15:21，此时进入雷云临近阶段。 第三阶段(t 3 -t 4 时段)：15:30分闪电定位仪探测距测站4.4 km处闪击，此时进入雷云到达阶段，一直持续到15:48，该时刻探测到5 km范围内最后一次闪击。 第四阶段(t 4 时刻之后数10 min)：雷暴云消散阶段，电场曲线经过30 min左右震荡后渐趋于平稳。 4.2. 大气电场仪预警阶段特征分析 4.2.1. 电场幅值变化特征 以2016~2017年6~8月南京周边地区各站点的电场观测资料为样本(其中雷暴样本共计140个)，结合所有夏季雷暴过程中闪电定位仪定位到的以南京各测站为中心，半径分别为15 km、10 km、5 km的首次闪击数据，对南京八个测站的电场仪报警阈值以及阈值的分钟变化率、预警时间、阈值持续时间、T阶段时间进行了统计分析，在此设电场强度绝对值到达预警阈值开始预警时刻为T，则对应到达一级预警阈值的时刻为T1，到达二级预警阈值的时刻为T2，到达三级预警阈值的时刻为T3；电场仪在T 1 、T 2 、T 3 时刻达到的预警阈值分别为E 1 、E 2 、E 3 ，与之相对应的到达报警时刻1分钟内平均阈值分别为E 1 /T 1 ，E 2 /T 2 ，E 3 /T 3 。 设实际地闪发生的时刻为t，则距大气电场仪15 km、10 km、5 km半径各区域内发生第一次地闪的时刻分别为t 1 、t 2 、t 3 ； 以上述标准参数的设定为基础，观察分析得到南京各站大气电场仪预警参数分析结果见表2： Table 2 Distribution of early warning thresholds of electric field meters in Nanjing are E 1 (kv/m) E 2 (kv/m) E 3 (kv/m) E 1 /T 1 E 2 /T 2 E 3 /T 3 江宁站 1.96 3.86 4.76 1.65 2.83 3.20 南京本站 1.42 3.07 4.85 1.33 2.34 3.36 昆仑路站 2.10 3.62 5.53 2.01 3.46 4.79 奥体站 0.47 0.54 0.81 0.43 0.49 0.71 高淳站 0.70 1.00 1.54 0.78 0.99 1.41 溧水站 1.69 2.39 2.67 1.61 2.19 2.54 浦口站 1.67 2.24 2.97 1.6 2.11 2.78 六合站 0.69 1.13 1.38 0.64 1.09 1.33 表2. 南京地区各测站电场仪预警阈值分布 从表2中可以看出，总体上南京各站在15 km、10 km、5 km范围内达到的平均阈值在1.33 kv/m、2.23 kv/m、3.06 kv/m左右；与之相对应的1分钟平均阈值分别为1.25 kv/m、1.93 kv/m、2.51 kv/m左右。其中，奥体站、高淳站、六合站达到的报警阈值相对较小。 大气电场的幅值大小可以作为雷电预警研究中的指标，相关研究人员 [ 16 ] 也根据各地发生雷暴天气时大气电场仪预警时所达到的幅值来定义当地雷电预警时的电场阈值。然而现实中以某一固定电场阈值统一当作一个地区所有站点的报警门限值势必会影响电场仪在使用过程中的预警效果。因此可以引入电场放大倍数的概念，即雷暴发生时，电场幅值变化的平均值与非雷暴天气时大气电场幅值的比值(一般默认为晴天大气电场幅值)，可以在一定程度上弱化各测站因局地性差异带来的影响，进而有效反映各个站点在雷暴过程中电场幅值变化的特征，其定义见公式(1) [ 17 ]： m i = e i / E i (1) 其中：ei为某站点雷暴天气中电场仪预警时电场幅值变化的平均值；Ei为该站晴天大气电场幅值的平均值。计算结果表明，140个雷暴样本中，电场放大倍数m的最小值为0.6，最大值为21.3，分别出现在高淳站和浦口站的雷暴过程。根据相关理论对晴天的定义，即不发生降水，且当天云量少于3/8，平均风速小于4 m/s，统计分析得到近三年南京各站点晴天大气电场幅值的平均值分布(见图4)。从中也可以看出南京各站晴天大气电场分布在0.106~0.388 kv/m之间。 图4. 2016~2017年夏季南京周边地区晴天平均大气电场伏值分布(单位：kv/m) 4.2.2. 预警时间特征 由于大气电场仪的有效探测范围为15 km以内雷暴云电荷量变化情况，故而可以将距测站15 km范围内的区域叫做预警区域(Row)，可以将距测站15 km范围内的预警时间定义为T 1 ，距测站10 km范围内的预警时间定义为T 2 ，距测站5 km范围内的预警时间定义为T 3 ，依据2016~2017年的雷暴过程样本计算分析可得南京各测站大气电场仪预警时间分布见表3。 Table 3 Distribution of early warning time of electric field meter in Nanjing are 站名/时间 预警时间(min) 阈值持续时间(min) T 1 T 2 T 3 T C 江宁站 23 19 45 16.8 南京本站 32.5 24 52.5 15.8 昆仑路站 23.5 31.7 28.6 12.1 奥体站 43.6 27 13.6 49 高淳站 40.7 51.6 40.5 55.4 溧水站 39.2 37.2 47.8 22.8 浦口站 23.6 33.1 30.1 10.6 六合站 41 32.7 26.2 18.4 表3. 南京地区各测站电场仪预警时间分布 由图5可以看出南京各测站15 km范围内的预警时间发生在23~44分钟之间，10 km范围内的预警时间在19~52分钟，5公里范围内的预警时间在13~53分钟，阈值持续时间大致在10~49分钟左右，T阶段时间在15~47分钟。 图5. 南京各测站预警时间分布