吳樹森，黃 鑫

（漠河縣氣象局，黑龍江 漠河 165300）

雷電災害被聯(lián)合國有關(guān)部門列為“最嚴重的十種自然災害之一”，被中國國防電工委員會稱為“電子時代的一大公害”，全球每天發(fā)生云地閃800萬次，若按雷電均勻分布估算，世界上4.1×106hm2森林就有50萬次雷擊[1]。雷擊火是天然火源，其發(fā)生的時間和地點受大氣中雷電分布、可燃物狀況和氣象條件所支配，常規(guī)的防火措施是無法減少雷擊森林火災發(fā)生的次數(shù)。雷擊火是森林最主要災害之一，通常發(fā)生在人跡罕至的地區(qū)，一旦釀成火災后很難及時發(fā)現(xiàn)，往往形成大面積的森林火災。我國大興安嶺由于雷擊引起的森林火災占森林火災總數(shù)的24%，1966—1984年大興安嶺林區(qū)黑龍江省部分雷擊引起森林火災170次，而2000年以來雷擊火呈明顯上升趨勢[2]，因此加強對雷電的研究和對雷擊火的預防極為重要。

1 森林雷擊火發(fā)生幾率

雷電是在雷暴天氣條件下發(fā)生于大氣中的一種長距離放電現(xiàn)象，具有大電流、高電壓、強電磁輻射等特征。雷電主要有發(fā)生于云內(nèi)不同電荷區(qū)之間的云閃、發(fā)生于雷暴和地面之間的地閃以及發(fā)生于雷暴之間不同極性電荷區(qū)的云間閃電。云閃一般占總閃電的2/3，而云間閃電發(fā)生的幾率較低，地閃對人類危害最大。森林雷擊火的發(fā)生受多種因素的制約，是多要素集合的結(jié)果。目前GMS衛(wèi)星所提供的實際信息表明，各地森林雷擊火險度主要取決于雷擊火發(fā)生時期內(nèi)的雷暴系統(tǒng)的路徑、強度及影響地區(qū)的空氣溫度和環(huán)境等因素，森林雷擊火險度常用森林雷擊火發(fā)生幾率來確定，按上述集合理論，可用下式求算：

式中：Pji為春季森林雷擊火發(fā)生幾率；Kit為春季森林雷擊火發(fā)生時期的系數(shù)按月給定；Kxm為雷暴系統(tǒng)路徑指數(shù)；Kgm為雷暴系統(tǒng)的強度指數(shù)；Kui為兩雷暴系統(tǒng)影響地區(qū)的近地面空氣系數(shù)，按溫度范圍給定；Khi為雷暴影響區(qū)的局地環(huán)境指數(shù)[1]。

根據(jù)森林雷擊火發(fā)生幾率與實際火險等級天氣的關(guān)系，確定每個火險等級的森林火險發(fā)生幾率的范圍。在特別容易發(fā)生雷擊火的地區(qū)，可以人為消除云地閃電，從根本上消滅雷擊火，目前采用方法主要有以下幾種。

（1）采用飛機撒播硫化銀，破壞雷雨云的起電機制；

（2）消除或減弱云中電荷中心抵制閃電的發(fā)生。如撒播金屬絲等導電性較好的物質(zhì)，減弱或中和云中的電荷中心，使云中電場減小，從而消除閃電；

（3）采用高速運動物體誘發(fā)云內(nèi)閃電，破壞雷雨云的起電機制。如從地面向云中發(fā)射帶有長導線尾巴的小火箭誘發(fā)云內(nèi)閃電，可以消除云地閃電；

（4） 使用次聲（16 Hz）或超聲（2×104Hz）的地、空干擾機影響或抑制閃電過程；

（5）安裝預防性避雷裝置，就是基于對閃電、電荷形成、區(qū)域火險認識到的基礎(chǔ)上，在林區(qū)易遭受雷擊帶設(shè)置各種不同結(jié)構(gòu)的避雷裝置，將雷電引入地下。

2 人工影響閃電的雷電防護方法

2.1 富蘭克林避雷針預防法

在上述5種方法中，前4種雖然可以徹底避免雷擊火，但其成本很高，技術(shù)含量高，危險性大，還必須完全掌握出現(xiàn)雷雨天氣過程。

避雷針是18世紀50年代美國著名物理學家富蘭克林發(fā)明的。其原理是，利用避雷針高出被保護物的高度，使雷云下的電場發(fā)生畸變，從而將雷電電流吸引到避雷針，再通過引下線和接地裝置導入大地，使被保護對象免遭雷電直擊。將傳統(tǒng)的避雷器方法引入森林預防雷電之中，也較為適合森林避雷。在易遭受雷擊點設(shè)置各種不同結(jié)構(gòu)的避雷裝置來預防雷擊森林火災，一般是在林區(qū)的雷擊區(qū)的制高點安裝富蘭克林避雷針進行防護。此方法的特點是，避雷針造價較低，安裝簡單，預防時效長，可以長時間使用，尤其適宜區(qū)域較小的林區(qū)。在安裝前，根據(jù)閃電監(jiān)測系統(tǒng)和雷擊火實際發(fā)生統(tǒng)計，劃出雷電出現(xiàn)的路徑和雷擊火多發(fā)地、多發(fā)帶，確定安裝避雷設(shè)施的區(qū)域范圍。大興安嶺有眾多的山嶺，原始森林樹高20 m以上，林區(qū)內(nèi)有防火專用的瞭望塔。因此，可以利用這些有利條件，在山頭、高大樹木頂端、瞭望塔架設(shè)避雷針，組成一個龐大的避雷網(wǎng)。

2.2 人工引發(fā)雷電技術(shù)

根據(jù)國際國內(nèi)有關(guān)防雷標準，傳統(tǒng)避雷針保護范圍確定的方法是滾球法，它基于雷閃數(shù)學模型即“電氣-幾何”模型。根據(jù)國家標準，林區(qū)傳統(tǒng)避雷針在森林的保護范圍滾雷球半徑可為60 m（森林防雷等級按三級防雷等級計算）或取100 m（森林防雷等級按露天堆場防雷等級計算），其對應的林區(qū)地面最大保護區(qū)半徑分別為60 m或100 m，因此單只避雷針的保護范圍與林區(qū)所需要保護的森林面積相比非常有限，并且我們不可能在林區(qū)每隔100 m左右就安裝一個避雷針。所以，在林區(qū)雷電防護中采用傳統(tǒng)避雷針“電氣-幾何”模型對保護對象為巨大面積的森林的保護范圍是有限的。采用避雷針、避雷線和避雷器等防雷措施，只適用于固定地點和較小范圍的雷電防護，對于森林防雷擊火等大范圍長時間的雷電防護，上述常規(guī)防雷措施就受到一定局限。

20世紀60年代美國學者在室內(nèi)實驗中發(fā)現(xiàn)，快速引入強電場中的細金屬絲會導致?lián)舸┓烹?，并提出了人工引發(fā)雷電的設(shè)想。此后用向雷暴云發(fā)射拖帶細金屬導線的方法成功地實現(xiàn)了人工引發(fā)雷電。法、日、美以及中國的學者先后都進行了人工引雷實驗及綜合測量，取得了令人鼓舞的結(jié)果。

人工引發(fā)雷電有兩種觸發(fā)方式。向雷暴云發(fā)射拖帶接地細金屬絲火箭的人工引雷方式稱為傳統(tǒng)觸發(fā)方式。這種方式引發(fā)的雷電類似于地面高建筑物激發(fā)的上行雷。通常是根據(jù)地面電場及其變化趨勢來確定火箭發(fā)射的時機，火箭發(fā)射前的地面電場值一般在4～10 kv/m之間，火箭觸發(fā)高度（即人工引雷成功、主放電通道形成時火箭上升的高度）一般在200～400 m左右。由于近距離自然閃電發(fā)生后會降低環(huán)境電場，以及從火箭點火到升至觸發(fā)高度需要一定時間（2～3 s），在自然閃電相對稀疏時發(fā)射火箭比閃電頻繁時更易于觸發(fā)成功。當火箭離開地面上升時，在其拖帶的細金屬絲頂端會激發(fā)起上行先導，在適宜的環(huán)境電場下，上行先導將以105 m/s的速度向雷暴云底部自動傳輸。先導電流使金屬絲燒熔汽化，當它到達雷暴云底部的電荷區(qū)時，就在雷暴云和大地之間建立了放電通道，并激發(fā)持續(xù)時間數(shù)十至數(shù)百毫秒的連續(xù)電流，稱為初始連續(xù)電流過程。在雷暴云底部為正電荷集中區(qū)的情況下，人工引發(fā)雷電一般在初始連續(xù)電流過程之后即行終止，放電的峰值電流一般在千安上下；但在雷暴云底部為負電荷的情況下，初始連續(xù)電流過程之后，可能會發(fā)生數(shù)次直竄先導及繼后回擊過程，放電的峰值電流可達數(shù)十千安，放電持續(xù)時間一般在數(shù)百毫秒甚至一秒以上。這些過程和自然閃電的同類過程是完全相似的。

20世紀90年代以來，又進一步發(fā)展完善了所謂“空中觸發(fā)”技術(shù)。即火箭拖帶細金屬絲的下端不直接接地，而是通過一段數(shù)十至數(shù)百米的絕緣尼龍線再和地面連接。這樣當細金屬絲被火箭帶到空中后，在其上端及下端與尼龍線的連接處會在雷暴云電場作用下分別激發(fā)起上行和下行先導，它們在環(huán)境電場作用下分別向雷暴云和地面雙向傳輸。在雷暴云底部為負電荷的情況下一般是先產(chǎn)生上行正先導，隨后（一般在幾毫秒之內(nèi)）產(chǎn)生下行負先導，它和自然雷電的下行先導相似，當其接近地面時，會在地面突出物上激發(fā)起上行迎面先導，進而產(chǎn)生類似自然閃電回擊一樣的強烈放電過程。用空中觸發(fā)方式引發(fā)的雷電其性質(zhì)接近于自然下行雷電，更適宜于研究它和地面目標物相互作用的機理和過程。

實驗表明，人工引發(fā)雷電有可能成為對雷暴天氣過程進行人工影響的有效手段。自然對地閃電發(fā)生后一般伴隨有所謂降雨傾瀉現(xiàn)象，對云閃頻繁而很少發(fā)生自然地閃的冰雹云人工引雷成功后一般可以產(chǎn)生降水突增、而冰雹云發(fā)展得到抑制或減弱的作用。和常規(guī)的播撒催化劑方式比較起來，人工引雷可以認為是“電催化”方式，具有作用時間快、影響范圍大的特點，因為雷電通道在云內(nèi)的傳播速度可達100 km/s以上，通道的樹枝狀分布及其產(chǎn)生的高電場可以吸附大量的云滴及雨滴[2]。

在雷電防護方面，利用人工引雷技術(shù)可將雷電引到安全區(qū)，但首先要解決的問題是進一步提高引雷成功率，國內(nèi)外目前的水平在60%左右，這需要進一步研究確認閃電產(chǎn)生的條件，包括電場、電荷或其他有關(guān)的空間條件，同時要準確探測空中電場強度及其演變特性，由于近地面空間電荷層的屏蔽作用，僅靠地面電場的測量是難以了解空間電場特性的，這樣的引雷必然具有一定的盲目性。

3 人工抑制閃電的雷電防護方法

為了減少閃電引發(fā)森林火災和確?？臻g飛行器發(fā)射時段免遭雷電閃擊，常采取抑制并削弱云中雷電活動的人工影響措施。在20世紀60年代人類為減少和抑制自然雷電閃擊的危害，提出并試驗通過了人工影響天氣的方法來減少閃電的危害，但同時又不能破壞全球的電平衡[3]。

（1）在雷暴云內(nèi)播撒人工冰核，加強云閃冰晶化過程，以削弱起電機制的功率[3]?；谠浦袕娖痣娦c冰晶的結(jié)凇、過冷水滴和冰晶3者共存態(tài)之間的緊密正相關(guān)，當過冷水滴或冰晶的數(shù)濃度減少時，起電功率就明顯降低這一客觀事實。通過向雷暴云中播撒大量冰核，增強云體冰晶化，將增大云內(nèi)傳導電流，減弱云中電荷積聚率和改變云閃電荷分布。檢驗表明，在播撒Agl的雷暴中，比未播撒的雷暴云，地閃減少66%，云內(nèi)減少50%，催化雷暴的最大云地放電率和一定時段放電次數(shù)均偏小。特別是催化雷暴的平均閃電活動期有較明顯縮短，放電平均持續(xù)時間也縮短，顯著水平較高，這無疑對減少森林雷擊火是有益的。

（2）對雷暴云中強電位梯度區(qū)播撒金屬箔針（表面鍍金的玻璃纖維針狀物），以增加雷暴發(fā)電機的損耗（通過電暈放電）[3]。對雷暴播撒金屬箔針的目的，在于使金屬箔針成為電暈放電觸發(fā)體，以降低云內(nèi)電場強度，使之低于發(fā)生閃擊所應達到的電場強度值。電暈放電增大了云體的導電率，降低了雷暴發(fā)電的負荷。試驗表明，播撒金屬箔針后，云內(nèi)閃擊就較快地趨于消失，而未播撒的雷暴云中未出現(xiàn)此類現(xiàn)象。

［1］李良福，胡懷林.森林雷電防護研究［M］.北京：氣象出版社.2004.

［2］郄秀書，馬啟明，張義軍，等.中國氣象發(fā)展戰(zhàn)略.

［3］中國氣象局科技發(fā)展司.人工影響天氣崗位培訓教材［M］.北京：氣象出版社.2003.