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全球闪电研究进展综述

来源:张工 发布时间:2011-11-10 9:14:24

全球闪电研究进展综述 

自人类诞生之日起,人们就对闪电形成了最原始的感受和认知。1752年,美国科学家富兰克林进行了著名的的风筝实验,正式开启了人们对闪电开展科学研究的征程。K.Berger等(19551963)在瑞士圣萨尔瓦托山的闪电研究提供了闪电的波形、强度等特征参数,开创了当今全球闪电研究的先河。目前,闪电研究的进展综述一般均以研究领域为主线。刘欣生(1989)针对闪电的监测预警、雷暴云空间电结构与起电过程、人工引雷等内容就雷电物理及人工引发雷电研究进行了综述。陈洪滨和吕达仁(2001)结合星载闪电光学探测器、空间闪电探测的重要结果等方面的进展对空间探测闪电做了综述。张义军和周秀骥(2006)针对雷电定位技术的研发、雷电预警预报研究等方面对雷电研究的进展做了综述。张义军,等(2008)就全球闪电活动与气候和气候变化的关系、闪电分布等内容对闪电活动的气候学特征研究进展进行了综述。本文将从一个全新的角度,以闪电研究机构为主线,就当今全球三大闪电研究中心(美国、欧洲和中国)的主要研究机构在闪电研究方面取得的进展进行综述。概括介绍各闪电研究机构开展的主要工作及其取得的重要成果,并着重分析各机构在闪电项目方面的研究历程和发展方向。力图通过对比分析,发现中国在闪电研究领域存在的一些问题,为未来中国闪电研究的发展提供一些建议。

美国闪电研究进展

美国的闪电研究机构众多,研究成果颇丰。接下来分别以三个主要的闪电研究机构:NASANOAA和佛罗里达大学为主线,对美国的闪电研究进展予以综述。

1.1 NASA闪电研究

NASA20世纪80年代投入巨资启动了地球观测系统(EOS)项目,并在90年代初期基本成型。其中的闪电观测研究主要包括云闪、地闪的分布与变化,闪电放电对大气的微量气体生成与耗散贡献等内容。为了更好的监测闪电和开展闪电研究,NASA开发了瞬态光学探测器(OTD)和闪电成像仪(LIS),其中LIS可以达到5公里的空间分辨率和2毫秒的时间分辨率,并在1997年发射的热带降雨测量卫星(TRMM)上得到了很好的应用。NASA利用瞬态光学探测器和闪电成像仪等仪器获得的闪电资料,先后开展了全球闪电分布、闪电的氮氧化物对气候污染影响研究、龙卷风的闪电活动等方面的研究。图1给出了19981-201011LIS全球闪电分布情况。

此外,NASA利用高空飞机和航天飞机对闪电进行了观测与研究。依托航天飞机闪电实验,NASA19世纪60年代初开始以航天飞机为平台利用光学传感器和无线电频率对闪电进行观察。当然,航天飞机对闪电探测是一个意外的收获,1963年宇航员偶然发现水平延伸数百公里的风暴之间产生闪电。早期的航天飞机闪电实验主要是为了研究大气电学、闪电与风暴的关系以及风暴发展过程。在19世纪80年代末,启动了一个命名为“中尺度闪电实验”的航天飞机闪电计划。其目的是观察航天飞机下部的闪电,获得的数据用来指导星载闪电传感器的设计开发。在进行中尺度闪电实验的同时,开展了平流层闪电观测,发现平流层闪电多为丝状和带状的垂直放电,丝状放电可以延伸到雷暴之上3040公里的高度。2005年,NASA利用高空飞机在飓风眼(台风眼)的周围发现强闪电活动。2009817NASA卡西尼号飞船拍摄到土星上的闪电,见图22010年,NASA航天飞机先后在日本和冰岛发现了火山闪电。图32010414冰岛火山闪电。

NASA的闪电项目研究主要集中在全球水文和气候中心(GHCC),主要开展了闪电起因及其影响、电场测量等方面的闪电研究。1986年的亨茨维尔气象合作试验(COHMEX)采用激光等离子体功能的ER-2飞机、闪电定位仪网络、NCAR雷达和T-28地面仪器测量雷暴电场,研究了雷暴的形态、动力学、微物理、电场演化,以及风暴的电场活动与降雨动力学过程的关系。1990-1992年的飞机场地项目(ABFM)研究弱对流与层状云系的起电机制,并研制电场的遥感探测工具,使用喷气飞机携带仪器对发展中的积雨云内部电场进行测量。1991年的对流和降水及起电机制场地试验(CaPE)研究对流云的风、水汽与电场之间的关系,分析闪电和人工引雷发生的气象及电场条件。1995年的海岛雷暴试验(MCTEX)对岛屿雷暴的活跃期动力学、微物理和闪电进行研究。1998年的对流和水汽试验(CAMEX -3)研究闪电与雷暴的关系,并对TRMM计划进行验证。1999年的热带海洋试验和热带陆地试验开展闪电定位网络研究和地闪测量。

1.2 NOAA闪电研究

NOAA作为美国天气与气候预测的管理机构,开展了雷暴起电机制、闪电模拟、闪电预报等方面的深入研究。1959-1994年闪电伤亡和损失统计的研究结果表明,在闪电造成的人员伤亡中,男性的死亡比例和受伤比例分别占各自总数的84%和82%。死亡人数占伤亡人数的比例约为20%,死亡原因主要有心脏停搏与心房震颤、脑干损伤导致呼吸终止和多器官衰竭(延迟性死亡)。雷击受伤主要包括心肺损伤(心律失常与动脉压力变化、心肌损伤或梗死、心功能不全、肺水肿与呼吸窘迫综合征)、神经或精神伤害(意识丧失与昏迷、遗忘症与记忆缺失、大脑与小脑损伤、四肢麻痹与瘫痪、脊髓损伤、记忆障碍、抑郁症等)、皮肤烧伤、 挫伤与内出血、听觉与视觉损伤等类型。1993年的西南地区季风项目(SWAMP)开展了亚利桑那州中部雷暴环境的研究。1995-2002年,NOAA风暴预报中心(NOAA Storm Prediction Center)开展了长达八年的气候研究,重点研究了地闪,开发了雷电预报系统。预报员可以查看一个或多个闪电在40 × 40公里的网格的概率,相当于一个中等大小的县;还可以预测极端事件的概率,如在一个网格中包括100次以上地闪的概率;并进行了未来三天闪电趋势预报的研究。1998年的中尺度对流系统的起电机制与雷达极化研究(MEAPRS)完善了闪电发生的概念模型。2000年的强雷暴起电机制和降水研究(STEPS)重点研究超级单体雷暴和带有强旋转上升气流的长周期雷暴。其中包括超级单体雷暴的降水形成,超级单体雷暴的电场与闪电等研究。还开展了闪电极性和雷暴强度的相关性分析。该项目广泛研究了雷暴的电场结构、闪电定位、闪电极性、闪电发生频率等方面内容。2000年的山际降水试验(IPEX)研究了冬季雷暴的起电机制与闪电。2003-2004年的雷暴起电机制与闪电(TELEX)研究了雷暴结构、上升气流和降水对闪电与电场特征的影响,主要目标是利用闪电观测来提高灾害性天气的预报能力和预警水平;同时开发的俄克拉荷马闪电定位阵列(Oklahoma Lightning Mapping Array)能够提供俄克拉荷马州中西部闪电的三维闪电分布和所有闪电的二维分布,并能够记录单次闪电的位置及其发展过程。

1.3  佛罗里达大学闪电研究

佛罗里达大学M.A. Uman领导的物理和空间科学系开展了人工引雷、空中雷击等方面的闪电研究。2003M.A. UmanV.A. Rakov研究了闪电与飞机的相互作用机制,统计分析了飞机雷灾与飞行高度和环境温度之间的关系。2003年还对火箭引发闪电(人工引雷)产生的高能辐射进行了研究,证明了失控电子的产生是闪电发生的一个重要进程。图4和图5分别为闪电击中飞机和火箭引发的闪电。

佛罗里达大学利用其科研优势开展大量的闪电项目研究。主要包括直击雷环境的LLNL序列升级(2007-2010年),基于UF多站试验的临近电磁场和闪电雷声特征(1999-2010年),布兰丁营地闪电研究与测试(2009-2010年),闪电和传播(2009-2010年),闪电的电磁环境和离子源参数(2009-2014年),闪电发生、传播、释放和电离层效应(2010-2014年)。

欧洲闪电研究进展

早期的法国SAFIR系统利用甚高频信号、低频脉冲和方位角技术能够进行闪电的监测和预测,并在气象、电力、通信、航空和航天等行业得到了广泛的应用。但在闪电监测和预警方面,芬兰Vaisala开展了更全面的闪电研究,在商业上和闪电科技发展上取得了更大的进展。

1936年成立的Vaisala公司是本文综述涉及的唯一一家商业闪电研究机构。主要的闪电监测与预警仪器包括:区域闪电传感器TSS928、增强型地闪传感器LS7001、综合闪电传感器LS8000和大气电场仪EFM550。其中TSS928利用闪电的光、磁、电特性可以提供区域闪电的监测和预警,适用于闪电敏感行业提前采取预防、启动安全程序和隔离设备。LS8000采用甚高频干涉技术和低频磁场方位探测与TOA技术,利用甚高频干涉技术提供云闪监测,同时利用低频磁场方位探测与TOA技术提供地闪监测与定位;可以用来进行闪电短时预报、强风暴预警和危险性对流天气识别。主要的闪电管理软件包括:雷暴跟踪软件LTS2005、雷暴预警系统TWX300、故障分析及闪电定位系统FALLS和自动化闪电预警和风险管理系统ALARM

Vaisala产品和技术被成功应用在美国闪电监测网(NLDN)。从1984年开始,经过20多年不断改进与升级,Vaisalas NLDN能够达到以下闪电监测水平:雷暴探测效率大于99%、闪电探测效率大于95%、平均定位精度250- 500或更小、网络正常率接近99.99%、数据传输正常率大于99.9%。闪电数据包括日期和时间、纬度和经度、误差、强度、极性和闪电类型。NLDN主要由以下五部分组成:100多个远程地基Vaisala闪电传感器构成的闪电监测网络;传感器实时监测闪电产生的电磁信号;传感器数据收集;闪电数据分析;闪电信息发布到全国客户。NLDN的闪电信息主要应用在天气预报、电力、空中交通管制、机场、雷击火灾保险、电力敏感的制造业和处理业务、危险品加工、森林、高尔夫与户外娱乐活动、发射场等行业。

 中国闪电研究进展

从科学研究角度来讲,中国的的闪电研究起步比较晚,但发展比较迅速,且覆盖面较广。中科院寒区旱区环境与工程研究所和中国气象科学研究院在闪电研究方面取得一定成果。深圳避雷针

3.1 中科院寒区旱区环境与工程研究所闪电研究

中科院寒区旱区环境与工程研究所在闪电特征、高原闪电和人工引雷等方面开展了系列研究。1995-1997的雷暴云下近地面电结构的实验研究建立了雷暴云下地面电晕离子产生和演化的数值模式,研究了天然闪电在云内的始发过程、近地面的连接过程和空中人工引发闪电的始发过程。1997年的中国内陆高原正极性闪电的观测实验研究进行的正极性闪电的综合观测实验。2002-2005年的雷暴及其雷电过程的观测和理论研究成功研制了闪电探测仪器,对我国典型地区的闪电特征进行了系统研究,组织了青藏高原闪电综合观测实验,揭示了高原雷暴和雷电活动的特殊性,发现典型高原雷暴云具有三极性电荷结构;研究了雷暴云电荷结构的成因,理论计算了雷电光谱的精细结构和特征参数,并获得了沿海和高原地闪的回击光谱。另外,中科院寒区旱区环境与工程研究所还对闪电放电通道的三维结构特征、人工触发闪电电流测量及特征性分析、空中人工触发闪电试验及特性分析、闪电放电通道的三维结构特征、空中人工引发闪电先导过程的特征分析等方面进行了研究。

3.2 气象科学研究院闪电研究

2003-2005年的奥运会雷电监测和预警系统关键技术研究开展了闪电预警的可视化分析,并进行了0-2小时闪电发展趋势预报。2005-2006年的野外闪电观测和人工引雷试验对天然闪电和人工触发闪电的电场、磁场、电流、辐射场、频谱和光学等特征进行了同步测量,初步建立了闪电的“先导-回击模型”。此外,还开展了北京地区雷电特征和雷暴电荷结构、雷电预报模式和雷电预警预报方法等方面的研究。

4 结论和讨论电源防雷器 
通过对美国、欧洲和中国的主要闪电研究机构的进展综述,可以得出以下结论:信号防雷器 
1)美国NASA充分利用其航天优势,在行星闪电、火山闪电、台风闪电和空间闪电监测等方面取得了许多重要成果;NOAA的闪电研究主要涉及雷暴起电机制、闪电与降水关系和闪电预报等方面;佛罗里达大学开展了闪电环境、闪电传播过程和人工引雷等方面的闪电研究。

2)欧洲闪电研究进展主要体现在闪电监测和预警方面,Vaisala公司开发了一系列的地基闪电监测仪器和管理软件,并在NLDN中得到了广泛应用。

3)中国在高原闪电和人工引雷等方面进行了大量的研究,并在闪电监测和闪电预报等开展了初步研究。

中国的闪电研究虽然覆盖面广,但重要的研究成果还比较少。在空间闪电监测、闪电机制研究、闪电预警预报等方面还需要得到更好的发展。因此建议未来的中国闪电研究能够在以下三方面开展更多工作:

1)在发展气象卫星的同时,加强研发空间闪电探测仪器并发展空间闪电监测技术;同时利用飞机,特别是无人飞机进行雷暴观测。

2)改变以省为单位的闪电监测网布局模式,在全国范围内优化闪电监测网布局,形成中国闪电监测网(CLDN),提高闪电监测质量和数据传输稳定性,同时对闪电监测资料进行更广泛的应用研究。

3)大力发展人工引雷试验,开展闪电机制研究,加强闪电预警与预报技术的研究和应用。
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