探討雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)及應(yīng)用

戴火云　鹿麟　劉能

摘 要：雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)可以在雷電發(fā)生前提供及時、準確的雷電信息資料。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)測預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用。

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

中圖分類號：P427.32 文獻標識碼：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)生過程中產(chǎn)生的高電壓、電力和強磁場會對動物和建筑設(shè)施等造成嚴重的威脅。雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的建立涉及多個領(lǐng)域，其中，通信、計算機網(wǎng)絡(luò)等多種設(shè)施可為雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)提供雷電和雷暴預(yù)警專項服務(wù)。利用雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，并根據(jù)雷電、雷達和衛(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，這對研究強對流天氣和雷電活動有重要的意義。雷電預(yù)警有多種方式，利用衛(wèi)星、雷達得到的實際觀測資料與閃電定位、地面電場資料相結(jié)合，可得出重點區(qū)域的雷電活動情況，并可利用已基本完善的雷電預(yù)警平臺發(fā)布預(yù)警信息。雷電監(jiān)測和雷暴預(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)用價值。因此，雷電監(jiān)測系統(tǒng)是防雷減災(zāi)中的重要組成部分。

1 雷電基礎(chǔ)知識

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，達到一定程度時會發(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，云地雷電是對地面威脅最大的雷電，是電力、航空和森林等領(lǐng)域的重點防御對象。SAFIR雷電監(jiān)測系統(tǒng)可識別云地雷電，可對地面設(shè)備起到預(yù)警作用。雷電的整個放電過程持續(xù)在1 s內(nèi)，流程為：云層電荷形成電分布→初始擊穿→梯級先導(dǎo)→聯(lián)接過程→第一回擊→K過程→J過程→直竄先導(dǎo)→第二回擊。其中，回擊過程具有電流大、時間短和輻射磁場較強等特點，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，產(chǎn)生的電磁場強度也會發(fā)生變化。因此，根據(jù)電磁場的變化強度可預(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，準確判定雷電發(fā)生的強度、時間和位置等詳細情況。雷電預(yù)警利用相關(guān)設(shè)備軟件實時監(jiān)測雷云對地面電場強度變化的趨勢，當電磁場的強度達到一定值時，預(yù)警設(shè)備就會發(fā)出報警信號，提示將有雷電現(xiàn)象發(fā)生。

2.2 雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的原理

雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是一套基于地面電場儀和閃電定位網(wǎng)的雷電監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)。閃電定位系統(tǒng)是一套云地閃探測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r對云地閃的發(fā)生位置進行定位。閃電發(fā)生時會向外輻射電磁波，通過對大量觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，云地閃輻射的電磁波有其固有特征?；谶@一原理，通過設(shè)置多個探測點，檢測波形特征點到達每個探測站的準確時間，從而可實現(xiàn)對云地閃的精確定位。

2.3 雷電預(yù)警系統(tǒng)的意義

雷電是強對流天氣發(fā)生時的一種自然天氣現(xiàn)象，因此，雷電監(jiān)測預(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資料、地面氣象觀測資料和實時雷電資料及其預(yù)報、預(yù)測產(chǎn)品等，從而為雷電預(yù)警未來的建設(shè)提供科學的理論依據(jù)。與單靠地面電場儀對雷電進行短時預(yù)警相比，雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)可以實現(xiàn)更精確、直觀的觀測和預(yù)報。長時間的觀測可使觀測人員對雷暴的局部活動習性有更加深刻的了解，從而為小尺度雷暴活動與地面電場關(guān)系的研究提供準確的資料。通過建立雷電監(jiān)測預(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)測防御的實體功能得到充分發(fā)揮，提高各個地區(qū)的雷電監(jiān)測水平，從而提高該地區(qū)的防雷減災(zāi)綜合能力。雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的建立能提供全面、精確和及時的雷電預(yù)警信息，對防御雷電災(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經(jīng)濟等方面的損失，從而將雷電災(zāi)害造成的損失降至最低。

3 雷電監(jiān)測預(yù)警預(yù)報系統(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)生過程中，會產(chǎn)生較大的電流、電壓和電磁輻射等一系列連續(xù)性強且涉及范圍廣的電磁輻射。雷電監(jiān)測定位儀利用閃電回擊輻射的聲、光和電磁特性遙測放電參數(shù)，常用的監(jiān)測定位法有定向法、時差法、干涉法和光學法等。其中，定向法是在原雙陰極示波器定位儀的基礎(chǔ)上，研制出的一種自動化的磁方向閃電定位系統(tǒng)，使用寬波段VLF信號接收閃電輻射，極大地減少了由于窄信號而引起的偏振誤差和電離層反射等造成的影響，同時，還能控制測角誤差；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，定位準確率較高。根據(jù)雷電定位系統(tǒng)在雷電監(jiān)測預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)中的應(yīng)用，實現(xiàn)了對雷電災(zāi)害重點區(qū)域全局的可視化監(jiān)控，同時，結(jié)合實時監(jiān)測的雷電綜合數(shù)據(jù)，可對重點區(qū)域內(nèi)雷電可能發(fā)生的概率進行實時預(yù)測，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，通過指令遠程控制用戶單位內(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)警信號解除后可自動恢復(fù)運行，從而有效減少雷災(zāi)造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失。

3.2 雷電短時臨近雷電預(yù)警系統(tǒng)

雷電短時臨近預(yù)警系統(tǒng)可以在雷電發(fā)生前較短的時間內(nèi)探測到雷電信息并發(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)測定位系統(tǒng)和DNDY型地面電場儀系統(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雷達估測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°仰角反射率和風暴追蹤信息等進行500 m×500 m的時空分辨率和時效為1 h的雷電預(yù)警。雷電短期臨近預(yù)報和預(yù)警服務(wù)為雷電監(jiān)測預(yù)警提供了可靠的預(yù)測技術(shù)支持。

參考文獻

[1]沐俊山，雷治平，張存華.雷電監(jiān)測預(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