利用闪电信号进行雹云的识别和定位

　　0　引言

　　冰雹是我国最严重的自然灾害之一,而目前使用的气象雷达探测冰雹指导高炮人工消雹的方法,由于气象雷达尚未实现全面覆盖而受到限制。对于气象雷达监测不到的地区,只能凭经验识别雹云,极易造成误判、漏判。因此,有必要开发一种低成本、低功耗、可靠性高的冰雹云识别和定位设备用于指导人工消雹作业。雹云的产生和发展过程中伴随着显著的能量变化,突出表现为大量闪电的发生,除产生电磁脉冲外,闪电通道的初始温度和气压均很高,它巨大的瞬时功率可产生爆炸式的冲击波,通道内的峰值压强可增大到106Pa以上,最大径向传播速度可达1.6~3.0 km/s,当冲击波的波前发生膨胀时,向外传播的速度迅速减慢,冲击波波前的声音信号就是人们听到的雷声。

　　有研究认为,闪电比雷达资料在降雹、雷雨过程中至少有0.5~1 h的提前量[1,2]。如能将闪电或其同步引发的信号(主要是雷声)用于雹云的探测,无疑会大大增加雹云预报的提前量,为人工消雹作业提供更充足的准备时间。

　　声测定位技术[3,4]通过声学传感装置接收声波,将声信号转化成电信号后进行处理,即可实现对声源探测识别和定位。冰雹云的闪电频数和雷声的频谱均具有明显区别于非雹云的特征。闪电和雷声信号易于采集处理,利用雹云闪电和雷声的特点实现雹云的空间定位原理上是可行的。虽然声定位技术的测距精度不高,但距离可以通过声、电延迟测量来获得。雷声的可闻区一般在20~30 km,而已有的闪电定位资料表明闪电在上百公里的范围内仍然可以接收到。一般人工消雹的作业半径在20 km以内,这样短的距离,可以通过接收闪电的声、电信号进行雹云的识别和定位。

　　本文提出的以声、电信号作为基本输入信息,实现雹云识别和定位的方法,有利于更早的识别雹云,为人工消雹提供作业指导。

　　1　雹云声、电特征分析

　　闪电通道形成以后,雷电流骤然上升,陡度极大,使得回击产生的效果就像一个巨大的行波天线,产生频谱从100 Hz~100 MHz脉冲暂态电磁波[5,6]。有分析表明对于CCITT(InternationalConsultative Committee on Telecommunicationsand Telegraphy)推荐的双指数形式的雷电流解析式来说大部分分布在小于106Hz的范围内,而对于IEC ( International Electro technicalCommission国际电工委员会)推荐的霍德勒形式的雷电流解析式的频率基本上小于104Hz[7]。可见闪电脉冲能量主要在104Hz以下的频段的低频部分。同时,李照荣等的研究表明雹云中5 min闪电频次远大于同地非降雹云中5 min闪电频次[8]。由于雹云不同于其它强对流天气的云层,除含有液态水滴和冰晶外,还有不断生成的雹胚。因此,雹云中闪电产生的雷声信号相对于非雹云天气的雷声信号来说,能量相对集中在频率较低的范围内且持续时间较长(数分钟到十几分钟)。研究表明,对于雹云,雷声频谱分布在20~400 Hz的范围内,主频分布在50~200 Hz内。雹云雷声频谱曲线大多呈双峰或多峰形式,主峰频率一般分布在80~95 Hz附近,次主峰一般在120~130 Hz附近。可取峰值在80~100 Hz频段内的声信号作为雹云识别信息之一[9]。