大兴安岭地区森林雷击火主动防御研究*

付 琼 王 石** 李翊宁

（1.国家林业和草原局哈尔滨林业机械研究所，黑龙江 哈尔滨 150086；2.国家林业和草原局林业机电工程实验室，黑龙江 哈尔滨 150086；3.国家林业草原林业装备工程技术研究中心，黑龙江 哈尔滨 150086））

森林火灾主要由自燃火和人为火组成，而雷击火是最危险的自然火源之一。森林雷击火灾在我国的一些地区也相当严重，据2008～2021 年大兴安岭地区统计，全区共发生447 起森林火灾，其中雷击森林火灾发生394 起，占比88.1%。由雷击火引起的森林火灾，多数发生在人迹罕至的地区，很难被及时发现，往往会形成大面积的森林火灾，通常的防火措施无法有效的减少雷击森林火灾发生的次数。本文阐述、剖析了雷击火发生机理、人工主动防御机理，介绍了在大兴安岭地区进行的人工引雷主动防御试验，旨在为未来森林雷击火主动防御工作中起到基础作用，并为雷击火未来防控研究提供科学依据。

1 雷击火灾的形成机理

雷击引发的森林火灾是由云地闪电造成的，当雷雨云与地之间发生闪电时，就会在云地之间生成雷击现象，通常云地闪电会产生强大的雷击电流，一般电流强度在2 万A 至4 万A 之间，当每平方米电压超过50 万v 时[1-2]，将能引起雷击，并在直径只有几厘米的雷击闪电通道中，产生高达几万℃的高温。由云地闪电产生的雷击所形成的强大电流会在极短的时间内释放出大量热能，一旦击中地面具备燃烧条件的可燃物，便能直接引起地面可燃物的燃烧引起地森林火灾。

在干燥的气候环境下，特别容易形成干雷暴天气。同时气候处在干燥环境下，森林中植被的含水率会降低，具备燃烧条件的可燃物增多，地表环境温度较高，这时如果雷暴天气中雷击的闪电强度很大，就容易引发森林雷击火灾[3]。

2 森林雷击火灾人工主动防御机理

森林雷击火一般发生在人迹罕至的地区，一旦发生森林火灾就难以扑救，最好的做法是提前主动防御，从而减少森林火灾带来的经济损失。雷击闪电的形成过程，是需要由积雨云发展成雷暴云的，当对流云体通过对流运动形成强电场发展到对地发生雷击闪电，这时是一个蕴积致灾的过程。因而在雷击闪电形成的过程中，采用人工影响天气的技术控制雷暴云中云地闪电发生的条件，就可能减少、避免雷击闪电的发生[4-5]。

通过试验，采用人工影响天气的技术方法，在容易发生雷击火灾的区域，是能够人为的消除云地闪电的发生，从而降低或避免由于雷击闪电引发的火灾发生[6]。目前可以采用人工影响雷击闪电的方法有：（1）在云上撒播盐粉、粘土等固体物质造成气流下沉并产生降水；（2）利用喷气式飞机大角度着陆飞行时产生的拖带下沉气流，使得云层发生消散或是云顶降低[7-9]；（3）通过飞机撒播碘化银，破坏雷暴云的起电机制；（4）利用飞机向空中撒播导电性较好的物质，如金属铝箔等消除或减弱云中的电荷，降低云中的电场强度，抑制雷击闪电的发生；（5）从地面向空中发射高速运动的物体，如发射拖带细金属导线的小火箭来诱发雷暴云内云地闪电的发生，将云中电荷引导至地下，从而削弱或避免森林雷击火灾的发生[10-11]。

3 人工主动引雷技术试验

3.1 人工引雷试验环境

为了保证试验的科学有效性，在试验前期，我们对试验场的选址、试验的组成等方面进行了大量的准备工作，并根据试验需求进行了相应的布置工作。用于森林雷击火主动防御，人工引发雷电试验的主要设备装置见图2～7。

图1 引导放电式小火箭防雷系统流程图

图2 控制观测发射室

图3 试验观测记录装置

图4 小火箭

图5 小火箭发射装置

图6 现场安装操作

图7 小火箭发射现场装置

3.2 人工引雷试验过程

下午2 时左右，在大兴安岭地区试验场附近，局部地区开始形成雷暴云的天气，距试验点4.5 km处开始有闪电发生。至下午4 时左右，试验点附近开始形成对流云层并向试验点方向移动。此时，大气电场仪呈现为负极性，地面大气电场被雷暴云中的负电荷控制。这时雷暴中心逐渐向试验场移来，地面大气电场也由负变正，并迅速增长到40 kV/m。由图8 可见，曲线图中△点(16 点20 分08 秒)为触发闪电时刻前的地面大气电场峰值。当时平均每2 min 发生1 次雷击闪电，引雷时机选择为地面电场变化率较小，且处于发生雷击闪电后的稳定恢复阶段，并于16 点22 分17 秒成功引发闪电（图9）。

图8 大气电场实时变化的曲线图

图9 引发闪电成功记录影像图

3.3 人工引雷试验分析

通过大气电场测量仪测出触发闪电引起的地面电场强度变化，利用大气电场测量仪记录的结果，可估算闪电的放电参数。放电过程结束时，可认为是将云中一定的电荷释放到地面，假定电荷为球对称分布，则

式中，ΔE 为测出的地面电场变化值；H 和ΔQ 分别为雷暴云中电荷中心高度及其电荷量；D为测点与闪击点之间的距离。

试验中H 为2.0 km，D 为200 m，图10 反映ΔE 与ΔQ 的变化关系。

图10 地面大气电场与云中电荷变化趋势

人工引雷要在雷暴云聚集了一定的电荷量，并在发生闪电的临界点时引发闪电，所以掌握最合适的发射时机是引发闪电成功的关键因素。从图8 可以看出，每一次发生闪电后，大气的电场强度都会逐渐下降并会发生极性反转，在维持一段平稳的状态后，会再次发生闪电。在16 时，发生了1 次自然闪电，17 时40 分左右，大气电场的极性发生了反转，所以在16 时自然闪电放电后，雷暴云中的电荷开始重新聚集形成新的闪电发生临界点，这时空中的电场己经发生变化，但并没引起地面电场的明显变化，而地面电场监测到的数据会滞后于空中电场的变化，虽然此时电场测量仪显示的地面电场强度很大，但空中电场强度并没有多大，如果这时进行人工触发闪电，成功的机率会很低。在17 时40 分到19 时左右大气电场强度维持在一个平稳状态，这时雷暴云中聚集的云电荷已经达到了一个新的平衡点，所以，此时地面的电场强度和空中的电场强度基本达到了一致，如果这时地面的电场强度较大，则人工触发闪电的成功率会很高。现场中我们选择在22 时引发闪电并获得成功，验证了这一推论。通过分析，人工引发闪电的最佳时机，是应在自然闪电发生后恢复阶段的后期，并且地面大气电场强度较大时，这时引发闪电的成功机率会很高。

4 小 结

主动防御森林雷击火灾是在人工预测雷电发生基础上提出的。当雷暴临近时，通过人为对雷暴天气的干涉，破坏发生雷击闪电的条件，降低或消除雷击闪电的发生，预防和减弱了森林雷击火发生的条件，避免了发生森林雷击火灾的可能性，起到了主动防御森林雷击火灾的作用。随着雷击探测技术的进步、气象站点的增加以及历史监测数据的积累，可为准确预测和消除雷击火提供理论基础。