最新產(chǎn)品

監(jiān)測大氣電場在雷電預報及防護中的作用
2021-11-08 13:04:39

監(jiān)測大氣電場在雷電預報及防護中的作用

摘要：利用雷電形成過程中所產(chǎn)生的效應對雷電進行檢測，不僅能為雷電預警提供有效的信息，而且也為檢驗避雷裝置的保護能力和避雷效果提供了直接的依據(jù)。在雷電的諸多效應中，大氣電場是唯一貫穿雷電整個過程的特征參量。在云南景洪市氣象站進行的大氣電場儀對比試驗中，監(jiān)測數(shù)據(jù)基本上反映了其上空電荷存在的情況和累積量的多少。

關鍵詞：雷雨云；雷電防護；雷電監(jiān)測；大氣電場

0 引言
雷電是威脅人類生命財產(chǎn)安全最嚴重的自然災害之一。任一瞬間，在全世界各地發(fā)生的雷暴大約有2000多個，平均每秒鐘差不多要產(chǎn)生100次閃電。發(fā)生閃電前，云地間有很強的電場，有時高達每米數(shù)十萬伏，發(fā)生閃電時在落雷點有很高的電壓和很大的電流，能產(chǎn)生高達3000℃的高溫，對人類生命財產(chǎn)構成極大的危害。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國每年因雷擊造成的人員傷亡約有3000～4000人，經(jīng)濟損失達50億至100億元人民幣。
隨著我國經(jīng)濟和社會的發(fā)展，對雷電防護愈來愈重視，航空、航天、電力、信息、石油、軍工、廠礦、森林等行業(yè)和體育場館等大型建設工程都提出了對雷電防護的要求。除采用傳統(tǒng)的避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)外，還研制了各式各樣的避雷器，甚至還引進了不少國外的產(chǎn)品。雷電監(jiān)測也是雷電防護重要措施之一，與避雷器相輔相成。尤其對大氣電場的監(jiān)測，不但可以及時了解雷雨云電荷積累的情況，為雷電預警提供有效的信息，而且對檢驗避雷設備性能的好壞也起著很重要的作用，為避雷設備在實際運行中的避雷能力和避雷效果提供數(shù)值依據(jù)。因而，為了今后開展對大氣電場的監(jiān)測工作，提高對雷電的預報能力，中國氣象局監(jiān)測網(wǎng)絡司大氣探測技術中心組織全國各電場儀生產(chǎn)廠家在雷暴多發(fā)地——云南西雙版納州景洪市進行了大氣電場儀現(xiàn)場對比試驗。
1 雷電監(jiān)測與雷電預警
雷電是一種非常復雜的自然現(xiàn)象，雷電形成過程中伴隨著有聲、光、熱、電磁場等多種效應的產(chǎn)生，為雷電的監(jiān)測與預警提供了有效的信息。直接或間接監(jiān)測雷電的設備，如氣象衛(wèi)星、閃電定位儀、SAFIR系統(tǒng)、全球雷電監(jiān)測系統(tǒng)、大氣電場儀等都是基于雷電形成過程中自身產(chǎn)生的這些效應。這些效應有的是短暫的，只出現(xiàn)在某一階段的某一瞬間，如閃電定位儀檢測到的是閃擊點的甚低頻電磁波信號；全球雷電監(jiān)測系統(tǒng)是基于閃擊時次聲波的舒曼共振，并均利用的是雷擊點的事后效應，只能根據(jù)閃擊點的軌跡大致了解它的發(fā)展趨勢，難以用于對某局部地區(qū)是否有雷擊的事前預報；而衛(wèi)星云圖、SAFIR系統(tǒng)，以及全球雷電監(jiān)測系統(tǒng)適于監(jiān)測大范圍的地域，但對某一局部地區(qū)的雷電活動難以確切分辨出來。唯有大氣電場儀利用的電效應貫穿于雷電生命期（雷雨云起雷、發(fā)展、消散等）的各個階段，也就是說，云層中只要有電荷，在云層下面的大氣電場就有變化，大氣電場儀就能檢測出這種變化，就可以了解雷雨云中電荷積累情況，判斷在本地區(qū)有沒有發(fā)生雷電的可能性?，F(xiàn)就中國氣象局在云南西雙版納州景洪市進行的大氣電場儀對比試驗期間，從中國科學院空間科學與應用研究中心的KDY-Ⅵ型大氣電場儀[1]實時傳輸?shù)奖本┑脑荚囼灁?shù)據(jù)中，摘取幾幅較典型的曲線說明大氣電場儀監(jiān)測雷電的初步效果。

圖1 為晴天大氣電場的曲線圖，它是一條最大值為920V/m，最小值為246V/m，以平均值539V/m上下起伏的曲線[注]，晴天電場的平均值一般為130V/m左右（指電場儀的感應面與地平面齊平的情況下），不同地區(qū)數(shù)值各有所不同，電場儀的感應面離地面的距離不同也不一樣。晴天大氣電場與晴天大氣電導率呈負相關，而與氣溶膠含量呈正相關，與水汽和溫度等氣象要素也有一定的關系。嚴格地講，晴天電場有日變化，季節(jié)性變化和年變化（與太陽活動有關）。一些擾動天氣條件下的大氣電現(xiàn)象和云中起電過程等，往往是在晴天電場的背景條件下發(fā)展起來的【2】，因此，了解晴天電場、監(jiān)測晴天電場數(shù)值變化，有助于對各種災害天氣的預警。



圖2 為一個雷暴過程中的大氣電場記錄曲線，從中可以看出在雷暴的初始期、高峰期和消散期大氣電場的變化情況。雷暴大多發(fā)生在積雨云的情況下，積雨云是對流云發(fā)展到極盛時期，云內(nèi)上升氣流和下降氣流強烈，雷暴的初始期是積雨云積累電荷，大氣電場隨之增大，并出現(xiàn)一些突發(fā)性小毛刺，可視為在遠處發(fā)生了閃電或者云際間或云層內(nèi)部產(chǎn)生了閃電，大氣電場儀此時發(fā)出報警，提醒人們雷電有即將來臨的可能性。如在礦山，立即把雷管和炸藥妥善安置，石油行業(yè)暫時停止輸油，航天器停止燃料灌注或發(fā)射，露天體育場停止比賽，林區(qū)加強觀測和巡邏等等，以避免雷擊所造成的損失。高峰期記錄到高頻次閃電，這是在本地區(qū)及其周圍地區(qū)發(fā)生雷電災害的危險期，若此時在室外活動的人難以躲避到室內(nèi)，可雙腿并攏、雙手抱膝就地蹲下，以防雷擊。消散期電場依然很高，但有逐漸減少趨勢，閃電頻次逐漸稀疏直到完全停止。
圖3的電場曲線與圖2差不多，也有明顯的初始期、高峰期和消散期，大多數(shù)是負閃，只有消散期出現(xiàn)幾次正閃。

圖4中的發(fā)生的正閃和負閃差不多，前半部分在本地區(qū)附近發(fā)生負閃，中間一段雖然電場較高，但本地未發(fā)生過閃電，只在遠處有閃電（可對照同一時間段的閃電定位儀的記錄加以驗證），后半部分發(fā)生正閃，負閃密集，正閃強度大。

圖1 2006年7月26日景洪市晴天大氣電場變化曲線

圖2 2006年8月20日景洪市雷暴期間大氣電場變化曲線

圖3 2006年8月19日景洪市雷暴期間大氣電場變化曲線

圖4 2006年9月9日景洪市雷暴期間大氣電場變化曲線

圖5 2006年8月4~5日景洪市雷暴期間大氣電場變化曲線

圖6 2006年7月18日景洪市中大雨期間大氣電場變化曲線

圖7 2006年11月6~7日景洪市中小雨期間大氣電場變化曲線
圖5 是連續(xù)發(fā)生多個雷暴的例子，這種情況一般發(fā)生在雷陣雨天氣（相應于積雨云），連綿雨天氣（相應于雨層云）很少有此現(xiàn)象出現(xiàn)。第1個雷暴和第2個雷暴之間的時間很短，不到一個小時，也可以看成上一個雷暴的繼續(xù)，第2個雷暴與第3個雷暴之間相差8個小時，很明顯是兩個不同的雷暴，將每個雷暴的時間坐標放大后，電場的變化情況及發(fā)展趨勢和圖2的情況相似。
圖6 是一個特殊的例子，電場很強，大大地超過了電場儀的報警電平，但本地卻沒有發(fā)生閃電，這種情況大都出現(xiàn)在連續(xù)降雨（相應于雨層云）期間和雷暴的消散期。

由此可見，對于小范圍、局部地區(qū)采用大氣電場儀監(jiān)測雷雨云中電荷積累的情況，預警雷電在本地區(qū)發(fā)生的可能性，是一種較有效的手段。但是雷電是一種比較復雜的自然現(xiàn)象，單憑電場數(shù)值的大小報警，出現(xiàn)誤報和漏報是可能的。如果結合常規(guī)氣象觀測、衛(wèi)星云圖、多普勒雷達、閃電定位系統(tǒng)等多種手段進行綜合分析，可提高對雷電的預報能力。也可以像肯尼迪航天中心那樣，在雷電的重點防區(qū)建立大氣電場儀網(wǎng)，用獲得的電場數(shù)據(jù)反演出雷雨
云電荷中心的位置、電荷量的大小以及對本地區(qū)產(chǎn)生閃擊的危險性。

2 雷電監(jiān)測對防雷設備的防雷效果的檢驗
由于雷電災害頻繁，突發(fā)性大，嚴重地危害人們生命財產(chǎn)的安全，造成極大的經(jīng)濟損失，大型建設工程等都很重視對雷電的防護，安裝了國內(nèi)外廠家生產(chǎn)的不同類型的避雷器。但近幾年發(fā)生的雷電災害，使人們感覺到，沒有安裝避雷設施要遭雷擊，有些安裝了避雷設施的同樣也遭到了雷擊，如美國肯尼迪航天發(fā)射中心，先后遭受過多次雷擊[3]，而筆者1990年參觀肯尼迪航天中心時看到，那里的防雷措施是比較完備的[4]
（在建立了大氣電場儀網(wǎng)及閃電定位系統(tǒng)等雷電監(jiān)測設備后，雷電防護效果有了較顯著地提高）。又如1989年8月12日，黃島油庫遭受雷擊；1992年6月22日，國家氣象中心大樓遭受雷擊，這兩處都安裝有避雷針或消雷器。尤其是首都機場，1998年安裝了由法國制造的Pulsar60型提前釋放電避雷針18套，然而在2001年5月3日，首都機場一架波音747飛機遭受雷擊，尾翼被擊穿了三個洞，擊傷了正在維修飛機的7名工作人員。是否這些避雷設施不起作用？客觀地看，也不能完全否認避雷器的作用，但作用有多大，就很難說了。因為雷雨云與地面的感應電荷之間形成過強的電場引發(fā)擊穿空氣而產(chǎn)生雷擊（云地閃），即導致閃電的起因是場強，閃擊的一瞬間在閃電通道和接閃器有電流流過，同時還要對其周圍產(chǎn)生電磁波輻射，通過這兩種途徑將電能轉換為熱能。所以從雷擊這一現(xiàn)象而言，既有‘電路’方面的問題，又有‘場量’和‘能量’方面的問題，雷電防護、雷電監(jiān)測，甚至包括一些雷擊事件的分析也應基于這一事實。實際中所采用的避雷設備即使在實驗室進行過模擬雷電放電試驗，但實驗室的試驗，并不能完全代表在室外運用的情況，地形、地貌、地勢和地面上的建筑不同，地下地質結構不同、室內(nèi)和室外的大氣環(huán)境條件也不一樣，造成避雷器室內(nèi)和室外不同的效果，甚至使得避雷器也許在這一地方有效，而在另一地方不一定完全有效。云地間的場強高到擊穿空氣而產(chǎn)生閃電，由于雷閃通道受各種因素影響，地面的接閃點有很大程度的偶然性，也給雷電防護增加了一定的困難。為了檢驗避雷產(chǎn)品的避雷能力或效果，以及安裝的合理性，在安裝避雷設施的同時，應對此處的雷電進行監(jiān)測，以獲得避雷器在多強的雷擊下有效，在多強的雷擊下失效，在避雷器實際運行條件檢驗出的其避雷能力和效果數(shù)據(jù)最能說明產(chǎn)品的性能。并有助于產(chǎn)品的改進和安裝條件的選擇。


3 結束語
雷電是威脅人類生命財產(chǎn)最可怕的自然災害之一。雷電形成和閃電發(fā)生的因素是復雜的，根據(jù)雷電形成過程中產(chǎn)生的效應信息對雷電進行監(jiān)測與預警大有可為。其中大氣的電效應是貫穿雷電從起電到消散整個過程，監(jiān)測大氣電場不僅能為雷電預報提供能基本上反映雨云電荷積累情況的數(shù)據(jù)，增加雷電預報的及時性和準確性，而且為驗證避雷設備的防護能力或防護效果提供直接的證據(jù)。但是雷電是一個錯綜復雜的問題，不能憑某地的幾種典型例子概括全況，更不能憑非氣象人員的科普性觀測經(jīng)驗為依據(jù)。然而在今后將有更多的臺站投入大氣電場觀測，在大批專業(yè)氣象工作者的參與下，綜合其它各氣象要素的分析，對局部地區(qū)的雷電進行及時而較為準確的預報是可能實現(xiàn)的。
注：由于本儀器沒有對觀測場地進行地形系數(shù)修正，電場的實際測量值有些偏大，特此說明。
參考文獻
[1] 羅福山，何渝暉，郭虎等.新型倒裝式旋轉電場儀[J].空間科學學報.2004，24（6）：470～474.
[2] 孫景群，大氣電學基礎[M].氣象出版社，1987.
[3] 羅福山，雷擊飛行器事件與美國航天活動的發(fā)射規(guī)范[J].中國航天.1993，（1）：27～29
[4] 羅福山，肯尼迪航天中心的雷電防護系統(tǒng)[J].世界導彈與航天.1991，（3）：43～46
作者簡介
羅福山，研究員，曾參加“亞星”、“澳星”“神舟”等航天器的升空安全保障，在《地球物理學報》和《空間物理學報》等學刊上發(fā)表過文章，合編著《電
靜電 雷電防護》科普讀物， 90年代初起享受國務院特殊科技津貼。