附錄A

　　(資料性附錄)

　　雷電現(xiàn)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(zāi)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(duì)地球表面和大氣邊界層空氣的加熱。對(duì)流云形成的熱力學(xué)基礎(chǔ)是條件性熱力不穩(wěn)定和對(duì)該過(guò)程的初始觸發(fā)。其觸發(fā)機(jī)制主要包括:邊界層內(nèi)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(qū))以及鋒面動(dòng)力提升。當(dāng)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(dá)到露點(diǎn)形成水汽,然后水汽凝結(jié)成云,水汽凝結(jié)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(chǔ),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(jí)單體雷暴以及中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)具有更大的尺度,持續(xù)時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)數(shù)個(gè)小時(shí)。不同類(lèi)型的雷暴往往出現(xiàn)在不同的地理區(qū)城內(nèi).

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

　　A.2雷電現(xiàn)象

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

　　當(dāng)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(xiàn)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?shù)降孛娴碾姾傻臉O性確定。雷電的特征也取決于最初先導(dǎo)電荷的方向，云對(duì)地閃電向下,地對(duì)云閃電則向上。圖A.1給出了標(biāo)準(zhǔn)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(qū)的較小的建筑物)。

　　最常見(jiàn)的雷電類(lèi)型是下行負(fù)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(qiáng)雷暴或中尺度對(duì)流系統(tǒng)的層狀云區(qū)城,正地閃占多數(shù)。通常，下行負(fù)地閃開(kāi)始于云內(nèi)的初始擊穿過(guò)程，緊接著產(chǎn)生下行先導(dǎo),間歌性.多分支、呈梯級(jí)地向地面發(fā)展,這一過(guò)程就是梯級(jí)先導(dǎo)。當(dāng)負(fù)極性梯級(jí)先導(dǎo)接近地面時(shí),該先導(dǎo)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(dǎo),這些先導(dǎo)通常來(lái)自最近的接地導(dǎo)體尖端。當(dāng)兩個(gè)先導(dǎo)連接時(shí),回?fù)糸_(kāi)始了。回?fù)暨^(guò)程是強(qiáng)烈的電流脈沖,它將電流傳輸?shù)降孛妫⒀仉婋x的先導(dǎo)通道大約以光速三分之一的速度向上傳播。回?fù)敉ǖ赖臏囟确逯导s為30000K,它是最亮的閃電過(guò)程。回?fù)暨^(guò)程的持續(xù)時(shí)間為幾百微秒到幾十毫秒,取決于連續(xù)電流的持續(xù)時(shí)間。后繼回?fù)敉ǔ０l(fā)生在首次回?fù)魩资撩牒?在一次典型的雷電過(guò)程中通常有3個(gè)~4個(gè)先導(dǎo)/回?fù)暨^(guò)程。

　　更多詳情參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[9]。

　　A.3有助于雷電防護(hù)的雷暴和雷電特征

　　A.3.1靜電場(chǎng)

　　雷暴云內(nèi)的電荷在地面上形成一個(gè)強(qiáng)靜電場(chǎng),該靜電場(chǎng)通常比晴天時(shí)強(qiáng)得多。這樣,隨著雷暴的發(fā)展和接近,測(cè)量雷暴靜電場(chǎng)可以提供-一個(gè)預(yù)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?yàn)樵坪偷孛嬷g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(duì)應(yīng)的精確電場(chǎng)閥值。第二個(gè)局限是只能測(cè)量距離雷暴最多幾千米內(nèi)的電場(chǎng)。

　　地閃和云閃產(chǎn)生的電場(chǎng)突變可用來(lái)探測(cè)雷電。如在多個(gè)站點(diǎn)同時(shí)測(cè)量到電場(chǎng)突變,則可以定位引起閃電變化的電荷的云內(nèi)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(xiàng)或多項(xiàng)技術(shù),這種輻射一般用于探測(cè)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(xiàn)預(yù)警和預(yù)防雷電災(zāi)害。

　　A.3.2.2云閃的探測(cè)

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

　　相比地內(nèi)，云閃活動(dòng)更加活躍,這要求云閃監(jiān)測(cè)具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。在甚高頻頻段內(nèi)可能有幾萬(wàn)個(gè)電磁輻射源,這一-高發(fā)生率將探測(cè)限制在幾百千米范圍內(nèi)。

　　A.3.2.3地閃的探測(cè)

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

　　A.3.3其他有助于閃電探測(cè)的參數(shù)

　　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(nèi)的閃電數(shù),該參數(shù)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(shù)與地閃次數(shù)的比值提供了雷電話動(dòng)和雷暴類(lèi)型的信息。

　　A.3.3.3地閃極性

　　正地內(nèi)常見(jiàn)于冬季雷暴和中尺度對(duì)流系統(tǒng)的層狀云區(qū)域。此外,相對(duì)于負(fù)地閃,如果正地閃的百分比高可能預(yù)示有災(zāi)害天氣。

　　所有這些參數(shù)對(duì)雷電定位系統(tǒng)的性能非常敏感。

　　附錄B

　　(資料性附錄)

　　雷暴探測(cè)技術(shù)

　　B.1簡(jiǎn)介

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

　　B.2探測(cè)技術(shù)和傳 感器參數(shù)要求

　　B.2.1概述

　　根據(jù)可探測(cè)現(xiàn)象的不同，雷暴探測(cè)儀的分類(lèi)通常與雷暴階段有關(guān)。但一臺(tái)雷暴探測(cè)儀也可能探測(cè)到--種或幾種現(xiàn)象。因此,本節(jié)將對(duì)各類(lèi)雷暴探測(cè)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(cè)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(xiǎn)期間,提供早期預(yù)警以便采取預(yù)防措施。該類(lèi)雷暴探測(cè)儀是通過(guò)測(cè)量雷暴產(chǎn)生的靜電場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)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(dá)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(cè)雷暴電場(chǎng)的傳感器,分辨力應(yīng)優(yōu)于200 V/m,電場(chǎng)測(cè)量范圍至少為士20 kV/m.初始階段的靜電場(chǎng)變化相對(duì)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(cè)沒(méi)備宜提供有關(guān)電場(chǎng)等級(jí)的信息。有些設(shè)備還可以提供電場(chǎng)變化的信息。

　　A類(lèi)雷暴探測(cè)儀能夠探測(cè)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(jiān)測(cè)區(qū)域強(qiáng)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(cè)量的最大半徑宜為距離電荷區(qū)邊界20km.因地理環(huán)境的限制,該類(lèi)雷暴探測(cè)儀用于局部探測(cè)。

　　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(cè)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(yù)警等級(jí)和預(yù)警方法的信息。當(dāng)測(cè)量受局地電場(chǎng)增強(qiáng)影響時(shí)，預(yù)警等級(jí)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(cè)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(cè)和測(cè)量.云閃探測(cè)儀的探測(cè)效率宜滿足用戶的應(yīng)用需求(參見(jiàn)附錄E)。因?yàn)樵崎W的定位對(duì)于采取預(yù)防措施比較重要,制造商或服務(wù)商宜給出探測(cè)儀的探測(cè)半徑和定位不確定度。地閃的定位不確定度宜與用戶的應(yīng)用需求一致(參見(jiàn)附錄E)。

　　制造商或服務(wù)商宜提供探測(cè)方法和預(yù)警的相關(guān)信息。

　　B.2.4類(lèi)型C

　　用于探測(cè)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(cè)儀在監(jiān)測(cè)區(qū)城的探測(cè)效率宜高于90%。因地閃的定位對(duì)于預(yù)防揩施比較重要,制造商或服務(wù)商宜給出探測(cè)半徑和定位精度,監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)50%地閃的定位精度宜小于1km.

　　制造商或雷電數(shù)據(jù)供應(yīng)商宜提供探測(cè)方法和預(yù)警的相關(guān)信息.

　　B.2.5類(lèi)型D

　　用于探測(cè)地閃(階段3),也可探測(cè)其他電磁脈沖,雷電信號(hào)和其他信號(hào)源(EMI)的區(qū)分能力較弱.

　　B.3 定位技術(shù)

　　B.3.1概述

　　根據(jù)用途,雷暴探測(cè)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(tǒng)。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(cè)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)正交磁線圈測(cè)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(jì)算定向儀方位角的交叉方位即可確定雷擊位置。

　　ML2:到達(dá)時(shí)間法(TOA)

　　利用脈沖從輻射源到達(dá)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(yuǎn)的提前探測(cè)到信號(hào)。到達(dá)時(shí)間法可在甚低頻.低頻范圍和甚高頻頻段應(yīng)用。

　　ML3:射頻干沙法(RFI)

　　通過(guò)測(cè)量緊密放置的天線之間的相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)。此方法與到達(dá)時(shí)間法的區(qū)別在于它可以處理連續(xù)信號(hào),因此不需要識(shí)別脈沖.

　　ML4:光學(xué)成像測(cè)量法(OD)

　　空基(衛(wèi)星)的傳感器能夠探測(cè)雷電產(chǎn)生光信號(hào)的快速變化并對(duì)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(cè)系統(tǒng)的區(qū)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(qiáng)測(cè)量法(FSM)

　　在雷暴形成期間,電場(chǎng)的上升可用于對(duì)即將發(fā)生的雷電活動(dòng)進(jìn)行預(yù)警。雷擊產(chǎn)生的電場(chǎng)快速變化可用于確認(rèn)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(cè)量信號(hào)強(qiáng)度和/或信號(hào)波形確定雷擊的大致距離,則用于雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)的磁定向技術(shù)也可以用于單傳感器系統(tǒng)。

　　SS3;射頻信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量法(RFM)

　　由于雷電流特性的多樣性,測(cè)量天線接收的雷電信號(hào)強(qiáng)度不是一-個(gè)有效的方法。復(fù)雜的信號(hào)處理方法并結(jié)合光學(xué)探測(cè)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(zhǔn)確的。

　　所有可用的雷暴探測(cè)技術(shù)都有其對(duì)應(yīng)的應(yīng)用。

　　ML1、ML2、ML3定位方法在雷電探測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用既實(shí)用又科學(xué),常被用于向公眾開(kāi)放數(shù)據(jù)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(jī)構(gòu)安裝使用。

　　單傳感器技術(shù)也有不同的應(yīng)用特性。

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

　　SS2探測(cè)儀可提供實(shí)際雷擊的方向和距離信息。它們?cè)谛枰獪?zhǔn)確.實(shí)時(shí)信息和不想依賴商業(yè)雷電

　　探測(cè)網(wǎng)絡(luò)提供所需數(shù)據(jù)的公司中找到用戶。然而,這些用戶應(yīng)注意，與多傳感器雷電探測(cè)網(wǎng)絡(luò)相比，SS2探測(cè)儀所提供的信息不夠十分準(zhǔn)確。

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

　　較簡(jiǎn)易的探測(cè)儀使用--個(gè)小天線進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度的簡(jiǎn)單測(cè)量,并且探測(cè)儀僅有有限的信號(hào)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(yù)警。

　　B.4雷暴探測(cè)儀的評(píng)估

　　為使預(yù)警系統(tǒng)準(zhǔn)確和高效,用于預(yù)警的雷暴探測(cè)儀應(yīng)具有一定性能水平。可以使用一些方法驗(yàn)證這些特性,如:

　　——基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和探測(cè)技術(shù)的理論計(jì)算;

　　——實(shí)驗(yàn)室測(cè)試;

　　——不同系統(tǒng)之間進(jìn)行比較;

　　——用安裝了監(jiān)測(cè)儀器的高塔或帶時(shí)間標(biāo)記的視頻或圖片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;

　　——現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。

　　B.5雷暴探測(cè)系統(tǒng)的選擇

　　根據(jù)附錄c中給出的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和附錄D中描述的預(yù)防措施，可以選擇雷暴探測(cè)儀建立雷暴預(yù)警系統(tǒng)。根據(jù)預(yù)警的應(yīng)用和可用的雷電信息,可能存在若干合適的探測(cè)技術(shù)。最終決定采用哪種技術(shù)應(yīng)經(jīng)

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

　　雷暴預(yù)警系統(tǒng)如何保障機(jī)場(chǎng)安全的范例參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[4]. .