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监测大气电场在雷电预报及防护中的作用
2021-11-08 13:04:39

监测大气电场在雷电预报及防护中的作用

摘要：利用雷电形成过程中所产生的效应对雷电进行检测，不仅能为雷电预警提供有效的信息，而且也为检验避雷装置的保护能力和避雷效果提供了直接的依据。在雷电的诸多效应中，大气电场是唯一贯穿雷电整个过程的特征参量。在云南景洪市气象站进行的大气电场仪对比试验中，监测数据基本上反映了其上空电荷存在的情况和累积量的多少。

关键词：雷雨云；雷电防护；雷电监测；大气电场

0 引言
雷电是威胁人类生命财产安全最严重的自然灾害之一。任一瞬间，在全世界各地发生的雷暴大约有2000多个，平均每秒钟差不多要产生100次闪电。发生闪电前，云地间有很强的电场，有时高达每米数十万伏，发生闪电时在落雷点有很高的电压和很大的电流，能产生高达3000℃的高温，对人类生命财产构成极大的危害。据不完全统计，我国每年因雷击造成的人员伤亡约有3000～4000人，经济损失达50亿至100亿元人民币。
随着我国经济和社会的发展，对雷电防护愈来愈重视，航空、航天、电力、信息、石油、军工、厂矿、森林等行业和体育场馆等大型建设工程都提出了对雷电防护的要求。除采用传统的避雷针、避雷带、避雷网外，还研制了各式各样的避雷器，甚至还引进了不少国外的产品。雷电监测也是雷电防护重要措施之一，与避雷器相辅相成。尤其对大气电场的监测，不但可以及时了解雷雨云电荷积累的情况，为雷电预警提供有效的信息，而且对检验避雷设备性能的好坏也起着很重要的作用，为避雷设备在实际运行中的避雷能力和避雷效果提供数值依据。因而，为了今后开展对大气电场的监测工作，提高对雷电的预报能力，中国气象局监测网络司大气探测技术中心组织全国各电场仪生产厂家在雷暴多发地——云南西双版纳州景洪市进行了大气电场仪现场对比试验。
1 雷电监测与雷电预警
雷电是一种非常复杂的自然现象，雷电形成过程中伴随着有声、光、热、电磁场等多种效应的产生，为雷电的监测与预警提供了有效的信息。直接或间接监测雷电的设备，如气象卫星、闪电定位仪、SAFIR系统、全球雷电监测系统、大气电场仪等都是基于雷电形成过程中自身产生的这些效应。这些效应有的是短暂的，只出现在某一阶段的某一瞬间，如闪电定位仪检测到的是闪击点的甚低频电磁波信号；全球雷电监测系统是基于闪击时次声波的舒曼共振，并均利用的是雷击点的事后效应，只能根据闪击点的轨迹大致了解它的发展趋势，难以用于对某局部地区是否有雷击的事前预报；而卫星云图、SAFIR系统，以及全球雷电监测系统适于监测大范围的地域，但对某一局部地区的雷电活动难以确切分辨出来。唯有大气电场仪利用的电效应贯穿于雷电生命期（雷雨云起雷、发展、消散等）的各个阶段，也就是说，云层中只要有电荷，在云层下面的大气电场就有变化，大气电场仪就能检测出这种变化，就可以了解雷雨云中电荷积累情况，判断在本地区有没有发生雷电的可能性。现就中国气象局在云南西双版纳州景洪市进行的大气电场仪对比试验期间，从中国科学院空间科学与应用研究中心的KDY-Ⅵ型大气电场仪[1]实时传输到北京的原始试验数据中，摘取几幅较典型的曲线说明大气电场仪监测雷电的初步效果。

图1 为晴天大气电场的曲线图，它是一条最大值为920V/m，最小值为246V/m，以平均值539V/m上下起伏的曲线[注]，晴天电场的平均值一般为130V/m左右（指电场仪的感应面与地平面齐平的情况下），不同地区数值各有所不同，电场仪的感应面离地面的距离不同也不一样。晴天大气电场与晴天大气电导率呈负相关，而与气溶胶含量呈正相关，与水汽和温度等气象要素也有一定的关系。严格地讲，晴天电场有日变化，季节性变化和年变化（与太阳活动有关）。一些扰动天气条件下的大气电现象和云中起电过程等，往往是在晴天电场的背景条件下发展起来的【2】，因此，了解晴天电场、监测晴天电场数值变化，有助于对各种灾害天气的预警。



图2 为一个雷暴过程中的大气电场记录曲线，从中可以看出在雷暴的初始期、高峰期和消散期大气电场的变化情况。雷暴大多发生在积雨云的情况下，积雨云是对流云发展到极盛时期，云内上升气流和下降气流强烈，雷暴的初始期是积雨云积累电荷，大气电场随之增大，并出现一些突发性小毛刺，可视为在远处发生了闪电或者云际间或云层内部产生了闪电，大气电场仪此时发出报警，提醒人们雷电有即将来临的可能性。如在矿山，立即把雷管和炸药妥善安置，石油行业暂时停止输油，航天器停止燃料灌注或发射，露天体育场停止比赛，林区加强观测和巡逻等等，以避免雷击所造成的损失。高峰期记录到高频次闪电，这是在本地区及其周围地区发生雷电灾害的危险期，若此时在室外活动的人难以躲避到室内，可双腿并拢、双手抱膝就地蹲下，以防雷击。消散期电场依然很高，但有逐渐减少趋势，闪电频次逐渐稀疏直到完全停止。
图3的电场曲线与图2差不多，也有明显的初始期、高峰期和消散期，大多数是负闪，只有消散期出现几次正闪。

图4中的发生的正闪和负闪差不多，前半部分在本地区附近发生负闪，中间一段虽然电场较高，但本地未发生过闪电，只在远处有闪电（可对照同一时间段的闪电定位仪的记录加以验证），后半部分发生正闪，负闪密集，正闪强度大。

图1 2006年7月26日景洪市晴天大气电场变化曲线

图2 2006年8月20日景洪市雷暴期间大气电场变化曲线

图3 2006年8月19日景洪市雷暴期间大气电场变化曲线

图4 2006年9月9日景洪市雷暴期间大气电场变化曲线

图5 2006年8月4~5日景洪市雷暴期间大气电场变化曲线

图6 2006年7月18日景洪市中大雨期间大气电场变化曲线

图7 2006年11月6~7日景洪市中小雨期间大气电场变化曲线
图5 是连续发生多个雷暴的例子，这种情况一般发生在雷阵雨天气（相应于积雨云），连绵雨天气（相应于雨层云）很少有此现象出现。第1个雷暴和第2个雷暴之间的时间很短，不到一个小时，也可以看成上一个雷暴的继续，第2个雷暴与第3个雷暴之间相差8个小时，很明显是两个不同的雷暴，将每个雷暴的时间坐标放大后，电场的变化情况及发展趋势和图2的情况相似。
图6 是一个特殊的例子，电场很强，大大地超过了电场仪的报警电平，但本地却没有发生闪电，这种情况大都出现在连续降雨（相应于雨层云）期间和雷暴的消散期。

由此可见，对于小范围、局部地区采用大气电场仪监测雷雨云中电荷积累的情况，预警雷电在本地区发生的可能性，是一种较有效的手段。但是雷电是一种比较复杂的自然现象，单凭电场数值的大小报警，出现误报和漏报是可能的。如果结合常规气象观测、卫星云图、多普勒雷达、闪电定位系统等多种手段进行综合分析，可提高对雷电的预报能力。也可以像肯尼迪航天中心那样，在雷电的重点防区建立大气电场仪网，用获得的电场数据反演出雷雨
云电荷中心的位置、电荷量的大小以及对本地区产生闪击的危险性。

2 雷电监测对防雷设备的防雷效果的检验
由于雷电灾害频繁，突发性大，严重地危害人们生命财产的安全，造成极大的经济损失，大型建设工程等都很重视对雷电的防护，安装了国内外厂家生产的不同类型的避雷器。但近几年发生的雷电灾害，使人们感觉到，没有安装避雷设施要遭雷击，有些安装了避雷设施的同样也遭到了雷击，如美国肯尼迪航天发射中心，先后遭受过多次雷击[3]，而笔者1990年参观肯尼迪航天中心时看到，那里的防雷措施是比较完备的[4]
（在建立了大气电场仪网及闪电定位系统等雷电监测设备后，雷电防护效果有了较显著地提高）。又如1989年8月12日，黄岛油库遭受雷击；1992年6月22日，国家气象中心大楼遭受雷击，这两处都安装有避雷针或消雷器。尤其是首都机场，1998年安装了由法国制造的Pulsar60型提前释放电避雷针18套，然而在2001年5月3日，首都机场一架波音747飞机遭受雷击，尾翼被击穿了三个洞，击伤了正在维修飞机的7名工作人员。是否这些避雷设施不起作用？客观地看，也不能完全否认避雷器的作用，但作用有多大，就很难说了。因为雷雨云与地面的感应电荷之间形成过强的电场引发击穿空气而产生雷击（云地闪），即导致闪电的起因是场强，闪击的一瞬间在闪电通道和接闪器有电流流过，同时还要对其周围产生电磁波辐射，通过这两种途径将电能转换为热能。所以从雷击这一现象而言，既有‘电路’方面的问题，又有‘场量’和‘能量’方面的问题，雷电防护、雷电监测，甚至包括一些雷击事件的分析也应基于这一事实。实际中所采用的避雷设备即使在实验室进行过模拟雷电放电试验，但实验室的试验，并不能完全代表在室外运用的情况，地形、地貌、地势和地面上的建筑不同，地下地质结构不同、室内和室外的大气环境条件也不一样，造成避雷器室内和室外不同的效果，甚至使得避雷器也许在这一地方有效，而在另一地方不一定完全有效。云地间的场强高到击穿空气而产生闪电，由于雷闪通道受各种因素影响，地面的接闪点有很大程度的偶然性，也给雷电防护增加了一定的困难。为了检验避雷产品的避雷能力或效果，以及安装的合理性，在安装避雷设施的同时，应对此处的雷电进行监测，以获得避雷器在多强的雷击下有效，在多强的雷击下失效，在避雷器实际运行条件检验出的其避雷能力和效果数据最能说明产品的性能。并有助于产品的改进和安装条件的选择。


3 结束语
雷电是威胁人类生命财产最可怕的自然灾害之一。雷电形成和闪电发生的因素是复杂的，根据雷电形成过程中产生的效应信息对雷电进行监测与预警大有可为。其中大气的电效应是贯穿雷电从起电到消散整个过程，监测大气电场不仅能为雷电预报提供能基本上反映雨云电荷积累情况的数据，增加雷电预报的及时性和准确性，而且为验证避雷设备的防护能力或防护效果提供直接的证据。但是雷电是一个错综复杂的问题，不能凭某地的几种典型例子概括全况，更不能凭非气象人员的科普性观测经验为依据。然而在今后将有更多的台站投入大气电场观测，在大批专业气象工作者的参与下，综合其它各气象要素的分析，对局部地区的雷电进行及时而较为准确的预报是可能实现的。
注：由于本仪器没有对观测场地进行地形系数修正，电场的实际测量值有些偏大，特此说明。
参考文献
[1] 罗福山，何渝晖，郭虎等.新型倒装式旋转电场仪[J].空间科学学报.2004，24（6）：470～474.
[2] 孙景群，大气电学基础[M].气象出版社，1987.
[3] 罗福山，雷击飞行器事件与美国航天活动的发射规范[J].中国航天.1993，（1）：27～29
[4] 罗福山，肯尼迪航天中心的雷电防护系统[J].世界导弹与航天.1991，（3）：43～46
作者简介
罗福山，研究员，曾参加“亚星”、“澳星”“神舟”等航天器的升空安全保障，在《地球物理学报》和《空间物理学报》等学刊上发表过文章，合编著《电
静电 雷电防护》科普读物， 90年代初起享受国务院特殊科技津贴。