雷電是自然界非常壯觀的大氣放電現(xiàn)象，其物理效應和電磁效應具有很大的破壞性，被稱為世界自然災害之一。雷電會導致人員傷亡，擊毀建筑物、供配電系統(tǒng)、通信設(shè)備等，引起倉儲、煉油廠、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(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。對于云閃，將相鄰兩次放射的空間距離在10千米以內(nèi)、時間差在0.5秒以內(nèi)，且正、負極性相同的所有輻射點歸屬為同一次云閃。對于云地閃，將空間距離在5千米以內(nèi)、時間差在1秒以內(nèi)，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)生的時間、位置和各放電參數(shù)等是雷電災害防控的重要基礎(chǔ)。
根據(jù)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。
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觀測得到，地基閃電定位系統(tǒng)會通過幾個測站同時測量閃電回擊輻射的電磁場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）、時差法（TOA）和時差測向混合法（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)形磁場天線，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）頻段輻射電磁場波形，測定放電波形的峰值和方位。
時差法（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(jù)記錄到的未知輻射源產(chǎn)生的輻射信號到達兩個或更多已知位置接收機的時間差，通過兩條雙曲線交叉計算出輻射源的位置。
時差測向混合法（IMPACT）該方法將磁定向法（MDF）、時差法（TOA）技術(shù)相結(jié)合，其對云地閃回擊的定位精度可達數(shù)百米以內(nèi)，探測效率達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(nèi)無衰減和畸變，彌補了雷達低仰角探測常受到地物遮擋的缺點，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)生的時間、位置、高度、強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(tǒng)中安裝的17臺閃電定位儀是中國科學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(shù)據(jù)匹配等國際領(lǐng)先技術(shù)，對閃電進行識別和定位，實時記錄閃電波形，區(qū)分先導、首次回擊、放電過程變化、后續(xù)直竄先導和回擊等，識別閃電精細結(jié)構(gòu)及放電類型特性，可實時探測定位半徑150公里范圍內(nèi)的閃電信息，定位精度可達300米以內(nèi)，可為雷擊火防控工作提供非常有力的支撐。
星基閃電探測技術(shù)
星基閃電探測可以直觀的、自上而下的、動態(tài)的獲得閃電信息，其探測范圍大、觀測高度高，且不受地面條件制約。衛(wèi)星閃電成像儀觀測雷暴云中閃電發(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）面陣探測器，綜合利用光譜濾波、空間濾波、時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(jù)衛(wèi)星所處的軌道高度不同，衛(wèi)星閃電探測分為低軌道衛(wèi)星（極軌衛(wèi)星）平臺閃電探測和高軌道衛(wèi)星（靜止衛(wèi)星）平臺閃電探測兩種。
低軌道衛(wèi)星閃電成像儀，受衛(wèi)星平臺制約，只有在其經(jīng)過的位置恰好有閃電發(fā)生，才有可能探測到。靜止衛(wèi)星閃電成像儀可連續(xù)、實時監(jiān)測閃電活動，實現(xiàn)對強對流天氣系統(tǒng)的追蹤和預警，被認為是衛(wèi)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(wèi)星閃電成像儀的研究，中國風云四號（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 風云四號設(shè)備圖
雖然星基閃電探測不受下墊面條件限制，可觀測覆蓋區(qū)域內(nèi)的總閃電（包括海洋等），但由于其探測儀器位于云層的上方，無法區(qū)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(jiān)測。
星基與地基閃電探測定位
數(shù)據(jù)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，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(jiān)測網(wǎng)定位的是閃電回擊，二者觀測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閃電，無法區(qū)分云閃與云地閃，且對云閃更加敏感，而地基閃電監(jiān)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）對同一個閃電目標，由于星基與地基觀測的時間和定位上的系統(tǒng)誤差，導致二者的觀測結(jié)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(jiān)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 （中國科學院電工研究所）
執(zhí)行主編｜劉斯文
