2006—2011年广州人工触发闪电观测试验和应用

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资助项目 ： 国家自然科学基金项目 （ ） ， 公益性行业 （ 气象 ） 科研专项 （ ， 中国气象科学研究院基本科研业务费专项资 ４ １ ０ ３ ０ ９ ６ ０ Ｇ ＹＨＹ ２ ０ １ ０ ０ ６ ０ ０ ５） ） 金（ ２ ０ １ ０ Ｚ ０ ０ ４ ： ｍ ａ ｉ ｌ ｚ ｈ ａ ｎ ａ ｍ ｓ ． ｃ ｍ ａ ． ｏ ｖ ． ｃ ｎ Ｅ ＠ｃ ｇ ｙ ｊ ｇ
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１ ９ ９ １ 年在法国 Ｓ ａ ｉ ｎ ｔ Ｐ ｒ ｉ ｖ ａ ｔ开展的人 工触 发闪 电 试 验的观测结果 ， 得到继后回击的电流峰值 、 上升时间
６］ 图 １ 自然与人工触发闪电继后回击的快电场变化波形 （ ） 和辐射场频谱 （ ） 的比较 ［ ａ ｂ
） ） Ｆ ｉ ． １ Ｔ ｈ ｅａ ｖ ｅ ｒ ａ ｅ ｆ ａ ｓ ｔ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄｗ ａ ｖ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍ（ ａ ａ ｎ ｄｔ ｈ ｅｅ ｎ ｅ ｒ ｅ ｃ ｔ ｒ ｕ ｍ（ ｂ ｇ ｇ ｇ ｙｓ ｐ
６ ｆ ｏ ｒｓ ｕ ｂ ｓ ｅ ｕ ｅ ｎ ｔ ｒ ｅ ｔ ｕ ｒ ｎｓ ｔ ｒ ｏ ｋ ｅ ｓ ｉ ｎｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ ａ ｎ ｄｔ ｒ ｉ ｅ ｒ ｅ ｄ ｌ ｉ ｈ ｔ ｎ ｉ ｎ ｑ ｇ ｇ ｇ ｇ ［］
［］ ａ ｃ ｈ等 ７ 利 用 光 学 观 测 资 料 对 ３ ５个自然闪 Ｍ 电及 ２ ６ 个人工触发 闪 电 的 直 窜 先 导 的 速 度 及 光 信
２］ 等［ 分析比较了人工触发闪电和高塔上的自然闪电
初始阶段 的 电 流 特 征 ， 发 现 它 们 具 有 一 致 性。Ｈ ｕ
［］ ｂ ｅ ｒ ｔ等 ３ 在法国及 Ｎ ｅ ｗＭ ｅ ｘ ｉ ｃ ｏ 得到的人工触发闪 电的 持 续 时 间 的 平 均 值 分 别 为 ３ ， ５ ０ｍ ｓ和 ４ ７ ０ｍ ｓ 中和的 电 荷 量 的 平 均 值 分 别 为 ５ 而 ０Ｃ 和 ３ ５ Ｃ；
２ ０ １ ２ ０ ３ １ ２ 收到 ， ２ ０ １ ２ ０ ６ １ ３ 收到再改稿 。
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接地后产生首次回 击 ， 而人工触发闪电以上行先导 开始 ， 其后是一段初始连续电流过程 ， 所以没有自然 但触发闪电初始连续电流之后 闪电中的首次回击 ， 的直窜先导 继后 回 击 过 程 与 自 然 闪 电 首 次 回 击 之 后的 直 窜 先 导 回 击 过 程 是 一 致 的。 比 如， Ｍ ｉ ｋ ｉ
Ｂ ｒ ｏ ｏ ｋ 等 ４ 根据 电 场 变 化 观 测 得 到 在 Ｎ ｅ ｗＭ ｅ ｘ ｉ ｃ ｏ 含有连续电流的自然闪电的 持续时间为 ５ ， 不 ５ ０ｍ ｓ 含连续电流的持续时间为 ３ ； 含 有连 续电 流 的 ７ ０ｍ ｓ 自然闪电所中和的电荷量为 ３ 不含连续电流的 ４Ｃ， 自 然闪 电所 中 和 的 电 荷 量 为１ 从这些数据看人 ９Ｃ，
电的继后回击的平均速度为 （ ／ 。 １． ９±０． ７） ×１ ０ ｍ ｓ 虽然在短通道上 ， 两者有一些差别 ， 但并不明显 。
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由此 可 见， 尽管在具体一些参数或测量结果中 人工触发与自然闪电继后回击可能存在一些小的差 别， 但考虑到自然闪 电 本 身 的 各 种 参 数 变 化 范 围 相 当大 ， 这些差别 可 以 忽 略 不 计 。 所 以 利 用 人 工 触 发 闪电技术在国内外已开展了很多观测试验和应用研
张义军 ，杨少杰 ， 吕伟涛 ， 等． （ ） ： ２ ０ ０ ６—２ ０ １ １ 年广州人工触发闪电观测试验和应用 ．应用气象学报 ， ２ ０ １ ２， ２ ３ ５ ５ １ ３ ５ ２ ２．
— ２ ０ ０ ６ ２ ０ １ １ 年广州人工触发闪电 观测试验和应用
） ） ） ） ２ １ １ １ 张义军１） 杨少杰 吕伟涛 郑 栋 董万胜 李 斌２） 陈绍东２） 张 阳１） 陈绿文２）
［］ 间没有 显 著 差 别 。 另 外 ， Ｍ ａ ｃ ｈ等 ９ 根据用光电管
１ 试验布局和测量设备
观测 试 验 主 要 包 括 两 个 部 分 ： 第１部分为野外 试验场 ， 位于广东省从化市北部 ， 该试验场主要开展 第 人工触发闪电及其 综 合 观 测 和 雷 电 防 护 等 试 验 ； 其主 ２部 分 为 从 化 市 气 象 局 办 公 楼 ３ 楼 观 测 平 台， 要功能为自然闪电 综 合 观 测 ， 同时兼顾触发闪电同 步观测和雷暴天气的监测 。 野外试验场和从化市气 象局观测平台相距约 ８． ４ｋ ｍ。 图２ 为 人 工 触 发 闪 电 野 外 试 验 场 布 局， 其中共 有 ６ 个火箭架用于 人 工 触 发 闪 电 ， 火箭携带的金属 导线连 接在 ５ ｍ 高 的引流 杆上 ， 引 流杆与 接 地系统 相连 ， 接地电阻 为 ６． ７ Ω。 火 箭 点 火 控 制 中 心 设 在 铁皮屋有良 离火箭发射点 约 ９ ０ ｍ 处 的 铁 皮 屋 内， 好的接地和屏 蔽 ， 接 地 电 阻 为 ７ Ω。 触 发 闪 电 火 箭 距离火箭架 通 过 光电 点 火 系 统 实 现 火 箭 发 射 。
［］ 量可能会有 一 定 差 异 。Ｄ ｅ ａ ｓ ｅ５ 总 结 了 １ ９ ９ ０年和 ｐ
及电流 变 化 率 的 中 间 值 分 别 为 ９ｋ Ａ， ０． ８ ２μ ｓ及 ／ ， 而自然闪电所对应的中间值分别为 ３ ３． １ｋ Ａ ｓ μ ／ 。Ｌ １ ２ｋ Ａ， １． １μ ｓ及 ４ ０ｋ Ａ ｓ ｅＶ ｉ ｎ ｅ等 ６ 等 对 人 μ 工触发闪电与自然闪电继后回击的快电场变化波形 和频谱特征也进行 了 比 较 ， 结果表明两者没有本质 上的差异 （ 图１ ） 。
］ １ ０ １ ５ 并取得了 许 多 有 意 义 的 结 果 ［ 。特别是随 着 究，
２ ０ ０ ６—２ ０ １ １ 年广州人工触发闪电观测试验和应用 ５ １ ５ 第 ５ 期 张义军等 ：
图 ２ 人工触发闪电试验场布局 Ｆ ｉ ． ２ Ｔ ｈ ｅ ｌ ａ ｏ ｕ ｔ ｆ ｏ ｒｅ ｘ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄｏ ｆ ｔ ｒ ｉ ｅ ｒ ｅ ｄ ｌ ｉ ｈ ｔ ｎ ｉ ｎ ｇ ｙ ｐ ｇ ｇ ｇ ｇ
３卷 ５ １ ４ 应 用 气 象 学 报 第 ２
工触发闪电与自然 闪 电 的 持 续 时 间 没 有 明 显 差 别 ， 且闪电的发生及其特征与其雷暴中的电荷结构和电 荷量有很大关系 ， 发生于不同雷暴中的闪电其特征
号上升时间也进行了比较 ， 结果表明 ： 自然直窜先导
７ ） ／ ， 而人工触发 闪 的平均速度为 （ １． ７±０． ２ ×１ ０ ｍ ｓ ７ 电的直窜先导的平均速度为 （ ／ ； １． ３±０． １） ×１ ０ ｍ ｓ
自然直 窜 先 导 的 光 信 号 平 均 上 升 时 间 为 ２． ６± ， 而人工引雷的直窜先导的光信号平均上升 ｓ ０． ４μ ［］ 时间为 １． 。Ｊ ４±０． ４μ ｓ ｏ ｒ ｄ ａ ｎ等 ８ 分析了更多有关 结果表明它们之 两种闪电的直窜先 导 速 度 的 资 料 ，
１）
（ 中国气象科学研究院雷电物理和防护工程实验室 ，北京 １ ） ０ ０ ０ ８ １
２）
（ 广东省防雷中心 ，广州 ５ ） １ ０ ０ ８ ０
摘 要
。 试验期间 ， 针对人工 ２ ０ ０ ６—２ ０ １ １ 年夏季在广州野外雷电试验基地开展了广东综合闪电观测试验 （ Ｇ Ｃ Ｏ Ｅ Ｌ Ｄ） 触发闪电进行了近距离声 、 光、 电、 磁特征等综合测量 ， 对自动气象站电源线和信号线上产生的感应电压特征进行 并对广东省地闪定位 网 的 探 测 效 率 和 定 位 精 度 与 人 工 触 发 闪 电 进 行 了 比 对 和 校 验 。 试 验 结 果 表 了观测和分析 ， 明： 人工触发闪电回击峰值电流范围为 －３ 回击电流波形的半峰 宽 度 的 范 围 为 ６． ， １． ９ ３～ －６． ６ ７ｋ Ａ， １ ８～７ ４． １ ９μ ｓ ４ ５ 。 触发闪电的 上 行 正 先 导 的 发 展 速 度 在 １ ／ 人工触 １ ０％ —９ ０％ 的上升时间范围为 ０． ２ ４～２． ２ ５μ ｓ ０ ０ ｍ ｓ量 级 ； ～１ 发闪电的回击过程在架空电源线路 （ 上产生的感应过电压可达 十 几 千 伏 ； 广东电网闪电定位系 １ ２ ０ ０ｍ 长 ， ２ｍ 高 ） 统对人工触发闪电事件的探测效率为 ９ 平均定位误差为 ７ ５％ ， ５ ９ｍ，闪 电 定 位 系 统 反 演 得 到 的 电 流 峰 值 与 实 际 测 量的电流峰值平均相对偏差为 １ ６． ３％ 。 关键词 ：触发闪电 ；回击电流 ；感应电压 ；探测效率
电子设备的大量采 用 ， 闪电电磁辐射常常引起电子 设备的严重损坏 ， 利用人工触发闪电技术 ， 研究真实 雷击环境中电磁场的变化以及闪电对电子设备的破 坏效应 成 为 了 展 了 人 工 触 发 闪 ２ ０ ０ ６—２ ０ １ １ 年夏季 ， 电试验 ， 成功触发 闪 电 ４ 得到了一批闪电电磁 ９ 次， 场、 高速摄像等电 、 光 观 测 资 料， 并开展了自动气象 站的雷电防护试验和地闪定位系统的校验 。
小于 ５ 及长 测到的光信号资料分别在短通道 （ ０ ０ ｍ） 通道 （ 大于 ５ 上求出 闪 电 回 击 速 度 ，对 人 工 触 ０ ０ｍ） 发闪电及自然闪电 继 后 回 击 的 速 度 进 行 了 比 较 ， 在 自然闪电的 平 均 回 击 速 度 为 （ 长通道上 ， １． ３±０． ３）
８ ／ ， 人工触发闪电的平均回击 速度 为 （ ×１ ０ ｍ ｓ １． ２± ８ ） ／ 。 在短通道上 ， 人工触 发闪 电 的继 后 ０． ３ ×１ ０ ｍｓ ８ 回击的平均速度为 （ ） ／ ， 而 自然闪 １． ４±０． ４ ×１ ０ ｍ ｓ
建 有 ４ 要 素 自 动 气 象 站， 自动气象站旁建 ２ ０ｍ 处 ， 有１ ０ｍ 高的独立 避 雷 针 。 自 动 气 象 站 供 电 采 用 试 验场上原有的民 用 ２ 输电 ２ ０Ｖ 两 相 架 空 输 电 线 路 ， 通 过 ２ ｍ 高 的 木杆支 线路由 火 线和零线两相组 成 ， 撑， 离最近的变压器距离约１ 架空线最后 ２ ０ ０ ｍ， ５ ２ｍ 穿管埋地 后 给 自 动 气 象 站 采 集 器 供 电 。 在 埋 以测试自然 地前的架空线的 Ｌ 线 上 安 装 了 分 压 器 ， 闪电和触发闪电发生时的感应过电压 。 为了测试自 在风速 、 风向信号线 动气象站信号线路的感应电压 ， 上也安装了分压器
应 用 气 象 学 报 第２ ３卷 第５期 Ｖ ｏ ｌ ． ２ ３，Ｎ ｏ ． ５ ２ ０ １ ２年１ ０月 Ｊ ＯＵＲ ＮＡ ＬＯ ＦＡ Ｐ Ｐ Ｌ Ｉ Ｅ Ｄ ＭＥ Ｔ Ｅ Ｏ Ｒ Ｏ Ｌ Ｏ Ｇ Ｉ Ｃ Ａ ＬＳ Ｃ Ｉ Ｅ Ｎ Ｃ Ｅ Ｏ ｃ ｔ ｏ ｂ ｅ ｒ２ ０ １ ２
特征相类似 。 自然 闪 电 一 般 以 下 行 梯 级 先 导 开 始 ，
引 言
人工触发闪电技术是在适宜的雷暴条件下将闪 电人为引发到地面 ， 使闪电在时间和空间可控状态 下发生 。 广 泛 采 用 的 是 火 箭 拖 带 细 金 属 导 线 的 方 法， 有地面触发 和 高 度 触 发 两 种 方 式 。 目 前 人 工 触 发闪电技术有两个 主 要 用 途 ： 一是利用人工触发闪 对它进行各种有针 电发生时间和地点 的 可 预 知 性 ， 对性的测量以研究 雷 电 各 种 物 理 过 程 ； 二是利用人 工触发闪电来模拟自然雷电而进行各种防护和效应 试验 。 关于人工触发闪电与自然闪电的物理特性是 否 存 在 差 异 方 面 已 开 展 了 大 量 的 研 究 工 作， Ｕｍ ａ ｎ１ 将人工触发闪 电 与 自 然 闪 电 和 高 建 筑 物 上 激发的上行自然闪 电 进 行 了 系 统 比 较 ， 总结得到地 面方式触发闪电与从高建筑物上激发的上行闪电的