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，进而形成雷电短时预警，最大限度的降低雷电灾害损失。本文就大气电场仪在雷电监测预警中的应用展开了研究。
关键词：大气电场仪；雷电监测预警；应用
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。大气电场强度是大气电学的基本参数，雷电的发生总是与大气电场强度密切相关的，大气中电位梯度达到大气击穿电位梯度是雷电发生的必要条件。因此，可以从大气电场的变化情况对雷电进行监测以及预警。
一、大气电场仪系统及工作原理
1.大气电场感应器
大气电场感应器由上、下两片相互平的、有一定间距形状、相似的几片叶片连接在一起的对称扇形金属片组成。下面的金属片用来感应电荷，固定不动，称为定片。上面的金属片由马达驱动旋转，称为动片，并与地相联接，它既起屏蔽定片的作用，又使叶片暴露于大气电场中。当动片旋转时，定片便交替地暴露在大气电场中，由此产生交变电信号，信号的大小与大气电场强度成正比。当动片旋转时，它对定片起周期性的屏蔽作用，于是定片一会完全暴露于大气中，一会儿则完全屏蔽掉，有时只露出一小部分。为了适应于在恶劣天气条件下使用，对感应头的结构进行了特殊的考虑。为了防止严重雨雪、冰雹的干扰，各叶片应有足够的强度，并且它们之间的间隙也要足够大。感应片是由有机玻璃柱支撑，每个支柱上装有防水罩，在轴的顶部也装有防水罩。电缆从下面的引线孔引出，在孔上装有用橡胶垫压紧的密封接头，使水不能浸入，电路板装在密封的金属盆内，以防止受潮。感应头的外壳用铝铸成，各叶片镀铬，以防止生锈。
2.信号处理电路
信号处理电路将交变电信号进行放大等处理为系统所要求的信号。近地面层干空气的击穿电位梯度约为3×106V/m。在雾中，空气击穿电位梯度约为106V/m。所以输入信号极其微弱，通常只有几微安，必须采用多级的、高增益的、强抗干扰的放大电路，将信号放大到后端A/D电路所能接受的范围。为了避免干扰造成信号失真，电路中要加入低通滤波器，以降低低频噪声的干扰。其中前置放大电路关系到整个放大电路的优劣，必须具有高精度、高稳定性、高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声和强抗干扰能力等性能。
3、电场极性的判断
大气电场仪在进行地面大气电场监测时，不仅要测量出被测电场的强度，还要辨别出被测电场的极性。由电流与电场E的关系可知，感应头输出的信号为方波。现在设定t0时，定片与动片重合；而且，雷暴云底部带正电荷时为正电场。带负电荷时为负电场。
电场的极性通常采用相敏检波的方法来区别，因此需要在电场仪的前置放大电路中加入相敏检波器。常用的相敏检波器有两种：一种由变压器和二极管桥组成，这种电路体积大，稳定性差；另一种则由模拟乘法器构成，性能上得到了很大提高，但价格高，调试麻烦。可以根据大气电场仪探头的结构特点和大气电场测试中对检波器的要求，通过同步信号发生器，实现两路输入信号同频同相，利用光电开关、四通道模拟开关和运放组合设计一种结构简单，性能稳定的相敏检波器。
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二、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。
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，更方便服务于用户。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。
三、大气电场仪在雷电监测预警中的应用
地面电场仪无论在晴天还是雷暴天气条件下都可以测量地面大气平均电场的大小和极性的变化，根据电场资料可以反演得到可靠的雷雨云中强电荷中心的强度、极性和分布。
云中电荷分布的水平尺度远远大于其垂直尺度，为简单起见，云中电荷当作垂直分布，以点电荷为例，一般把雷暴云的电荷分布认为是云上部为正电荷区，云下部为负电荷区，也有观测表明在负电荷区下面还有一个小的正电荷区，云中闪电可以认为是在主要正负电荷区之间进行的。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。
4、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；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；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；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；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。
5、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。
结语：
由于安装场地对周围电场的影响，大气电场资料可能存在较大的误差，因此当利用大气电场仪测量的空间电场资料反演计算模型时，要适当地考虑地形、地物的影响。
参考文献：
[1]孙琪，杨凡，李博，汪中虎.雷电预警中的风暴参数研究[J].贵州气象，2017，41（05）
[2]杨春明，徐书璋.大气电场仪在雷电监测预警中的应用[J].现代建筑电气，2017，8（09）
[3]陆茂，李一丁，卜俊伟.大气电场仪在雷电预警中的应用[J].高原山地气象研究，2014，34（03）
论文作者:李涛
论文发表刊物:《基层建设》2019年第7期
论文发表时间:2019/6/26
标签：电场论文; 大气论文; 雷电论文; 强度论文; 电荷论文; 闪电论文; 电路论文; 《基层建设》2019年第7期论文;