山东人工引发雷电综合观测实验及回击电流特征

山东人工引发雷电实验 （SHATLE) 自2005年开始, 六年来共成功引发负极性雷电22次, 包含大电流回击过程88次, 实验获取了包括雷电放电通道底部电流、近距离电磁场、 高速摄像等在内的高质量同步观测资料。对36次实测回击电流的统计分析表明, 回击峰值电流的几何平均值为12.1 kA, 最大值为41.6 kA, 最小值为4.4 kA。回击电流波形的半峰值宽度范围在1～68 μs之间, 电流10%～90%峰值的上升时间几何平均值为1.9 μs, 中和电荷量为0.86 C, 作用积分（action integral, 或称比能量) 为2.6 ×103A2?s。人工触发闪电峰值电流约16.5 kA的回击在30 m处产生的电场变化可达56.0 kV/m, 60 m处的磁场几何平均值为52 μT。一些强烈的M分量可以具有与回击相当的电流峰值和中和电荷量。人工引雷初始阶段上行正先导的发展速度约为0.96×105 m/s。     

地闪回击电流测量综述

地闪回击电流是雷电的一个重要特征参数。其测量数据的积累对于雷电防护技术的提高具有重要意义。目前国内外的雷电研究人员通过矮塔、高塔直接观测，人工引雷观测和电场电流关系反衍的方法对地闪回击电流进行了大量的观测研究，并取得了丰富的观测资料。观测表明，负地闪首次回击电流平均为30kA，继后回击电流平均12kA。正地闪回击电流平均为35kA，有时可达几百kA。不同地区地闪回击电流平均值略有不同。高塔测量是主要的雷电流参量直接测量方法，但不同高度测量的地闪回击电流无论峰值还是波形都存在一定的差异。人工引发闪电和自然闪电继后回击雷电流的测量结果较为一致。间接估测雷电流参数的方法随着地闪回击模式的发展将成为主要的方法之一。     

人工触发闪电先驱电流脉冲波形特征及模拟

2010—2014年夏季广州野外雷电试验基地采用了两种引雷火箭开展人工引雷试验,通过对25次经典人工触发闪电电流资料的分析,进一步证实了当火箭携带铜线时先驱电流脉冲 (precursor current pulse) 为双极性振荡型,火箭携带钢丝时先驱电流脉冲为单极性,其中单极性脉冲电流峰值、10%~90%上升时间、波形宽度和转移电荷量的几何平均值分别为26 A,0.33 μs,2.3 μs,27 μC,双极性脉冲相应的波形参数几何平均值分别为67 A,0.24 μs,2.1 μs,54 μC。双极性脉冲电流峰值的几何平均值接近是单极性的2.6倍,而波形持续时间和上升时间的几何平均值与单极性相近。利用传输线模型,模拟铜线通道底部电流波形呈双极性振荡型,而钢丝通道底部电流波形呈单极性,这与实际测量的结果比较一致,推测这两种电流波形可能是传输线特性阻抗不同所导致,在传输线顶端由先导起始放电产生的电流脉冲应为单极性。     

基于自然闪电下的限压型SPD残压特征分析

选取2017年6月15日和7月8日的2次人工引雷试验人工触发闪电数据,对采集系统记录了2次有明显残压波形的数据进行分析,结果表明:2次人工触发闪电的平均回击雷电流幅值为11.00kA,平均雷电流波形10%~90%的上升时间为0.24μs,平均雷电流的半峰宽度为10.98μs,平均雷电流的回击波形10%~90%的上升陡度38.20GA/s。2次人工触发闪电的平均残压持续时间为387.1μs,残压峰值平均值为969.4V,残压平均值为759.6V。自然闪电通常具有多回击、回击间隔时间短、放电过程复杂多样等特点,有可能破坏SPD热稳定性,加速老化,甚至可能被击穿;而该试验中SPD没有被损坏,主要是因为:人工触发闪电造成架空线路近距离发生闪电感应,尽管SPD的残压值高,但是电流比较小,所以SPD承受的能量不大。     

2011—2012年广州高建筑物雷电磁场特征统计

为研究不同高度的建筑物对雷电磁场的影响,对2011年7月—2012年8月广州高建筑物雷电观测试验中获取的雷电磁场波形数据进行统计分析,共选取击中14个高建筑物的40次雷电 (均为负极性雷电) 的磁场数据,结果表明:高建筑物对回击磁场峰值有增强作用,且建筑物越高对回击磁场峰值的增强作用越大,高度在200 m以上的建筑物上雷电首次回击磁场峰值的几何平均值是高度在200 m以下的建筑物上的2.4倍;高建筑物雷电回击的磁场波形呈多峰特征;观测到的20次击中200 m以下高建筑物的雷电中,有13次 (65%) 雷电首次回击的磁场波形出现后续峰值比初始峰值大的现象,击中200 m以上高建筑物的14次雷电中有8次 (57%) 出现该现象;40次高建筑物雷电中有22次 (55%) 为多回击雷电,135个回击间隔时间的几何平均值为69.1 ms, 多回击高建筑物雷电中有10次 (45%) 出现继后回击的磁场峰值大于首次回击磁场峰值的现象。     

利用低频磁场天线遥感测量人工引雷中的初始连续电流

2014年夏季的山东人工引雷实验中,我们利用高灵敏度宽频段磁场天线在距引雷点78 m的距离上开展了对人工引雷初始连续电流过程的遥感测量。通过分析实验期间5次人工引雷的综合观测数据,发现磁场遥感方法对人工引雷中特有的初始连续电流有很好的反演效果。通过对78 m距离上获得的磁场测量信号进行积分处理,能够有效地抑制测量过程中白噪声的影响,从而反演得到初始连续电流的低噪声时变波形。该方法为获取空中引雷实验中的初始连续电流波形提供了一种解决方案,同时也可用于反演近距离自然闪电中地闪回击中的长连续电流的时变波形。     

基于人工引雷的粤港澳闪电定位系统性能评估

利用2014—2019年中国气象局雷电野外科学试验基地广州从化人工触发闪电试验所获资料,评估粤港澳闪电定位系统(Guangdong-Hongkong-Macau Lightning Location System,GHMLLS)性能,结果表明:GHMLLS对人工触发闪电和回击的探测效率分别为96%(48/50)和88%(233/265),回击位置定位误差的算术平均值、几何平均值和中值分别为279 m,193 m和202 m。对于触发闪电的回击过程,GHMLLS探测的回击电流峰值(I_LLS)全部偏低,与通道底部雷电流峰值的直接测量结果(I_DM)相比,I_LLS的相对偏差平均值(中值)为-37%(-36%),但I_LLS和I_DM相关系数为0.93,存在显著正相关关系(达到0.01显著性水平);截距为0的线性拟合结果表明I_LLS与I_DM存在65%的比例关系,利用该系数校正I_LLS,结果的相对偏差绝对值的平均值(中值)为15%(12%)。GHMLLS有对应定位记录的233次触发闪电回击中,16次定位结果为云闪,判别正确率为93%。被误判为云闪的回击的I_DM更低,可用于定位的站点数量更少,定位误差更大,I_LLS的精度更低。     

广东野外雷电综合观测试验十年进展

雷电野外科学试验是认识雷电发生、发展物理过程及其致灾机理的重要途径,也是开展真实雷电电磁环境下雷电防护技术测试的重要方式。自2006年开始,中国气象科学研究院和广东省气象局在广州野外雷电试验基地,持续合作开展了雷电野外综合观测试验,在人工触发闪电和自然闪电物理过程及其雷电防护技术测试试验等方面取得了若干研究结果。十年期间共成功触发闪电94次,回击电流峰值最大值为42 kA,平均值为16 kA;分析给出了自然闪电预击穿过程电场变化脉冲特征类型和差异;观测发现高建筑物上行连接先导可达几百米甚至超过1 km,其发展速度可达106 m/s量级,下行先导与上行连接先导的连接呈多样性;雷电防护技术测试试验表明人工触发闪电近距离电磁场耦合在架空线路上的感应电压达到千伏量级,多回击、长连续电流和地电位抬升是造成浪涌保护器(SPD)损害的主要因素;闪电定位系统探测性能的评估结果显示粤港澳闪电定位系统的闪电和回击的探测效率分别为96%和89%,定位误差算术平均值为532 m,回击电流强度的估算值约为真实值的0.63倍。     

雷电流幅值概率分布特征及累积概率分段修订

为了研究雷电流幅值概率分布特性及雷电流幅值累积概率曲线拟合效果,以满足防雷工程设计和雷击风险评估工作需要,根据湖北省2007—2013年雷电定位系统(Lightning Location System,LLS)监测的雷电流幅值资料,统计分析了雷电流幅值累积概率和密度分布特征。结果表明:正闪和负闪电雷电流幅值累积概率分布差异较大,负闪电雷电流幅值累积概率分布比正闪电更集中,负闪和总闪电的雷电流幅值累积概率分布曲线基本相同;雷电流幅值强度大部分集中在10~50kA。根据IEEE推荐的雷电流幅值累积概率分布表达式,拟合了不同极性的雷电流幅值累积概率分布公式。雷电流幅值小于110kA时,采用IEEE拟合公式计算的雷电流幅值累积概率与实测值间的相对误差较小;雷电流幅值大于110kA时,计算值与实测值间的相对误差随雷电流幅值的增加而增大。采用该文给出的分段修订公式,计算在110kA以上的雷电流幅值累积概率与实测值间的相对误差在2%以内。由IEEE推荐表达式拟合雷电流幅值累积概率分布和概率密度分布时,负闪和总闪电雷电流幅值累积概率分布拟合效果明显比正闪电好,其原因可能与正闪电分布特性有关。     

空中人工引雷先导特征的统计分析

根据1998年8月22日在广州从化5次空中引发雷电远近两个观测点得到的地面电场变化资料，对主放电之前的先导传输特征进行了统计分析。结果表明：双向先导系统稳定传输阶段。近区电场为较慢的正极性电场变化土叠加负极性振荡脉冲，远区的辐射场开始为双极性脉冲，逐渐过渡到单极性脉冲，而且双极性脉冲的初始极性与单极性脉冲极性以及小回击极性相同都为正，双极性脉冲幅度逐渐减小，且初始半周期较光滑，未观测到更高频小脉冲的叠加现象。双极性脉冲整个宽度为3.8μs，方差为0.33μs；峰与峰间隔为15μs，方差为2.4μs。单极性脉冲具有上升快而大的初始峰值，慢而小的负反冲特性，且初始上升部分较光滑，未观测到高频小脉冲，其上升时间为0.23μs，方差为0.05μs；半峰值宽度为0.37μs。方差为0.1μs；脉冲间隔为12μs。方差为3.4μs。单极性脉冲峰值逐渐增大，就5次触发闪电而言，最大先导脉冲幅度与小回击之比为0.24，范围在0.2-0.3之间，小回击后，远区的单极性脉冲幅度，小，上升慢而下降快，无明显负反冲，平均间隔为20.1μs。方差为6.1μs。通过比较发现，人工触发闪电先导特征与自然闪电先导特征有很好的一致性。     

衡水致灾雷电天气分析

以2007-2009年的雷灾调查为基础,利用保存的MICAPS资料对9次雷灾天气进行了分析.结果表明:致灾雷电均产生在大范围较深厚的低值系统环流背景下,其中7次强雷电的T-lnp图具有喇叭口、存在逆温、SI指数较小(≤-2),其他物理量如垂直上升速度与T-lnp图或SI表现基本一致.另外2次致灾雷电产生在稳定降水形势下...     

人工触发闪电不同放电阶段电流特征关系

分析了2019年夏季在广州从化人工引雷试验场获取的14次人工触发闪电通道底部电流数据,以有无回击(RS)和初始连续电流(ICC)持续时间长短2个标准对数据进行分类,研究不同触发闪电和不同放电阶段的差异和规律。研究表明:相比无回击的触发闪电,产生回击的触发闪电具有更大的先驱放电脉冲(PCP)及初始先驱放电脉冲(IPCP)的平均峰值电流、更多的IPCP总体转移电荷量、更大的ICC平均电流和总体转移电荷量以及更长的ICC持续时间;初始连续电流持续时间是回击平均峰值电流大小、首次继后回击转移电荷量大小和首次继后回击峰值电流大小的重要影响因素,且长初始连续电流的触发闪电对应的PCP及IPCP平均峰值电流也更大、平均转移电荷量也更多;PCP和IPCP平均峰值电流与ICC持续时间相关性最强,是决定ICC放电持续时间的重要因素,未能产生初始连续电流的PCP脉冲簇其平均转移电荷量小于初始先驱放电脉冲簇,其转化的关键阈值之一是平均转移电荷量大于25.91 μC。     

雷电定位系统的设计

为解决雷电定位系统大体积和不方便安装的问题,提出了采用新型闪电传感器AS3935设计雷电定位系统的新方法。当闪电发生时,GPS模块获取经纬度、高度、时间,AS3935测量地闪到探测器的距离。探测器把数据打包,以无线TCP通信方式传输到中心站。中心站利用多圆相交法计算闪电的经纬度和高度,然后使用C#语言和JavaScript语言在中心站软件上实现Google地图。Google地图利用经纬度获取闪电的地址,同时中心站把闪电信息存入数据库。实验表明,该系统定位性能良好,减少了探测器的体积,降低系统成本,适合于实际运用。     

江苏洋口港区雷电特性及风险区划

利用洋口港区所在的江苏如东县地面观测站1959—2009年的雷暴日资料和洋口港区2006年1月—2009年12月的闪电定位数据,对港区雷电活动的时空分布特点和变化特征进行统计分析,揭示了洋口港区雷电发生的规律:闪电集中在6—8月份,港区陆地的闪电密度高于水域,而海上的闪电强度高于陆地。并通过计算气象指标、地物环境指标、承灾体的风险指标和建筑物的防护指标,对洋口港区人工岛进行雷击风险计算和雷击风险区等级划分,得出人工岛干散货及杂货作业区为高风险区,液体散货罐区和LNG接收站区域为中等风险区,公共设施区为低风险区,整个人工岛的雷击风险综合等级为中等。     

某局业务楼机房综合防雷整改案例剖析

利用天气气候资料和广东省雷电定位数据库系统的相关雷击数据资料对2009年8月10日某局位于山顶的业务楼综合机房的设备遭到雷击事件进行分析,找出了雷击事故的发生原因,提出了一套较全面的防雷整改方案,包括防直击雷措施、设备防雷电感应措施及防雷电波入侵措施。整改后,经过一年多的检验,该机房各项设备运行正常,再也没有因为雷击而...     

武汉地区云地闪电特征及防护效率研究

采用武汉地区2006年3月至2009年2月云地闪电资料,统计分析了武汉地区云地闪电特征及其直击雷防护效率,为该地区的雷电防护工程设计和雷击风险评估提供参考依据。统计分析表明,武汉地区年平均云地闪电次数为45693次;负闪电占闪电总数的96.0%,平均负闪电强度为32.6 kA;正闪电占闪电总数的4.0%,平均正闪电强度为38.3 kA。4-8月闪电占全年闪电总数的96.9%,其中7-8月闪电占全年闪电总数的70.8%,9月至次年3月闪电仅占全年闪电总数的3.1%。正、负闪电强度主要集中在10-50 kA,平均陡度为12 kA/μs左右。通过统计分析,拟合出适合武汉地区大于某一雷电流幅值累计概率方程。武汉市新洲区西南部与黄陂区东南部交接地区和江夏区东部地区是闪电高密度中心,年平均闪电次数在8.5次/km~2以上。武汉地区建筑物直击雷保护范围按照1、2、3类防雷类别设计时,其绕击率分别为1.3%、3.3%和11.5%,反击率分别为0.1%、0.2%、1.6%。     

闪电探测技术发展和资料应用

文中综述了闪电探测技术和方法的发展状况, 阐述了闪电监测资料在闪电预警预报、防护以及在灾害性天气监测等方面的应用, 探讨了我国闪电探测站网建设的技术和方法, 以及利用闪电探测资料开展雷电预警预报的方法与途径.闪电探测技术对雷电研究和雷电防护技术的发展非常重要, 特别是随着科学技术的发展, 闪电探测技术得到了快速发展, 这为雷电监测和预警提供了重要手段, 对减少雷电灾害具有重要作用.     

通信基站建设诱发雷电灾害事故分析

针对大足县城南中学附近建设移动通信基站后频遭雷击的状况,结合2006—2009年重庆地区ADTD闪电定位系统监测资料,重点分析该校频遭雷击事故原因。结果表明:移动通信基站建设(增加了遭受直击雷和雷击电磁脉冲影响概率)是城南中学频遭雷击的诱因;该校未安装防雷装置,且部分教学楼处于铁塔保护范围外,而位于雷击铁塔的散击区内,是频遭雷击的直接原因。     

一次致灾雷暴过程的闪电雷达回波特征分析

利用雷电监测预警网、多普勒雷达、区域自动站降水同步资料,对2009年7月6日发生在秦皇岛市的一次大面积致灾雷电、暴雨天气,进行了详细分析.结果表明:本次致灾雷电过程以负地闪为主,闪电出现频率最大为712次/h.闪电放电轨迹分布特征呈西北—东南分布,由北向南移动,闪电出现频率最大时,每小时降水量超过100 mm,闪电发生...     

全国雷电灾害分析及雷灾经济损失预测

利用中国气象局雷电防护管理办公室编写的《1998-2008年全国雷电灾害汇编》资料,对1998-2008年全国雷电灾害进行了时间、空间、行业分布,经济损失,人员伤亡等方面的统计分析。结果表明:我国近11 a雷电灾害总体上呈增长趋势,每年的6-8月为雷灾的高发期。我国雷灾在地域上的分布主要集中在华南沿海和华东沿海地区。全国雷灾涉及行业最为严重的是电力业。近年来因雷电导致的建筑物损害、供电故障、火灾爆炸事故次数之间的整体比例为9∶5∶3,建筑物损害的事故发生最多,但火灾爆炸事故的经济损失最大。我国近年来所发生雷灾中因雷电致死致伤的人员比例为1∶1。利用上述统计分析结果,运用灰色关联法,预测2009-2012年间我国雷灾直接经济损失年均40591.53万元。