探討雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)及應(yīng)用

戴火云　鹿麟　劉能

摘 要：雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)可以在雷電發(fā)生前提供及時(shí)、準(zhǔn)確的雷電信息資料。根據(jù)雷電預(yù)警的特征、預(yù)警系統(tǒng)的原理和意義，分析了雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：雷電監(jiān)測(cè)；預(yù)警系統(tǒng)；電磁場(chǎng)；閃電定位系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：P427.32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.07.101

雷電與所在地區(qū)的氣候和地形特征有密切的關(guān)系，雷擊發(fā)生過(guò)程中產(chǎn)生的高電壓、電力和強(qiáng)磁場(chǎng)會(huì)對(duì)動(dòng)物和建筑設(shè)施等造成嚴(yán)重的威脅。雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的建立涉及多個(gè)領(lǐng)域，其中，通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等多種設(shè)施可為雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)提供雷電和雷暴預(yù)警專(zhuān)項(xiàng)服務(wù)。利用雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，并根據(jù)雷電、雷達(dá)和衛(wèi)星等相關(guān)歷史資料，可提取與雷電相關(guān)的特征數(shù)據(jù)資料信息，這對(duì)研究強(qiáng)對(duì)流天氣和雷電活動(dòng)有重要的意義。雷電預(yù)警有多種方式，利用衛(wèi)星、雷達(dá)得到的實(shí)際觀測(cè)資料與閃電定位、地面電場(chǎng)資料相結(jié)合，可得出重點(diǎn)區(qū)域的雷電活動(dòng)情況，并可利用已基本完善的雷電預(yù)警平臺(tái)發(fā)布預(yù)警信息。雷電監(jiān)測(cè)和雷暴預(yù)警服務(wù)作為氣象服務(wù)中的新產(chǎn)品，具有廣泛的推廣和應(yīng)用價(jià)值。因此，雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是防雷減災(zāi)中的重要組成部分。

1 雷電基礎(chǔ)知識(shí)

雷電是空氣中的分子在外界環(huán)境的作用下形成的重力分離或摩擦起電現(xiàn)象，達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)發(fā)生雷云帶電的現(xiàn)象。自然界中的雷電可分為云閃、云地閃、球閃和誘發(fā)雷電等。其中，云地雷電是對(duì)地面威脅最大的雷電，是電力、航空和森林等領(lǐng)域的重點(diǎn)防御對(duì)象。SAFIR雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可識(shí)別云地雷電，可對(duì)地面設(shè)備起到預(yù)警作用。雷電的整個(gè)放電過(guò)程持續(xù)在1 s內(nèi)，流程為：云層電荷形成電分布→初始擊穿→梯級(jí)先導(dǎo)→聯(lián)接過(guò)程→第一回?fù)簟鶮過(guò)程→J過(guò)程→直竄先導(dǎo)→第二回?fù)簟Ｆ渲校負(fù)暨^(guò)程具有電流大、時(shí)間短和輻射磁場(chǎng)較強(qiáng)等特點(diǎn)，是造成危害的主要原因。

2 雷電預(yù)警的特征

2.1 雷電預(yù)警的原理

雷電發(fā)生的本質(zhì)特征是雷云中電荷的不斷變化，同時(shí)，產(chǎn)生的電磁場(chǎng)強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生變化。因此，根據(jù)電磁場(chǎng)的變化強(qiáng)度可預(yù)判即將發(fā)生的雷電情況，并根據(jù)地區(qū)雷擊歷史的變化規(guī)律，準(zhǔn)確判定雷電發(fā)生的強(qiáng)度、時(shí)間和位置等詳細(xì)情況。雷電預(yù)警利用相關(guān)設(shè)備軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)雷云對(duì)地面電場(chǎng)強(qiáng)度變化的趨勢(shì)，當(dāng)電磁場(chǎng)的強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，預(yù)警設(shè)備就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示將有雷電現(xiàn)象發(fā)生。

2.2 雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的原理

雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)是一套基于地面電場(chǎng)儀和閃電定位網(wǎng)的雷電監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)。閃電定位系統(tǒng)是一套云地閃探測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)云地閃的發(fā)生位置進(jìn)行定位。閃電發(fā)生時(shí)會(huì)向外輻射電磁波，通過(guò)對(duì)大量觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，云地閃輻射的電磁波有其固有特征。基于這一原理，通過(guò)設(shè)置多個(gè)探測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)波形特征點(diǎn)到達(dá)每個(gè)探測(cè)站的準(zhǔn)確時(shí)間，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)云地閃的精確定位。

2.3 雷電預(yù)警系統(tǒng)的意義

雷電是強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生時(shí)的一種自然天氣現(xiàn)象，因此，雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)與天氣、氣候等因素有著密切的聯(lián)系，雷電預(yù)警未來(lái)可持續(xù)發(fā)展的規(guī)劃建設(shè)必須依據(jù)天氣、氣候等方面的探空觀測(cè)資料、地面氣象觀測(cè)資料和實(shí)時(shí)雷電資料及其預(yù)報(bào)、預(yù)測(cè)產(chǎn)品等，從而為雷電預(yù)警未來(lái)的建設(shè)提供科學(xué)的理論依據(jù)。與單靠地面電場(chǎng)儀對(duì)雷電進(jìn)行短時(shí)預(yù)警相比，雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更精確、直觀的觀測(cè)和預(yù)報(bào)。長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)可使觀測(cè)人員對(duì)雷暴的局部活動(dòng)習(xí)性有更加深刻的了解，從而為小尺度雷暴活動(dòng)與地面電場(chǎng)關(guān)系的研究提供準(zhǔn)確的資料。通過(guò)建立雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，并與雷電服務(wù)業(yè)務(wù)體系統(tǒng)籌發(fā)展，既能實(shí)現(xiàn)雷電行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)雷電信息資料的傳輸、處理和成果共享，還能使雷電監(jiān)測(cè)防御的實(shí)體功能得到充分發(fā)揮，提高各個(gè)地區(qū)的雷電監(jiān)測(cè)水平，從而提高該地區(qū)的防雷減災(zāi)綜合能力。雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的建立能提供全面、精確和及時(shí)的雷電預(yù)警信息，對(duì)防御雷電災(zāi)害的發(fā)生，保障安全生產(chǎn)具有重要的意義，能最大限度地減少人員傷亡和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等方面的損失，從而將雷電災(zāi)害造成的損失降至最低。

3 雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 雷電定位系統(tǒng)的應(yīng)用

閃電定位儀的原理為：閃電在發(fā)生過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生較大的電流、電壓和電磁輻射等一系列連續(xù)性強(qiáng)且涉及范圍廣的電磁輻射。雷電監(jiān)測(cè)定位儀利用閃電回?fù)糨椛涞穆暋⒐夂碗姶盘匦赃b測(cè)放電參數(shù)，常用的監(jiān)測(cè)定位法有定向法、時(shí)差法、干涉法和光學(xué)法等。其中，定向法是在原雙陰極示波器定位儀的基礎(chǔ)上，研制出的一種自動(dòng)化的磁方向閃電定位系統(tǒng)，使用寬波段VLF信號(hào)接收閃電輻射，極大地減少了由于窄信號(hào)而引起的偏振誤差和電離層反射等造成的影響，同時(shí)，還能控制測(cè)角誤差；干涉法利用相位差確定輻射位置，采取直線傳播的方式，受輻射波形、幅度和地面?zhèn)鲗?dǎo)率的影響較小，定位準(zhǔn)確率較高。根據(jù)雷電定位系統(tǒng)在雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雷電災(zāi)害重點(diǎn)區(qū)域全局的可視化監(jiān)控，同時(shí)，結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的雷電綜合數(shù)據(jù)，可對(duì)重點(diǎn)區(qū)域內(nèi)雷電可能發(fā)生的概率進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，最終根據(jù)得出的雷電信息給出雷電預(yù)警；可根據(jù)預(yù)警信息，通過(guò)指令遠(yuǎn)程控制用戶(hù)單位內(nèi)重要設(shè)備的主要防雷裝置，阻斷雷電電涌侵入通道。在預(yù)警信號(hào)解除后可自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行，從而有效減少雷災(zāi)造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

3.2 雷電短時(shí)臨近雷電預(yù)警系統(tǒng)

雷電短時(shí)臨近預(yù)警系統(tǒng)可以在雷電發(fā)生前較短的時(shí)間內(nèi)探測(cè)到雷電信息并發(fā)出預(yù)警，有效減少了因雷擊而造成的損失。一般常用的設(shè)備有閃電監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)和DNDY型地面電場(chǎng)儀系統(tǒng)。閃電定位數(shù)據(jù)由各地區(qū)閃電定位網(wǎng)數(shù)據(jù)處理中心分批發(fā)出，雷電預(yù)警資料以雷達(dá)資料和閃電定位資料為參考，篩選出閃電次數(shù)、液態(tài)水含量、回波頂高和1 h雷達(dá)估測(cè)降水量資料為雷電預(yù)警因子，并確立閥值序列。采用配料法，以閃電定位信息、0.5°仰角反射率和風(fēng)暴追蹤信息等進(jìn)行500 m×500 m的時(shí)空分辨率和時(shí)效為1 h的雷電預(yù)警。雷電短期臨近預(yù)報(bào)和預(yù)警服務(wù)為雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警提供了可靠的預(yù)測(cè)技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)

[1]沐俊山，雷治平，張存華.雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的原理及應(yīng)用[J].山西氣象，2004（04）.

〔編輯：張思楠〕

Abstract： Lightning monitoring and warning system can provide timely and accurate information before lightning lightning occurs. According to the characteristics of lightning warning， principles and significance of early warning systems， and analyzes the application of lightning monitoring and warning systems.

Key words： lightning monitoring； warning systems； electromagnetic field； lightning location system