溪洛渡水电站坝区大气电场特征

二、溪洛渡水电站坝区大气电场特征

电场是雷电累积程度的特征参数。大气电场仪是利用导体在电场中产生感应电荷的原理，首先由静电场仪传感器的动片旋转使定片的感应电荷转换为和大气电场成正比的电压量，然后再由雷暴电场仪处理并显示电场值，电场值传送至计算机终端。

1.晴天大气电场

在分析雷暴天气的大气电场之前，应该对作为背景场的晴天电场进行分析。

式中，E为地面晴天大气电场，V为电离层电势，λ为地面晴天大气总电导率，R_C是整层晴天柱体电阻。则：

地面晴天大气电场的变化是大气电场全球性普遍的变化及其局地的日变化机制的综合结果。

图5.8是选取晴天的13个个例（2006年7月25日、2006年8月2日、2006年8月14日、2006年10月10日、2006年11月1日、2007年8月3日、2007年8月14日、2007年9月18日、2007年9月19日、2007年9月20日、2007年9月21日、2007年12月6日）的逐小时平均电场值的合成。

图5.8　地面晴天大气电场的日变化

从图中可以看到，溪洛渡水电站坝区地面晴天大气电场变化简单而有规律。呈单峰型的分布，与气温的日变化基本同步。由于大气柱体电阻因其温度的变化而变化，大气电场的变化取决于，当在14：00与16：00（北京时间，下同）之间出现最大值时＞0），地面大气电场便出现了峰值；当（＞0）在23：00～0：00出现最小值时（＞0），地面大气电场便出现了谷值。

这主要是溪洛渡坝区地处西南山地河谷地区，晴天时，随太阳的短波辐射的增强，对近地面层大气加热更快，在这之后大气温度下降，温度的极值出现在l3：00与15：00之间，同时也是由于山地午后湍流对流活动加强，因此此时电场强度最大。

晴天时大气电场的峰值为2.65kV/m，谷值为－3.309kV/m。

可见，晴天大气电场的日变化规律性较强，但其量级较小，作为背景场，在雷暴天气过程中其作用完全可以忽略。

2.雷暴天气的大气电场特征分析

（1）雷暴天气的峰值电场强度

由表5.6可知，发生雷暴天气时电场峰值（大气电场值为正）与谷值（大气电场值为负）的平均分别为38.439kV/m和－39.645kV/m，最小的峰值为7.924kV/m（2007年8月5日），75％以上的峰值为50kV/m（±50kV/m是溪洛渡大气电场仪的最大观测值）；75％以上的谷值小于－28.346kV/m（50％以上的谷值为－50kV/m），绝对值最小的谷值－8.803kV/m（2007年8月5日）。

表5.6　　溪洛渡水电站坝区2006～2007年雷暴个例的大气电场峰谷值统计表（单位：kV/m）

63.3％的雷暴个例峰值和谷值的绝对值都达到50kV/m，即大气电场值在＋50kV/m和－50kV/m之间变化。23.3％的雷暴个例谷值的绝对值大于峰值，13.3％的雷暴个例谷值的绝对值小于峰值。可见溪洛渡水电站坝区雷暴天气过程中大气电场变化很大。

（2）雷暴天气的电场强度变化特点

44％的雷暴天气过程中，从大气电场仪第一次报警（电场值的绝对值达到5kV/m）到第一次闻雷前大气电场值为负值（表示负闪），并且在第一次闻雷前6～35分钟闪电次数和（或）大气电场值有一个积累到跃增的过程，临近第一次闻雷大气电场值出现不规则的振荡，第一次雷声往往出现在第一个拐点（对应大气电场值＜－10kV/m）前后18分钟之内。第一次闻雷之后，大气电场值不规则振动加剧，表明闪电密度的加大和雷电强度的加强，雷暴结束时有振动——EOSO（End of storm oscillation）过程。92.3％的雷暴结束时为云闪（对应大气电场值为弱正值）。这是雷暴天气规律性特征最明显的一种大气电场变化过程，也是强雷暴过程的典型特征。因此，雷电主要出现在积雨云的成熟到消亡时期（典型强雷暴过程大气电场变化见图5.9）。但大多数雷暴天气这一特征不明显。而是在第一次闻雷前有的为正闪，或者电场弱但出现云闪，或者看不出任何规律，只有不规则的振动。

图5.9　典型强雷暴过程大气电场变化

①雨暴天气

将雷暴天气过程中一个以上自动站出现大雨或暴雨的个例归类为“雨暴”。这类个例有8个，分别是：2006年7月18日、2006年8月13日、2006年9月4日、2007年7月6日、2007年7月18日、2007年8月1日、2007年8月10日、2007年8月31日。

产生强降水的雷暴大气电场特征有三种情况：①强降雨出现在雷电密度最大的时间之后（2006年7月18日、2006年8月13日、2006年9月4日、2007年7月6日、2007年8月10日）；②强雷电与强降雨叠加（2007年8月31日、2007年7月18日）；③电场（雷电）很弱（2007年8月1日），对流性降水弱，以连续性稳定性降水为主，持续时间长。

如图5.10所示，第一种情况具有和典型的强雷暴过程相同的特征，即从大气电场仪第一次报警到第一次闻雷前大气电场值为负值（表示负闪），并且在第一次闻雷前6～35分钟闪电次数和（或）大气电场值有一个积累到跃增的过程，临近第一次闻雷大气电场值出现不规则的振荡，第一次雷声往往出现在第一个拐点（对应大气电场值＜－10kV/m）前后18分钟之内。第一次闻雷之后，大气电场值不规则振动加剧，表明闪电密度的加大和雷电强度的加强，大气电场值出现多次在±50kV/m的峰值，强雷电持续一个小时之后开始出现强降水，且有2个以上与降水有关的振动FEAWP（Field excursion associati on with Percipitation）过程，雷暴结束时有振动（EOSO）过程。

图5.10　2006年9月4～5日典型雨暴天气大气电场变化曲线

逐次雨暴过程大气电场变化主要特征如下：

Ⅰ.2006年7月18日

在第一次闻雷前，大气电场仪为负，在第一次闻雷（3：20）前20分闪电次数有一个积累到跃增的过程，并且临近第一次闻雷大气电场值出现不规则的振荡（振幅小），第一次雷声出现在第一个拐点（－17.326kV/m）之后4分钟，比谷值（－34.2kV/m）提前15分钟。第一次闻雷到雷暴结束（3：55）（持续时间25分钟，较短）均为负闪，且以地闪居多，雷暴结束时有EOSO过程，雷暴过程呈不规则剧烈振动，峰（谷）值绝对值达50kV/m。

4：28开始另外一次雷暴过程，变化特征相似，以雷电为主持续一个小时之后开始出现强降水，并出现多个与强降水有关的振动FEAWP过程。这是一次夜间（后半夜的）雨暴过程，强降水开始前，雷电持续时间长，地闪次数较多，说明有系统移近，谷值－42.503kV/m。

从上述两个时间段的雷暴过程比较可知，以风为主的雷暴持续时间短，而以强降水为主的雷暴持续时间长，且峰值的绝对值小于前者。

Ⅱ.2006年8月13日

在第一次闻雷前，大气电场仪为正负交错，并且在第一次闻雷前12分闪电次数有迅速增加过程，临近第一次闻雷大气电场值出现不规则的振荡（小）。雷暴结束时有振动（EOSO）过程，雷暴过程呈不规则振动，谷值－45.9km/V。5：29开始另外一次雷暴过程，变化特征相似，以雷电为主持续一个小时之后开始出现强降水，出现多个与强降水有关的振动FEAWP过程。

Ⅲ.2006年9月4日

在第一次闻雷前，大气电场仪为负，并且在第一次闻雷前地闪电次数有一个跃增的过程，临近第一次闻雷大气电场值出现不规则的振荡。而后在1小时后出现强降雨和多个与强降水有关的振动FEAWP过程。降雨持续时间较长，主要降雨集中在2～3时。

Ⅳ.2007年7月6日

雷电密度小，但出现2个以上与强降水有关的振动FEAWP过程。

Ⅴ.2007年7月18日

云闪最强的时候雨强也最大。

Ⅵ.2007年8月1日

这是电场最弱的一次，但暴雨最大的一次，但雨强大的时段主要出现在7～8时之间。是以层状云的稳定性降水为主，层状云上局部不稳定导致的雷暴。

Ⅶ.2007年8月10日

主要降水出现在3～7时，5～6时最大。

在第一次闻雷前，大气电场仪为负，并且在第一次闻雷前20分钟大气电场值有一个积累到跃增的过程，临近第一次闻雷时，大气电场值出现不规则的振荡，第一次雷声比第一个拐点（－42.747kV/m）滞后3分钟。第一次闻雷前为负闪，雷暴结束时无振动（EOSO）过程，有多个与强降水有关的振动FEAWP过程。属强雷电与强降雨叠加型。

Ⅷ.2007年8月31日

强雷暴与强降雨的叠加型，地闪强而密度大。

②风暴天气

图5.11　典型风暴天气大气电场变化曲线
（注：图表为2006年9月1日风暴天气大气变化图和大风情况）

图5.12　弱电场值风暴天气大气电场变化曲线
（注：图表为2006年8月15日风暴天气大气变化图和大风情况）

将雷暴天气过程中一个以上自动站出现7级以上短时大风灾害性天气的个例归类为“风暴”（其中13.9m/s≤瞬时极大风力＜17.0m/s为一般性大风，瞬时极大风力≥17.0m/s为灾害性大风）。这类个例共有8个，分别是：2006年7月22日、2006年7月31日、2006年8月15日（图5.12）、2006年8月17日、2006年9月1日（图5.11）、2007年4月13日、2007年8月19日。这类雷暴过程中大气电场值的变化一般具有强雷暴的典型特征。大风可以出现在强雷电之前、之后或者期间，其中以出现在强雷电之后居多（5个个例），出现在强雷电之前的2个，出现在强雷电期间的只有1个。值得注意的是，有时大气电场峰值不大，容易被预报员忽视，但可以看出闪电密度特别大，这类也是强雷暴，也可以产生灾害性大风，如2006年8月15日。

逐次风暴天气过程的大气电场变化特征如下：

Ⅰ.2006年7月22日

在第一次闻雷前，大气电场仪为负，并且在第一次闻雷前35分闪电次数有一个积累到跃增的过程，临近第一次闻雷大气电场值出现不规则的振荡（小），第一次雷声出现在第一个拐点（－27.607kV/m）之后18分钟，比谷值（－27.607kV/m）滞后18分钟。雷暴结束时无过程，雷暴过程呈不规则振动，峰（谷）值绝对值50kV/m。20：19开始另外一次雷暴过程，变化特征相似，以雷电为主持续1个多小时，有多个与强雷暴有关的振动。强雷电持续时间长，且峰值的绝对值大。大风出现在强雷电之后。

Ⅱ.2006年7月31日

在第一次闻雷前，大气电场仪为负，并且在第一次闻雷前23分钟闪电次数有一个积累到跃增的过程，临近第一次闻雷大气电场值出现不规则的振荡（小），第一次雷声出现在第一个拐点（－19.939kV/m）之前17分钟。第一次闻雷前有由正闪到负闪的转变，雷暴过程不规则振动剧烈，峰（谷）值绝对值50kV/m，雷暴结束时无EOSO过程。以风和强雷电为主的雷暴持续时间长（1个小时），且峰值的绝对值大，大风出现（16：03）在地闪密度明显增大后1小时。

Ⅲ.2006年8月15日

在第一次闻雷前，大气电场仪为负，并且在第一次闻雷前6分钟大气电场值有一个积累到跃增的过程，临近第一次闻雷大气电场值出现不规则的振荡（小），第一次雷声出现在第一个拐点（－20.574kV/m）之前6分钟。雷暴结束时无EOSO过程，雷暴过程峰值小（－21.087kV/m）。

Ⅳ.2006年8月17日

在第一次闻雷前，大气电场仪为负，并且在第一次闻雷前6分钟大气电场值有一个积累到跃增的过程，临近第一次闻雷大气电场值出现不规则的振荡（小），第一次雷声出现在第一个拐点（－20.574kV/m）之后1分钟。大风发生前电场值不大，且大风出现在强地闪之前。

Ⅴ.2006年9月1日

在第一次闻雷前，大气电场仪为负，并且在第一次闻雷前6分钟大气电场值有一个积累到跃增的过程，临近第一次闻雷大气电场值出现不规则的振荡（小），第一次雷声出现在第一个拐点（－29.121kV/m）之前20分钟。大风发生前电场值不大，在强地闪之前出现大风，而后出现强雷电和强降雨。

Ⅵ.2007年4月13日

大风之前闪电弱（负的云闪为主），电场较强，谷值－46.133kV/m，比大风时间提前8分钟。

Ⅶ.2007年6月28日

第一次闻雷为远雷，且在强地闪和强雷电后才出现大风。

Ⅷ.2007年8月19日

雷暴出现后振动很大，这是预见期最长的一次雷暴。大风出现在强雷电期间。

③普通雷暴

将伴有或不伴有6级以下阵风和（或）中雨以下量级降雨的个例归类为“普通雷暴”，这样的个例8个，分别是2006年7月17日、2006年8月4日、2006年8月10日、2006年8月28日、2007年5月20日、2007年7月29日、2007年8月5日、2007年8月6日。

这类雷暴过程伴有或不伴有其他天气现象，当过程雨量伴有中雨量级的降水天气或者1小时降水超过10mm短时降水天气时会出现多个与降水有关的振动过程FEAWP，这类雷暴往往闪电密度大时但电场强度峰值和陡变小，或者峰值大但闪电密度小，且第一次闻雷前为正闪的雷暴个例都出现在这一类型中。典型个例的大气电场变化见图5.13。

逐次普通雷暴过程大气电场的主要特征如下：

Ⅰ.2006年7月17日

在第一次闻雷前，大气电场仪为负，并且在第一次闻雷前20分大气电场值和闪电次数有一个积累到跃增的过程，临近第一次闻雷大气电场值出现不规则的振荡，第一次雷声比谷值（－30.415kV/m）滞后9分钟。第一次闻雷前为负闪，而后转为正闪（与最后一次雷击往往是云上的正电荷向大气放电——正闪的特征相符），雷暴结束时有振动（EOSO）过程，呈单波型。这是一次午后到傍晚的普通雷暴过程。

图5.13　普通雷暴天气电场变化曲线（2006年7月17日）

Ⅱ.2006年8月4日

这是一次发生早上6～8时的雷暴过程，以不规则的振动为主要特征，以正闪为主，雷电密度小。

Ⅲ.2006年8月10日

在第一次闻雷前，大气电场仪为正，并且在第一次闻雷前20分大气电场值和闪电次数有一个积累到跃增的过程，临近第一次闻雷大气电场值出现不规则的振荡，第一次闻雷比谷值（－26.02kV/m）滞后9分钟。第一次闻雷前为正闪，而后转为负闪（与最后一次雷击往往是云上的正电荷向大气放电——正闪的特征不符），雷暴结束时无振动（EOSO）过程，呈单波型。这是一次午后的普通雷暴过程。

Ⅳ.2006年8月28日

在第一次闻雷前，大气电场仪为负，并且在第一次闻雷前6分大气电场值有一个积累到跃增的过程，并且临近第一次闻雷大气电场值出现不规则的振荡（小），第一次雷声出现在第一个拐点（－10.513kV/m）之后39分钟。

Ⅴ.2007年5月20日

正闪为主，并且出现多个与强降水有关的振动FEAWP过程，出现中雨天气。

Ⅵ.2007年7月29日

这应该是电场值最小的一次放电，属远雷。

Ⅶ.2007年8月5日

以不规则的振动为主要特征。

Ⅷ.2007年8月6日

找不到规律，雷暴过程中呈不规则的振动。