闪电探测技术发展和资料应用

闪电探测技术发展和资料应用!张义军孟青马明董万胜吕伟涛（中国气象科学研究院雷电物理与防护工程实验室，北京!"""#!）摘要文中综述了闪电探测技术和方法的发展状况，阐述了闪电监测资料在闪电预警预报、防护以及在灾害性天气监测等方面的应用，探讨了我国闪电探测站网建设的技术和方法，以及利用闪电探测资料开展雷电预警预报的方法与途径。

闪电探测技术对雷电研究和雷电防护技术的发展非常重要，特别是随着科学技术的发展，闪电探测技术得到了快速发展，这为雷电监测和预警提供了重要手段，对减少雷电灾害具有重要作用。

关键词：闪电定位；闪电监测网；闪电预警引言雷电是一种特殊的天气现象，雷击过程产生的高电压、大电流和强电磁辐射常常造成严重的灾害和经济损失，特别是随着微电子器件的大量采用，一次雷击引起的灾害越来越严重，造成的影响也越来越大，社会对雷电的监测和防护提出了更高的需求。

雷电的记录由来已久，主要是通过目测获得雷暴日、雷暴小时及起止时间等信息。

但近$"年来，由于对雷电现象研究的深入及遥感、遥测技术的发展，在雷电探测特别是对地闪的监测和定位方面实现了突破。

目前准实时（几秒以内）地闪探测技术已较为成熟，可以给出地闪发生的位置、强度、极性以及回击次数等信息。

地闪定位系统在国外已经历了较长时间的考验，几个发达国家已实现联网的实时监测，对其监测性能经过了与其他雷电特征观测的对比分析和评估［!］。

随着雷电监测技术的发展和成熟，雷电探测信息不仅为雷电发生发展过程的研究提供了可靠的数据资料，而且在其他方面也得到了广泛的应用。

在气象观测业务上，通过闪电数据的应用研究，闪电监测和预警已成为气象服务产品中的一种新形式。

同时闪电资料在强风暴系统中的应用研究和产品开发，使闪电资料在灾害性天气预报中也发挥了应有的作用，并显示出其广泛的应用前景。

!闪电定位技术短暂的闪电放电辐射出自%&’至()’很宽频的电磁脉冲［$*+］，频率范围从极低频到超高频，其中以%&’／&’辐射为最强（如图!所示）。

闪电通常分为地闪（,-）和云闪（.,），地闪过程一般包含一次或多次先导—回击过程，中和云内电荷量达几到几十库仑。

与空气击穿相联系的云内预击穿过程、梯级先导过程、云闪等过程的辐射能量主要集中在! /)0以上的高频段；与回击过程的辐射相比，这些过程在甚高频、超高频段辐射较强。

闪电定位技术是通过对闪电辐射的声、光、电磁场信息的测量，进而确定闪电放电的空间位置和放电参数。

目前采用的主要手段有声、光和电磁场+类（包括无线电测向技术）。

!1!地基闪电定位技术闪电电磁脉冲辐射场探测手段在地基闪电定位技术上的应用最为广泛。

甚低频段一般采用磁向法（/2’）、时差法（345）以及磁向和时间差联合法（./65,3）；甚高频段一般采用窄带干涉仪定位法（.3’）或者时差法（345）。

从探测站点布设方式上可分为单站定位和多点联合定位［+］。

!1!1!甚低频（%&’／&’）定位技术早在$"世纪初，将传统的%&’／&’无线电（磁）测向（/2’）技术用于远程（上千公里以外）雷电活第!7卷8期$""9年!"月应用气象学报:4(;<5&4’566&.=2/=3=4;4&4-.,5&>,.=<,=%?@1!7，<?18""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""4A B?C D E$""9!科技部科研院所技术开发研究专项资金项目“三维闪电探测系统研制”资助。

$""9*"9*"+收到，$""9*"#*"+收到再改稿。

图!闪电频谱和探测技术动的监测曾获得成功。

但当雷电活动与测站距离变小到"##!$##%&时，闪电通道的非垂直性（具有一定的水平分量）开始影响测向精度，最终导致无法使用所监测到的信号来定向，从而导致’()法（*+)／+)频段）一度在雷电定位方法上的应用进展缓慢。

*+)／+)的’()定位技术在,#世纪-#年代，一项基础研究的成果使雷电定位技术获得了新生［.］。

研究表明：在地闪（云对地的闪电放电）回击（主放电）的瞬间，十分靠近地面的通道垂直于地面。

如果能探测地闪过程仅在这段时间的辐射，那么应用’()法进行雷电定位的障碍就可被基本清除。

而这一部分辐射有明显的波形特征（图,），便于在技术上实现波形捕捉。

由此，在该波形特征专利的基础上，出现了新一代有波形鉴别技术并加有时间门限的*+)／+)频段’()技术及其多站网络，从而也使实时雷电定位技术变成现实［.］。

*+)／+)频段的’()定位技术采用一对南北方向和东西方向垂直放置的正交环磁场天线测量闪电发生的方位角，并与水平放置的电场天线组合鉴别地闪波形特征。

利用两个或两个以上探测子站测量的闪电方位角进行交汇，来确定闪电发生点的平面位置。

*+)／+)频段’()采用方位交汇法所提供的测向精度受测站附近的地形地物影响较大，对天线安装的环境要求也较高，因此它的实际探测精度不是很高［$］。

*+)／+)的/01技术随后美国和英国的科图,闪电电场变化波形（2）云闪放电波形，（3）地闪首次回击波形，（4）地闪继后回击波形学家分别发展了一种*+)／+)的到达时间（/01）定位技术［56-］。

/01定位技术采用闪电电磁脉冲到达不同测站的时间差进行闪电定位，由于/01采用的天线简单，且通过测定闪电回击辐射场到达测站的精确时间，或到达不同测站的时间差，从而避免了’()固有的随闪电离测站距离误差线性增大的缺点。

但它对测时精度的要求较高，且至少要"站才有可能定位，同时由于回击波形峰值点随传播路,!5应用气象学报!-卷径和距离的不同可能发生漂移和畸变，或者受到环境的干扰，从而导致时间测量误差，使得!"#法实际探测误差有时达几百米或几公里。

而且如果不借助波形鉴别，它有可能把个别强的云闪误计为地闪。

$%&和!"#综合探测技术为改进定位精度，将$%&和!"#两种技术结合在一起发展成了联合闪电定位法，形成了第二代的现代地闪定位系统’$(#)!［*+,］。

采用这种综合探测技术的闪电定位系统的每个探测站既探测回击发生的方位角，又测定回击电磁脉冲到达的精确时间。

中心站将根据每个闪电探测子站测到闪电的方位和到达时间差数据，进行不同组合的联合定位。

具有这两种定位方法的闪电定位系统在不增加探测子站数目的前提下，保证了较高的定位精度，是目前比较实用的闪电定位技术。

-.-./地基甚高频（01&）定位技术由于02&／2&雷电探测技术难以提供闪电通道快速发展过程的信息，/3世纪43年代后半期，科学家们又提出并实践了01&／!"#（时差技术）和01&／’&!［-3+-5］（干涉技术）。

01&／’&!技术01&干涉仪闪电定位技术，是指用干涉法测定闪电放电辐射源位置的方法，包括窄带和宽带两种方法。

01&／’&!技术一般采用有足够波程差的若干个接收天线振子，当来波从不同的方位到达天线阵时，各个振子上接收到的信号将产生不同的相位差，测定这些相位差原则上即能确定来波相对于天线阵的方位。

此后，大部分时间里，它们仅作为研究手段被使用，而法国科技人员进一步发展了01&／’&!技术并使其变为商业产品。

该产品已在一些国家组网，提供闪电通道的二维图像，在一定的范围内还具有给出闪电三维图像的能力，并通过与低频闪电定位技术的结合，具备同时探测云闪和地闪的能力。

01&／!"#技术01&／!"#技术是低频!"#定位法在01&闪电辐射源三维空间定位上的扩展，特别是随着6(7技术的发展和成熟，这种定位技术得到了进一步发展。

该技术一般采用窄带甚高频长基线时差法，对每一个闪电辐射源能以很高的时间分辨率（839:）和空间定位精度（83!-33;）进行定位，可以展现闪电放电01&辐射源的三维时空演变过程，同时利用与低频闪电定位系统集成的方式进行云闪和地闪的综合探测［-<］。

美国在最近完成了01&／!"#技术向生产商业产品的过渡，该产品具有与其他02&／2&和$%&／!"#网兼容的二维和三维显示能力，同时也大大改善了甚低频闪电定位技术对云闪探测不足的缺点。

由于01&是视距传播，因此要把天线尽量升高，并力求周围无遮挡物。

但该系统没有探测到地闪落地点的能力，仍需要利用02&／2&技术的波形鉴别来区分云闪和地闪。

相对于01&／!"#，01&／’&!对时间同步的要求略低一些，对信号强度的要求也低一些。

但它的一个测站具有多个天线，安装要求较高。

其观测数据要经过比较复杂的处理，而不像!"#技术那么简单直接。

经过试验研究发现，01&／!"#技术对闪电产生的孤立脉冲的定位具有优势，而01&／’&!技术对闪电产生的连续脉冲的定位则更好一些。

!."星载雷电探测、定位技术-./.-光学闪电探测/3世纪,3年代以来，随着电子、信息技术的迅猛发展，在分析了/3世纪*3年代高空=#7#>/飞机得到的大量闪电光观测资料以及其他研究结果的基础上，人们对云顶闪电光学辐射的时空特征及光谱特性有了更新的认识，研制了新一代更精确、更高效的星载闪电探测器并发射入轨运行，包括=#7#发展的光学瞬态探测器（"!%）和闪电成像传感器（2’7），2?:#@A;?:实验室的&A:B?9+"C D E B F G H?C I E9J?K!C A9:E G9B（&"F!L）卫星闪电探测器［-8+-*］。