李 卓，陳 健，王姝妹

(伊春市氣象局，黑龍江 伊春153000)

1 引言

雷電是自然界中最為壯觀的氣象現(xiàn)象之一，是地球生態(tài)系統(tǒng)重要的一部分，但同時(shí)也是造成損害最大的世界十大自然災(zāi)害之一。根據(jù)氣象部門和勞動(dòng)部門估算，我國(guó)年均雷擊傷亡人數(shù)超過1萬，其中死亡3 000多人，財(cái)產(chǎn)損失50－100億元。由于人類無法阻止和控制雷電的危害，為了盡量避免雷電所造成的危害，近20 a來我國(guó)加強(qiáng)了對(duì)雷電的探測(cè)和雷電災(zāi)害的防護(hù)。

目前，對(duì)雷電的探測(cè)主要是采用目測(cè)來獲得雷電發(fā)生時(shí)的起止時(shí)間、雷暴小時(shí)、雷暴日等。隨著我國(guó)遙感遙測(cè)、光電等技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，人們對(duì)雷電的探測(cè)又有了許多新的進(jìn)展，特別是在地閃的監(jiān)測(cè)和定位方面實(shí)現(xiàn)了新的突破，可以較為準(zhǔn)確地給出地閃發(fā)生的時(shí)間、位置、強(qiáng)度、極性和回?fù)魯?shù)等信息。本文根據(jù)目前的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)近年來雷電探測(cè)定位技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行總結(jié)，并介紹雷電探測(cè)定位技術(shù)的一些最新進(jìn)展?fàn)顩r。

2 雷電探測(cè)定位技術(shù)發(fā)展概況

雷電是發(fā)生在大氣中強(qiáng)烈的放電現(xiàn)象，雷電發(fā)生時(shí)會(huì)產(chǎn)生很高的電壓、電流、強(qiáng)烈的電磁輻射并伴隨閃光和雷聲等現(xiàn)象?？梢圆捎脤?duì)雷電產(chǎn)生時(shí)的光、聲、電磁等的測(cè)量，獲得雷電發(fā)生的時(shí)間、空間和放電等參數(shù)與信息，這種探測(cè)雷電的方法稱為閃電定位技術(shù)。

對(duì)雷電探測(cè)定位的方法目前主要分為光、聲和電磁場(chǎng)（包括無線電測(cè)向技術(shù)）三種。對(duì)雷電探測(cè)定位的技術(shù)方法分為地基探測(cè)定位技術(shù)和星載探測(cè)定位技術(shù)兩大類。

3 雷電探測(cè)定位技術(shù)的新發(fā)展

3.1 三維閃電探測(cè)系統(tǒng)

目前，“三維閃電探測(cè)系統(tǒng)研制”是科技部和科研院所的專項(xiàng)開發(fā)技術(shù)之一，目的是開發(fā)完整的云閃、地閃和云內(nèi)特殊放電事件的三維全閃探測(cè)和定位系統(tǒng)?；趯?duì)閃電VHF和VLF/LF的輻射信號(hào)進(jìn)行同步聯(lián)合分析，采用時(shí)差定位技術(shù)，利用脈沖匹配、閃電波形匹配、頻譜分析和時(shí)域相關(guān)等手段，獲得對(duì)閃電輻射事件的三維探測(cè)。

2011年1月至2013年12月主要開展了三個(gè)方面的工作:(1)野外觀測(cè)及數(shù)據(jù)分析。在2011年春、夏季廣州從化地區(qū)的野外試驗(yàn)和觀測(cè)，獲得了一組質(zhì)量較高的多站閃電同步觀測(cè)數(shù)據(jù)。在VHF頻段基于脈沖匹配方法得到脈沖源的三維反演，同時(shí)在VLF/LF頻段采用時(shí)域相關(guān)和波形匹配技術(shù)獲得閃電輻射源的二維定位;(2)對(duì)探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行硬件集成。將VHF寬帶天線、VLF/LF電場(chǎng)變化傳感器、采集記錄系統(tǒng)以及GPS時(shí)鐘等模塊集成在一起。高精度的GPS授時(shí)系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn)，在VHF頻段完成雷電輻射脈沖的記錄，在VLF/LF頻段完成對(duì)完整的電場(chǎng)變化波形的記錄;(3)基于定位誤差的模擬實(shí)驗(yàn)研究。通過計(jì)算機(jī)仿真軟件的重現(xiàn)，對(duì)比由模擬不同站點(diǎn)布局方式獲得的定位精度作為布站方案的參考［1］。

3.2基于靜止氣象衛(wèi)星平臺(tái)的閃電探測(cè)系統(tǒng)

2011年，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所憑借已有較成熟的探測(cè)儀器，對(duì)靜止氣象衛(wèi)星平臺(tái)觀測(cè)中的閃電信號(hào)的目標(biāo)背景特性開展了細(xì)致的分析，從而設(shè)計(jì)出基于靜止氣象衛(wèi)星平臺(tái)的閃電探測(cè)系統(tǒng)。

該系統(tǒng)基于靜止氣象衛(wèi)星上的現(xiàn)有條件，穩(wěn)步獲得了閃電信號(hào)的大范圍、長(zhǎng)時(shí)間、不間斷觀測(cè)，并考慮了閃電信號(hào)的背景特性，在處理算法和光學(xué)系統(tǒng)上根據(jù)目標(biāo)背景特性做了相應(yīng)的設(shè)計(jì)、改造和完善，達(dá)到及時(shí)、準(zhǔn)確、有效地捕獲閃電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)閃電信號(hào)的有效探測(cè)［2］。

此類閃電探測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)地表很大區(qū)域的覆蓋，并有效標(biāo)識(shí)記錄閃電發(fā)生的地點(diǎn)和時(shí)間，準(zhǔn)確測(cè)量出閃電信號(hào)的輻射能量，測(cè)量穩(wěn)定性較高，可以長(zhǎng)時(shí)間實(shí)現(xiàn)白天、夜間對(duì)云內(nèi)及云地閃電的探測(cè)。此類閃電探測(cè)系統(tǒng)相對(duì)于以前的星載閃電探測(cè)系統(tǒng)有三點(diǎn)不同:空間分辨率較高，能完成10 km左右分辨情況下的穩(wěn)定探測(cè);可實(shí)現(xiàn)連續(xù)時(shí)間下對(duì)閃電信號(hào)的探測(cè)；具有較廣泛的探測(cè)率，可以探測(cè)視野范圍內(nèi)幾乎所有的閃電信號(hào)［2］。

3.3 光頻段雷電探測(cè)系統(tǒng)

光頻段雷電探測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分為光頻雷電探測(cè)模塊和光頻雷電記錄模塊，該探測(cè)系統(tǒng)首先由光頻雷電探測(cè)模塊判斷是否有雷電產(chǎn)生，若判斷有雷電產(chǎn)生，則通過光頻雷電探測(cè)模塊來觸發(fā)光頻雷電記錄模塊，從而對(duì)雷電圖像進(jìn)行記錄。

該系統(tǒng)將時(shí)差定位法引入到了光頻雷電定位中，并利用Matlab中的Simulink模塊對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和仿真，得到了較為理想的結(jié)果。但該系統(tǒng)主要是針對(duì)云地閃，且其檢測(cè)精度還需進(jìn)一步提高［3］。

3.4 雷電的聲光電磁綜合探測(cè)定位系統(tǒng)

近期，中國(guó)氣象科學(xué)研究院的張義軍研究員在成都信息工程學(xué)院的學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)上指出，我國(guó)正在研制集聲、光、電、磁探測(cè)技術(shù)于一體的閃電綜合探測(cè)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)是以光信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)，該閃電綜合探測(cè)定位系統(tǒng)的研制將會(huì)加快我國(guó)雷電研究的發(fā)展，進(jìn)一步提高我國(guó)雷電探測(cè)定位技術(shù)的科技水平。

4 結(jié)束語

通過對(duì)雷電探測(cè)定位資料的研究與分析，一方面可以進(jìn)一步深化對(duì)閃電形成機(jī)理的認(rèn)識(shí)，提供可用于防雷產(chǎn)品和防雷工程設(shè)計(jì)的可靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；另一方面，利用雷電探測(cè)定位系統(tǒng)，結(jié)合雷達(dá)、地面氣象觀測(cè)系統(tǒng)，通過研究強(qiáng)風(fēng)暴的動(dòng)力、微物理等特征，從雷電的角度研究強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴的冰雹、突發(fā)性暴雨等局地氣象災(zāi)害的臨近預(yù)報(bào)方法和技術(shù)，為我國(guó)災(zāi)害性天氣過程的監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)提供新的手段，從而提高我國(guó)短時(shí)災(zāi)害性天氣的預(yù)報(bào)水平。

[1]董萬勝.三維閃電探測(cè)系統(tǒng)研制[J].中國(guó)氣象科學(xué)研究院年報(bào)（英文版），2007：45-46.

[2]高松.基于靜止氣象衛(wèi)星平臺(tái)的閃電探測(cè)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2007，7（9）：2032-2036.

[3]劉辛.光頻段雷電探測(cè)技術(shù)的研究[D].華中科技大學(xué)博士論文，2010：53-57，9-97.