雷電是自然界非常壯觀的大氣放電現(xiàn)象，其物理效應(yīng)和電磁效應(yīng)具有很大的破壞性，被稱為世界自然災(zāi)害之一。雷電會(huì)導(dǎo)致人員傷亡，擊毀建筑物、供配電系統(tǒng)、通信設(shè)備等，引起倉儲(chǔ)、煉油廠、油田等燃燒甚至爆炸，威脅航空航天運(yùn)載工具等。在森林防火研究領(lǐng)域，雷電是引發(fā)森林火災(zāi)的最主要天然火源。
根據(jù)雷電是否擊中地面，閃電類型主要分為云地閃（地閃）和云閃。對(duì)于云閃，將相鄰兩次放射的空間距離在10千米以內(nèi)、時(shí)間差在0.5秒以內(nèi)，且正、負(fù)極性相同的所有輻射點(diǎn)歸屬為同一次云閃。對(duì)于云地閃，將空間距離在5千米以內(nèi)、時(shí)間差在1秒以內(nèi)，且正、負(fù)極性相同的所有回?fù)魵w屬于同一次云地閃。精準(zhǔn)探測(cè)閃電發(fā)生的時(shí)間、位置和各放電參數(shù)等是雷電災(zāi)害防控的重要基礎(chǔ)。
根據(jù)雷電探測(cè)傳感器所處位置的不同，閃電探測(cè)定位分為地基閃電探測(cè)定位技術(shù)和星基閃電探測(cè)定位技術(shù)和兩大類。
地基閃電探測(cè)定位技術(shù)
閃電放電輻射出頻率很寬的電磁脈沖，頻率范圍從甚低頻（VLF）到超高頻（VHF），其中以甚低頻、低頻（VLF、LF）輻射為最強(qiáng)。低頻閃電電磁脈沖輻射主要由地閃產(chǎn)生，云閃產(chǎn)生的電磁脈沖輻射主要分布在超高頻（VHF）頻段。
閃電回?fù)簦⊿troke）產(chǎn)生的電磁波以地波和天波的形式發(fā)散，可在距離閃電發(fā)生處上千公里外的地點(diǎn)觀測(cè)得到，地基閃電定位系統(tǒng)會(huì)通過幾個(gè)測(cè)站同時(shí)測(cè)量閃電回?fù)糨椛涞碾姶艌?chǎng)來確定閃電源的位置。
多站閃電定位方法主要有磁定向法（MDF）、時(shí)差法（TOA）和時(shí)差測(cè)向混合法（IMPACT）。
磁定向法（MDF）通過放置在南北方向和東西方向的正交環(huán)形磁場(chǎng)天線，接收閃電發(fā)生產(chǎn)生的電磁波信號(hào)，從而判斷出閃電發(fā)生的方位，它能識(shí)別典型的對(duì)地閃電的低頻（LF）頻段輻射電磁場(chǎng)波形，測(cè)定放電波形的峰值和方位。
時(shí)差法（TOA）與磁定向法一樣，該方法也是接收閃電電磁脈沖的低頻信號(hào)，根據(jù)記錄到的未知輻射源產(chǎn)生的輻射信號(hào)到達(dá)兩個(gè)或更多已知位置接收機(jī)的時(shí)間差，通過兩條雙曲線交叉計(jì)算出輻射源的位置。
時(shí)差測(cè)向混合法（IMPACT）該方法將磁定向法（MDF）、時(shí)差法（TOA）技術(shù)相結(jié)合，其對(duì)云地閃回?fù)舻亩ㄎ痪瓤蛇_(dá)數(shù)百米以內(nèi)，探測(cè)效率達(dá)90%以上。目前這種地閃定位系統(tǒng)已在很多國家得到了廣泛的應(yīng)用。
由于甚低頻、低頻（VLF、LF）電磁波不受高山、建筑物的影響，在探測(cè)范圍內(nèi)無衰減和畸變，彌補(bǔ)了雷達(dá)低仰角探測(cè)常受到地物遮擋的缺點(diǎn)，因此地閃定位系統(tǒng)主要工作在甚低頻、低頻（VLF、LF）頻段，基線長度比較長，達(dá)到幾十千米到幾百千米，運(yùn)行在極低頻（3-30kHz）和低頻（30-300kHz）頻段，主要用來確定具有較長通道、大電流過程相關(guān)的閃電事件位置和放電參數(shù)，非常適合引發(fā)雷擊火的雷電的監(jiān)測(cè)和定位。
地基甚低頻、低頻（VLF、LF）閃電定位儀經(jīng)歷了二維和三維兩個(gè)階段，二維閃電定位儀探測(cè)云地閃和二維定位（經(jīng)度和緯度）；三維閃電定位儀不僅可探測(cè)云地閃，而且可探測(cè)云閃和探測(cè)閃電的二維信息，而且可探測(cè)閃電發(fā)生的時(shí)間、位置、高度、強(qiáng)度及極性等主要參數(shù)的三維定位（經(jīng)度、緯度和高度），顯著提高了閃電的定位精度與探測(cè)效率。
圖1 黑龍江大興安嶺呼中林業(yè)局2021安裝的地基VLF/LF全波三維閃電定位儀
國家林草局雷擊火項(xiàng)目研發(fā)的大興安嶺雷擊火感知系統(tǒng)中安裝的17臺(tái)閃電定位儀是中國科學(xué)院電工研究所最新研制的全波三維閃電定位儀（圖1），其應(yīng)用時(shí)差測(cè)向混合法（IMPACT），基于甚低頻、低頻（VLF、LF）信號(hào)全波形采集、電磁脈沖信號(hào)人工智能識(shí)別、波形數(shù)據(jù)匹配等國際領(lǐng)先技術(shù)，對(duì)閃電進(jìn)行識(shí)別和定位，實(shí)時(shí)記錄閃電波形，區(qū)分先導(dǎo)、首次回?fù)簟⒎烹娺^程變化、后續(xù)直竄先導(dǎo)和回?fù)舻?，識(shí)別閃電精細(xì)結(jié)構(gòu)及放電類型特性，可實(shí)時(shí)探測(cè)定位半徑150公里范圍內(nèi)的閃電信息，定位精度可達(dá)300米以內(nèi)，可為雷擊火防控工作提供非常有力的支撐。
星基閃電探測(cè)技術(shù)
星基閃電探測(cè)可以直觀的、自上而下的、動(dòng)態(tài)的獲得閃電信息，其探測(cè)范圍大、觀測(cè)高度高，且不受地面條件制約。衛(wèi)星閃電成像儀觀測(cè)雷暴云中閃電發(fā)出的強(qiáng)烈光脈沖，利用閃電信號(hào)與背景信號(hào)在時(shí)間、空間和光譜特性方面的差異，通過電荷耦合器件（CCD）面陣探測(cè)器，綜合利用光譜濾波、空間濾波、時(shí)間濾波和背景減光等技術(shù)獲取閃電信號(hào)，其基本探測(cè)單元是閃電事件。
根據(jù)衛(wèi)星所處的軌道高度不同，衛(wèi)星閃電探測(cè)分為低軌道衛(wèi)星（極軌衛(wèi)星）平臺(tái)閃電探測(cè)和高軌道衛(wèi)星（靜止衛(wèi)星）平臺(tái)閃電探測(cè)兩種。
低軌道衛(wèi)星閃電成像儀，受衛(wèi)星平臺(tái)制約，只有在其經(jīng)過的位置恰好有閃電發(fā)生，才有可能探測(cè)到。靜止衛(wèi)星閃電成像儀可連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)閃電活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)的追蹤和預(yù)警，被認(rèn)為是衛(wèi)星閃電探測(cè)的最有效手段。美國、中國和歐盟一直致力于對(duì)靜止衛(wèi)星閃電成像儀的研究，中國風(fēng)云四號(hào)（FY-4）LMI（圖2）和美國的GOES-R GLM已于2016年底成功發(fā)射，為星基閃電控測(cè)技術(shù)發(fā)展提供了很好的支撐條件。
圖2 風(fēng)云四號(hào)設(shè)備圖
雖然星基閃電探測(cè)不受下墊面條件限制，可觀測(cè)覆蓋區(qū)域內(nèi)的總閃電（包括海洋等），但由于其探測(cè)儀器位于云層的上方，無法區(qū)分云閃與云地閃，因此目前不太適合對(duì)于引發(fā)雷擊火的雷電的監(jiān)測(cè)。
星基與地基閃電探測(cè)定位
數(shù)據(jù)資料的差異
星基與地基閃電探測(cè)方法和技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，二者獲取的閃電資料和應(yīng)用主要存在以下差異：
（１）星基閃電成像儀記錄的是閃電事件，而地基閃電監(jiān)測(cè)網(wǎng)定位的是閃電回?fù)?，二者觀測(cè)到的是閃電的不同表現(xiàn)形式；
（２）星基閃電成像儀在云頂觀測(cè)閃電，無法區(qū)分云閃與云地閃，且對(duì)云閃更加敏感，而地基閃電監(jiān)測(cè)網(wǎng)以探測(cè)地閃為主，當(dāng)前最新的全波三維閃電定位儀即可探云地閃，也可探測(cè)云閃。
（３）對(duì)同一個(gè)閃電目標(biāo)，由于星基與地基觀測(cè)的時(shí)間和定位上的系統(tǒng)誤差，導(dǎo)致二者的觀測(cè)結(jié)果不完全一致。
（4）地基閃電探測(cè)技術(shù)更適合對(duì)于引起森林雷擊火的雷電的監(jiān)測(cè)，特別是地基甚低頻、低頻（VLF、LF）三維閃電定位技術(shù)。
作者丨趙風(fēng)君 王明玉（中國林科院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所）
苑尚博 （中國科學(xué)院電工研究所）
執(zhí)行主編｜劉斯文
