乌海地区大气电场的阈值订正.pdf

收稿日期:2 0 2 3-0 2-1 4乌海地区大气电场的阈值订正陈 强(乌海市气象局,内蒙古 乌海 0 1 6 0 0 0)摘 要:针对乌海地区现有大气电场仪雷电预警误报率高的问题,将乌海市的大气电场仪资料和闪电定位资料,进行对比分析,得出新的电场强度阈值和闪电发生距离阈值,并利用历史数据进行验证,经检验,新的阈值对1 0 k m范围内由远到近的雷电活动有较高的预警准确率,3 k m范围内预警准确率最高。关键词:雷电预警;大气电场;闪电定位 中图分类号:P 4 2 7.3(2 2 6)文献标识码:A 文章编号:1 0 0 76 9 2 1(2 0 2 3)1 30 0 9 50 3 近年来,随着气候变暖,气象灾害频发,雷电灾害作为气象灾害的一种也越来越受到人们的关注,因此及时准确的雷电预警就显得尤为重要。据乌海气象统计资料显示,乌海的年平均雷暴日为1 7 d,属少雷区,虽然雷暴日数相对较少,但是每次雷暴过程的雷电流强度较大,雷电流强度在5 0 k A以上的概率为1 9.7%,强大的雷电流会产生强大的冲击电压,强大的冲击电压又会造成电子设备的短路,甚至引发火灾爆炸等安全事故。2 0 2 0年全国风险普查资料显示,乌海地区1 9 7 82 0 2 0年期间共发生一般雷电灾害1 8起,其中1 4起雷电引起跳闸,2起引起人员伤亡,2起引起工厂设备损失。因此,对闪电进行实时监测和预报,可以有效减少因闪电造成的生命财产损失,降低安全事故的发生。目前,国内采用的雷电监测预警技术大部分都是将闪电定位仪进行组网,采集闪电定位数据实现对雷电的预警。组网得到的闪电数据不光包含时间和位置信息,还包含电场强度信息1。利用A r c G I S 1 0.3将闪电定位数据和地图信息相结合可以直观地反映出闪电发生发展的方向和分布区域,间接也能够反映出雷暴云的移动方向,对雷电监测预警和分析具有重要意义。大气电场是衡量雷电发生的重要指标,对大气电场的实时监测,能够实现实时记录雷雨天气或晴天时地面大气电场变化,也可以看到大气电场的变化幅度,还可以实时监测闪电发生过程中的云充电状态和闪电活动时间2,因此可用于局地雷暴监测预警。将闪电定位数据和大气电场二者数据进行对比分析,能实现数据之间的相互订正,从而提高雷电预警准确率3。研究表明,大气电场的快速变化和电场强度的大小是判断闪电是否发生的重要指标4-6。根据电场变化的特点,可以建立大气平均绝对电场预警阈值,进一步降低雷电预警的空报率7。大气电场仪阈值的确定受到地形、海拔、安装位置以及各种气象要素等多种外界因素的干扰,丁德平等8通过对北京市春、夏、秋4个大气电场仪监测数据,修订了北京市大气电场仪阈值,有效提高了雷电预警准确度。秦微等9通过对深圳2 0 1 2年69月期间发生的1 7次雷暴过程大气电场观测数据的分析,利用大气电场波形特征提取得到与闪电高度相关的因素,采用多元回归技术建立一套雷电预报方程,获得最佳雷电预警阈值。笔者以乌海市大气电场仪数据和闪电定位数据为基础,对这两种数据进行对比分析,采用数理统计方法对乌海地区大气电场的阈值和其相应的预警级别进行订正。1 资料来源及仪器介绍笔者使用的大气电场数据来自乌海市海南区四合木保护区(E 1 0 6 5 3 1 3,N 3 9 2 9 2 4)测站海拔1 1 9 7.0 m,设备采用太阳能电池板结合蓄电池供电,探头传感器向下,用于采集电场强度,探头向下的设置延长了设备的使用期限,同时也降低了周围环境对设备的干扰,可有效避免积水、积雪、灰尘、鸟粪等对测试电场的影响。本研究综合考虑乌海地区初雷日时间以及汛期时间,确定研究选取的闪电定位仪数据时间段为2 0 2 0年59月,由于受大气电场仪监测范围的限制,共记录得到1 7 次地闪电事件。大气电场仪由上海晨辉科技有限公司自主研发,可连续激活3个警报级别,其数据测量和预警级别算法由探头内部的嵌入式系统直接完成,具有断电恢复数据传输能力。其主要性能参数见表1。592 0 2 3年7月内 蒙 古 科 技 与 经 济J u l y 2 0 2 3第1 3期 总第5 2 7期I n n e r M o n g o l i a S c i e n c e T e c h n o l o g y&E c o n o m yN o.1 3 T o t a l N o.5 2 7闪电定位数据来自内蒙古气象旗县级综合业务平台中国闪电定位数据要素库,数据库包含地闪发生时间、经纬度、雷电流强度、陡度等参数。本研究利用A r c G I S 1 0.3将乌海地图、闪电定位数据、大气电场仪监测范围三者相叠加,获得2 0 2 0年59月以四合木观测站为圆点直径1 0 k m范围内发生的地闪数据,统计资料显示期间共发生1 7次地闪。表1 大气电场仪探头主要性能参数项目参数尺寸/mmL:2 4 0;H:1 0 0;P:2 4 0安装结构倒置式(电机内置)运行温度/-4 06 5探测范围/k m2 0或根据现场特征测量量程/(k V/m)-3 0 0+3 0 0(+/-代表电场极性)测量误差+/-3%分辨率/(V/m)1 0D相应时间/m s51.1 预警时间分析针对筛选得到的1 7个地闪过程地闪发生的时间,提取当天大气电场数据。将地闪发生时间与大气电场首次抖动时间进行对比分析,分析结果见表2,可以看出两者有明显的时间差,大气电场抖动明显早于地闪首次发生的时间,提前量从53 9 m i n不等,平均时间为2 4.2 m i n。提前2 0 m i n的预警时间,足以提醒易燃易爆场所等雷电防护重点单位做好防护措施,对保护人民生命财产意义重大。表2 地闪预警提前时间量雷暴日地闪发生时间大气电场首次抖动时间提前预警时间量/m i n2 0 2 0-0 5-0 71 9:4 31 9:2 32 02 0 2 0-0 6-1 11 6:1 41 6:0 31 12 0 2 0-0 6-2 72 1:5 42 1:1 53 92 0 2 0-0 7-1 51 4:0 21 3:5 02 12 0 2 0-0 7-2 41 7:4 71 7:2 81 92 0 2 0-0 8-2 41 9:2 21 8:5 72 52 0 2 0-0 8-2 90 8:1 20 7:4 13 12 0 2 0-0 8-2 90 2:5 50 2:5 052 0 2 0-0 8-2 90 8:1 90 7:4 13 82 0 2 0-0 9-0 11 5:2 01 4:5 72 32 0 2 0-0 9-0 11 5:2 11 4:5 92 22 0 2 0-0 6-1 71 6:4 01 6:1 52 52 0 2 0-0 8-0 61 3:4 81 3:1 92 92 0 2 0-0 8-0 60 8:3 20 8:1 02 22 0 2 0-0 9-1 31 4:4 81 4:2 02 82 0 2 0-0 8-0 41 5:4 31 5:1 13 22 0 2 0-0 5-0 72 0:4 52 0:2 32 2 以2 0 2 0年8月2 9日的雷暴过程中的大气电场仪的数据为例,大气电场波形图,如图1所示,考虑到电场数据是每分钟传输存储的,且雷暴过程主要集中在上午,因此本研究截取0 70 01 15 9时期间的大气电场数据,图中横坐标是时间,纵坐标是电场强度单位为k V/m。不同颜色代表预警等级,由远及近分别以黄橙红三色代表不同距离发生地闪的可能性。图1 2 0 2 0年8月2 9日0 70 01 15 9期间大气电场强度从图1可以看出,在0 73 3时,电场已经开始发生波动,场强开始由正值过零突变转为负值,但是变化的剧烈程度不是很大,电场变化率相对平缓,陡度较小,对应也可以看到由于波动幅度较小,平均电场绝对值也较小,电场仪并未发出预警;在0 81 02 6,场强急剧增加,直到0 91 83 5,最大幅值增加到8.3 4 k V/m;之后电场强度向负的方向进行反转,此后电场强度一直处于剧烈波动和快变抖动状态,整个雷暴活动期间正的电场强度幅值达到8.3 4 k V/m,负的电场强度幅值达到-7.1 6 k V/m,直到1 04 33 1时电场强度恢复到平静状态。1.2 大气电场阈值的划分大气电场仪监测到的场强大小可以反映出雷暴云距离大气电场仪的距离大小,雷暴云离大气电场仪的距离越近,大气电场仪监测到的场强就越大。近3年,为了进一步提高雷电监测精准度,分别在乌海市气 象 局、四 合 木 保 护 区 安 装 了 监 测 半 径 为1 0 k m的两台大气电场仪。因此,笔者以大气电场仪为圆心,划分了3个预警范围等级,分别是61 0 k m、36 k m、3 k m以内。利用A r c G I S 1 0.3将采集到的1 7次地闪过程数据与预警范围相叠加,得到不同范围内发生的有效地闪数,利用数学统计方法得到平均电场绝对值,统计分析结果见表3。可以看到不同距离范围内预警的准确度是不一样的,由远及近依次升高,最高到1 0 0%,同时随着距离范围的缩小,监测到的平均绝对电场值也逐渐增大。从表3还可以看出,记录的地闪频次和有效地闪频数不一致,也就是存在无效地闪数据,这也进一步说明对于闪电定位系统得到的闪电数据也是需要进一步甄别和订正的,因此实时记录大气电场,并将大气电场数据应用到闪电定位系统中,可以增加闪电定位数据的准确性。69总第5 2 7期内 蒙 古 科 技 与 经 济表3 四合木观测站不同距离范围内的闪电对应的平均绝对电场值距离/k m地闪的频次有效的地闪数预警的准确率/%平均绝对电场/(k Vm-1)61 0977 7.7 82.0 5 536658 3.3 33.2 7 303221 0 04.3 6 7 大气电场仪现有的预警等级分为三级分别为:2 k V/m、4 k V/m、6 k V/m,代表当平均电场值达到2 k V/m时发雷电黄色预警,当平均电场值达到4 k V/m时发雷电 橙 色 预 警,当 平 均 电 场 值 达 到6 k V/m时发雷电红色色预警。但从表3的结果可以看出,不同距离范围内平均绝对电场值与预设的阈值存在差异,比如距离36 k m范围内闪电定为数据对应的平均绝对电场值为3.2 7 3 k V/m,相比预设的4 k V/m小,再比如距离03 k m范围内闪电定位数据对应的平均绝对电场值为4.3 7 6 k V/m,相比预设的6 k V/m也小。证明实际监测的三级阈值与预先设定的阈值不相符,预先设定的大气电场仪阈值需要重新修订。1.3 阈值的确定大气电场仪能够实现对大气电场的实时监测,当大气电场出现快速抖动时,可以判断闪电的发生和发展。为了提高大气电场仪的预警准确率,可以根据不同地区、海拔高度、周围环境等设置不同的平均绝对电场阈值来达到提高预警准确率的目的。本研究将晴天大气电场绝对平均值设置为0。通过上文分析的数据可以得出,2 0 2 0年5月2 0 2 0年9月期间,大气电场仪探测范围为61 0 k m,共发生9次对 地 闪 电,有 效 地 闪 数 为7次,探 测 精 度 为7 7.7 8%,地闪数据对应的大气平均绝对电场值为2.0 5 5 k V/m;大气电场仪探测范围36 k m区域内,共6次对地闪电,有效地闪次数为5次,探测精度为8 3.3 3%,对应的大气平均绝对电场值为3.2 7 3 k V/m;3 k m范围内的对地闪电大气平均绝对电场值为4.3 7 6 k V/m。可以看出,随着距离范围的减小,平均电场值也越大,对应的探测精度也逐渐升高。综上所述,可以将大气电场仪预先设定的预警等级修订为以下3个新的预警等级。第1级为2 k V/m,也就是说只要大气电场的平均电场绝对值达到2 k V/m,就可以预测有7 7%的概率发生雷击,发生位置距大气电场仪61 0 k m半径范围内;第2级为3 k V/m,也就是说只要大气电场的平均电场绝对值达到3 k V/m,就可以预测有8 3.3%的概率发生雷击,发生位置距大气电场仪36 k m半径范围内;第3级为4 k V/m,也就是说只要大气电场的平均电场绝对值达到4 k V/m,就可以预测有9 0%以上的概率发生雷击,发生位置距大气电场仪03 k m半径范围内。1.4 数据成果验证为了验证上一节得到的阈值可靠性,对安装在滨河观测场内的大气电场仪以及相对应的闪电定位资料进行了对比分析。表4是安装在乌海市气象局门前观测场的大气电场仪2 0 2 0年59月期间监测到的大气电场数据及电场绝对平均值。该站安装在建筑物群之间,四周有建筑物遮挡,监测数据时常有缺测,这也是造成该站的预警准确率较低的原因。但是从平均绝对电场值也可以看到与四合木站数据得出的阈值一致性较高,因此证明本研究得到的阈值在乌海地区有一定适用性。表4 滨河观测站大气电场仪不同探测范围内大气电场平均电场值距离/k m地闪的频次有效的地闪数预警的准确率/%平均绝对电场/(k Vm-1)61 01 154 5.4 52.2 4 336745 7.1 43.0 8 903326 6.6 74.4 2 12 结论笔者利用乌海市海南区四合木气象观测站的大气电场仪监测数据和内蒙古气象旗县级综合业务平台中国闪电定位数据要素库闪电定位数据,进行数理统计和对比分析,对探测范围内乌海市2 0 2 0年59月期间的1 7个雷暴过程进行研究,结果如下:气电场仪对雷电预警有重要作用,能够实现对雷电发生的提前预警。1 7个雷暴过程的大气电场仪的抖动与首次地闪发生的时间相比平均提前时间间隔为2 4.2 m i n。大气电场仪的预警准确率随着探测范围的减小逐渐增大。大气电场仪探测范围为6 1 0 k m 的区域内的预警的准确率为7 7.7 8%;大气电场仪探测范围为3 6 k m的区域内的预警的准确率为8 3.3 3%;大气电场仪探测范围为3 k m以内的区域预警的准确率为9 0%以上。大气电场仪预设的雷电预警阈值过高,导致现有雷电预警准确率下降。利用上述的平均绝对电场值的大小得出,在电场仪61 0 k m半径范围内的平均电场值为2.0 5 5 k V/m;在电场仪36 k m半径范围内的平均电场值为3.2 7 3 k V/m;在电场仪0 3 k m半径范围内的平均电场值为4.3 6 7 k V/m。重新修订的大气电场阈值准确率较高。根据上述的电场值的平均值和探测的准确率,可以将大气电场仪预设的三级预警值2 k V/m、4 k V/m、6 k V/m进行订正。订正后的阈值分别为:第1级预警阈值为2 k V/m、第2级预警阈值为3 k V/m、(下转第1 1 9页)79陈强 乌海地区大气电场的阈值订正2 0 2 3年第1 3期图2 I-最优准则预测方差等高线3 结论与展望笔者在比例风险模型的框架下,给出了基于I-最优准则的右删失数据的加速寿命试验方案。通过在加速条件下获得的试验方案外推至产品的正常使用条件,对产品的及时更换提供了理论保障。本文对右删失数据的讨论主要是基于小样本量,但是,大多数情况下,试验获取的样本量较大,接下来重点基于大样本量进行研究。参考文献1 吴松,吕晶晶,李小康.可靠性加速寿命试验综述J.电子产品可靠性与环境试验,2 0 2 1,3 9(1):9 4-1 0 0.2 N e l s o n W,M e e k e r W Q.T h e o r y f o r o p t i-m u m a c c e l e r a t e d c e n s o r e d l i f e t e s t s f o r w e i b u l l a n d e x t r e m e v a l u e d i s t r i b u t i o n sJ.T e c h n o m e t r i c s,1 9 7 8,2 0(2):1 7 1-1 7 7.3 E s c o b a r L A,M e e k e r W Q.P l a n n i n g a c c e l-e r a t e d l i f e t e s t s w i t h t w o o r m o r e e x p e r i m e n-t a l f a c t o r sJ.T e c h n o m e t r i c s,1 9 9 5,3 7(4):4 1 1-4 2 7.4 P a r k J W,Y u m B J.O p t i m a l d e s i g n o f a c-c e l e r a t e d l i f e t e s t s w i t h t w o s t r e s s e sJ.N a-v a l R e s e a r c h L o g i s t i c s(N R L),1 9 9 6,4 3(4):8 6 3-8 8 4.5 B a i D S,Y u n H J.A c c e l e r a t e d l i f e t e s t s f o r p r o d u c t s o f u n e q u a l s i z eJ.I E E E T r a n s a c-t i o n o n R e l i a b i l i t y,1 9 9 6,4 5(4):6 1 1-6 1 8.6 K i m C,B a i D.D e s i g n o f s t e p-s t r e s s a c c e l-e r a t e d l i f e t e s t s f o r w e i b u l l d i s t r i b u t i o n s w i t h a n o n c o n s t a n t s h a p e p a r a m e t e rJ.J o u r n a l K o r e a n S t a t i s t i c a l S o c i e t y,1 9 9 9(2 8):4 1 5-4 3 3.7 A i t k i n M,C l a y t o n D.T h e f i t t i n g o f e x p o-n e n t i a l,w e i b u l l a n d e x t r e m e v a l u e d i s t r i b u-t i o n s t o c o m p l e x c e n s o r e d s u r v i v a l d a t a u-s i n g g l i mJ.J o u r n a l o f t h e R o y a l S t a t i s t i c a l S o c i e t y:S e r i e s C(A p p l i e d S t a t i s t i c s),1 9 8 0(2 9):1 5 6-1 6 3.8 王娟,马义中,汪建均.考虑区间删失数据的I-最优加速寿命试验方案J.数学的实践与认识,2 0 1 7,4 7(1 7):1 8 4-1 9 3.9 S h i r l e y C G.TH B r e l i a b i l i t y m o d e l s a n d l i f e p r e d i c t i o n f o r i n t e r m i t t e n t l y-p o w e r e d n o n-H e r m e t i c c o m p o n e n t sC/P r o c e e d i n g s o f 1 9 9 4 I E E E I n t e r n a t i o n a l R e l i a b i l i t y P h y s i c s S y m p o s i u m.I E E E,1 9 9 4.(上接第9 7页)第3级预警阈值为4 k V/m。利用历史数据对新修订的阈值进行了验证,验证结果具有较高的一致性。通过对比大气电场仪和闪电定位仪的数据发现,因乌海市现有闪电定位仪监测的数据只有地闪,没有云闪,当发生云闪时,地面电场也会出现快速变化,地面电场的抖动也会对易燃易爆场所造成危害,因此对于云闪的检测也很重要。参考文献1 王亮,朱峰,陈久瑞.吉林省雷暴天气大气电场与闪电定位数据分析C/第3 1届中国气象学会S 9第十三届防雷减灾论坛:雷电物理防雷新技术.北京:中国气象学会,2 0 1 4.2 张春龙,李春影,吕东波,等.哈尔滨地区大气电场的特征及在雷电预警中的应用C/第3 2届中国气象学会年会S 2 0第十三届防雷减灾论坛:雷电物理和防雷新技术.天津:中国气象学会,2 0 1 5.3 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