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生的,但并非所有的云層都起電。產生雷電的雷暴云,通常具有顯著的垂直(縱深)發展特征,同時云中有過冷云滴、冰晶和薇(軟雹)粒子存在。雷暴云也能在地面產生大風和災害天氣(冰雹、龍卷風)。
雷暴或積雨云是由上升氣流產生的,這些上升氣流最初都來自太陽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基礎是條件性熱力不穩定和對該過程的初始觸發。其觸發機制主要包括:邊界層內的熱力抬升、鋒面與陣風鋒邊界之間的拾升、地形動力拾升(如典型山區)以及鋒面動力提升。當上升氣流進人低壓環境,氣流將膨脹并冷卻,直到溫度達到露點形成水汽,然后水汽凝結成云,水汽凝結釋放潛熱使抬升動力增大。如果該氣流的溫度降低到冰點溫度以下,就會形成冰晶和霰,云就具備了起電的基礎,雷電將產生。
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,持續時間可長達數個小時。不同類型的雷暴往往出現在不同的地理區城內.
單個雷暴云的電荷分布模型包含三個電荷區,云中部--個集中的負電荷區,其上方是較為分散的一個正電荷區,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生。如果雷電在負電荷區的頂部附近產生,通常會發展為包含主負電荷區和主正電荷區的云閃。如果放電發生于負電.荷區下邊緣或附近,它會產生下行負地閃。
A.2雷電現象
盡管地閃對人類活動危害最大。但-個雷暴產生的大多數雷電并不會到達地面,這些雷電一般被稱為云閃。
當雷暴云中的電荷積累到一定程度后,雷電便發生了。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。下行地閃是最常見的,而上行地閃通常由高建筑物引發(即高于100m的建筑物或處于山區的較小的建筑物)。
最常見的雷電類型是下行負地閃(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，下行負地閃開始于云內的初始擊穿過程，緊接著產生下行先導,間歌性.多分支、呈梯級地向地面發展,這一過程就是梯級先導。當負極性梯級先導接近地面時,該先導下方,在電場的作用下將產生-個或更多向上的、連接的先導,這些先導通常來自最近的接地導體尖端。當兩個先導連接時,回擊開始了。回擊過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。回擊通道的溫度峰值約為30000K,它是最亮的閃電過程。回擊過程的持續時間為幾百微秒到幾十毫秒,取決于連續電流的持續時間。后繼回擊通常發生在首次回擊幾十毫秒后,在一次典型的雷電過程中通常有3個~4個先導/回擊過程。
更多詳情參見參考文獻[9]。
A.3有助于雷電防護的雷暴和雷電特征
A.3.1靜電場
雷暴云內的電荷在地面上形成一個強靜電場,該靜電場通常比晴天時強得多。這樣,隨著雷暴的發展和接近,測量雷暴靜電場可以提供-一個預警因子,但有一定的局限性。其中一個局限就是地面電場不是云電荷產生的真實場，因為云和地面之間存在明顯的空間電荷層,不可能確定一個與即將發生雷擊相對應的精確電場閥值。第二個局限是只能測量距離雷暴最多幾千米內的電場。
地閃和云閃產生的電場突變可用來探測雷電。如在多個站點同時測量到電場突變,則可以定位引起閃電變化的電荷的云內中心位置。不過，利用靜電場變化定位閃電位置不是通常采用的方法。
A.3.2電磁場
A.3.2.1概述
由于電流的快速.劇烈變化,雷云放電會產生電磁輻射,通過組合使用單項或多項技術,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。通過定位云閃.地閃或這兩種閃電，可以追蹤雷暴以實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提供了更多手段。
相比地內，云閃活動更加活躍,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個電磁輻射源,這一-高發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
雷電之間的時間間隔和距離提供了雷暴活動的信息。雷電頻次指單位時間內的閃電數,該參數通常用于描述一次雷暴的雷電活動。
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動和雷暴類型的信息。
A.3.3.3地閃極性
正地內常見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
B.1簡介
本附錄介紹了雷暴探測技術的分類,也描述了用于雷暴探測的技術方法,并且根據獲取雷電信息的需要,給出了選擇正確類型探測儀和/或探測系統的指南。
B.2探測技術和傳 感器參數要求
B.2.1概述
根據可探測現象的不同，雷暴探測儀的分類通常與雷暴階段有關。但一臺雷暴探測儀也可能探測到--種或幾種現象。因此,本節將對各類雷暴探測儀進行描述和簡要的說明。
B.2.2類型A
用于探測雷暴的第一個征兆(階段1),在云閃或地閃發生之前和存在雷電風險期間,提供早期預警以便采取預防措施。該類雷暴探測儀是通過測量雷暴產生的靜電場來實現的。
雷暴的起電過程或雷暴,會造成晴天大氣靜電場的變化。由于地表上方的大氣帶正電,睛天時,平坦地面附近的大氣靜電場為正值，幅度約在100 V/m~150 V/m。雷暴云時地面電場幅度可以達到每米幾千伏特。由于空間電荷層的存在,雷暴云產生的電場受到屏蔽,通常會使地面靜電場保持在10 kV/m以下。
用于探測雷暴電場的傳感器,分辨力應優于200 V/m,電場測量范圍至少為士20 kV/m.初始階段的靜電場變化相對較慢,每隔幾秒采樣就足夠了。如需要電場變化的信息,最低采樣頻率宜為每秒一次。
雷暴探測沒備宜提供有關電場等級的信息。有些設備還可以提供電場變化的信息。
A類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生第-次放電的靜電場閾值。監測區域強烈受制于隨距離增大而迅速減弱的靜電場，故靜電場測量的最大半徑宜為距離電荷區邊界20km.因地理環境的限制,該類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的快速變化,故A類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,制造商或服務商宜提供預警等級和預警方法的信息。當測量受局地電場增強影響時，預警等級信息取決于安裝站點的環境。
B.2.3類型 B
用于探測云閃和地閃(階段2~階段4)。云閃會在甚高頻頻段產生大量射頻源。通常,云閃在此頻段(大約100 MHz)進行探測和測量.云閃探測儀的探測效率宜滿足用戶的應用需求(參見附錄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的應用需求一致(參見附錄E)。
制造商或服務商宜提供探測方法和預警的相關信息。
B.2.4類型C
用于探測地閃和部分云閃。地閃在低頻頻段(10 kHz~500 kHz)會產生明顯的輻射。
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信息.
B.2.5類型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
B.3.1概述
根據用途,雷暴探測儀可劃分為兩種定位技術。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
共有四種多傳感器定位技術:
ML1;磁定向法(MDF)
利用兩個正交磁線圈測量磁場的H,和H,分量。磁環的磁通量與人射角成比例,其中一個磁環與人射源方位角的余弦相關,而另一個磁環與正弦相關,兩者的比值就是方位角的正切值。用兩個或多個磁定向儀,通過計算定向儀方位角的交叉方位即可確定雷擊位置。
ML2:到達時間法(TOA)
利用脈沖從輻射源到達傳感器所需要的時間延遇進行定位:較近的傳感器比較遠的提前探測到信號。到達時間法可在甚低頻.低頻范圍和甚高頻頻段應用。
ML3:射頻干沙法(RFI)
通過測量緊密放置的天線之間的相位差來實現。此方法與到達時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:光學成像測量法(OD)
空基(衛星)的傳感器能夠探測雷電產生光信號的快速變化并對它們進行成像。此技術不是非常精確,但為在無法使用地基探測系統的區城如海洋上,進行雷電研究提供了可能。
B.3.3單傳感器定位技術
單傳感器(SS)定位技術如下:
SS1:場強測量法(FSM)
在雷暴形成期間,電場的上升可用于對即將發生的雷電活動進行預警。雷擊產生的電場快速變化可用于確認雷擊的發生。
SS2:磁定向法(MDF)
由于單個磁定向儀能夠給出雷擊的方位角，如果能通過測量信號強度和/或信號波形確定雷擊的大致距離,則用于雷電監測網的磁定向技術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,測量天線接收的雷電信號強度不是一-個有效的方法。復雜的信號處理方法并結合光學探測有可能明顯提高雷電定位的精度。但該方法本質上是不準確的。
所有可用的雷暴探測技術都有其對應的應用。
ML1、ML2、ML3定位方法在雷電探測網絡中的應用既實用又科學,常被用于向公眾開放數據的商業網絡,這些網絡可以在世界各地找到。
MLA定位方法主要用于科學研究,由高校和政府機構安裝使用。
單傳感器技術也有不同的應用特性。
Ssl探測儀用于雷電發生前及雷暴整個生命周期的局地預警。
SS2探測儀可提供實際雷擊的方向和距離信息。它們在需要準確.實時信息和不想依賴商業雷電
探測網絡提供所需數據的公司中找到用戶。然而,這些用戶應注意，與多傳感器雷電探測網絡相比，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質量等級。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傳感器確認探測的信號與閃電有關。
較簡易的探測儀使用--個小天線進行信號強度的簡單測量,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。可以使用一些方法驗證這些特性,如:
——基于系統結構和探測技術的理論計算;
——實驗室測試;
——不同系統之間進行比較;
——用安裝了監測儀器的高塔或帶時間標記的視頻或圖片進行實驗驗證;
——現場驗證。
B.5雷暴探測系統的選擇
根據附錄c中給出的風險評估和附錄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。最終決定采用哪種技術應經
過多方面詳細的分析,包括預警需求(必要提前時間可接受的虛報和虛報率)、允許的預算和每種探測技術能提供的信息。
雷暴預警系統如何保障機場安全的范例參見參考文獻[4]. .
