大興安嶺地區(qū)森林雷擊火主動防御研究*

付 瓊 王 石** 李翊寧

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

森林火災(zāi)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(zāi)在我國的一些地區(qū)也相當(dāng)嚴重，據(jù)2008～2021 年大興安嶺地區(qū)統(tǒng)計，全區(qū)共發(fā)生447 起森林火災(zāi)，其中雷擊森林火災(zāi)發(fā)生394 起，占比88.1%。由雷擊火引起的森林火災(zāi)，多數(shù)發(fā)生在人跡罕至的地區(qū)，很難被及時發(fā)現(xiàn)，往往會形成大面積的森林火災(zāi)，通常的防火措施無法有效的減少雷擊森林火災(zāi)發(fā)生的次數(shù)。本文闡述、剖析了雷擊火發(fā)生機理、人工主動防御機理，介紹了在大興安嶺地區(qū)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(chǔ)作用，并為雷擊火未來防控研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 雷擊火災(zāi)的形成機理

雷擊引發(fā)的森林火災(zāi)是由云地閃電造成的，當(dāng)雷雨云與地之間發(fā)生閃電時，就會在云地之間生成雷擊現(xiàn)象，通常云地閃電會產(chǎn)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(dāng)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(chǎn)生高達幾萬℃的高溫。由云地閃電產(chǎn)生的雷擊所形成的強大電流會在極短的時間內(nèi)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(zāi)。

在干燥的氣候環(huán)境下，特別容易形成干雷暴天氣。同時氣候處在干燥環(huán)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(huán)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(fā)森林雷擊火災(zāi)[3]。

2 森林雷擊火災(zāi)人工主動防御機理

森林雷擊火一般發(fā)生在人跡罕至的地區(qū)，一旦發(fā)生森林火災(zāi)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(zāi)帶來的經(jīng)濟損失。雷擊閃電的形成過程，是需要由積雨云發(fā)展成雷暴云的，當(dāng)對流云體通過對流運動形成強電場發(fā)展到對地發(fā)生雷擊閃電，這時是一個蘊積致災(zāi)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(shù)控制雷暴云中云地閃電發(fā)生的條件，就可能減少、避免雷擊閃電的發(fā)生[4-5]。

通過試驗，采用人工影響天氣的技術(shù)方法，在容易發(fā)生雷擊火災(zāi)的區(qū)域，是能夠人為的消除云地閃電的發(fā)生，從而降低或避免由于雷擊閃電引發(fā)的火災(zāi)發(fā)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(zhì)造成氣流下沉并產(chǎn)生降水；（2）利用噴氣式飛機大角度著陸飛行時產(chǎn)生的拖帶下沉氣流，使得云層發(fā)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(dǎo)電性較好的物質(zhì)，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(fā)生；（5）從地面向空中發(fā)射高速運動的物體，如發(fā)射拖帶細金屬導(dǎo)線的小火箭來誘發(fā)雷暴云內(nèi)云地閃電的發(fā)生，將云中電荷引導(dǎo)至地下，從而削弱或避免森林雷擊火災(zāi)的發(fā)生[10-11]。

3 人工主動引雷技術(shù)試驗

3.1 人工引雷試驗環(huán)境

為了保證試驗的科學(xué)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(jù)試驗需求進行了相應(yīng)的布置工作。用于森林雷擊火主動防御，人工引發(fā)雷電試驗的主要設(shè)備裝置見圖2～7。

圖1 引導(dǎo)放電式小火箭防雷系統(tǒng)流程圖

圖2 控制觀測發(fā)射室

圖3 試驗觀測記錄裝置

圖4 小火箭

圖5 小火箭發(fā)射裝置

圖6 現(xiàn)場安裝操作

圖7 小火箭發(fā)射現(xiàn)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(qū)試驗場附近，局部地區(qū)開始形成雷暴云的天氣，距試驗點4.5 km處開始有閃電發(fā)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(xiàn)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(fā)閃電時刻前的地面大氣電場峰值。當(dāng)時平均每2 min 發(fā)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(fā)生雷擊閃電后的穩(wěn)定恢復(fù)階段，并于16 點22 分17 秒成功引發(fā)閃電（圖9）。

圖8 大氣電場實時變化的曲線圖

圖9 引發(fā)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(fā)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(jié)果，可估算閃電的放電參數(shù)。放電過程結(jié)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?qū)ΨQ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(guān)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(fā)生閃電的臨界點時引發(fā)閃電，所以掌握最合適的發(fā)射時機是引發(fā)閃電成功的關(guān)鍵因素。從圖8 可以看出，每一次發(fā)生閃電后，大氣的電場強度都會逐漸下降并會發(fā)生極性反轉(zhuǎn)，在維持一段平穩(wěn)的狀態(tài)后，會再次發(fā)生閃電。在16 時，發(fā)生了1 次自然閃電，17 時40 分左右，大氣電場的極性發(fā)生了反轉(zhuǎn)，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(fā)生臨界點，這時空中的電場己經(jīng)發(fā)生變化，但并沒引起地面電場的明顯變化，而地面電場監(jiān)測到的數(shù)據(jù)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(fā)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(wěn)狀態(tài)，這時雷暴云中聚集的云電荷已經(jīng)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(fā)閃電的成功率會很高?，F(xiàn)場中我們選擇在22 時引發(fā)閃電并獲得成功，驗證了這一推論。通過分析，人工引發(fā)閃電的最佳時機，是應(yīng)在自然閃電發(fā)生后恢復(fù)階段的后期，并且地面大氣電場強度較大時，這時引發(fā)閃電的成功機率會很高。

4 小 結(jié)

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