附录A
(资料性附录)
雷电现象概述
A.1雷暴云的成因和起电
雷电是由起电的云产生的,但并非所有的云层都起电。产生雷电的雷暴云,通常具有显著的垂直(纵深)发展特征,同时云中有过冷云滴、冰晶和薇(软雹)粒子存在。雷暴云也能在地面产生大风和灾害天气(冰雹、龙卷风)。
雷暴或积雨云是由上升气流产生的,这些上升气流最初都来自太阳对地球表面和大气边界层空气的加热。对流云形成的热力学基础是条件性热力不稳定和对该过程的初始触发。其触发机制主要包括:边界层内的热力抬升、锋面与阵风锋边界之间的拾升、地形动力拾升(如典型山区)以及锋面动力提升。当上升气流进人低压环境,气流将膨胀并冷却,直到温度达到露点形成水汽,然后水汽凝结成云,水汽凝结释放潜热使抬升动力增大。如果该气流的温度降低到冰点温度以下,就会形成冰晶和霰,云就具备了起电的基础,雷电将产生。
典型的雷暴单体的直径为10km,云顶高度为12km,生命周期小于30min.其他类型的雷暴比如多单体雷暴带.雷暴簇.超级单体雷暴以及中尺度对流系统(MCS)具有更大的尺度,持续时间可长达数个小时。不同类型的雷暴往往出现在不同的地理区城内.
单个雷暴云的电荷分布模型包含三个电荷区,云中部--个集中的负电荷区,其上方是较为分散的一个正电荷区,下方有一小正电荷区。雷电更容易在负电荷区的边缘或靠近边缘部分产生。如果雷电在负电荷区的顶部附近产生,通常会发展为包含主负电荷区和主正电荷区的云闪。如果放电发生于负电.荷区下边缘或附近,它会产生下行负地闪。
A.2雷电现象
尽管地闪对人类活动危害最大。但-个雷暴产生的大多数雷电并不会到达地面,这些雷电一般被称为云闪。
当雷暴云中的电荷积累到一定程度后,雷电便发生了。云闪通常出现在第一次地闪前几分钟,但并不总是如此。雷电的极性由传输到地面的电荷的极性确定。雷电的特征也取决于最初先导电荷的方向，云对地闪电向下,地对云闪电则向上。图A.1给出了标准的地闪分类。下行地闪是最常见的,而上行地闪通常由高建筑物引发(即高于100m的建筑物或处于山区的较小的建筑物)。
最常见的雷电类型是下行负地闪(通常约占90%),但在-些特殊情况下不是这样，比如冬季雷暴、强雷暴或中尺度对流系统的层状云区城,正地闪占多数。通常，下行负地闪开始于云内的初始击穿过程，紧接着产生下行先导,间歌性.多分支、呈梯级地向地面发展,这一过程就是梯级先导。当负极性梯级先导接近地面时,该先导下方,在电场的作用下将产生-个或更多向上的、连接的先导,这些先导通常来自最近的接地导体尖端。当两个先导连接时,回击开始了。回击过程是强烈的电流脉冲,它将电流传输到地面，并沿电离的先导通道大约以光速三分之一的速度向上传播。回击通道的温度峰值约为30000K,它是最亮的闪电过程。回击过程的持续时间为几百微秒到几十毫秒,取决于连续电流的持续时间。后继回击通常发生在首次回击几十毫秒后,在一次典型的雷电过程中通常有3个~4个先导/回击过程。
更多详情参见参考文献[9]。
A.3有助于雷电防护的雷暴和雷电特征
A.3.1静电场
雷暴云内的电荷在地面上形成一个强静电场,该静电场通常比晴天时强得多。这样,随着雷暴的发展和接近,测量雷暴静电场可以提供-一个预警因子,但有一定的局限性。其中一个局限就是地面电场不是云电荷产生的真实场，因为云和地面之间存在明显的空间电荷层,不可能确定一个与即将发生雷击相对应的精确电场阀值。第二个局限是只能测量距离雷暴最多几千米内的电场。
地闪和云闪产生的电场突变可用来探测雷电。如在多个站点同时测量到电场突变,则可以定位引起闪电变化的电荷的云内中心位置。不过，利用静电场变化定位闪电位置不是通常采用的方法。
A.3.2电磁场
A.3.2.1概述
由于电流的快速.剧烈变化,雷云放电会产生电磁辐射,通过组合使用单项或多项技术,这种辐射一般用于探测和定位雷电。附录B描述了目前使用的几种技术。通过定位云闪.地闪或这两种闪电，可以追踪雷暴以实现预警和预防雷电灾害。
A.3.2.2云闪的探测
在雷暴中,云闪通常出现在首次地闪之前。因此，云闪常用于雷电预警。-般云闪比地闪多 2倍~3倍,这为监测和跟踪雷电活动提供了更多手段。
相比地内，云闪活动更加活跃,这要求云闪监测具有更强的数据处理能力。在甚高频频段内可能有几万个电磁辐射源,这一-高发生率将探测限制在几百千米范围内。
A.3.2.3地闪的探测
地闪的探测通常在低频或甚低频频段内进行，此频段的探测半径为几百千米。
A.3.3其他有助于闪电探测的参数
A.3.3.1雷电间隔与频次
雷电之间的时间间隔和距离提供了雷暴活动的信息。雷电频次指单位时间内的闪电数,该参数通常用于描述一次雷暴的雷电活动。
A.3.3.2云地闪比
云闪次数与地闪次数的比值提供了雷电话动和雷暴类型的信息。
A.3.3.3地闪极性
正地内常见于冬季雷暴和中尺度对流系统的层状云区域。此外,相对于负地闪,如果正地闪的百分比高可能预示有灾害天气。
所有这些参数对雷电定位系统的性能非常敏感。
附录B
(资料性附录)
雷暴探测技术
B.1简介
本附录介绍了雷暴探测技术的分类,也描述了用于雷暴探测的技术方法,并且根据获取雷电信息的需要,给出了选择正确类型探测仪和/或探测系统的指南。
B.2探测技术和传 感器参数要求
B.2.1概述
根据可探测现象的不同，雷暴探测仪的分类通常与雷暴阶段有关。但一台雷暴探测仪也可能探测到--种或几种现象。因此,本节将对各类雷暴探测仪进行描述和简要的说明。
B.2.2类型A
用于探测雷暴的第一个征兆(阶段1),在云闪或地闪发生之前和存在雷电风险期间,提供早期预警以便采取预防措施。该类雷暴探测仪是通过测量雷暴产生的静电场来实现的。
雷暴的起电过程或雷暴,会造成晴天大气静电场的变化。由于地表上方的大气带正电,睛天时,平坦地面附近的大气静电场为正值，幅度约在100 V/m~150 V/m。雷暴云时地面电场幅度可以达到每米几千伏特。由于空间电荷层的存在,雷暴云产生的电场受到屏蔽,通常会使地面静电场保持在10 kV/m以下。
用于探测雷暴电场的传感器,分辨力应优于200 V/m,电场测量范围至少为士20 kV/m.初始阶段的静电场变化相对较慢,每隔几秒采样就足够了。如需要电场变化的信息,最低采样频率宜为每秒一次。
雷暴探测没备宜提供有关电场等级的信息。有些设备还可以提供电场变化的信息。
A类雷暴探测仪能够探测是否存在带电的云,但是不能确定雷暴云发生第-次放电的静电场阈值。监测区域强烈受制于随距离增大而迅速减弱的静电场，故静电场测量的最大半径宜为距离电荷区边界20km.因地理环境的限制,该类雷暴探测仪用于局部探测。
因附近任何雷电都可造成静电场的快速变化,故A类探测器也可在雷暴阶段2、阶段3、阶段4提供信息。
任何情况下,制造商或服务商宜提供预警等级和预警方法的信息。当测量受局地电场增强影响时，预警等级信息取决于安装站点的环境。
B.2.3类型 B
用于探测云闪和地闪(阶段2~阶段4)。云闪会在甚高频频段产生大量射频源。通常,云闪在此频段(大约100 MHz)进行探测和测量.云闪探测仪的探测效率宜满足用户的应用需求(参见附录E)。因为云闪的定位对于采取预防措施比较重要,制造商或服务商宜给出探测仪的探测半径和定位不确定度。地闪的定位不确定度宜与用户的应用需求一致(参见附录E)。
制造商或服务商宜提供探测方法和预警的相关信息。
B.2.4类型C
用于探测地闪和部分云闪。地闪在低频频段(10 kHz~500 kHz)会产生明显的辐射。
地闪探测仪在监测区城的探测效率宜高于90%。因地闪的定位对于预防揩施比较重要,制造商或服务商宜给出探测半径和定位精度,监测区域内50%地闪的定位精度宜小于1km.
制造商或雷电数据供应商宜提供探测方法和预警的相关信息.
B.2.5类型D
用于探测地闪(阶段3),也可探测其他电磁脉冲,雷电信号和其他信号源(EMI)的区分能力较弱.
B.3 定位技术
B.3.1概述
根据用途,雷暴探测仪可划分为两种定位技术。为了确定雷击位置,需要多传感器的雷电定位系统。如仅需了解雷电活动的一般信息和/或雷暴的大致距离与方位,则可以使用单传感器的雷暴探测仪。
B.3.2多传感器定位技术
共有四种多传感器定位技术:
ML1;磁定向法(MDF)
利用两个正交磁线圈测量磁场的H,和H,分量。磁环的磁通量与人射角成比例,其中一个磁环与人射源方位角的余弦相关,而另一个磁环与正弦相关,两者的比值就是方位角的正切值。用两个或多个磁定向仪,通过计算定向仪方位角的交叉方位即可确定雷击位置。
ML2:到达时间法(TOA)
利用脉冲从辐射源到达传感器所需要的时间延遇进行定位:较近的传感器比较远的提前探测到信号。到达时间法可在甚低频.低频范围和甚高频频段应用。
ML3:射频干沙法(RFI)
通过测量紧密放置的天线之间的相位差来实现。此方法与到达时间法的区别在于它可以处理连续信号,因此不需要识别脉冲.
ML4:光学成像测量法(OD)
空基(卫星)的传感器能够探测雷电产生光信号的快速变化并对它们进行成像。此技术不是非常精确,但为在无法使用地基探测系统的区城如海洋上,进行雷电研究提供了可能。
B.3.3单传感器定位技术
单传感器(SS)定位技术如下:
SS1:场强测量法(FSM)
在雷暴形成期间,电场的上升可用于对即将发生的雷电活动进行预警。雷击产生的电场快速变化可用于确认雷击的发生。
SS2:磁定向法(MDF)
由于单个磁定向仪能够给出雷击的方位角，如果能通过测量信号强度和/或信号波形确定雷击的大致距离,则用于雷电监测网的磁定向技术也可以用于单传感器系统。
SS3;射频信号强度测量法(RFM)
由于雷电流特性的多样性,测量天线接收的雷电信号强度不是一-个有效的方法。复杂的信号处理方法并结合光学探测有可能明显提高雷电定位的精度。但该方法本质上是不准确的。
所有可用的雷暴探测技术都有其对应的应用。
ML1、ML2、ML3定位方法在雷电探测网络中的应用既实用又科学,常被用于向公众开放数据的商业网络,这些网络可以在世界各地找到。
MLA定位方法主要用于科学研究,由高校和政府机构安装使用。
单传感器技术也有不同的应用特性。
Ssl探测仪用于雷电发生前及雷暴整个生命周期的局地预警。
SS2探测仪可提供实际雷击的方向和距离信息。它们在需要准确.实时信息和不想依赖商业雷电
探测网络提供所需数据的公司中找到用户。然而,这些用户应注意，与多传感器雷电探测网络相比，SS2探测仪所提供的信息不够十分准确。
SS3探测仪可以分为两个质量等级。较复杂的探测仪包含了复杂的信号处理模块,能够给出具有一定精度的雷电距离。某些探测仪还使用光学传感器确认探测的信号与闪电有关。
较简易的探测仪使用--个小天线进行信号强度的简单测量,并且探测仪仅有有限的信号处理模块，只能给出非常粗略的局地雷击信息。它们只用于发生雷电的一般性地提示,不适用于雷电预警。
B.4雷暴探测仪的评估
为使预警系统准确和高效,用于预警的雷暴探测仪应具有一定性能水平。可以使用一些方法验证这些特性,如:
——基于系统结构和探测技术的理论计算;
——实验室测试;
——不同系统之间进行比较;
——用安装了监测仪器的高塔或带时间标记的视频或图片进行实验验证;
——现场验证。
B.5雷暴探测系统的选择
根据附录c中给出的风险评估和附录D中描述的预防措施，可以选择雷暴探测仪建立雷暴预警系统。根据预警的应用和可用的雷电信息,可能存在若干合适的探测技术。最终决定采用哪种技术应经
过多方面详细的分析,包括预警需求(必要提前时间可接受的虚报和虚报率)、允许的预算和每种探测技术能提供的信息。
雷暴预警系统如何保障机场安全的范例参见参考文献[4]. .
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