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全球閃電研究進展綜述

來源:張工 發布時間:2011-11-10 9:14:24

全球閃電研究進展綜述 

自人類誕生之日起,人們就對閃電形成了最原始的感受和認知。1752年,美國科學家富蘭克林進行了著名的的風箏實驗,正式開啟了人們對閃電開展科學研究的征程。K.Berger等(19551963)在瑞士圣薩爾瓦托山的閃電研究提供了閃電的波形、強度等特征參數,開創了當今全球閃電研究的先河。目前,閃電研究的進展綜述一般均以研究領域為主線。劉欣生(1989)針對閃電的監測預警、雷暴云空間電結構與起電過程、人工引雷等內容就雷電物理及人工引發雷電研究進行了綜述。陳洪濱和呂達仁(2001)結合星載閃電光學探測器、空間閃電探測的重要結果等方面的進展對空間探測閃電做了綜述。張義軍和周秀驥(2006)針對雷電定位技術的研發、雷電預警預報研究等方面對雷電研究的進展做了綜述。張義軍,等(2008)就全球閃電活動與氣候和氣候變化的關系、閃電分布等內容對閃電活動的氣候學特征研究進展進行了綜述。本文將從一個全新的角度,以閃電研究機構為主線,就當今全球三大閃電研究中心(美國、歐洲和中國)的主要研究機構在閃電研究方面取得的進展進行綜述。概括介紹各閃電研究機構開展的主要工作及其取得的重要成果,并著重分析各機構在閃電項目方面的研究歷程和發展方向。力圖通過對比分析,發現中國在閃電研究領域存在的一些問題,為未來中國閃電研究的發展提供一些建議。

美國閃電研究進展

美國的閃電研究機構眾多,研究成果頗豐。接下來分別以三個主要的閃電研究機構:NASA、NOAA和佛羅里達大學為主線,對美國的閃電研究進展予以綜述。

1.1 NASA閃電研究

NASA20世紀80年代投入巨資啟動了地球觀測系統(EOS)項目,并在90年代初期基本成型。其中的閃電觀測研究主要包括云閃、地閃的分布與變化,閃電放電對大氣的微量氣體生成與耗散貢獻等內容。為了更好的監測閃電和開展閃電研究,NASA開發了瞬態光學探測器(OTD)和閃電成像儀(LIS),其中LIS可以達到5公里的空間分辨率和2毫秒的時間分辨率,并在1997年發射的熱帶降雨測量衛星(TRMM)上得到了很好的應用。NASA利用瞬態光學探測器和閃電成像儀等儀器獲得的閃電資料,先后開展了全球閃電分布、閃電的氮氧化物對氣候污染影響研究、龍卷風的閃電活動等方面的研究。圖1給出了19981-201011LIS全球閃電分布情況。

此外,NASA利用高空飛機和航天飛機對閃電進行了觀測與研究。依托航天飛機閃電實驗,NASA19世紀60年代初開始以航天飛機為平臺利用光學傳感器和無線電頻率對閃電進行觀察。當然,航天飛機對閃電探測是一個意外的收獲,1963年宇航員偶然發現水平延伸數百公里的風暴之間產生閃電。早期的航天飛機閃電實驗主要是為了研究大氣電學、閃電與風暴的關系以及風暴發展過程。在19世紀80年代末,啟動了一個命名為“中尺度閃電實驗”的航天飛機閃電計劃。其目的是觀察航天飛機下部的閃電,獲得的數據用來指導星載閃電傳感器的設計開發。在進行中尺度閃電實驗的同時,開展了平流層閃電觀測,發現平流層閃電多為絲狀和帶狀的垂直放電,絲狀放電可以延伸到雷暴之上3040公里的高度。2005年,NASA利用高空飛機在颶風眼(臺風眼)的周圍發現強閃電活動。2009817NASA卡西尼號飛船拍攝到土星上的閃電,見圖2。2010年,NASA航天飛機先后在日本和冰島發現了火山閃電。圖32010414冰島火山閃電。

NASA的閃電項目研究主要集中在全球水文和氣候中心(GHCC),主要開展了閃電起因及其影響、電場測量等方面的閃電研究。1986年的亨茨維爾氣象合作試驗(COHMEX)采用激光等離子體功能的ER-2飛機、閃電定位儀網絡、NCAR雷達和T-28地面儀器測量雷暴電場,研究了雷暴的形態、動力學、微物理、電場演化,以及風暴的電場活動與降雨動力學過程的關系。1990-1992年的飛機場地項目(ABFM)研究弱對流與層狀云系的起電機制,并研制電場的遙感探測工具,使用噴氣飛機攜帶儀器對發展中的積雨云內部電場進行測量。1991年的對流和降水及起電機制場地試驗(CaPE)研究對流云的風、水汽與電場之間的關系,分析閃電和人工引雷發生的氣象及電場條件。1995年的海島雷暴試驗(MCTEX)對島嶼雷暴的活躍期動力學、微物理和閃電進行研究。1998年的對流和水汽試驗(CAMEX -3)研究閃電與雷暴的關系,并對TRMM計劃進行驗證。1999年的熱帶海洋試驗和熱帶陸地試驗開展閃電定位網絡研究和地閃測量。

1.2 NOAA閃電研究

NOAA作為美國天氣與氣候預測的管理機構,開展了雷暴起電機制、閃電模擬、閃電預報等方面的深入研究。1959-1994年閃電傷亡和損失統計的研究結果表明,在閃電造成的人員傷亡中,男性的死亡比例和受傷比例分別占各自總數的84%和82%。死亡人數占傷亡人數的比例約為20%,死亡原因主要有心臟停搏與心房震顫、腦干損傷導致呼吸終止和多器官衰竭(延遲性死亡)。雷擊受傷主要包括心肺損傷(心律失常與動脈壓力變化、心肌損傷或梗死、心功能不全、肺水腫與呼吸窘迫綜合征)、神經或精神傷害(意識喪失與昏迷、遺忘癥與記憶缺失、大腦與小腦損傷、四肢麻痹與癱瘓、脊髓損傷、記憶障礙、抑郁癥等)、皮膚燒傷、 挫傷與內出血、聽覺與視覺損傷等類型。1993年的西南地區季風項目(SWAMP)開展了亞利桑那州中部雷暴環境的研究。1995-2002年,NOAA風暴預報中心(NOAA Storm Prediction Center)開展了長達八年的氣候研究,重點研究了地閃,開發了雷電預報系統。預報員可以查看一個或多個閃電在40 × 40公里的網格的概率,相當于一個中等大小的縣;還可以預測極端事件的概率,如在一個網格中包括100次以上地閃的概率;并進行了未來三天閃電趨勢預報的研究。1998年的中尺度對流系統的起電機制與雷達極化研究(MEAPRS)完善了閃電發生的概念模型。2000年的強雷暴起電機制和降水研究(STEPS)重點研究超級單體雷暴和帶有強旋轉上升氣流的長周期雷暴。其中包括超級單體雷暴的降水形成,超級單體雷暴的電場與閃電等研究。還開展了閃電極性和雷暴強度的相關性分析。該項目廣泛研究了雷暴的電場結構、閃電定位、閃電極性、閃電發生頻率等方面內容。2000年的山際降水試驗(IPEX)研究了冬季雷暴的起電機制與閃電。2003-2004年的雷暴起電機制與閃電(TELEX)研究了雷暴結構、上升氣流和降水對閃電與電場特征的影響,主要目標是利用閃電觀測來提高災害性天氣的預報能力和預警水平;同時開發的俄克拉荷馬閃電定位陣列(Oklahoma Lightning Mapping Array)能夠提供俄克拉荷馬州中西部閃電的三維閃電分布和所有閃電的二維分布,并能夠記錄單次閃電的位置及其發展過程。

1.3  佛羅里達大學閃電研究

佛羅里達大學M.A. Uman領導的物理和空間科學系開展了人工引雷、空中雷擊等方面的閃電研究。2003,M.A. UmanV.A. Rakov研究了閃電與飛機的相互作用機制,統計分析了飛機雷災與飛行高度和環境溫度之間的關系。2003年還對火箭引發閃電(人工引雷)產生的高能輻射進行了研究,證明了失控電子的產生是閃電發生的一個重要進程。圖4和圖5分別為閃電擊中飛機和火箭引發的閃電。

佛羅里達大學利用其科研優勢開展大量的閃電項目研究。主要包括直擊雷環境的LLNL序列升級(2007-2010年),基于UF多站試驗的臨近電磁場和閃電雷聲特征(1999-2010年),布蘭丁營地閃電研究與測試(2009-2010年),閃電和傳播(2009-2010年),閃電的電磁環境和離子源參數(2009-2014年),閃電發生、傳播、釋放和電離層效應(2010-2014年)。

歐洲閃電研究進展

早期的法國SAFIR系統利用甚高頻信號、低頻脈沖和方位角技術能夠進行閃電的監測和預測,并在氣象、電力、通信、航空和航天等行業得到了廣泛的應用。但在閃電監測和預警方面,芬蘭Vaisala開展了更全面的閃電研究,在商業上和閃電科技發展上取得了更大的進展。

1936年成立的Vaisala公司是本文綜述涉及的唯一一家商業閃電研究機構。主要的閃電監測與預警儀器包括:區域閃電傳感器TSS928、增強型地閃傳感器LS7001、綜合閃電傳感器LS8000和大氣電場儀EFM550。其中TSS928利用閃電的光、磁、電特性可以提供區域閃電的監測和預警,適用于閃電敏感行業提前采取預防、啟動安全程序和隔離設備。LS8000采用甚高頻干涉技術和低頻磁場方位探測與TOA技術,利用甚高頻干涉技術提供云閃監測,同時利用低頻磁場方位探測與TOA技術提供地閃監測與定位;可以用來進行閃電短時預報、強風暴預警和危險性對流天氣識別。主要的閃電管理軟件包括:雷暴跟蹤軟件LTS2005、雷暴預警系統TWX300、故障分析及閃電定位系統FALLS和自動化閃電預警和風險管理系統ALARM。

Vaisala產品和技術被成功應用在美國閃電監測網(NLDN)。從1984年開始,經過20多年不斷改進與升級,Vaisalas NLDN能夠達到以下閃電監測水平:雷暴探測效率大于99%、閃電探測效率大于95%、平均定位精度250- 500或更小、網絡正常率接近99.99%、數據傳輸正常率大于99.9%。閃電數據包括日期和時間、緯度和經度、誤差、強度、極性和閃電類型。NLDN主要由以下五部分組成:100多個遠程地基Vaisala閃電傳感器構成的閃電監測網絡;傳感器實時監測閃電產生的電磁信號;傳感器數據收集;閃電數據分析;閃電信息發布到全國客戶。NLDN的閃電信息主要應用在天氣預報、電力、空中交通管制、機場、雷擊火災保險、電力敏感的制造業和處理業務、危險品加工、森林、高爾夫與戶外娛樂活動、發射場等行業。

 中國閃電研究進展

從科學研究角度來講,中國的的閃電研究起步比較晚,但發展比較迅速,且覆蓋面較廣。中科院寒區旱區環境與工程研究所和中國氣象科學研究院在閃電研究方面取得一定成果。深圳避雷針

3.1 中科院寒區旱區環境與工程研究所閃電研究

中科院寒區旱區環境與工程研究所在閃電特征、高原閃電和人工引雷等方面開展了系列研究。1995-1997的雷暴云下近地面電結構的實驗研究建立了雷暴云下地面電暈離子產生和演化的數值模式,研究了天然閃電在云內的始發過程、近地面的連接過程和空中人工引發閃電的始發過程。1997年的中國內陸高原正極性閃電的觀測實驗研究進行的正極性閃電的綜合觀測實驗。2002-2005年的雷暴及其雷電過程的觀測和理論研究成功研制了閃電探測儀器,對我國典型地區的閃電特征進行了系統研究,組織了青藏高原閃電綜合觀測實驗,揭示了高原雷暴和雷電活動的特殊性,發現典型高原雷暴云具有三極性電荷結構;研究了雷暴云電荷結構的成因,理論計算了雷電光譜的精細結構和特征參數,并獲得了沿海和高原地閃的回擊光譜。另外,中科院寒區旱區環境與工程研究所還對閃電放電通道的三維結構特征、人工觸發閃電電流測量及特征性分析、空中人工觸發閃電試驗及特性分析、閃電放電通道的三維結構特征、空中人工引發閃電先導過程的特征分析等方面進行了研究。

3.2 氣象科學研究院閃電研究

2003-2005年的奧運會雷電監測和預警系統關鍵技術研究開展了閃電預警的可視化分析,并進行了0-2小時閃電發展趨勢預報。2005-2006年的野外閃電觀測和人工引雷試驗對天然閃電和人工觸發閃電的電場、磁場、電流、輻射場、頻譜和光學等特征進行了同步測量,初步建立了閃電的“先導-回擊模型”。此外,還開展了北京地區雷電特征和雷暴電荷結構、雷電預報模式和雷電預警預報方法等方面的研究。

4 結論和討論電源防雷器 
通過對美國、歐洲和中國的主要閃電研究機構的進展綜述,可以得出以下結論:信號防雷器 
1)美國NASA充分利用其航天優勢,在行星閃電、火山閃電、臺風閃電和空間閃電監測等方面取得了許多重要成果;NOAA的閃電研究主要涉及雷暴起電機制、閃電與降水關系和閃電預報等方面;佛羅里達大學開展了閃電環境、閃電傳播過程和人工引雷等方面的閃電研究。

2)歐洲閃電研究進展主要體現在閃電監測和預警方面,Vaisala公司開發了一系列的地基閃電監測儀器和管理軟件,并在NLDN中得到了廣泛應用。

3)中國在高原閃電和人工引雷等方面進行了大量的研究,并在閃電監測和閃電預報等開展了初步研究。

中國的閃電研究雖然覆蓋面廣,但重要的研究成果還比較少。在空間閃電監測、閃電機制研究、閃電預警預報等方面還需要得到更好的發展。因此建議未來的中國閃電研究能夠在以下三方面開展更多工作:

1)在發展氣象衛星的同時,加強研發空間閃電探測儀器并發展空間閃電監測技術;同時利用飛機,特別是無人飛機進行雷暴觀測。

2)改變以省為單位的閃電監測網布局模式,在全國范圍內優化閃電監測網布局,形成中國閃電監測網(CLDN),提高閃電監測質量和數據傳輸穩定性,同時對閃電監測資料進行更廣泛的應用研究。

3)大力發展人工引雷試驗,開展閃電機制研究,加強閃電預警與預報技術的研究和應用。
關鍵字:三合一防雷器 二合一防雷器 
本文來自:http://www.damehaciendo.com 

 

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