• “解剖”闪电 探秘广州野外雷电试验基地
    来源:中国气象报   作者:郑菲   2012-07-06


      杂草丛生的广东从化光联村外,一处偏僻的山坡。

      附近山庄里的很多村民并不知道,在几百米远处,一个国家级的雷电试验基地——广州野外雷电试验基地就藏身于此,这是我国第一个固定的野外雷电试验基地。

      每年的5月至8月,一群年轻人,常常挤在几平方米的小铁屋里凝神静气,等待雷暴天气的到来,用高飞的小火箭捕捉闪电数据,对闪电进行细致的“解剖”。

      在过去的6年时间里,中国气象科学研究院和广东省气象局的科研人员共获得 49道闪电的详细数据,把闪电从天上“还原”到人间。
      
      这里有试验成功的喜悦

      试验基地的心脏部位是场地上一座几平方米的绿皮小屋。乍看上去,就像是个普通的农棚。不过它是铁皮做的。

      除了竖在场地里奇形怪状的天线,这里看上去就是一片杂草地。到了夏季,旁边挨着阵阵荷香的池塘,地里的庄稼长得异常茂盛,田间流水潺潺,三五蜻蜓、蝴蝶来回飞舞,一派乡野景象。

      “试验基地虽然没有车水马龙的繁华,却有稻香虫鸣的恬适;虽然没有霓虹耀眼的闪烁,却不断有试验成功的喜悦。”这是广州野外雷电试验基地科研人员发自内心的表白。

      “试验基地以强化公共气象服务能力、建设现代气象业务体系为指导方针,坚持为我国的雷电监测、雷电预警预报、雷电防护业务提供科技支撑的目标,努力发展成集雷电试验、科研和业务于一体的基础性、开放型的国际一流大气电学综合试验基地。”广州野外试验基地的负责人、气科院张义军研究员向记者介绍了基地的定位。

      2004年9月,广州气象建设方案论证会召开,首次提出要建立广州野外雷电试验基地。

      2005年6月,试验基地选址论证会召开,提出把基地建设地点选在从化。

      2006年2月,组织雷电基地筹委会的专家代表团前往美国佛罗里达国际雷电研究和测试中心进行野外试验场实地考察,学习和借鉴国外建设野外雷电试验基地的成功经验。

      2006年以来,试验基地共建成4间实验室专业房、一幢专家楼,购置了100多件国际先进的雷暴和雷电观测及试验设备……在从化光联村逐步建设了雷电野外试验基地,使试验基地基本具备雷电综合试验的能力,初步成为国内首个能够为雷电监测、雷电预警预报和雷电防护业务提供科技支撑的重要平台,并朝着国际一流的水平不断迈进。
      
      我国开展雷电研究的重要平台

      “6年来,围绕雷电监测、预警和防护业务需求,广州野外雷电试验基地开展了大量的研究并已取得显著成绩。 ”气科院大气探测研究所郑栋博士告诉记者,“试验基地是我国开展雷电研究的重要平台。”

      每年的5月至8月,基地开展触发闪电观测试验,主要使用火箭-导线技术,通过高速上升的小火箭拖曳一根金属导线方式,在雷暴云和地面之间的强电场中引入快速移动的导线,并突破先导头部电晕屏蔽的限制,诱发先导的持续发展,进而产生闪电。

      郑栋告诉记者,人工触发闪电技术可以在预知的时间和确定的地点触发闪电放电,为闪电放电过程的综合观测和特征参量的直接测量提供条件,并可应用于检验各种闪电模型,验证地闪定位系统的效率和精度,特别是基于人工触发闪电技术和多种先进的观测手段,在基地建立了雷电防护技术测试平台,对自动气象站、通信基站、风力发电机和雷电浪涌保护器等的雷电防护系统、装置和器件进行了检验和评估。

      基地创始人之一、广东省气象局副巡视员杨少杰认为,闪电定位资料在雷电预警预报、雷电事故分析、雷电风险评估等业务服务中具有关键作用。探测效率和探测精度是表征闪电定位系统性能的最重要的参数,直接影响闪电定位资料在各个领域内的应用效果。基地研究人员基于人工触发闪电,对地闪定位系统的探测性能进行了检验和评估,为闪电探测资料的应用提供了重要依据。

      “雷电监测是开展雷电预警和雷电防护研究的基础。广州野外雷电试验基地在闪电定位系统研制、闪电定位系统效能评估、雷电物理特征监测等方面均开展了卓有成效的工作。 ”杨少杰这样评价。

      为了研究雷暴内部电活动机理,认识闪电活动特征,基地建设了一整套较为完善的雷电声、光、电、磁和电流等观测系统,开展了对自然闪电和人工触发闪电传播特征的观测和研究,并取得了大量高质量的观测数据,初步取得了一批重要研究成果。

      基地安装了气科院研发的“雷电临近预警系统”平台,为自然闪电的观测和人工触发闪电的时机选择提供了重要指导。同时,基地提供了全国最为完善的雷暴和雷电综合观测手段,对于研究雷暴闪电活动的特征,进而为开发雷电预警和预报技术提供了不可替代的条件。目前,在原有“雷电临近预警系统”的基础上,研究人员正在通过电场和电晕电流组网对雷电活动敏感的特点,开展重点区域临近预警试验研究。

      据悉,美国、日本等发达国家已先后对雷击建筑物、电力线路、机场跑道等开展部分研究,研究结果直接应用到实际的雷电防护业务中。张义军认为,利用人工触发闪电开展雷电防护业务的应用研究是一个崭新的领域。他说,到目前为止,广州野外雷电试验基地是国内首家开展相关研究的部门,基地在雷电电流测量、雷电电磁脉冲与线缆耦合效应观测、自动气象站雷电防护理论研究等方面开展了连续的观测,并改进了人工触发闪电电流的测量技术,对其中部分触发闪电的回击电流进行了特征分析。这些分析资料填补了我国气象部门在雷电电流测量方面的空白。
      
      培养科研新锐 拓展科技交流

      在一次次雷击过程中探测自然闪电和人工触发闪电的电场、磁场和辐射场,在一道道炫目的电光魅影中研究雷电的电流、频谱和光学现象,在一项项艰辛的闪电综合观测试验中诠释雷电的发展机理和物理特征……广州野外雷电试验基地建成6年来,在雷电监测、预警和防护等方面硕果累累。

      “6年来,试验基地已逐渐形成规模并产生了一定的影响,多个省(自治区、直辖市)气象部门的雷电防护业务人员都慕名前来访问学习,试验基地也发挥了很好的科研辐射作用。 ”气科院大气探测研究所吕伟涛研究员告诉记者。国内外的多家院校与基地开展科研合作,共享科研成果。日本岐阜大学与基地共同开展了雷电的声、光、电、磁综合观测试验。香港理工大学与基地合作,开展单站闪电定位系统观测试验以及闪电放电模型研究,在单站闪电定位系统开发、定位方法研究、闪电放电模型等方面已取得初步成果。中科院寒区旱区环境与工程研究所与基地合作,研发了闪电近距离电磁场测量技术系统,获得了丰富的人工触发闪电观测资料。武汉大学与基地合作,开展不同类型、不同架设方式输电线路在闪电环境下的电磁波入侵特征研究,修正了实验室的研究结果,检验了一些高电压模型。

      以野外试验为基础,基地培养了一批高素质的人才,包括博士毕业生4名,硕士毕业生13名,目前在读博士研究生4人,在读硕士研究生8人。野外试验基地还接待了大量气象部门雷电防护业务人员的访问和学习,对于促进各省防雷中心的合作与交流起到了积极作用。“试验基地能够在近几年持续开展雷电野外观测试验,并取得丰硕的研究成果,与财政部修缮购置专项的支持密不可分。 ”张义军告诉记者。

      2006年至2011年,气科院大气探测研究所共获得4项修购专项项目支持,分别为2006年的 “雷电物理和防护工程实验室地基闪电事件光电同步观测系统建设项目”和“雷电物理和防护工程实验室基础设施购置”、2008年的 “雷电物理和防护工程实验室地基闪电事件光电同步观测系统建设项目”和2011年的“雷电物理和防护工程实验室野外观测基地基础设备购置”。通过这些项目的支持,购置了雷电流波形监测记录系统、雷电电流测量标定设备、高速运动分析仪、示波记录仪、大气电场仪、任意波形信号发生器、高速示波器和射频信号采集系统等雷电野外观测试验所需要的基础设备,科研人员利用这些先进的观测设备对闪电的电、磁、辐射、光和电流等特性进行了同步的测量,取得了高质量、全面而丰富的雷电观测数据,使研究人员能够详细了解闪电的物理特征和发展过程、从机理上认识雷电的发生、发展演变特征。

      依托广州野外雷电试验基地,气科院和广东省气象局的科研人员在闪电机理研究和防护应用方面取得了丰硕成果,正式发表论文40余篇,其中SCI/SCIE收录13篇、EI收录11篇。参加国内、国际会议共30余人次 ,口头报告9人次,特邀报告3人次。