大興安嶺地區森林雷擊火主動防御研究*

付 瓊 王 石** 李翊寧

（1.國家林業和草原局哈爾濱林業機械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.國家林業和草原局林業機電工程實驗室，黑龍江 哈爾濱 150086；3.國家林業草原林業裝備工程技術研究中心，黑龍江 哈爾濱 150086））

森林火災主要由自燃火和人為火組成，而雷擊火是最危險的自然火源之一。森林雷擊火災在我國的一些地區也相當嚴重，據2008～2021 年大興安嶺地區統計，全區共發生447 起森林火災，其中雷擊森林火災發生394 起，占比88.1%。由雷擊火引起的森林火災，多數發生在人跡罕至的地區，很難被及時發現，往往會形成大面積的森林火災，通常的防火措施無法有效的減少雷擊森林火災發生的次數。本文闡述、剖析了雷擊火發生機理、人工主動防御機理，介紹了在大興安嶺地區進行的人工引雷主動防御試驗，旨在為未來森林雷擊火主動防御工作中起到基礎作用，并為雷擊火未來防控研究提供科學依據。

1 雷擊火災的形成機理

雷擊引發的森林火災是由云地閃電造成的，當雷雨云與地之間發生閃電時，就會在云地之間生成雷擊現象，通常云地閃電會產生強大的雷擊電流，一般電流強度在2 萬A 至4 萬A 之間，當每平方米電壓超過50 萬v 時[1-2]，將能引起雷擊，并在直徑只有幾厘米的雷擊閃電通道中，產生高達幾萬℃的高溫。由云地閃電產生的雷擊所形成的強大電流會在極短的時間內釋放出大量熱能，一旦擊中地面具備燃燒條件的可燃物，便能直接引起地面可燃物的燃燒引起地森林火災。

在干燥的氣候環境下，特別容易形成干雷暴天氣。同時氣候處在干燥環境下，森林中植被的含水率會降低，具備燃燒條件的可燃物增多，地表環境溫度較高，這時如果雷暴天氣中雷擊的閃電強度很大，就容易引發森林雷擊火災[3]。

2 森林雷擊火災人工主動防御機理

森林雷擊火一般發生在人跡罕至的地區，一旦發生森林火災就難以撲救，最好的做法是提前主動防御，從而減少森林火災帶來的經濟損失。雷擊閃電的形成過程，是需要由積雨云發展成雷暴云的，當對流云體通過對流運動形成強電場發展到對地發生雷擊閃電，這時是一個蘊積致災的過程。因而在雷擊閃電形成的過程中，采用人工影響天氣的技術控制雷暴云中云地閃電發生的條件，就可能減少、避免雷擊閃電的發生[4-5]。

通過試驗，采用人工影響天氣的技術方法，在容易發生雷擊火災的區域，是能夠人為的消除云地閃電的發生，從而降低或避免由于雷擊閃電引發的火災發生[6]。目前可以采用人工影響雷擊閃電的方法有：（1）在云上撒播鹽粉、粘土等固體物質造成氣流下沉并產生降水；（2）利用噴氣式飛機大角度著陸飛行時產生的拖帶下沉氣流，使得云層發生消散或是云頂降低[7-9]；（3）通過飛機撒播碘化銀，破壞雷暴云的起電機制；（4）利用飛機向空中撒播導電性較好的物質，如金屬鋁箔等消除或減弱云中的電荷，降低云中的電場強度，抑制雷擊閃電的發生；（5）從地面向空中發射高速運動的物體，如發射拖帶細金屬導線的小火箭來誘發雷暴云內云地閃電的發生，將云中電荷引導至地下，從而削弱或避免森林雷擊火災的發生[10-11]。

3 人工主動引雷技術試驗

3.1 人工引雷試驗環境

為了保證試驗的科學有效性，在試驗前期，我們對試驗場的選址、試驗的組成等方面進行了大量的準備工作，并根據試驗需求進行了相應的布置工作。用于森林雷擊火主動防御，人工引發雷電試驗的主要設備裝置見圖2～7。

圖1 引導放電式小火箭防雷系統流程圖

圖2 控制觀測發射室

圖3 試驗觀測記錄裝置

圖4 小火箭

圖5 小火箭發射裝置

圖6 現場安裝操作

圖7 小火箭發射現場裝置

3.2 人工引雷試驗過程

下午2 時左右，在大興安嶺地區試驗場附近，局部地區開始形成雷暴云的天氣，距試驗點4.5 km處開始有閃電發生。至下午4 時左右，試驗點附近開始形成對流云層并向試驗點方向移動。此時，大氣電場儀呈現為負極性，地面大氣電場被雷暴云中的負電荷控制。這時雷暴中心逐漸向試驗場移來，地面大氣電場也由負變正，并迅速增長到40 kV/m。由圖8 可見，曲線圖中△點(16 點20 分08 秒)為觸發閃電時刻前的地面大氣電場峰值。當時平均每2 min 發生1 次雷擊閃電，引雷時機選擇為地面電場變化率較小，且處于發生雷擊閃電后的穩定恢復階段，并于16 點22 分17 秒成功引發閃電（圖9）。

圖8 大氣電場實時變化的曲線圖

圖9 引發閃電成功記錄影像圖

3.3 人工引雷試驗分析

通過大氣電場測量儀測出觸發閃電引起的地面電場強度變化，利用大氣電場測量儀記錄的結果，可估算閃電的放電參數。放電過程結束時，可認為是將云中一定的電荷釋放到地面，假定電荷為球對稱分布，則

式中，ΔE 為測出的地面電場變化值；H 和ΔQ 分別為雷暴云中電荷中心高度及其電荷量；D為測點與閃擊點之間的距離。

試驗中H 為2.0 km，D 為200 m，圖10 反映ΔE 與ΔQ 的變化關系。

圖10 地面大氣電場與云中電荷變化趨勢

人工引雷要在雷暴云聚集了一定的電荷量，并在發生閃電的臨界點時引發閃電，所以掌握最合適的發射時機是引發閃電成功的關鍵因素。從圖8 可以看出，每一次發生閃電后，大氣的電場強度都會逐漸下降并會發生極性反轉，在維持一段平穩的狀態后，會再次發生閃電。在16 時，發生了1 次自然閃電，17 時40 分左右，大氣電場的極性發生了反轉，所以在16 時自然閃電放電后，雷暴云中的電荷開始重新聚集形成新的閃電發生臨界點，這時空中的電場己經發生變化，但并沒引起地面電場的明顯變化，而地面電場監測到的數據會滯后于空中電場的變化，雖然此時電場測量儀顯示的地面電場強度很大，但空中電場強度并沒有多大，如果這時進行人工觸發閃電，成功的機率會很低。在17 時40 分到19 時左右大氣電場強度維持在一個平穩狀態，這時雷暴云中聚集的云電荷已經達到了一個新的平衡點，所以，此時地面的電場強度和空中的電場強度基本達到了一致，如果這時地面的電場強度較大，則人工觸發閃電的成功率會很高。現場中我們選擇在22 時引發閃電并獲得成功，驗證了這一推論。通過分析，人工引發閃電的最佳時機，是應在自然閃電發生后恢復階段的后期，并且地面大氣電場強度較大時，這時引發閃電的成功機率會很高。

4 小 結

主動防御森林雷擊火災是在人工預測雷電發生基礎上提出的。當雷暴臨近時，通過人為對雷暴天氣的干涉，破壞發生雷擊閃電的條件，降低或消除雷擊閃電的發生，預防和減弱了森林雷擊火發生的條件，避免了發生森林雷擊火災的可能性，起到了主動防御森林雷擊火災的作用。隨著雷擊探測技術的進步、氣象站點的增加以及歷史監測數據的積累，可為準確預測和消除雷擊火提供理論基礎。