附錄A

　　(資料性附錄)

　　雷電現象概述

　　A.1雷暴云的成因和起電

　　雷電是由起電的云產(chǎn)生的,但并非所有的云層都起電。產(chǎn)生雷電的雷暴云,通常具有顯著(zhù)的垂直(縱深)發(fā)展特征,同時(shí)云中有過(guò)冷云滴、冰晶和薇(軟雹)粒子存在。雷暴云也能在地面產(chǎn)生大風(fēng)和災害天氣(冰雹、龍卷風(fēng))。

　　雷暴或積雨云是由上升氣流產(chǎn)生的,這些上升氣流最初都來(lái)自太陽(yáng)對地球表面和大氣邊界層空氣的加熱。對流云形成的熱力學(xué)基礎是條件性熱力不穩定和對該過(guò)程的初始觸發(fā)。其觸發(fā)機制主要包括:邊界層內的熱力抬升、鋒面與陣風(fēng)鋒邊界之間的拾升、地形動(dòng)力拾升(如典型山區)以及鋒面動(dòng)力提升。當上升氣流進(jìn)人低壓環(huán)境,氣流將膨脹并冷卻,直到溫度達到露點(diǎn)形成水汽,然后水汽凝結成云,水汽凝結釋放潛熱使抬升動(dòng)力增大。如果該氣流的溫度降低到冰點(diǎn)溫度以下,就會(huì )形成冰晶和霰,云就具備了起電的基礎,雷電將產(chǎn)生。

　　典型的雷暴單體的直徑為10km,云頂高度為12km,生命周期小于30min.其他類(lèi)型的雷暴比如多單體雷暴帶.雷暴簇.超級單體雷暴以及中尺度對流系統(MCS)具有更大的尺度,持續時(shí)間可長(cháng)達數個(gè)小時(shí)。不同類(lèi)型的雷暴往往出現在不同的地理區城內.

　　單個(gè)雷暴云的電荷分布模型包含三個(gè)電荷區,云中部--個(gè)集中的負電荷區,其上方是較為分散的一個(gè)正電荷區,下方有一小正電荷區。雷電更容易在負電荷區的邊緣或靠近邊緣部分產(chǎn)生。如果雷電在負電荷區的頂部附近產(chǎn)生,通常會(huì )發(fā)展為包含主負電荷區和主正電荷區的云閃。如果放電發(fā)生于負電.荷區下邊緣或附近,它會(huì )產(chǎn)生下行負地閃。

　　A.2雷電現象

　　盡管地閃對人類(lèi)活動(dòng)危害最大。但-個(gè)雷暴產(chǎn)生的大多數雷電并不會(huì )到達地面,這些雷電一般被稱(chēng)為云閃。

　　當雷暴云中的電荷積累到一定程度后,雷電便發(fā)生了。云閃通常出現在第一次地閃前幾分鐘,但并不總是如此。雷電的極性由傳輸到地面的電荷的極性確定。雷電的特征也取決于最初先導電荷的方向，云對地閃電向下,地對云閃電則向上。圖A.1給出了標準的地閃分類(lèi)。下行地閃是最常見(jiàn)的,而上行地閃通常由高建筑物引發(fā)(即高于100m的建筑物或處于山區的較小的建筑物)。

　　最常見(jiàn)的雷電類(lèi)型是下行負地閃(通常約占90%),但在-些特殊情況下不是這樣，比如冬季雷暴、強雷暴或中尺度對流系統的層狀云區城,正地閃占多數。通常，下行負地閃開(kāi)始于云內的初始擊穿過(guò)程，緊接著(zhù)產(chǎn)生下行先導,間歌性.多分支、呈梯級地向地面發(fā)展,這一過(guò)程就是梯級先導。當負極性梯級先導接近地面時(shí),該先導下方,在電場(chǎng)的作用下將產(chǎn)生-個(gè)或更多向上的、連接的先導,這些先導通常來(lái)自最近的接地導體尖端。當兩個(gè)先導連接時(shí),回擊開(kāi)始了?；負暨^(guò)程是強烈的電流脈沖,它將電流傳輸到地面，并沿電離的先導通道大約以光速三分之一的速度向上傳播?；負敉ǖ赖臏囟确逯导s為30000K,它是最亮的閃電過(guò)程?；負暨^(guò)程的持續時(shí)間為幾百微秒到幾十毫秒,取決于連續電流的持續時(shí)間。后繼回擊通常發(fā)生在首次回擊幾十毫秒后,在一次典型的雷電過(guò)程中通常有3個(gè)~4個(gè)先導/回擊過(guò)程。

　　更多詳情參見(jiàn)參考文獻[9]。

　　A.3有助于雷電防護的雷暴和雷電特征

　　A.3.1靜電場(chǎng)

　　雷暴云內的電荷在地面上形成一個(gè)強靜電場(chǎng),該靜電場(chǎng)通常比晴天時(shí)強得多。這樣,隨著(zhù)雷暴的發(fā)展和接近,測量雷暴靜電場(chǎng)可以提供-一個(gè)預警因子,但有一定的局限性。其中一個(gè)局限就是地面電場(chǎng)不是云電荷產(chǎn)生的真實(shí)場(chǎng)，因為云和地面之間存在明顯的空間電荷層,不可能確定一個(gè)與即將發(fā)生雷擊相對應的精確電場(chǎng)閥值。第二個(gè)局限是只能測量距離雷暴最多幾千米內的電場(chǎng)。

　　地閃和云閃產(chǎn)生的電場(chǎng)突變可用來(lái)探測雷電。如在多個(gè)站點(diǎn)同時(shí)測量到電場(chǎng)突變,則可以定位引起閃電變化的電荷的云內中心位置。不過(guò)，利用靜電場(chǎng)變化定位閃電位置不是通常采用的方法。

　　A.3.2電磁場(chǎng)

　　A.3.2.1概述

　　由于電流的快速.劇烈變化,雷云放電會(huì )產(chǎn)生電磁輻射,通過(guò)組合使用單項或多項技術(shù),這種輻射一般用于探測和定位雷電。附錄B描述了目前使用的幾種技術(shù)。通過(guò)定位云閃.地閃或這兩種閃電，可以追蹤雷暴以實(shí)現預警和預防雷電災害。

　　A.3.2.2云閃的探測

　　在雷暴中,云閃通常出現在首次地閃之前。因此，云閃常用于雷電預警。-般云閃比地閃多 2倍~3倍,這為監測和跟蹤雷電活動(dòng)提供了更多手段。

　　相比地內，云閃活動(dòng)更加活躍,這要求云閃監測具有更強的數據處理能力。在甚高頻頻段內可能有幾萬(wàn)個(gè)電磁輻射源,這一-高發(fā)生率將探測限制在幾百千米范圍內。

　　A.3.2.3地閃的探測

　　地閃的探測通常在低頻或甚低頻頻段內進(jìn)行，此頻段的探測半徑為幾百千米。

　　A.3.3其他有助于閃電探測的參數

　　A.3.3.1雷電間隔與頻次

　　雷電之間的時(shí)間間隔和距離提供了雷暴活動(dòng)的信息。雷電頻次指單位時(shí)間內的閃電數,該參數通常用于描述一次雷暴的雷電活動(dòng)。

　　A.3.3.2云地閃比

　　云閃次數與地閃次數的比值提供了雷電話(huà)動(dòng)和雷暴類(lèi)型的信息。

　　A.3.3.3地閃極性

　　正地內常見(jiàn)于冬季雷暴和中尺度對流系統的層狀云區域。此外,相對于負地閃,如果正地閃的百分比高可能預示有災害天氣。

　　所有這些參數對雷電定位系統的性能非常敏感。

　　附錄B

　　(資料性附錄)

　　雷暴探測技術(shù)

　　B.1簡(jiǎn)介

　　本附錄介紹了雷暴探測技術(shù)的分類(lèi),也描述了用于雷暴探測的技術(shù)方法,并且根據獲取雷電信息的需要,給出了選擇正確類(lèi)型探測儀和/或探測系統的指南。

　　B.2探測技術(shù)和傳 感器參數要求

　　B.2.1概述

　　根據可探測現象的不同，雷暴探測儀的分類(lèi)通常與雷暴階段有關(guān)。但一臺雷暴探測儀也可能探測到--種或幾種現象。因此,本節將對各類(lèi)雷暴探測儀進(jìn)行描述和簡(jiǎn)要的說(shuō)明。

　　B.2.2類(lèi)型A

　　用于探測雷暴的第一個(gè)征兆(階段1),在云閃或地閃發(fā)生之前和存在雷電風(fēng)險期間,提供早期預警以便采取預防措施。該類(lèi)雷暴探測儀是通過(guò)測量雷暴產(chǎn)生的靜電場(chǎng)來(lái)實(shí)現的。

　　雷暴的起電過(guò)程或雷暴,會(huì )造成晴天大氣靜電場(chǎng)的變化。由于地表上方的大氣帶正電,睛天時(shí),平坦地面附近的大氣靜電場(chǎng)為正值，幅度約在100 V/m~150 V/m。雷暴云時(shí)地面電場(chǎng)幅度可以達到每米幾千伏特。由于空間電荷層的存在,雷暴云產(chǎn)生的電場(chǎng)受到屏蔽,通常會(huì )使地面靜電場(chǎng)保持在10 kV/m以下。

　　用于探測雷暴電場(chǎng)的傳感器,分辨力應優(yōu)于200 V/m,電場(chǎng)測量范圍至少為士20 kV/m.初始階段的靜電場(chǎng)變化相對較慢,每隔幾秒采樣就足夠了。如需要電場(chǎng)變化的信息,最低采樣頻率宜為每秒一次。

　　雷暴探測沒(méi)備宜提供有關(guān)電場(chǎng)等級的信息。有些設備還可以提供電場(chǎng)變化的信息。

　　A類(lèi)雷暴探測儀能夠探測是否存在帶電的云,但是不能確定雷暴云發(fā)生第-次放電的靜電場(chǎng)閾值。監測區域強烈受制于隨距離增大而迅速減弱的靜電場(chǎng)，故靜電場(chǎng)測量的最大半徑宜為距離電荷區邊界20km.因地理環(huán)境的限制,該類(lèi)雷暴探測儀用于局部探測。

　　因附近任何雷電都可造成靜電場(chǎng)的快速變化,故A類(lèi)探測器也可在雷暴階段2、階段3、階段4提供信息。

　　任何情況下,制造商或服務(wù)商宜提供預警等級和預警方法的信息。當測量受局地電場(chǎng)增強影響時(shí)，預警等級信息取決于安裝站點(diǎn)的環(huán)境。

　　B.2.3類(lèi)型 B

　　用于探測云閃和地閃(階段2~階段4)。云閃會(huì )在甚高頻頻段產(chǎn)生大量射頻源。通常,云閃在此頻段(大約100 MHz)進(jìn)行探測和測量.云閃探測儀的探測效率宜滿(mǎn)足用戶(hù)的應用需求(參見(jiàn)附錄E)。因為云閃的定位對于采取預防措施比較重要,制造商或服務(wù)商宜給出探測儀的探測半徑和定位不確定度。地閃的定位不確定度宜與用戶(hù)的應用需求一致(參見(jiàn)附錄E)。

　　制造商或服務(wù)商宜提供探測方法和預警的相關(guān)信息。

　　B.2.4類(lèi)型C

　　用于探測地閃和部分云閃。地閃在低頻頻段(10 kHz~500 kHz)會(huì )產(chǎn)生明顯的輻射。

　　地閃探測儀在監測區城的探測效率宜高于90%。因地閃的定位對于預防揩施比較重要,制造商或服務(wù)商宜給出探測半徑和定位精度,監測區域內50%地閃的定位精度宜小于1km.

　　制造商或雷電數據供應商宜提供探測方法和預警的相關(guān)信息.

　　B.2.5類(lèi)型D

　　用于探測地閃(階段3),也可探測其他電磁脈沖,雷電信號和其他信號源(EMI)的區分能力較弱.

　　B.3 定位技術(shù)

　　B.3.1概述

　　根據用途,雷暴探測儀可劃分為兩種定位技術(shù)。為了確定雷擊位置,需要多傳感器的雷電定位系統。如僅需了解雷電活動(dòng)的一般信息和/或雷暴的大致距離與方位,則可以使用單傳感器的雷暴探測儀。

　　B.3.2多傳感器定位技術(shù)

　　共有四種多傳感器定位技術(shù):

　　ML1;磁定向法(MDF)

　　利用兩個(gè)正交磁線(xiàn)圈測量磁場(chǎng)的H,和H,分量。磁環(huán)的磁通量與人射角成比例,其中一個(gè)磁環(huán)與人射源方位角的余弦相關(guān),而另一個(gè)磁環(huán)與正弦相關(guān),兩者的比值就是方位角的正切值。用兩個(gè)或多個(gè)磁定向儀,通過(guò)計算定向儀方位角的交叉方位即可確定雷擊位置。

　　ML2:到達時(shí)間法(TOA)

　　利用脈沖從輻射源到達傳感器所需要的時(shí)間延遇進(jìn)行定位:較近的傳感器比較遠的提前探測到信號。到達時(shí)間法可在甚低頻.低頻范圍和甚高頻頻段應用。

　　ML3:射頻干沙法(RFI)

　　通過(guò)測量緊密放置的天線(xiàn)之間的相位差來(lái)實(shí)現。此方法與到達時(shí)間法的區別在于它可以處理連續信號,因此不需要識別脈沖.

　　ML4:光學(xué)成像測量法(OD)

　　空基(衛星)的傳感器能夠探測雷電產(chǎn)生光信號的快速變化并對它們進(jìn)行成像。此技術(shù)不是非常精確,但為在無(wú)法使用地基探測系統的區城如海洋上,進(jìn)行雷電研究提供了可能。

　　B.3.3單傳感器定位技術(shù)

　　單傳感器(SS)定位技術(shù)如下:

　　SS1:場(chǎng)強測量法(FSM)

　　在雷暴形成期間,電場(chǎng)的上升可用于對即將發(fā)生的雷電活動(dòng)進(jìn)行預警。雷擊產(chǎn)生的電場(chǎng)快速變化可用于確認雷擊的發(fā)生。

　　SS2:磁定向法(MDF)

　　由于單個(gè)磁定向儀能夠給出雷擊的方位角，如果能通過(guò)測量信號強度和/或信號波形確定雷擊的大致距離,則用于雷電監測網(wǎng)的磁定向技術(shù)也可以用于單傳感器系統。

　　SS3;射頻信號強度測量法(RFM)

　　由于雷電流特性的多樣性,測量天線(xiàn)接收的雷電信號強度不是一-個(gè)有效的方法。復雜的信號處理方法并結合光學(xué)探測有可能明顯提高雷電定位的精度。但該方法本質(zhì)上是不準確的。

　　所有可用的雷暴探測技術(shù)都有其對應的應用。

　　ML1、ML2、ML3定位方法在雷電探測網(wǎng)絡(luò )中的應用既實(shí)用又科學(xué),常被用于向公眾開(kāi)放數據的商業(yè)網(wǎng)絡(luò ),這些網(wǎng)絡(luò )可以在世界各地找到。

　　MLA定位方法主要用于科學(xué)研究,由高校和政府機構安裝使用。

　　單傳感器技術(shù)也有不同的應用特性。

　　Ssl探測儀用于雷電發(fā)生前及雷暴整個(gè)生命周期的局地預警。

　　SS2探測儀可提供實(shí)際雷擊的方向和距離信息。它們在需要準確.實(shí)時(shí)信息和不想依賴(lài)商業(yè)雷電

　　探測網(wǎng)絡(luò )提供所需數據的公司中找到用戶(hù)。然而,這些用戶(hù)應注意，與多傳感器雷電探測網(wǎng)絡(luò )相比，SS2探測儀所提供的信息不夠十分準確。

　　SS3探測儀可以分為兩個(gè)質(zhì)量等級。較復雜的探測儀包含了復雜的信號處理模塊,能夠給出具有一定精度的雷電距離。某些探測儀還使用光學(xué)傳感器確認探測的信號與閃電有關(guān)。

　　較簡(jiǎn)易的探測儀使用--個(gè)小天線(xiàn)進(jìn)行信號強度的簡(jiǎn)單測量,并且探測儀僅有有限的信號處理模塊，只能給出非常粗略的局地雷擊信息。它們只用于發(fā)生雷電的一般性地提示,不適用于雷電預警。

　　B.4雷暴探測儀的評估

　　為使預警系統準確和高效,用于預警的雷暴探測儀應具有一定性能水平?？梢允褂靡恍┓椒炞C這些特性,如:

　　——基于系統結構和探測技術(shù)的理論計算;

　　——實(shí)驗室測試;

　　——不同系統之間進(jìn)行比較;

　　——用安裝了監測儀器的高塔或帶時(shí)間標記的視頻或圖片進(jìn)行實(shí)驗驗證;

　　——現場(chǎng)驗證。

　　B.5雷暴探測系統的選擇

　　根據附錄c中給出的風(fēng)險評估和附錄D中描述的預防措施，可以選擇雷暴探測儀建立雷暴預警系統。根據預警的應用和可用的雷電信息,可能存在若干合適的探測技術(shù)。最終決定采用哪種技術(shù)應經(jīng)

　　過(guò)多方面詳細的分析,包括預警需求(必要提前時(shí)間可接受的虛報和虛報率)、允許的預算和每種探測技術(shù)能提供的信息。

　　雷暴預警系統如何保障機場(chǎng)安全的范例參見(jiàn)參考文獻[4]. .