大氣電場儀在萬載雷電預警中的應用

徐崗 蘇緣 趙珞 李茜 劉菁

摘要 立足于萬載地區(qū)的氣候和地理特點，詳細分析了大氣電場儀的基本原理和技術參數(shù)，并深入探討了大氣電場儀逆行雷電預警的物理原理和操作方法。針對大氣電場儀在萬載雷電預警中的應用優(yōu)勢和挑戰(zhàn)進行詳細分析，并提出應對措施，為相關從業(yè)人員提供參考。

關鍵詞 大氣電場儀；雷電預警；應用

中圖分類號：P427.3 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）09–0-03

雷電災害給人們的生命和財產(chǎn)帶來了極大的威脅，有效地預警雷電災害成為一項重要任務。作為一種新型的雷電預警儀器，大氣電場儀具有高靈敏度、高準確度、快速響應等特點，在雷電預警中發(fā)揮著重要作用。隨著技術的不斷進步和應用的不斷推廣，大氣電場儀已成為現(xiàn)代雷電預警系統(tǒng)的重要組成部分。

1 萬載縣的氣候和地理特點

萬載縣處于贛中西北邊陲，屬于亞熱帶濕潤氣候，1991—2020年年平均氣溫為17.9 ℃，年平均降水量為1 747.1 mm，降水集中在3—9月，占全年降水的70%以上。雨季期間雷電災害頻發(fā)，嚴重威脅當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生命財產(chǎn)安全。

萬載縣地勢復雜，南部和西北部地勢高，東部地勢偏低，地勢由西北向東南逐漸傾斜。南部屬峰頂山——蒙山山脈，北部為九嶺山脈初級隆起所組成的古陸山脈。縣境內(nèi)800 m以上的山峰有36座，最高峰位于縣北55 km處高村鎮(zhèn)上坪村的仙姑崠（舊稱太陽山），海拔1 404.4 m。最低點為三興鎮(zhèn)沙潭村的均車，海拔70 m。地形形狀和高低起伏對雷電發(fā)生和傳播具有重要影響。

萬載自古有“花炮之鄉(xiāng)”的美譽。截至2023年全縣仍有170余家花炮企業(yè)，在縣城區(qū)域內(nèi)有大量一類防雷建筑物?；ㄅ谄髽I(yè)的生產(chǎn)過程中涉及大量的一類防雷庫房、生產(chǎn)車間、設備，若防雷保護不到位，會對庫房、生產(chǎn)車間、設備甚至人身安全造成極大的威脅。

作為雷電災害高發(fā)地區(qū)之一，萬載縣氣候和地理特點為雷電的發(fā)生和傳播提供了較為有利的條件，同時也增加了雷電災害的風險，因此開展雷電預警工作尤為重要。作為一種新型雷電預警儀器，大氣電場儀發(fā)揮著越來越重要的作用。

2 大氣電場儀概述

2.1 大氣電場儀逆行雷電預警的物理原理

大氣電場儀能夠檢測空氣中的電場強度和電荷密度，通過監(jiān)測空氣中的電場強度和電荷密度的變化，可以預測雷電的發(fā)生。

大氣電場儀逆行雷電預警的物理原理基于靜電場的相互作用原理，即通過測量空氣中電場強度和電荷密度的變化判斷雷電的發(fā)生?？諝庵写嬖谡撾姾?，在自然狀態(tài)下形成一個電荷分布的靜電場。雷電云在形成的過程中會產(chǎn)生大量的電荷會對地面附近的靜電場產(chǎn)生影響，使得地面附近的大氣電場強度變?nèi)?，如果檢測到地面附近的電場強度突然下降，就可以判斷可能有雷電即將發(fā)生[1]。這種逆行預警方式可以提前數(shù)分鐘至數(shù)十分鐘預警，為人們采取必要的防范措施提供了足夠的時間，具有較強的預警準確性和實用性。但是大氣電場儀的逆行雷電預警會受到地面污染物等因素的影響。當大氣中存在較高濃度的細顆粒物或有機物等污染物時，會降低空氣中的電荷密度，從而影響大氣電場的分布和變化，因此需要對這些因素進行修正和校準[2]。

大氣電場儀的探測技術基于電容原理，通過在探測桿和地面之間建立一個電容測量電場強度。當電荷分布發(fā)生變化時，探測桿所測得的電容值也會發(fā)生變化，通過測量電容值的變化，就可以判斷電場強度的變化。為了保證探測的精度和可靠性，大氣電場儀通常需要進行定期的校準和維護。

2.2 大氣電場儀的技術參數(shù)和操作方法

2.2.1 大氣電場儀的技術參數(shù) 大氣電場儀主要包括探頭、放大器、數(shù)據(jù)采集器等，主要技術參數(shù)包括靈敏度、響應時間、準確度等，具有防雷、防靜電等功能，能夠有效地進行逆行雷電預警，為防雷減災工作提供了重要的技術支持。

靈敏度是指儀器檢測的最小電場強度；響應時間是指儀器從檢測到電場強度變化到發(fā)出預警信號的時間；準確度是指儀器檢測結(jié)果與實際情況之間的誤差。大氣電場儀的靈敏度一般為0.1 V/m左右，響應時間一般在幾毫秒到幾十毫秒之間，準確度可以達到1%以內(nèi)[3]。

2.2.2 大氣電場儀的操作方法 大氣電場儀的操作方法包括安裝、校準、數(shù)據(jù)處理等步驟。

（1）安裝。大氣電場儀需要安裝在一個開闊的場地，遠離高壓線路、建筑物等干擾源，以保證檢測數(shù)據(jù)的準確性[4]。安裝時需要將探頭垂直于地面，且高度應根據(jù)實際情況進行調(diào)整。

（2）校準。大氣電場儀需要定期進行校準，以保證數(shù)據(jù)的準確性。校準通常包括檢查儀器是否損壞、清潔探頭、檢查放大器等部分的連接情況、檢查數(shù)據(jù)采集器和計算機等設備的連接情況等。如果出現(xiàn)異常，需要及時維護和修復。

（3）數(shù)據(jù)處理。大氣電場儀產(chǎn)生的數(shù)據(jù)需要進行處理，以便進行預測和預警。數(shù)據(jù)處理通常包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理等步驟。大氣電場儀通常會配備專業(yè)的數(shù)據(jù)采集器和計算機軟件來進行數(shù)據(jù)處理[5-6]。

3 大氣電場儀在萬載雷電預警中應用的優(yōu)勢

3.1 提前預測優(yōu)勢

大氣電場儀能夠提前檢測到雷電發(fā)生的可能性，預警時間較長，是其在雷電預警中應用的主要優(yōu)勢之一。通常情況下，雷電前的云層會帶有大量的電荷，形成的電場強度會隨著云層的移動而發(fā)生變化。當云層接近地面時，地面附近的電場強度也會隨之發(fā)生變化，這種變化可以利用大氣電場儀實時監(jiān)測。

大氣電場儀可以通過監(jiān)測電場強度和電荷密度的變化，提前預測雷電的發(fā)生，并給出相應的預警信息。與其他雷電預警技術相比，大氣電場儀預警時間更長，能夠提前數(shù)分鐘或數(shù)十分鐘發(fā)出警報，給人們足夠的時間采取措施，減少雷電災害造成的損失[7]。

3.2 網(wǎng)絡化監(jiān)測和自動預警優(yōu)勢

大氣電場儀可以實現(xiàn)網(wǎng)絡化監(jiān)測和自動預警。通過將多個大氣電場儀設備連接至云端，可以實現(xiàn)遠程監(jiān)測和數(shù)據(jù)共享。在大范圍雷電預警中，多臺大氣電場儀可以協(xié)同工作，實現(xiàn)對雷電活動的全方位監(jiān)測和預警[8]。

大氣電場儀可以通過預設的預警閾值，實現(xiàn)自動預警，避免人工監(jiān)測中可能出現(xiàn)的漏檢和誤判問題。當大氣電場儀檢測到電場強度變化超過預警閾值時，會自動發(fā)出預警信號，向相關部門和群眾發(fā)送警報信息。自動預警不僅提高了雷電預警的及時性和準確性，還節(jié)省了人力和物力資源，提高了預警效率。

3.3 數(shù)據(jù)處理優(yōu)勢

大氣電場儀的數(shù)據(jù)處理能力較強，可以自動分析、記錄和傳輸數(shù)據(jù)，減輕人工處理數(shù)據(jù)的負擔，提高雷電預警的效率和準確性，有助于減少雷電災害的發(fā)生，保障人民群眾的生命和財產(chǎn)安全[9-11]。

大氣電場儀采集的數(shù)據(jù)主要包括電場強度、電位變化、電荷密度等參數(shù)。在實際操作中，大氣電場儀通過多種傳感器獲取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、存儲、傳輸和分析，為雷電防范和科學研究提供重要的數(shù)據(jù)支持。大氣電場儀的數(shù)據(jù)處理過程主要分為以下幾個步驟：

首先，大氣電場儀通過數(shù)字化處理和自動化分析技術可以實時采集空氣中的電場強度、電位變化等數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。這些數(shù)據(jù)通過傳感器傳輸至數(shù)據(jù)采集器，進行數(shù)字化處理和存儲，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和科學研究[12]。

其次，大氣電場儀可以通過自帶的算法和程序，自動對采集到的數(shù)據(jù)進行處理和分析。通過對數(shù)據(jù)的處理和分析，識別雷電的可能性，并進行預警。

最后，大氣電場儀可以將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至云端或本地計算機。同時，也可以通過網(wǎng)絡或短信等方式，將數(shù)據(jù)實時傳輸給相關部門，提高了雷電預警的效率和準確性。

3.4 長期連續(xù)監(jiān)測優(yōu)勢

大氣電場儀在雷電預警中具有很高的應用價值，隨著科技的不斷進步和技術的不斷成熟，大氣電場儀的應用范圍越來越廣泛。大氣電場儀對環(huán)境的干擾小，穩(wěn)定性高，能夠長期連續(xù)監(jiān)測。

首先，大氣電場儀使用的探頭和放大器等設備對環(huán)境的影響小，在工作時不會對周圍的生態(tài)環(huán)境和居民生活產(chǎn)生顯著的影響。同時，大氣電場儀的數(shù)據(jù)采集和傳輸過程中使用的電磁波輻射也很弱，對人類健康和環(huán)境影響較小。

其次，大氣電場儀具有較高的穩(wěn)定性，能夠長期連續(xù)監(jiān)測大氣電場強度和電荷密度等數(shù)據(jù)。由于雷電活動的頻繁變化，需要設備能夠在長時間內(nèi)穩(wěn)定運行，以確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。大氣電場儀采用了多種穩(wěn)定性較高的元器件和傳感器，可以確保其長時間連續(xù)運行。

最后，大氣電場儀具有很高的靈敏度，能夠在電場強度發(fā)生微小變化時及時檢測到并給出預警。而其靈敏度會受到環(huán)境因素的影響，因此大氣電場儀的精度和靈敏度需要不斷進行校準和優(yōu)化。這也是大氣電場儀需要不斷進行維護和更新的原因。

4 大氣電場儀在萬載雷電預警中應用的挑戰(zhàn)

4.1 地形復雜、海拔差異大的地區(qū)，安裝和維護難度大

在如萬載地區(qū)這類地形復雜、海拔差異大的地區(qū)時，大氣電場儀的安裝和維護面臨一定的挑戰(zhàn)。

一方面，在地形復雜的山區(qū)，安裝大氣電場儀需要考慮地形的起伏和不平坦性，以及不同地形對大氣電場的影響。在不同地形的區(qū)域內(nèi)，大氣電場強度會因地形的起伏、坡度和方向等因素的不同而產(chǎn)生變化，這會給大氣電場儀的安裝和使用帶來一定的困難。

另一方面，在海拔差異大的地區(qū)，如高山、峽谷等地區(qū)，大氣電場儀的安裝和維護也會遇到困難。在高海拔地區(qū)，空氣稀薄、溫度低，大氣電場的強度也會隨之變化，而大氣電場儀的探頭需要與環(huán)境接觸才能進行檢測，因此需要針對不同高度的區(qū)域，選擇合適的探頭，并對其進行調(diào)整和校準，以保證數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。在峽谷地區(qū)，地形陡峭，操作空間狹窄，對大氣電場儀的安裝和維護也提出了嚴格的要求。

在面對這些困難和挑戰(zhàn)時，相關人員需要采用科學、合理的安裝和維護方法。例如，可以根據(jù)地形特點，合理選擇安裝點和探頭類型，以提高大氣電場儀的靈敏度和準確性；還可以利用現(xiàn)代化技術手段，如遙感技術和智能化維護等，進行網(wǎng)絡化監(jiān)測和遠程維護，減少維護成本和人力投入，從而為大氣電場儀在復雜地形和氣象條件下的使用提供有力支持，增強其在雷電預警中的應用效果。

4.2 大氣電場儀的精度和靈敏度易受氣象和環(huán)境條件影響

雖然大氣電場儀在雷電預警中有著廣泛的應用前景和優(yōu)勢，但其精度和靈敏度受到多種因素的影響，如氣象條件、周圍環(huán)境、設備本身的性能等。這些因素都會導致大氣電場儀的檢測結(jié)果出現(xiàn)誤差，影響雷電預警的準確性。

首先，氣象條件，包括氣溫、濕度、風速、降雨量等。大氣電場儀主要檢測空氣中的電場強度和電荷密度，而氣象條件會直接影響空氣中的電場強度和電荷密度，從而影響大氣電場強度的測量結(jié)果，進而影響大氣電場儀的準確性和精度。例如，下雨天空氣中的電荷密度會顯著增大，導致大氣電場儀的檢測結(jié)果出現(xiàn)誤差。因此，在不同的天氣條件下，大氣電場儀需要進行不同的校準和優(yōu)化，以提高其精度和靈敏度。

其次，周圍環(huán)境。周圍環(huán)境包括電磁干擾、人為干擾、地質(zhì)構(gòu)造等因素。這些因素會干擾大氣電場儀的信號接收和傳輸，導致檢測結(jié)果出現(xiàn)誤差。為了避免這些干擾，大氣電場儀需要在安裝時選擇合適的位置，并采取相應的干擾措施，從而更好地發(fā)揮大氣電場儀在雷電預警中的作用。

最后，大氣電場儀自身的性能。大氣電場儀需要使用高質(zhì)量的材料和精密的制造工藝，以確保其精度和靈敏度的穩(wěn)定性。此外，大氣電場儀還需要定期進行維護和校準，以保證其檢測結(jié)果的準確性和可靠性。

4.3 大氣電場儀需要多儀器配合，形成完整的雷電預警系統(tǒng)

大氣電場儀雖然具有檢測雷電的優(yōu)勢，但在實際應用中，其仍需要與其他雷電預警儀器配合工作，形成完整的雷電預警系統(tǒng)。雷電預警系統(tǒng)一般由雷電定位系統(tǒng)、電場儀、雷達、衛(wèi)星等組成，通過互相配合能夠更好地實現(xiàn)對雷電的預警。

雷電定位系統(tǒng)能夠通過對雷電信號進行定位，精確地確定雷電活動的位置和范圍，進而提供更精準的預警信息。雷達則能夠探測到雷云內(nèi)部的物理變化，進而確定雷電的產(chǎn)生和發(fā)展，提供更為準確的預警。衛(wèi)星可以通過監(jiān)測雷云形態(tài)和運動情況，預測雷電的發(fā)生概率和趨勢。

配合使用這些儀器，能夠提高雷電預警系統(tǒng)的準確性和時效性，從而更好地預防和減輕雷電災害對人們生命財產(chǎn)造成的危害。同時，雷電預警系統(tǒng)的建設也需要考慮設備的互通性和數(shù)據(jù)共享問題，以實現(xiàn)預警信息的全面共享和有效傳遞。需要注意的是，由于各地區(qū)的氣象條件和地形環(huán)境存在差異，因此雷電預警系統(tǒng)的配置和建設也需要根據(jù)具體情況進行調(diào)整和優(yōu)化，以保證系統(tǒng)的適應性和靈活性。

5 結(jié)束語

大氣電場儀是一種新型的雷電預警儀器，能夠有效地預警雷電災害。在類似萬載雷電災害高發(fā)的地區(qū)，大氣電場儀在雷電預警中發(fā)揮了重要作用，優(yōu)勢明顯，但在實際應用中也面臨著一些挑戰(zhàn)。未來需要進一步完善大氣電場儀技術，提高其精度和穩(wěn)定性，更好地服務于雷電災害預警和防范工作。

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The Application of Atmospheric Electric Field Instrument on Lightning Warning in Wanzai County

Xu Gang et al（Wanzai Meteorological Bureau， Wanzai， Jiangxi 336100）

Abstract Based on the climate and geographical characteristics of the Wanzai region， the basic principles and technical parameters of the atmospheric electric field instrument were analyzed in detail， and the physical principles and operating methods of the atmospheric electric field instrument for retrograde lightning warning were deeply explored. A detailed analysis was made on the advantages and challenges of the application of atmospheric electric field instruments in lightning warning for ten thousand years， and corresponding measures were proposed to provide reference for relevant practitioners.

Key words Atmospheric electric field instrument; Lightning warning; Application