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  • 时间 2023-12-27
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灾害天气国家重点实验室科研成果展播②|提升雷电综合观测试验能力、推进雷击机理和防护科技创新

        灾害天气国家重点实验室雷电团队以提升雷电灾害监测、预警和防御能力为目标,瞄准大气电学前沿科学问题以及实际应用需求,建设了野外人工引雷试验基地和城市高建筑物群雷击过程综合观测站,有机融合雷电机理研究和防护测试,形成了集试验、观测和防护测试为一体的先进的雷击机理和防护试验平台。雷电团队自2006年起持续开展雷电野外观测试验和人工引雷试验,相关研究近五年共发表SCI期刊论文61篇,并分别在《应用气象学报》、《热带气象学报》、《Remote Sensing》等杂志组织出版“雷电专刊”;获专利授权20项;建立标准7项。雷电野外科学试验基地于2018年被首批纳入“中国气象局野外科学试验基地”序列。

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中国气象局雷电野外科学试验基地广州人工引雷试验场全景


发展人工引雷技术,构建雷击机理研究和防护测试基础平台

      雷电团队发展完善了基于“火箭-导线”的人工引雷技术,分别研发了基于光纤和无线控制的引雷火箭发射系统,构建了地面触发平台和高塔触发平台,发展了“导线-尼龙绳-导线”的三段式空中触发闪电方式,显著提升了空中触发闪电的电流测量成功率,实现了对不同放电现象观测的能力以及多场景的雷电防护测试能力。

      2006年迄今,共成功人工触发闪电200余次,近年引雷成功率最高达到80%,处于国际先进水平。雷电团队以人工引雷为基础手段构建了雷击机理和防护试验平台,有力支撑了雷电防护科学的研究和应用。雷电野外科学试验基地已与华为、国网电力、中石化、清华大学、中国科学技术大学、武汉大学等多家单位合作,在国内率先开展了通信基站、风力发电机及其叶片、自动气象站、高压输电线、光伏发电系统等的雷击测试和防护试验,取得第一手的实测数据,阐释了多种承载体的雷击效应和损伤机制,为多个行业的防雷技术升级改造和标准修订提供了重要科技支撑。

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地基平台人工触发闪电(左)以及雷击风机叶片(右)照片


建立高建筑物雷电观测平台,深入揭示雷击过程现象和机理

      雷电团队率先提出并组织实施了以遭受雷击概率较高的高建筑为对象的雷击过程观测研究,建立了国际先进的高建筑物雷电观测站,揭示高建筑物对闪电活动的影响,为雷击风险区划和雷电防御提供数据基础和科技支撑。

      雷电团队自主研发了多视场、多分辨率闪电光学同步观测系统和三维闪电光学通道重建技术并应用于高建筑物雷电观测站,实现了闪电通道发展和微秒级连接过程的清晰捕获,揭示了闪电连接过程的细节特征;给出了闪电“最后一跳”的闪击距离,发现它们与建筑物高度、顶部形状之间的关联性,修正了人们对接闪位置和闪击距离的固有认识;阐释了高建筑物的雷电保护效应以及对周边雷电活动的影响规律;推动了雷击过程数值模拟技术由机理模型向三维工程模型的发展。雷电团队还通过在广州塔顶部加装特殊设计的雷电流测量设备,首次获取到广州塔遭受雷击的电流波形,该设备的自动持续记录将为高建筑物雷电直击观测和雷击损伤机理研究提供重要数据支撑。

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广州高建筑物雷电观测站(左)和视野内观测到的高建筑物雷电(右)


研发雷电探测新技术,发展雷电“声-光-电-磁”一体化观测平台

      雷电团队瞄准科研和业务双重需求,自主研发了先进的低频段和甚高频频段三维全闪定位系统,并发展了相应的闪电快速定位技术,实现了闪电定位由传统地闪定位向全闪(云闪+地闪)定位升级、二维定位向三维定位升级、一次闪电单点定位向闪电通道成像升级、雷暴过程闪电离散点定位向闪电活动区域识别升级。新系统已在广东、西藏和海南建设了示范站网并持续稳定运行,其数据已成为开展雷电前沿科学研究的重要依托,并可为当地气象业务部门和雷电敏感行业提供数据服务。

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西藏那曲低频闪电定位网子站(左)及其定位到的一次雷暴过程三维闪电活动密度分布(右,闪电通道经过的地方即为有闪电)


      雷电团队发展了适合广域雷电探测的混合基线天电阵列,实现了千公里广域范围雷电活动的监测,尤其是补充了现有陆基业务闪电探测系统在海洋上探测能力的不足,该系统已经被欧洲航天局空间-大气相互作用观测计划(ASIM)选定为东亚地区的地基验证平台,为卫星平台的空间放电光学事件提供地基的电学验证。为实现对闪电通道内放电过程物理量的反演,雷电团队研发了基于电场慢变化测量的闪电成像阵列,实现了在闪电定位的同时,对发生在通道内部的电荷转移量的反演,扩充了闪电定位数据中的有效信息。

      针对瞬时雷电发展过程精细化物理特征观测和反演的需要,雷电团队研制了雷电声学探测和位置反演系统、雷电光学和光谱观测平台、雷电电场变化探测系统、雷电磁场测量装置等一批先进的探测系统,并开发了多系统同步触发、同步记录、同步比对的技术,实现了在野外试验环境下公里级空间范围内各系统的协同探测,形成了雷电“声-光-电-磁”一体化观测平台,成为雷电放电过程综合探测数据全方位捕获的重要手段。

       承前启后、继往开来。灾害天气国家重点实验室雷电团队将继续紧密围绕国家战略需求和防灾减灾部署,以创新为驱动,致力于提升雷电野外科学试验基地的技术水平,强化雷电野外观测试验在前瞻性科学研究和防雷新技术研发等方面的引领性科技支撑作用,拓展并深化与同行以及雷电敏感行业的合作,挖掘雷电野外科学试验基地在行业服务方面的潜力,大力推动雷电野外科学试验向前沿对标、向需求聚焦,推进科研成果向科技产品过渡、向业务应用转化,为雷电灾害防治和气象科学发展做出更大贡献。