封雅琼　马林　梁倩　王鹏

摘要： 对雷电活动进行有效的监测、预测和研究，对雷电防灾减灾工作意义重大。本文从研究雷电监测预警的原理出发，论述了雷电定位和测向技术的方法，探讨了雷电预警系统中的核心部件地面电场仪的预警原理及方法，并提出了设置地面电场仪网，结合雷电定位系统，扩大测量范围，提高预警精度。

关键词：雷电；监测预警；地面电场仪；精度

引言

雷电是发生在自然大气中的瞬间放电过程 ， 并同时伴有声、 光的出现 ， 是一种能引起严重灾害的自然现象 ， 其特点是电压高、 电流大 ， 能量释放时间短 ， 危险性大。雷电灾害是一种严重的自然灾害 ， 不仅造成人员伤亡和建筑物、 电子设备、 输电线路和通信设备等受损 ， 而且雷电诱发的火灾和爆炸事故也十分严重 ， 严重威胁人类生命财产的安全。常遭受雷电影响的领域包括建筑、 电网、 通讯、 林业、 交通、 军事设施等 ， 尤其对现在广泛使用的微电子、 信息网络、 无线通信设备和家用电器等 ， 遭受雷击并造成重大损失的可能性愈来愈大。据不完全统计 ， 我国每年因雷电灾害造成人员伤亡达 3 000 ～ 4 000 人 ， 财产损失在 50 ～ 100 亿元人民币[1] 。雷电灾害已被联合国国际减灾十年委员会列为“ 最严重的十种自然灾害之一 ” ， 被中国国防电工委员会称为“ 电子时代的一大公害 ” 。

近年来 ， 随着社会经济发展和现代化水平的提高 ， 特别是信息技术的快速发展 ， 雷电灾害的危害程度和造成的经济损失及社会影响也越来越大。因此 ， 对雷电活动进行有效的监测、预测和研究，对雷电灾害防灾减灾工作作用重大，并具有十分重要的社会、 经济与科学意义。本文从探讨雷电监测预警的方法出发，研究雷电监测预警系统的原理，论述了雷电预警的基本方法，分析地面电场仪的使用方法，并提出一套相对科学、完善的监测预警方法，以期得到更好的防灾减灾效果。

1雷电监测系统的原理

雷电探测技术是雷电科学的重要研究领域。雷电探测的主要内容有测量闪电发生的时间和位置、测量大气电场、测量闪电电流、测量回击峰值电流、测量地面电流等。

雷电监测预警系统的两大主要功能是实现雷电的监测定位和雷电的预警。雷电监测定位包括测定雷击点的位置和发生时间，实时探测闪电参数及实时监测闪电活动，从雷电探测的内容看，它可以探测闪电每次回击过程的时间、位置、极性、峰值强度、波形特征参量（陡点时间、峰点时间、波形半周过零点时间等）、陡点值，通过Mawxell方程组还可导出放电电荷量、闪电辐射功率等参数。雷电监测预警系统在雷电的研究、探测和防护中处于重要的位置。

1.1雷电定位原理

雷电定位研究中主要存在以下几个关键技术：

a）雷电识别

雷电发生时产生强大的瞬态电流，在地面及电离层之间激发起频谱很宽、幅度相当强的电磁脉冲，此电磁脉冲能沿地面传播至远处。雷电定位仪收到雷电电磁脉冲后，必须加以鉴别，判断它是否是雷电所产生，或者是来自其他干扰。当信号被判别为雷电，再进一步分析处理，加以定位。雷电脉冲的形态特征与雷电流的频谱，闪道的走向及雷电离接收点的距离，接收机的带宽等因素有关。

b）测向技术

利用正交交叉环天线测定电磁辐射源的方向是早就为人们熟知的技术，两个环天线的环面分别指向南北和东西方向，若入射波的水平磁场对于正北方向成θ角，则在两个环天线上感应的信号分别正比于cosθ和sinθ，比较它们的幅度和极性即可求出磁场的水平方向。考虑到雷电产生的垂直电场大部分情况下是负极性，亦有少数情况下是正极性，所以必须同时利用垂直电天线测定电场的极性，才能确定来波的传播方向和辐射源的方向。这种测向原理在应用于雷电定位时，有可能由于闪道的倾斜、弯曲和分叉而产生一种“测向极化误差”。所谓“极化误差”是当雷电电流的通道不是严格地垂直地面时，雷电电流同时具有垂直分量和水平分量，而水平分量所产生的磁场并不严格地与传播方向垂直，这样由测到的水平磁场方向推测来波方向即产生了误差。此种极化误差对近距离的雷电，例如10km内的雷电，假设闪道相对于地面呈45°，有可能达到10°以上，当雷电离监测点在100km以远，可以小于等于1°左右[2]。

1.2雷电预警的原理

雷电监测预警系统通过实时监测闪电的发生发展情况，判断出雷暴的移动方向及速度并发出预警。

观测表明，晴天大气中始终存在着方向垂直向下的大气电场。这表明大气带正电荷，大地带负电荷。在典型的情况下，雷暴云中不同极性电荷区形成的标志是云上和云下的大气电场由向下的晴天大气电场方向变成相反的方向，这表明雷暴云已大致形成了垂直双极性电荷分布，在雷暴云的上部为正电荷区，下部为负电荷区。由于在雷暴云的底部存在一个负电荷中心，雷暴云与地面这个大导体形成一个近似的巨大平板电容，这个电容之间的电场垂直地面。当负电荷中心附近局部地区的大气电场达到10-4V/cm左右时，大气就会被击穿而形成流光，这称为初始击穿过程。这时有一条较暗的光柱象梯级一样逐级伸向地面，这称为梯式先导。当梯式先导到达地面附近，距离地面大约5一50米时，近地面会形成很强的大气电场，同时从地面产生流光向上发展并且与梯式先导会合，这个过程称为连接过程。上述两种流光会合后形成了一股明亮的光柱，光柱立刻沿着梯式先导形成的

电离通道由地面高速驰向云中，这就是回击。由梯式先导和回击组成的放电过程称为第一闪击。紧接着第一闪击之后，几十毫秒的时间间隔，形成第二閃击。这时又有一道流光沿着第一闪击的路径由云中电荷中心直达地面，这是直窜先导。当直窜先导到达地面附近时，从地面产生的向上发展的流光又与其连接，随即产生向上回击。由直窜先导到回击这一完整的放电过程成为第二闪击。由一次闪击构成的地闪称为单击闪地闪，由多次闪击构成的地闪称为多闪击地闪[3]。

闪电放电过程中最重要的过程是回击过程，因为雷电危害主要是由回击引起的。回击的特点是电流大、时间短和辐射电磁场强。为了监测回击放电参数，产生了雷电监测定位技术，它是利用闪电回击辐射的声、光、电磁场特性来遥测闪电回击放电参数的技术。

雷暴云的演变过程包括闪电的放电过程都伴随着大气电场的变化，通过探测在初始击穿之前的大气电场变化，根据大气电场的变化情况，就可以提前对即将发生的闪电活动进行预警。

2雷电监测预警系统的应用探讨

完整的雷电监测预警系统主要由八部分组成：ADTD高精度雷电探测仪网，地面电场仪探测网，雷电定位处理中心站，地面电场处理中心站，数据库服务器，WEBGIS服务器，图形显示工作站及将上述几部分联系起来的通讯和网络系统。其机构如图2所示。其中，最核心的设备是地面电场仪[4]。

2.1地面电场仪进行雷电预警的基本原理

地面电场仪可以测量地面大气电场的强度和极性，可对对流云的起电过程进行连续监测，因此既能够记录闪电发生前雷暴中的电活动，又可记录雷暴过程中发生的闪电（包括云闪和地闪）。从组成结构上大气电场仪既可单独使用记录局地雷电情况，又可用于联网监测空中电结构。

现在市面上的雷电监测预警系统均使用场磨式地面电场仪，感应器由定片（感应片，又称定子）、动片（接地屏蔽片，又称转子）、直流电机、前置放大器、同步信号发生器等部分组成。定片用来感应电场信号，并与机架绝缘；动片位于定片上方，由直流电机带动旋转，接地；动片转动时定片在电场中交替地被屏蔽和暴露，产生感应的交变信号；由于信號很微弱，需经前置放大器放大；形状与定片相似的小叶片，也由电机带动旋转，并通过光电开关的缺槽口使光电开关产生同步参考脉冲，用于鉴别电场信号的极性。电场仪内部结构如图3所示。

利用电场仪资料预警的方法：简单地设置一个预警值，常用的电场预警值为3kV/m ，大多数电场仪都将预警值设为可调的（考虑到雷暴与观测站之间的距离）。在设定电场预警值的同时，可以检测电场仪测量值的跳变，当测量值发生跳变时，电场仪开始报警。检测电场值的跳变，可以在电场仪的终端软件中对相邻2个电场采样值进行比较，当2个采样值的差值大于某一数值（称其为跳变值）时，认为电场发生跳变，附近有闪电发生，电场仪开始报警。

电场仪报警的解除则可以采用延时方式，而不采用电场值低于预警值即解除报警。当发生报警后，报警持续一定时间。根据雷暴的生命期和闪电发生的间隙时间，持续时间可取5 min左右（不能低于闪电发生的间隙时间），如在报警持续时间内，又出现预警条件，重新计时。如果超过设定的持续时间，仍没有再次出现预警条件，则解除报警。

2.2 地面电场仪的预警方法

目前，利用地面电场仪进行雷电预警有两种方法：第一种方法的原理是分析雷暴过程中地面电场的变化规律，设置多级雷电预警阈值，当地面电场达到阈值时发出雷电预警；第二种方法的原理是建立雷暴云中电荷结构与地面大气电场的关系式，根据计算出的云中电荷中心的电荷量和位置发出雷电预警。

2.3提高地面电场仪监测预警精度的方法

1、设置地面电场仪网后，可以扩大测量范围，提高测量精度。地面电场仪网把探测的电场数据发送到计算机进行处理，从而实现对雷电防护区内潜在的闪电活动提前发出预警。

2、为了解决环境因素对地面电场仪数据一致性的影响，最直接的办法是找出相对一致的安装环境，减小环境因素的影响。在无法找到相对一致的安装环境时，就需要进行大气电场受环境影响的研究，找出各种环境对大气电场的影响关系，根据不同的环境给出不同的修正。目前，环境对大气电场的影响程度还不够清楚，无法给出有效的修正。很有必要研究大气电场受环境的影响程度，可以采用数值模拟与实际探测相结合的方式来找出大气电场受环境影响的规律。

参考文献：

[1]赵阿兴，等..城市雷电灾害与保险 [J ]. 中国保险 ， 2003， 7： 58 - 59.

[2]沐俊山，雷治平，张存华.雷电监测预警系统的原理及应用，山西气象，2004，4：2.

[3]孙景群，等.大气电学手册，科学出版社，1995：25-26.

[4]陈瑶，马启明.雷电监测预警系统—地面电场处理软件的设计与闪电活动特点的分析，中国科学院研究生院硕士论文，2006：3-4.