雷電是自然界非常壯觀(guān)的大氣放電現象，其物理效應和電磁效應具有很大的破壞性，被稱(chēng)為世界自然災害之一。雷電會(huì )導致人員傷亡，擊毀建筑物、供配電系統、通信設備等，引起倉儲、煉油廠(chǎng)、油田等燃燒甚至爆炸，威脅航空航天運載工具等。在森林防火研究領(lǐng)域，雷電是引發(fā)森林火災的最主要天然火源。
根據雷電是否擊中地面，閃電類(lèi)型主要分為云地閃（地閃）和云閃。對于云閃，將相鄰兩次放射的空間距離在10千米以?xún)?、時(shí)間差在0.5秒以?xún)?，且正、負極性相同的所有輻射點(diǎn)歸屬為同一次云閃。對于云地閃，將空間距離在5千米以?xún)?、時(shí)間差在1秒以?xún)?，且正、負極性相同的所有回擊歸屬于同一次云地閃。精準探測閃電發(fā)生的時(shí)間、位置和各放電參數等是雷電災害防控的重要基礎。
根據雷電探測傳感器所處位置的不同，閃電探測定位分為地基閃電探測定位技術(shù)和星基閃電探測定位技術(shù)和兩大類(lèi)。
地基閃電探測定位技術(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。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。
閃電回擊（Stroke）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(guān)測得到，地基閃電定位系統會(huì )通過(guò)幾個(gè)測站同時(shí)測量閃電回擊輻射的電磁場(chǎng)來(lái)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)差測向混合法（IMPACT）。
磁定向法（MDF）通過(guò)放置在南北方向和東西方向的正交環(huán)形磁場(chǎng)天線(xiàn)，接收閃電發(fā)生產(chǎn)生的電磁波信號，從而判斷出閃電發(fā)生的方位，它能識別典型的對地閃電的低頻（LF）頻段輻射電磁場(chǎng)波形，測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，根據記錄到的未知輻射源產(chǎn)生的輻射信號到達兩個(gè)或更多已知位置接收機的時(shí)間差，通過(guò)兩條雙曲線(xiàn)交叉計算出輻射源的位置。
時(shí)差測向混合法（IMPACT）該方法將磁定向法（MDF）、時(shí)差法（TOA）技術(shù)相結合，其對云地閃回擊的定位精度可達數百米以?xún)?，探測效率達90%以上。目前這種地閃定位系統已在很多國家得到了廣泛的應用。
由于甚低頻、低頻（VLF、LF）電磁波不受高山、建筑物的影響，在探測范圍內無(wú)衰減和畸變，彌補了雷達低仰角探測常受到地物遮擋的缺點(diǎn)，因此地閃定位系統主要工作在甚低頻、低頻（VLF、LF）頻段，基線(xiàn)長(cháng)度比較長(cháng)，達到幾十千米到幾百千米，運行在極低頻（3-30kHz）和低頻（30-300kHz）頻段，主要用來(lái)確定具有較長(cháng)通道、大電流過(guò)程相關(guān)的閃電事件位置和放電參數，非常適合引發(fā)雷擊火的雷電的監測和定位。
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云地閃，而且可探測云閃和探測閃電的二維信息，而且可探測閃電發(fā)生的時(shí)間、位置、高度、強度及極性等主要參數的三維定位（經(jīng)度、緯度和高度），顯著(zhù)提高了閃電的定位精度與探測效率。
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目研發(fā)的大興安嶺雷擊火感知系統中安裝的17臺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），其應用時(shí)差測向混合法（IMPACT），基于甚低頻、低頻（VLF、LF）信號全波形采集、電磁脈沖信號人工智能識別、波形數據匹配等國際領(lǐng)先技術(shù)，對閃電進(jìn)行識別和定位，實(shí)時(shí)記錄閃電波形，區分先導、首次回擊、放電過(guò)程變化、后續直竄先導和回擊等，識別閃電精細結構及放電類(lèi)型特性，可實(shí)時(shí)探測定位半徑150公里范圍內的閃電信息，定位精度可達300米以?xún)?，可為雷擊火防控工作提供非常有力的支撐?/p>
星基閃電探測技術(shù)
星基閃電探測可以直觀(guān)的、自上而下的、動(dòng)態(tài)的獲得閃電信息，其探測范圍大、觀(guān)測高度高，且不受地面條件制約。衛星閃電成像儀觀(guān)測雷暴云中閃電發(fā)出的強烈光脈沖，利用閃電信號與背景信號在時(shí)間、空間和光譜特性方面的差異，通過(guò)電荷耦合器件（CCD）面陣探測器，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，其基本探測單元是閃電事件。
根據衛星所處的軌道高度不同，衛星閃電探測分為低軌道衛星（極軌衛星）平臺閃電探測和高軌道衛星（靜止衛星）平臺閃電探測兩種。
低軌道衛星閃電成像儀，受衛星平臺制約，只有在其經(jīng)過(guò)的位置恰好有閃電發(fā)生，才有可能探測到。靜止衛星閃電成像儀可連續、實(shí)時(shí)監測閃電活動(dòng)，實(shí)現對強對流天氣系統的追蹤和預警，被認為是衛星閃電探測的最有效手段。美國、中國和歐盟一直致力于對靜止衛星閃電成像儀的研究，中國風(fēng)云四號（FY-4）LMI（圖2）和美國的GOES-R GLM已于2016年底成功發(fā)射，為星基閃電控測技術(shù)發(fā)展提供了很好的支撐條件。
圖2 風(fēng)云四號設備圖
雖然星基閃電探測不受下墊面條件限制，可觀(guān)測覆蓋區域內的總閃電（包括海洋等），但由于其探測儀器位于云層的上方，無(wú)法區分云閃與云地閃，因此目前不太適合對于引發(fā)雷擊火的雷電的監測。
星基與地基閃電探測定位
數據資料的差異
星基與地基閃電探測方法和技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，二者獲取的閃電資料和應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，而地基閃電監測網(wǎng)定位的是閃電回擊，二者觀(guān)測到的是閃電的不同表現形式；
（２）星基閃電成像儀在云頂觀(guān)測閃電，無(wú)法區分云閃與云地閃，且對云閃更加敏感，而地基閃電監測網(wǎng)以探測地閃為主，當前最新的全波三維閃電定位儀即可探云地閃，也可探測云閃。
（３）對同一個(gè)閃電目標，由于星基與地基觀(guān)測的時(shí)間和定位上的系統誤差，導致二者的觀(guān)測結果不完全一致。
（4）地基閃電探測技術(shù)更適合對于引起森林雷擊火的雷電的監測，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)境與保護研究所）
苑尚博 （中國科學(xué)院電工研究所）
執行主編｜劉斯文
