雷电探测技术及其在防雷中的应用外文翻译资料

雷电探测技术及其在防雷中的应用

Ken Cummins; Martin Murphy, Philippe Richard

(VAISALA)

0．摘要

闪电放电范围从短距离的低电流云闪（CLD）事件到能够产生几百千安的峰值电流并且通道长度达10千米以上的长距离地闪，这一系列的放电事件不能使用单一的技术定位被检测到。在本文中，总结了各种探测技术和定位方法。这些技术是由他们的工作频率范围（甚低频，低频和甚高频），观测区域和分辨率区分的，这些定位方法使用传感器网络技术，包括磁定向法(DF)和到达时间差定位技术(TOA)，或者两者结合的方法，单机局部区域传感器采用电波形状分析或者磁场分析。此外，本文讨论了雷电预警和防护应用，并且讨论了这些探测技术的关系。

1.闪电的频率或时间特性

地闪和云闪在很宽的频率范围内发射射频能量。击穿和电离过程中（大多数来自于先导和流光），在甚高频阶段有强辐射，当已电离通道内出现强电流时（回击和云闪强电流分量），在低频和甚低频范围内会产生强辐射。图1示出在不同频带的辐射量：负地闪回击完全支配甚低频和低频闪电辐射谱，因为他们的通道长，而且拥有大电流，每次闪击过程中他们仅仅产生少许低频脉冲（图一黄色虚线），通常没有甚高频脉冲活动。云闪产生几十上百低频或者高频小脉冲(约占回击平均幅值的5%)，多达数千个可以和地闪幅值相比较的甚高频辐射，(见[1])。在地闪和低电流云闪的击穿过程中都会产生独立的甚高频脉冲，产生几十到几百米的尺寸和小电流。甚高频爆发是由穿越先前形成通道的长放电事件所引起的。[2] 给定的脉冲速率和幅度之间的差异，不同的频率范围和技术更适合用于检测云闪和地闪内不同的过程。这些在下面的章节简要回顾。

图1.闪电辐射谱

2.探测方法

地闪放电用典型的甚低频或低频波形探测。在这些频段，信号沿着地球表面或在地球电离层波导传播。地闪地面定位用方向定位法（图2），到达时间差法（图3）或两者结合的方法（见[3]了解更多详情）。在这些频率范围内的地面传播信号（地面波）准许降低到用于地面的电荷极性的确定和放电峰值电流的估计。宽带甚低频或低频系统传感器通常分离为50-400公里，这些传感器的分离用于检测地面波信号是最适当的，该传感器对于地面和电离层之间数千公里的甚低频的反射也是敏感的。宽带传感器可以被修改，以只在甚低频敏感，其优点是增益可提高，并且传感器可以分离多达几千公里。这允许在传感器不能安装的地方进行有效的雷电探测。[4]

图2.方向定位法。每两个测站测得的方向互相交于L12,L23,L23,形成三角形区域。最佳估计点是通过运用来自于探测站的方向信息得来的

图3.到达时间差法。探测位置是基于成对的探测站由于到达时间差形成的双曲线产生的交叉点

通过使用雷电放电的较高频率分量(甚高频)，用时间差或干涉仪方向定位法重建云内二维或三维放电路径是可能的。在这些甚高频“闪电定位”系统中，我们们可以评估两者带点区域和详细结构的空间范围，由于甚高频信号传播的视距，这些网络的覆盖区域被限制为超出大约150-200公里网络的边界，以及有关极性和电流大小的信息都不是有效的。由于小电流云闪和地闪云内的部分产生相似幅度的甚高频信号，这些系统对于这两种类型的放电同样敏感。他们有能力提供大量有关风暴阶段，强度和组成的信息，这被证明是与风暴的严重程度相关的有价值的参数。在干涉法中，每个传感器通过甚高频干涉仪提供闪电的方向，这种方法非常类似于常用的甚低频或低频磁定向定位法。基于甚高频的时间差法是那些在甚低频/低频系统中使用的直接延伸，从二维到三维。下表总结了雷电定位网络技术及其应用。

表.闪电定位网的技术和应用

低电流云闪和地闪电都可以用独立的传感器（没有在定位网络中使用的）进行探测和定位，尽管这些设备得到的覆盖区域和位置精确度比雷电探测网差。大多数这些系统使用任一雷电信号幅度为标准，以获取一系列估测闪电，或者利用静电场，感应场和辐射场（无论是电或磁的）之间的差异来估计闪电的范围。一种普遍的单传感器测距算法见[5]。维萨拉采用一种独特的基于静电和辐射场率的测距方法，以获得准确的距离估测[6]。当一个特定监测或防护申请被限制在一个设有中心点的小区域时，这种监测系统可提供比较准确的闪电和雷暴信息。

3.雷电预警和防护的应用

雷电探测信息常广泛用于与雷电预警和雷电防护有关的应用中，雷电预警的广泛类别可以细分为进入风暴预警和地闪雷电预警，前者由涉及的设施或服务保障实现[7]，（例如，当一个雷暴到来时，从外部AC电源切换到发电机的方法）以及雷暴的短期预报及其副产品，突发洪水和灾害性天气现象。地闪雷电预警专门处理地闪的威胁，主要应用是安全防护，森林火灾，和设备保护与直击雷伤害。一类完全独立的应用是暴露使用或风险评估以设计更好的防护方法或以确定具体的保护系统维护或改善的目标，这类应用采用一段时间内（几年）收集的闪电历史数据。

风暴预警是由大量的用户使用实时闪电信息生成的。由于昂贵的额外人手和动员费用[3]，许多电力公司使用来自广域甚低频/低频网络上的实时数据来调动人员参与雷暴的预测和减少其预期到达的总的“雷雨表”期间。相似的雷暴预警实践可以用于电信行业和切换到发电机功率用于维持各种关键任务操作，例如医院和电脑设备在雷雨天气影响下停电[8]。应用程序通常使用来自广域甚低频或低频系统地闪数据。在气象学中，在没有雷达或者雷达覆盖由地形限制时，闪电数据可以是所在区域的第一雷暴指示器 [9]。此外，在某些情况下，闪电率的时间趋势和云地闪的极性可能与恶劣的天气或者重

沉淀等物质有关，[10,11]。低电流云闪和地闪组成的总闪电很可能是对这些问题的最有用的，甚高频和甚低频或低频系统的某些组合非常适合用于恶劣天气涉及的闪电活动。闪电探测在跨越海洋的很长的范围内使用过的甚低频信号被美国航空气象中心生成用于跨洋商业航班的雷雨建议[12]。

目前，大多数地闪雷电预警应用仅使用甚低频或低频系统提供的云地闪在特定点威胁有关的警告信息[13]。当数据与为了减少误报而进行测量的表面电场相结合时，这种方法是有效的。添加云闪电信息可以显著提高当风暴发展到测定的点附近的预警时间，但必须使用低电流云闪测得的数据，以避免增加误报率。鉴于低电流云闪更加频繁并且提供了雷暴运动和范围的完整的代表，它也可以比地闪提供一个更准确的雷暴方向和速度。这在图4中示出，其中来自SAFIR网络的总闪电信息被用来估计一次雷暴在需测定的特定区域到达的时间。因此，虽然甚低频或低频系统在云地闪预警中应用，但是甚高频闪电定位系统也有显著的贡献。

图4.使用SAFIR网络提供的总闪电信息对单体雷暴进行跟踪。与每个单体相关联的黑线表示雷暴单体运动的速度和方向

最后，雷电资料的历史分析，往往能够帮助雷电防护护设计（图5-6）。在电力行业，来自甚低频或低频网络测得的长期地闪密度统计用于确定某一区域的哪些地区常常发生大量的闪电活动。[14,15] 此外，雷电峰值电流的分布（图7）和具有不同峰值电流分布的正负闪电的对比，对于有针对性的雷电防护和规划未来的系统开发是有用的。

图5.地闪密度图

图6.详细的地闪光分析

图7.地闪峰值电流分布

闪电密度分析的另一种目的是进行有关具体的地闪在特定点的预警问题，这些方法可以被用来帮助指导即时信息中数据的使用。虽然以前的少量分析已经实现了获取总的闪电信息和在气象上的应用，但是使用甚高频和低频或甚低频定位系统的组合对于气候学中闪电特性的研究是非常重要的。确定普通雷暴中总的闪电特性对于有效的认识强风暴中闪电的特性是必要的，并了解风暴的特点因地区而有显著的差异。这能使短期预测中的总闪电观测得到更好的利用。

参考文献

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[9]F.R. Mosher and J.S. Lewis, 'Use of lightning location data in severe storm forecasting', 16^th Conk. on Severe Local

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[11] D.R. MacGorman and W.D. Rust, 'Observations of the electrical characteristics of thunderstorms, II:and tropical storms and storm systems', in The Electrical Nature of Storms, New York: Oxford Univ. Press Severe, winter,1998.

[12] A. Nierow, R.C. Showalter, F. Mosher, J.to improve oceanic convective forecasting for Jalickee, and K. Cummins, 'Preliminary evaluations

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