森林雷击区人工影响雷电方法综述

吴树森，黄 鑫

（漠河县气象局，黑龙江 漠河 165300）

雷电灾害被联合国有关部门列为“最严重的十种自然灾害之一”，被中国国防电工委员会称为“电子时代的一大公害”，全球每天发生云地闪800万次，若按雷电均匀分布估算，世界上4.1×106hm2森林就有50万次雷击[1]。雷击火是天然火源，其发生的时间和地点受大气中雷电分布、可燃物状况和气象条件所支配，常规的防火措施是无法减少雷击森林火灾发生的次数。雷击火是森林最主要灾害之一，通常发生在人迹罕至的地区，一旦酿成火灾后很难及时发现，往往形成大面积的森林火灾。我国大兴安岭由于雷击引起的森林火灾占森林火灾总数的24%，1966—1984年大兴安岭林区黑龙江省部分雷击引起森林火灾170次，而2000年以来雷击火呈明显上升趋势[2]，因此加强对雷电的研究和对雷击火的预防极为重要。

1 森林雷击火发生几率

雷电是在雷暴天气条件下发生于大气中的一种长距离放电现象，具有大电流、高电压、强电磁辐射等特征。雷电主要有发生于云内不同电荷区之间的云闪、发生于雷暴和地面之间的地闪以及发生于雷暴之间不同极性电荷区的云间闪电。云闪一般占总闪电的2/3，而云间闪电发生的几率较低，地闪对人类危害最大。森林雷击火的发生受多种因素的制约，是多要素集合的结果。目前GMS卫星所提供的实际信息表明，各地森林雷击火险度主要取决于雷击火发生时期内的雷暴系统的路径、强度及影响地区的空气温度和环境等因素，森林雷击火险度常用森林雷击火发生几率来确定，按上述集合理论，可用下式求算：

式中：Pji为春季森林雷击火发生几率；Kit为春季森林雷击火发生时期的系数按月给定；Kxm为雷暴系统路径指数；Kgm为雷暴系统的强度指数；Kui为两雷暴系统影响地区的近地面空气系数，按温度范围给定；Khi为雷暴影响区的局地环境指数[1]。

根据森林雷击火发生几率与实际火险等级天气的关系，确定每个火险等级的森林火险发生几率的范围。在特别容易发生雷击火的地区，可以人为消除云地闪电，从根本上消灭雷击火，目前采用方法主要有以下几种。

（1）采用飞机撒播硫化银，破坏雷雨云的起电机制；

（2）消除或减弱云中电荷中心抵制闪电的发生。如撒播金属丝等导电性较好的物质，减弱或中和云中的电荷中心，使云中电场减小，从而消除闪电；

（3）采用高速运动物体诱发云内闪电，破坏雷雨云的起电机制。如从地面向云中发射带有长导线尾巴的小火箭诱发云内闪电，可以消除云地闪电；

（4） 使用次声（16 Hz）或超声（2×104Hz）的地、空干扰机影响或抑制闪电过程；

（5）安装预防性避雷装置，就是基于对闪电、电荷形成、区域火险认识到的基础上，在林区易遭受雷击带设置各种不同结构的避雷装置，将雷电引入地下。

2 人工影响闪电的雷电防护方法

2.1 富兰克林避雷针预防法

在上述5种方法中，前4种虽然可以彻底避免雷击火，但其成本很高，技术含量高，危险性大，还必须完全掌握出现雷雨天气过程。

避雷针是18世纪50年代美国著名物理学家富兰克林发明的。其原理是，利用避雷针高出被保护物的高度，使雷云下的电场发生畸变，从而将雷电电流吸引到避雷针，再通过引下线和接地装置导入大地，使被保护对象免遭雷电直击。将传统的避雷器方法引入森林预防雷电之中，也较为适合森林避雷。在易遭受雷击点设置各种不同结构的避雷装置来预防雷击森林火灾，一般是在林区的雷击区的制高点安装富兰克林避雷针进行防护。此方法的特点是，避雷针造价较低，安装简单，预防时效长，可以长时间使用，尤其适宜区域较小的林区。在安装前，根据闪电监测系统和雷击火实际发生统计，划出雷电出现的路径和雷击火多发地、多发带，确定安装避雷设施的区域范围。大兴安岭有众多的山岭，原始森林树高20 m以上，林区内有防火专用的瞭望塔。因此，可以利用这些有利条件，在山头、高大树木顶端、瞭望塔架设避雷针，组成一个庞大的避雷网。

2.2 人工引发雷电技术

根据国际国内有关防雷标准，传统避雷针保护范围确定的方法是滚球法，它基于雷闪数学模型即“电气-几何”模型。根据国家标准，林区传统避雷针在森林的保护范围滚雷球半径可为60 m（森林防雷等级按三级防雷等级计算）或取100 m（森林防雷等级按露天堆场防雷等级计算），其对应的林区地面最大保护区半径分别为60 m或100 m，因此单只避雷针的保护范围与林区所需要保护的森林面积相比非常有限，并且我们不可能在林区每隔100 m左右就安装一个避雷针。所以，在林区雷电防护中采用传统避雷针“电气-几何”模型对保护对象为巨大面积的森林的保护范围是有限的。采用避雷针、避雷线和避雷器等防雷措施，只适用于固定地点和较小范围的雷电防护，对于森林防雷击火等大范围长时间的雷电防护，上述常规防雷措施就受到一定局限。

20世纪60年代美国学者在室内实验中发现，快速引入强电场中的细金属丝会导致击穿放电，并提出了人工引发雷电的设想。此后用向雷暴云发射拖带细金属导线的方法成功地实现了人工引发雷电。法、日、美以及中国的学者先后都进行了人工引雷实验及综合测量，取得了令人鼓舞的结果。

人工引发雷电有两种触发方式。向雷暴云发射拖带接地细金属丝火箭的人工引雷方式称为传统触发方式。这种方式引发的雷电类似于地面高建筑物激发的上行雷。通常是根据地面电场及其变化趋势来确定火箭发射的时机，火箭发射前的地面电场值一般在4～10 kv/m之间，火箭触发高度（即人工引雷成功、主放电通道形成时火箭上升的高度）一般在200～400 m左右。由于近距离自然闪电发生后会降低环境电场，以及从火箭点火到升至触发高度需要一定时间（2～3 s），在自然闪电相对稀疏时发射火箭比闪电频繁时更易于触发成功。当火箭离开地面上升时，在其拖带的细金属丝顶端会激发起上行先导，在适宜的环境电场下，上行先导将以105 m/s的速度向雷暴云底部自动传输。先导电流使金属丝烧熔汽化，当它到达雷暴云底部的电荷区时，就在雷暴云和大地之间建立了放电通道，并激发持续时间数十至数百毫秒的连续电流，称为初始连续电流过程。在雷暴云底部为正电荷集中区的情况下，人工引发雷电一般在初始连续电流过程之后即行终止，放电的峰值电流一般在千安上下；但在雷暴云底部为负电荷的情况下，初始连续电流过程之后，可能会发生数次直窜先导及继后回击过程，放电的峰值电流可达数十千安，放电持续时间一般在数百毫秒甚至一秒以上。这些过程和自然闪电的同类过程是完全相似的。

20世纪90年代以来，又进一步发展完善了所谓“空中触发”技术。即火箭拖带细金属丝的下端不直接接地，而是通过一段数十至数百米的绝缘尼龙线再和地面连接。这样当细金属丝被火箭带到空中后，在其上端及下端与尼龙线的连接处会在雷暴云电场作用下分别激发起上行和下行先导，它们在环境电场作用下分别向雷暴云和地面双向传输。在雷暴云底部为负电荷的情况下一般是先产生上行正先导，随后（一般在几毫秒之内）产生下行负先导，它和自然雷电的下行先导相似，当其接近地面时，会在地面突出物上激发起上行迎面先导，进而产生类似自然闪电回击一样的强烈放电过程。用空中触发方式引发的雷电其性质接近于自然下行雷电，更适宜于研究它和地面目标物相互作用的机理和过程。

实验表明，人工引发雷电有可能成为对雷暴天气过程进行人工影响的有效手段。自然对地闪电发生后一般伴随有所谓降雨倾泻现象，对云闪频繁而很少发生自然地闪的冰雹云人工引雷成功后一般可以产生降水突增、而冰雹云发展得到抑制或减弱的作用。和常规的播撒催化剂方式比较起来，人工引雷可以认为是“电催化”方式，具有作用时间快、影响范围大的特点，因为雷电通道在云内的传播速度可达100 km/s以上，通道的树枝状分布及其产生的高电场可以吸附大量的云滴及雨滴[2]。

在雷电防护方面，利用人工引雷技术可将雷电引到安全区，但首先要解决的问题是进一步提高引雷成功率，国内外目前的水平在60%左右，这需要进一步研究确认闪电产生的条件，包括电场、电荷或其他有关的空间条件，同时要准确探测空中电场强度及其演变特性，由于近地面空间电荷层的屏蔽作用，仅靠地面电场的测量是难以了解空间电场特性的，这样的引雷必然具有一定的盲目性。

3 人工抑制闪电的雷电防护方法

为了减少闪电引发森林火灾和确保空间飞行器发射时段免遭雷电闪击，常采取抑制并削弱云中雷电活动的人工影响措施。在20世纪60年代人类为减少和抑制自然雷电闪击的危害，提出并试验通过了人工影响天气的方法来减少闪电的危害，但同时又不能破坏全球的电平衡[3]。

（1）在雷暴云内播撒人工冰核，加强云闪冰晶化过程，以削弱起电机制的功率[3]。基于云中强起电效应与冰晶的结凇、过冷水滴和冰晶3者共存态之间的紧密正相关，当过冷水滴或冰晶的数浓度减少时，起电功率就明显降低这一客观事实。通过向雷暴云中播撒大量冰核，增强云体冰晶化，将增大云内传导电流，减弱云中电荷积聚率和改变云闪电荷分布。检验表明，在播撒Agl的雷暴中，比未播撒的雷暴云，地闪减少66%，云内减少50%，催化雷暴的最大云地放电率和一定时段放电次数均偏小。特别是催化雷暴的平均闪电活动期有较明显缩短，放电平均持续时间也缩短，显著水平较高，这无疑对减少森林雷击火是有益的。

（2）对雷暴云中强电位梯度区播撒金属箔针（表面镀金的玻璃纤维针状物），以增加雷暴发电机的损耗（通过电晕放电）[3]。对雷暴播撒金属箔针的目的，在于使金属箔针成为电晕放电触发体，以降低云内电场强度，使之低于发生闪击所应达到的电场强度值。电晕放电增大了云体的导电率，降低了雷暴发电的负荷。试验表明，播撒金属箔针后，云内闪击就较快地趋于消失，而未播撒的雷暴云中未出现此类现象。

［1］李良福，胡怀林.森林雷电防护研究［M］.北京：气象出版社.2004.

［2］郄秀书，马启明，张义军，等.中国气象发展战略.

［3］中国气象局科技发展司.人工影响天气岗位培训教材［M］.北京：气象出版社.2003.