雷电监测预警设备有哪些?

夏天的夜晚风雨交加，外面一片漆黑，突然一道蜿蜒曲折的闪电在天空中划过，转瞬即逝。面对空中这绚丽多姿的闪电，你是否想知道它发生的具体位置?离你有多远?雷电流是否很强?下一刻又将在哪里发生?是否担心你所在的地方经常出现闪电?哪个时段最容易发生?是否可以提前预警?这里将为您介绍人类如何“捕捉”闪电，常用的雷电监测预警设备有哪些，它们是如何工作的，有哪些优缺点，以及大概的发展历史，等等。

雷电是发生于大气中的一种瞬时大电流、高电压、强电磁辐射的长距离放电现象。随着雷电造成的人员财产损失及社会影响越来越大，人们对于雷电监测预警的需求越来越迫切。目前利用雷电自身的电、磁、光等特性，通过相关设备较好地实现了对雷电的监测预警。通过相关设备监测雷电，在对电力、通信、铁路和建筑等设施进行选址和规划时，尽量避开雷电活动频繁的地区，或者增强设施的雷电防护等级。同时雷电监测也为雷电物理研究、雷电灾害鉴定、灾害性天气研究等提供了诸多服务。通过相关设备预警雷电，既可以让露天场所人员提前躲避，提醒野外作业人员暂停室外作业进屋避雷，又可以对易燃易爆等场所及时采取适当措施，如加油站暂停户外加油作业，防止重大雷灾事故发生。雷电监测预警设备目前在气象、航空、航天、通信、电力、旅游、林业、建筑等许多领域都有广泛的应用。

“火眼金睛”——闪电定位仪

闪电定位仪是利用闪电回击辐射的电磁波特性来遥测闪电参数的一种自动化探测设备，其工作原理是通过闪电发出的电磁波信号到达不同测站的相对时间差(至少需3个站，闪电定位仪采用授时型GPS作时间基准，时间精度达0.1微秒)，或者通过闪电辐射磁场信号的方位(至少需要两个站，采用南北和东西方向垂直放置的正交环磁场天线测定闪电方位角)，得到闪电具体位置，通过测得雷电流的磁场强度，根据相关数学公式反演计算，得到雷电流大小。目前的闪电定位仪多是综合以上的时差法、磁定向法，采取综合定位技术(IMPACT)进行探测。

闪电定位仪可以全天候“捕捉”到每次闪电的具体位置，还可“捕捉”闪电具体时间、电流强度、波形陡度，并能区分闪电正负极性。如ADTD闪电定位系统平均探测范围300千米，最大探测范围600千米。闪电定位仪时刻监测着闪电，一旦哪里发生闪电，它能立刻“看到”，立即给予定位并记录，给出闪电发生的具体时间、位置、电流强度、陡度等信息，即使某一时刻闪电非常密集，它都能一一区分并记录，你说这算不算是“火眼金睛”呢?地闪(闪电分为云闪和地闪)和人类 “打交道”更多，对人类危害更大，目前布设更多的是监测地闪的定位系统，如国产ADTD系统，也有同时监测地闪和云闪的，如芬兰维萨拉公司生产的SAFIR3000系统。

雷电定位技术早在1960年由莱维斯(Lewis)提出，即在边长约为30千米的等边三角形三个端点位置处分别安装一台受控接收机，在三角形中心位置的山上安装一个主管测站，利用闪电波形时间差来确定雷击位置。20世纪70年代，美国凯瑞德(Krider)等采用单片机技术将原来较落后的系统改造为智能化的磁定向闪电定位系统，有效地提高了雷电的测向精度。80年代初，随着地闪波形鉴别技术的出现和应用，地闪探测效率提高到90%以上。进入90年代，闪电定位仪在测向系统的基础上增加了GPS时钟，形成时差测向混合系统，同时采用数字波形处理技术，对波形作相关性分析处理和鉴别，使雷电的定位精度和探测效率都有明显提高。目前已有不少发达国家建立了雷电监测网，如美国、加拿大、德国、法国、比利时、澳大利亚、日本等国都相继建成了国家雷电监测定位网，用于雷电防护和相关科学问题的研究，一般由气象部门牵头组建该监测网，促进这些国家在雷电物理和防护、短时强对流天气预报、云物理和化学研究等领域的发展。

我国的雷电定位系统的建设始于20世纪80年代，开始时以引进国外雷电定位设备为主，进入90年代后，国产的闪电定位系统也开始投入业务应用。据介绍，截至2011年3月，我国气象部门在全国已建设的闪电定位站共计311个。按规划，我国东部区域基线(即站与站间距)150千米，定位精度约500米，探测效率高于90%;西部区域基线300千米，定位精度约1千米，探测效率高于60%。除了气象部门，电力、通信、民航、军队等部门也建设有闪电定位系统，但由于建设时间不同，设备生产厂家不同，定位原理也不尽相同，性能指标尚没有统一规范，部门之间的协调也不够，有待于建成全国统一的闪电定位网络系统，尽量避免重复建设，最大限度地发挥闪电定位网络的利用率。

闪电定位仪是目前雷电监测用得最多最广泛的设备，2013年9月1日开始我国各地的地面气象观测站人工观测雷暴日方法陆续取消，改为全部依靠闪电定位仪观测雷电。依据闪电定位系统得到的资料对于雷电灾害调查鉴定、雷电时空分布规律、雷电灾害区划都极为有用。如荒山野岭、深山老林的高压电线遭雷击出现故障，具体位置很难确定，这时可根据线路故障时刻的落雷情况，快速判断雷击故障位置。闪电定位仪不足之处是需要多个站点组网才能进行精确的观测;此外，受地面粗糙起伏干扰、GPS时钟精度等因素的影响，存在一定的定位误差。

“能掐会算”——大气电场仪

大气电场仪是用来测量大气电场及其变化从而实现雷电预警的设备，基于电效应的大气电场是唯一贯穿于雷电生命期(雷雨云起电、发展、消散等)的各个阶段，当雷雨云中的电荷积聚到一定程度时，就会在云与云之间或云与地之间发生闪电。也就是说，云层中只要有电荷变化，在云层下面的大气电场也就会发生变化，大气电场仪能检测出这种变化从而了解雷雨云中电荷积累情况，判断在本地区有没有发生雷电的可能性。大气电场仪好比“诸葛亮”，对于雷电是否发生“能掐会算”，其设置有单级或多级雷电预警阈值，当大气电场达到所设阈值时就会发出雷电预警。

大气电场仪是利用导体在电场中产生感应电荷的原理来测量电场的，分为地面电场仪和空中电场仪。最早的电场仪是在20世纪30—40年代由G.C.辛普森利用尖端放电原理制成的，其灵敏度较低。现在最广泛使用的是旋转式电场仪，又称为场磨仪，灵敏度高、响应快、动态范围大，既可以在地面测量，也可以放在飞机、气球上进行高空测量。之所以称为场磨仪，是由于其主要测量部件包括转子和定子，转子处于旋转状态，周期性地屏蔽了定子的大气电场，使定子感应出相应比例的电荷并周期性放电，产生低频交流电流，把该电流信号输送到电子线路放大，再经过处理，就能指示出实时大气电场强度值。

大气电场仪能直接探测以测站为圆心，以15～20千米为半径范围的大气电场数据，提前预警时间为10分钟至1小时。大气电场仪能较好地预警出是否会发生雷电，当结合闪电定位仪、气象雷达监测已发生的闪电的移动趋势，可更准确地预警闪电。大气电场仪也存在不足之处：电场仪单站的预警区域范围有限;探测电场易受外界信号干扰，存在一定的虚警率;探测到的大气电场是不同方向上电场叠加的结果，没有方向性。

大气电场仪除了可用于常规气象业务预报，也广泛应用于航空航天、旅游景区、体育场所、娱乐场所、易燃易爆场所等的雷电预警，可根据大气电场仪显示的不同预警等级，决定采取哪种应急预案，降低雷暴天气对人员、电子电气设备等造成的影响和损害。也有报道把大气电场仪微型化放在眼镜框内或者手机里面，可以在野外爬山时预警雷电及时躲避。

“千里眼”——气象卫星

气象卫星是通过搭载的闪电成像仪探测闪电发出的光信号，监测闪电发生情况，记录闪电发生时间、位置等具体信息。气象卫星监测闪电正所谓“站得高，望得远”，探测范围非常大。气象卫星可以探测到整个地球上的闪电，其优点是对云闪探测精度较好，相比闪电定位仪，气象卫星不受观测站点的局限性，除了探测陆地上的闪电，还能探测到海洋上的闪电。不足之处是目前的气象卫星探测不到雷电流强度，无法区分云闪和地闪。此外，空间和时间分辨率较低，并且受较厚云层的遮挡会影响观测，可能会漏测。

另外，气象卫星可对云顶高度和云顶温度进行观测，计算云顶上升速度和冷却率，识别可能发生雷电的对流云，起到一定的雷电预警功能。当时间分辨率足够高时，可以作雷电临近预报。如果结合天气形势图和气象探空资料，可进行更准确预报。

气象卫星分为极轨卫星和静止卫星，通常说的极轨卫星是指轨道平面与地球赤道平面夹角约90度，卫星运行轨迹经过地球南北极上空，故称为极轨卫星。仅当其经过我国上空时，能监测到我国的闪电，不能提供全天候的雷电监测资料。静止卫星是指轨道平面与赤道平面重合，卫星的轨道周期正好等于地球自转周期，且卫星公转方向与地球自转方向相同的卫星。在地面上看，这种卫星好像静止在天空某一地方不动，故又称它为地球静止卫星。静止卫星会24小时监测同一个区域，其携带的闪电成像仪能提供大范围的实时闪电活动信息，具有对闪电连续跟踪监测能力，覆盖范围广，观测能力较极轨卫星大大提高。

在极轨卫星探测闪电方面，20世纪70年代美国空军发射的用于军事目的的气象卫星DMSP是最早具有探测闪电功能的极轨卫星，其距地高度830千米，空间分辨率为10千米。到90年代中期，美国国家航空航天局(NASA)先后发射了搭载闪电探测器OTD和LIS的两个近似极轨卫星(分别为微实验室卫星Mictolab-1和热带测雨卫星TRMM)，搭载的这两种闪电探测器垂直向下观测雷暴云中闪电发出的强烈光脉冲，可监测闪电发生的时间、经纬度、闪电光辐射能量、持续时间等信息。前者地面分辨率为10 千米，探测效率约为60%，后者地面分辨率为3～6 千米，探测效率约为90%。

对于静止卫星探测闪电，我国计划在第二代静止气象卫星“风云四号”上安装卫星闪电成像仪，2014年3月“风云四号”卫星闪电成像仪初样鉴定产品已通过验收评审，预计将于2016年在我国新建的海南文昌卫星发射中心发射。该成像仪可对中国及其周边区域闪电进行探测，1分钟可拍摄500张闪电图片，包括闪电的频次和强度。据了解，目前在国际上静止气象卫星尚未搭载此类仪器，美国和欧洲的地球静止轨道卫星闪电成像仪GLM 和LI都在准备之中。由于目前还没有发射的静止卫星闪电成像仪，许多理论和方法还在进一步研究中。

另一种“能掐会算”——气象雷达

气象雷达可对近距离到几百千米范围内的雷暴云进行监测，可较好地应用于雷电预警。雷电总发生在强对流天气过程中，根据监测强对流天气的雷达回波强弱等特征，可推测判断是否会发生雷电，起到较好的雷电预警作用，如经过对某地区多次雷暴云观测，得到40dBz回波强度的雷达回波顶高上升到-10℃层结高度之上是预测即将发生地闪的最佳预报因子之一，据此可以较好地预报该地区是否会发生地闪。气象雷达通常具有1千米的空间分辨率和6分钟的时间分辨率，具备较好的分辨雷暴云的能力。雷达能较好地观测云中带电粒子的一些宏观特征，尤其是双偏振天气雷达能够提供云内粒子的相态、排列取向、空间分布和尺度谱等细致信息，观测精度高，能够更好地分辨雷暴云。相比于大气电场仪探测无方向性，气象雷达有较明确的空间方向指示性。

气象雷达的应用最早始于1941年英国使用雷达探测风暴，1942—1943年美国麻省理工学院专门设计了应用于气象探测的雷达用于探测强对流天气。20世纪60年代采用了多普勒技术的气象雷达具有对大气流场结构的定量探测能力，70年代又相继发展了大功率高灵敏度的甚高频和超高频多普勒雷达和具有多普勒性能的高分辨率调频连续波雷达，80年代出现的偏振气象雷达为降水信息和降雨形状分布提供了更为精确的信息。目前气象雷达探测很多气象要素和各种天气现象，是天气观测和预报的重要工具。其观测原理是：雷达定向发射和接收近似光速传播的电磁波，遇到雷暴云反射部分电磁波，从波束的方向确定雷暴云的方位，从发射到接收回波的时间确定到雷暴云的距离，由回波的强度和变化确定雷暴云的特性。由于雷暴云内的起电与其中的微物理过程息息相关，使雷达成为了目前较适合于开展雷电预警工作的观测设备。

气象雷达对雷暴云监测的时间和空间分辨率较好，但只有在降水粒子形成之后才会有较强的回波，提前雷电预警时间有限。此外，雷达在探测过程中存在一些盲区，在某些区域中的雷暴单体无法被探测到，导致雷电预警的漏报。

气象雷达也有一定闪电定位、确定通道的物理特征功能，相关资料证实，闪电偶尔也能在雷达荧光屏上产生回波图像。其原理是，当闪电发生时，在闪击的路径上产生大量自由电子，可以把闪电路径看作云中特殊的金属线缆，如果降水回波不是十分强，当雷达波投射到这种自由电子上时，引起它们震荡，从而产生电磁辐射，发出可以探测到的后向散射信号，从而实现雷电监测功能。其缺点是难以给出闪电的具体经纬度、电流强度等信息。

对闪电进行“体检”——照相机

如果说闪电定位仪、气象卫星监测闪电是宏观观测，那么利用照相机观测闪电便属于微观观测。照相机观测是对闪电进行全面的“体检”，根据连续拍摄闪电的具体图像，可直观地得到闪电的内部结构、发展速度、持续时间、回击的物理过程，而且还可以得到闪电分支的接地情况，根据闪电通道发光亮度的相对强弱，不同的亮度对应于不同的放电强弱，有助于研究闪电通道放电过程。照相机观测为研究雷电物理过程提供方便，成本相对较低，可重复多次使用，而且容易实现。

雷电观测研究最早的方法就是采用照相法，通过照相机观测获取的雷电参数是雷电研究和防护中使用的主要原始参考资料。早在1889年郝弗特(Hoffert)利用照相机摄影法观测闪电击地过程，发现闪电是有很多分枝的。1903年法国人沃尔特(Walter)利用可移动照相机精确地测出了闪击之间的间隔时间。1926年弗隆·博伊斯(Vernon Boys)发明了一种高速旋转式相机(后来称为Boys相机)，将两个照相机的镜头分别安装在一旋转圆盘的一条直径的两端，镜头随圆盘高速旋转。当观测闪电时，闪电成像于两镜头后面的静止底片上，由于两镜头各向相反的方向移动，闪电产生的光不是同时到达两张底片上，使得底片上感光发生畸变，通过对两幅图的比较分析及一系列处理后，就可以推断出闪电的方向、速度以及闪电发展的连续相位。1998年，塔克格(Takagi)等制作高速线扫描照相机观测闪电回击通道变化。通过照相机观测，获得了闪电的内部结构、持续时间、发展过程等很多资料。

利用照相机观测需要先准备好高分辨率、有较好功能、速度快的照相机，选择合适的观测位置，如高楼楼顶或野外空旷地方，但同时要注意自身防雷安全。最好先估计出闪电出现的大概方位和时间，拥有一定的拍摄技术，这样才能拍摄出较好的闪电图片。另外，利用照相机观测不足之处是只能对某次或某些次闪电进行照相研究，难以从整体上了解某个地区的闪电分布特征，也不能得到闪电的具体位置、电流强度等信息。

“亲密拥抱”闪电——雷击计数器

通过雷击计数器监测闪电，是近距离“亲密拥抱”闪电的一种监测方法。雷击计数器主要基于罗氏线圈传感器技术实现监测功能，罗氏线圈(Rogowski线圈)又叫电流测量线圈、微分电流传感器，是一个均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形线圈。该线圈套在泄放雷电流的引下线上，当雷电击中接闪器沿引下线泄放时，该线圈自身感应出相应的脉冲电流，产生触动计数器的电压，计数器显示雷电流流过的时间和次数等信息。

罗氏线圈可以精确还原雷电的极性、电流峰值、能量，通过相关数学计算和处理可以还原雷电流波形，罗氏线圈具有电流可实时测量、响应速度快、不会饱和、几乎没有相位误差的特点。这和通过测量磁钢棒剩磁确定雷电流幅值有些类似，当雷电击在钢棒后剩磁的变化量与雷电流幅值成线性关系，根据剩磁大小能检测出雷电流幅值。在20世纪60年代到80年代，国家电网曾在浙江地区高压输电线路上安装大量磁钢棒监测雷电流幅值。

雷击计数器可以装在楼顶避雷带上，或者装在建筑物专设引下线上，或者其他需要的位置，如人工引雷时把雷电流引到安装有雷击计数器固定位置处，观测记录雷电流物理特征。通过雷击计数器监测闪电情况，还可以检验安装的防雷装置保护性能如何，即当雷电流经过时能否有效保护。雷击计数器的不足之处是仅仅对电流经过它的雷电有监测作用，其他的雷电，哪怕与它“面对面”，它也“视而不见”，是一种“较懒惰”的“守株待兔”方法。由于雷击地点的半随机性和分散性，安装雷击计数器后，有可能一年当中整个雷暴季节或更长时间内都无雷电流经过，没有数据记录。

为什么要把雷达放到气象卫星上?

众所周知，气象卫星是捕捉台风路径的一把好手，正是在其帮助下，科学家对台风(飓风)路径的预报准确率越来越高。不过，这仅仅是一个起点。

台风登陆后，所到之处会引来狂风暴雨，给民众的生产生活带来危害。要真正做到因地制宜防范台风，最需要的就是能够知道在台风这个巨大的气旋内，每个部位的风力和降水量。如此一来，政府和民众就可以知道，对于这个台风，是该拿出几级应急响应来对待。

这些功能，我国正在研制中的“风云三号”降水测量雷达卫星就可以具备。

星载降水测量雷达

星载微波辐射计

目前，我国极轨气象卫星“风云三号”C星上已经有了一个能够穿透云雨的仪器——微波辐射计。但是，星载降水测量雷达的研制绝非重复劳动。

从原理上来看，地球表面物体都在一刻不停地向外辐射电磁波。当降雨产生时，会吸收一部分地表辐射。这样一来，地表物体向外产生辐射的强度就会发生变化。微波辐射计通过对比所接收到的辐射量的前后变化，就能够推断出降雨的强弱。

而与之相比，降水测量雷达则显得更加“积极主动”一些。它工作时，会主动向大气发射电磁波。一道道电磁波穿透云雨，与雨滴相互作用后，就能带着降水量信息，反射回到卫星上了。

虽然微波辐射计可以测量降雨量，但是其收集到的辐射信息容易受到地表辐射的干扰，所以精度不是很高。更重要的是，因为微波辐射计是被动探测，所以只能拿到“一揽子”辐射量，却分不清其中都是从哪一层大气发射来的。受此限制，它获得的信息也只是地表总降水量。而降水测量雷达则能够知道电磁波是从哪些不同高度的大气中回来的，进而获得大气三维降水信息。

天上的雷达

地上的雷达

目前，世界上地基天气雷达已比较普及。从1998年开始，依托国家项目，我国新一代天气雷达建设也进入快车道，目前，已在国家防灾减灾、天气预报预警中发挥着不可或缺的作用。

当TRMM卫星于2013年9月13日飞过墨西哥湾时，正好捕捉到了正在变强的热带风暴英格力德。图中红色突出的部分，常常是热带气旋即将变强的标志。

美、日热带降雨测量计划(TRMM)卫星在2005年8月28日监测到卡特里娜飓风的三维降水量。

但地基天气雷达也存在着几个方面的限制。首先，因为雷达的经济成本非常高，所以在我国东部人口比西部人口密集的国情下，东部沿海雷达的布设也比西部要密一些。这也决定了西部存在一些“空白区域”。另外，地基雷达标定测量精度手段受限，所以其目前只对外发布一级产品，即反射率因子。虽然反射率因子的强弱取决于雨量的强弱，但用其来推导降雨强度到底是多少，就容易出现较大的偏差了。

与地基雷达相比，星载降水测量雷达的覆盖范围广，能获得“无人区”的降水信息;而且在地面定标系统的帮助下，星载降水测量雷达有着较好的定标精度;另外，因为是从天上往下看，所以不会受到山地、高原等特殊地形的遮挡。

降水测量雷达卫星

SAR卫星

去年8月，我国在太原卫星发射中心用“长征四号丙”运载火箭成功将“高分三号”卫星发射升空。这是我国首颗分辨率达到1米的C频段多极化合成孔径雷达(SAR)成像卫星。

同样是把雷达放到卫星上，两者的主要用途有什么不同呢?

据介绍，SAR卫星主要目标是获取地球的地表、地物信息。对于SAR卫星来说，相当于在卫星上放了一个照相机。虽然这个照相机能够穿透云层，但它却不是来看云的，而是看云层下面的地表信息的。具体到气象方面的应用，SAR卫星多可用在大的降雨、洪涝过后的影响评估上，比如降雨范围多大、哪儿发生了滑坡或泥石流等。而与之相比，降水测量雷达卫星的功能主要集中在实时降水的监测方面。

降水测量雷达卫星还可帮助科学家弄清楚全球能量循环和气候变化问题。此前，美国和日本曾联合发射了一颗全球降水测量计划卫星，旨在摸清全球降水分布，以及水循环在全球能量释放的过程和在全球气候变化中的影响。