探讨雷电监测预警系统及应用

戴火云　鹿麟　刘能

摘 要：雷电监测预警系统可以在雷电发生前提供及时、准确的雷电信息资料。根据雷电预警的特征、预警系统的原理和意义，分析了雷电监测预警系统的应用。

关键词：雷电监测；预警系统；电磁场；闪电定位系统

中图分类号：P427.32 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.07.101

雷电与所在地区的气候和地形特征有密切的关系，雷击发生过程中产生的高电压、电力和强磁场会对动物和建筑设施等造成严重的威胁。雷电监测预警系统的建立涉及多个领域，其中，通信、计算机网络等多种设施可为雷电监测预警系统提供雷电和雷暴预警专项服务。利用雷电监测预警系统，并根据雷电、雷达和卫星等相关历史资料，可提取与雷电相关的特征数据资料信息，这对研究强对流天气和雷电活动有重要的意义。雷电预警有多种方式，利用卫星、雷达得到的实际观测资料与闪电定位、地面电场资料相结合，可得出重点区域的雷电活动情况，并可利用已基本完善的雷电预警平台发布预警信息。雷电监测和雷暴预警服务作为气象服务中的新产品，具有广泛的推广和应用价值。因此，雷电监测系统是防雷减灾中的重要组成部分。

1 雷电基础知识

雷电是空气中的分子在外界环境的作用下形成的重力分离或摩擦起电现象，达到一定程度时会发生雷云带电的现象。自然界中的雷电可分为云闪、云地闪、球闪和诱发雷电等。其中，云地雷电是对地面威胁最大的雷电，是电力、航空和森林等领域的重点防御对象。SAFIR雷电监测系统可识别云地雷电，可对地面设备起到预警作用。雷电的整个放电过程持续在1 s内，流程为：云层电荷形成电分布→初始击穿→梯级先导→联接过程→第一回击→K过程→J过程→直窜先导→第二回击。其中，回击过程具有电流大、时间短和辐射磁场较强等特点，是造成危害的主要原因。

2 雷电预警的特征

2.1 雷电预警的原理

雷电发生的本质特征是雷云中电荷的不断变化，同时，产生的电磁场强度也会发生变化。因此，根据电磁场的变化强度可预判即将发生的雷电情况，并根据地区雷击历史的变化规律，准确判定雷电发生的强度、时间和位置等详细情况。雷电预警利用相关设备软件实时监测雷云对地面电场强度变化的趋势，当电磁场的强度达到一定值时，预警设备就会发出报警信号，提示将有雷电现象发生。

2.2 雷电监测预警系统的原理

雷电监测预警系统是一套基于地面电场仪和闪电定位网的雷电监测和预警系统。闪电定位系统是一套云地闪探测系统，能够实时对云地闪的发生位置进行定位。闪电发生时会向外辐射电磁波，通过对大量观测数据的统计发现，云地闪辐射的电磁波有其固有特征。基于这一原理，通过设置多个探测点，检测波形特征点到达每个探测站的准确时间，从而可实现对云地闪的精确定位。

2.3 雷电预警系统的意义

雷电是强对流天气发生时的一种自然天气现象，因此，雷电监测预警系统与天气、气候等因素有着密切的联系，雷电预警未来可持续发展的规划建设必须依据天气、气候等方面的探空观测资料、地面气象观测资料和实时雷电资料及其预报、预测产品等，从而为雷电预警未来的建设提供科学的理论依据。与单靠地面电场仪对雷电进行短时预警相比，雷电监测预警系统可以实现更精确、直观的观测和预报。长时间的观测可使观测人员对雷暴的局部活动习性有更加深刻的了解，从而为小尺度雷暴活动与地面电场关系的研究提供准确的资料。通过建立雷电监测预警系统，并与雷电服务业务体系统筹发展，既能实现雷电行业领域内雷电信息资料的传输、处理和成果共享，还能使雷电监测防御的实体功能得到充分发挥，提高各个地区的雷电监测水平，从而提高该地区的防雷减灾综合能力。雷电监测预警系统的建立能提供全面、精确和及时的雷电预警信息，对防御雷电灾害的发生，保障安全生产具有重要的意义，能最大限度地减少人员伤亡和社会经济等方面的损失，从而将雷电灾害造成的损失降至最低。

3 雷电监测预警预报系统的应用

3.1 雷电定位系统的应用

闪电定位仪的原理为：闪电在发生过程中，会产生较大的电流、电压和电磁辐射等一系列连续性强且涉及范围广的电磁辐射。雷电监测定位仪利用闪电回击辐射的声、光和电磁特性遥测放电参数，常用的监测定位法有定向法、时差法、干涉法和光学法等。其中，定向法是在原双阴极示波器定位仪的基础上，研制出的一种自动化的磁方向闪电定位系统，使用宽波段VLF信号接收闪电辐射，极大地减少了由于窄信号而引起的偏振误差和电离层反射等造成的影响，同时，还能控制测角误差；干涉法利用相位差确定辐射位置，采取直线传播的方式，受辐射波形、幅度和地面传导率的影响较小，定位准确率较高。根据雷电定位系统在雷电监测预警预报系统中的应用，实现了对雷电灾害重点区域全局的可视化监控，同时，结合实时监测的雷电综合数据，可对重点区域内雷电可能发生的概率进行实时预测，最终根据得出的雷电信息给出雷电预警；可根据预警信息，通过指令远程控制用户单位内重要设备的主要防雷装置，阻断雷电电涌侵入通道。在预警信号解除后可自动恢复运行，从而有效减少雷灾造成的人员伤亡和财产损失。

3.2 雷电短时临近雷电预警系统

雷电短时临近预警系统可以在雷电发生前较短的时间内探测到雷电信息并发出预警，有效减少了因雷击而造成的损失。一般常用的设备有闪电监测定位系统和DNDY型地面电场仪系统。闪电定位数据由各地区闪电定位网数据处理中心分批发出，雷电预警资料以雷达资料和闪电定位资料为参考，筛选出闪电次数、液态水含量、回波顶高和1 h雷达估测降水量资料为雷电预警因子，并确立阀值序列。采用配料法，以闪电定位信息、0.5°仰角反射率和风暴追踪信息等进行500 m×500 m的时空分辨率和时效为1 h的雷电预警。雷电短期临近预报和预警服务为雷电监测预警提供了可靠的预测技术支持。

参考文献

[1]沐俊山，雷治平，张存华.雷电监测预警系统的原理及应用[J].山西气象，2004（04）.

〔编辑：张思楠〕

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