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艦船防雷保障方法研究

文檔作者：夏光濱，曹祥村，趙偉東文檔來源： 91550部隊15分隊		點擊數：	更新時間： 2021年11月04日
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第4期
2016年I2月
氣象水文海洋儀器
Meteorological，Hydrological and Marine Instruments
No．4
Dec．2O16
艦船防雷保障方法研究
夏光濱，曹祥村，趙偉東
(91550部隊15分隊，大連116023)
摘 要：艦船上電子設備安裝密集、使用頻繁，雷電的電特性會對艦船電子設備產生極大的破
壞作用，所以雷電監(jiān)測是艦船水文氣象保障中不可或缺的保障內容，防雷預警工作的任何紕漏
都將直接導致保障任務的失敗，造成不可挽回的嚴重損失。文章通過研究雷電產生發(fā)展的物
理規(guī)律，分析目前我國較先進的閃電監(jiān)測設備—— 多普勒天氣雷達和SAFIR3000監(jiān)測系統(tǒng)的
監(jiān)測方法，提出了一種更為準確、可靠的保障方式，并成功地應用于艦船水文氣象保障實踐中。
關鍵詞：雷電監(jiān)測；多普勒天氣雷達；SAFIR3000
中圖分類號：TP959．4 文獻標識碼：A 文章編號：1006—009X(2016)04-0009—03
Research on lightning protection support methods for ships
Xia Guangbin，Cao Xiangcun，Zhao W eidong
(The 15th Branch of No．91550 Unit，Dalian 116023)
Abstract：W ith its electrical characteristics，lightning causes severe damages to electronics that densely
installed and frequently used on ships．Therefore，lightning monitoring is an indispensable part of
maritime meteorological support for ships at sea．Any mistakes and omissions in lightning warning will
directly result in the failure of such support tasks with irrecoverable and heavy losses．This paper
presents a more accurate and reliable support mode after researching lightning physics and analyzing
the monitoring methods of Doppler weather radars and SAFIR3000 monitoring system，both of which
are the most advanced lightning monitoring equipment in China．This mode has seen successful
applications in the maritime meteoro10gical support for ships at sea．
Key words：lightning monitoring；Doppler weather radar；SAFIR3000
0 引言
我國海域雷電發(fā)生頻繁，從北到南跨越3O多
個緯度，大部分海域位于溫帶和亞熱帶，都處于雷
雨區(qū)。雷擊中心1．5～2 km范圍內，都可能產生
雷擊，造成的危險過電壓損害電子設備。近年來，
隨著艦船上數據設備和精密儀器應用的日益廣
泛，雷電造成的事故有逐年上升的趨勢。尤其是
電子設備大量的采用超大規(guī)模集成電路為核心組
件的測量、保護、監(jiān)控、通訊和計算機 廣泛應用
于航海，大型CMOS集成模塊等集成原件存在的
對暫態(tài)過電壓承受能力弱的特點更加突出。
空中閃電分為云間閃和云地閃。由于云地閃是
地面設施和人員安全的主要威脅，我國大多數航海
保障部門的防雷保障集中在云地閃的探測和防護；
而云間閃才是雷暴生成、發(fā)展和消滅的主要表現形
式，其探測和預報難度較大。在對雷暴的識別和跟
蹤過程中，最為重要的是對雷暴處于什么發(fā)展階段
的判斷，需要積累大量保障經驗。事后應及時進行
資料整理，對保障過程展開總結和討論，逐漸建立和
收稿日期：2016-06-02．
作者簡介：夏光濱(1980一)，男，大學，工程師．主要從事氣象水文裝備保障工作
氣象水文海洋儀器
完善航海保障任務的防雷保障模式。
1 防雷保障途徑
1．1 多普勒天氣雷達監(jiān)測
多普勒天氣雷達監(jiān)測雷電活動，是通過分析
對流云回波發(fā)展變化來進行的判斷。多單體雷電
由一個不斷變化的單體系列組成 【，其預報需要
依靠雷達回波結合地面降水、氣壓等要素場的分
析研究來進行 。
1．2 閃電定位監(jiān)測
SAFIR3000閃電定位系統(tǒng)南探測站網組成，
應用三角相位法對接收到的高頻信號進行干涉運
算，精確定位閃電發(fā)生區(qū)域，并通過低頻信號判斷
云間閃(IC)和云地閃(CG)。
2 保障方式的嘗試
2．1 航行海域的實時雷電保障
艦船航行海域上空及航道路徑上的雷電極其
危險，雷暴發(fā)展階段的IC(云間閃)就可能造成嚴
重的后果，其保障重點是盡可能早的對云間閃定位
和預警。根據雷電發(fā)展規(guī)律，采用如下保障方式：
(1)將SAFIR3O0O閃電監(jiān)測保障的重點范
圍盡量擴大，使用DIsCHARGE 功能，將
wARR1NG AREA設置為以保障艦船為圓心，半
徑150 km 的圓形保障區(qū)域。并打開ACTIVE和
BEEP功能，對其進行實時監(jiān)控。
(2) 當WARRING AREA 區(qū)域變紅、
MESSAGE報警框顯示m云間閃信息并嗚響報
警音時．如圖1所示．應立即發(fā)布雷電預警信息，
避免 現雷擊事故。
-’。l ●_ ● 一■ ●- — ● ■ —- - ●- - ’、- f
圖1 雷暴預警演示
(3)在發(fā)布雷電預警信息半小時后，如術繼
續(xù)監(jiān)測到保障范圍內的云間閃信息，對比多普勒
天氣雷達匝J波，找到產生雷暴團的對流云位置，實
時監(jiān)控其M波強度，如圖2所示。
圖2 雷達二次產品圖
(4)使用M()NI'I、()R功能，監(jiān)測保障區(qū)域內
雷電密度。根據雷暴團發(fā)展的客觀規(guī)律，計算全
面閃電活動強度，判斷所監(jiān)測雷暴團的發(fā)展階段，
適時撤銷雷電預警信息。
2．2 多艘艦船的防雷預警
大型雷暴團活動產生的云地閃對單獨航行艦
船的安全造成極大威脅。多艘單獨航行艦船保障
的覆蓋面廣，通訊和導航設備對空中閃電非常敏
感，防雷預警丁=作的任何紕漏都會造成不叮挽回
的后果。鑒于航行海域分部較廣。每艘艦船航行
路徑不一致，統(tǒng)一發(fā)布防雷預警信息不現實。主
要解決的保障難題是如何準確地為各艘艦船分別
提供防雷預警。大多數艦船所在位置超過多普勒
雷達有效監(jiān)測范圍，只能依靠SAFIR3000雷電監(jiān)
測系統(tǒng)進行保障。
(1)將SAFIR30O0雷電監(jiān)測系統(tǒng)的保障重點范
圍縮小至各艘艦船所在位置，使用CEI I 功能，將
WARRING AREA分別設置為以某一艦船為網心，
半徑20 km的圓形保障區(qū)域，并打開ACTIvE和
BEEP功能，對其進行實時監(jiān)控，如罔3所示。
圖3 雷暴預警演示
第4期 夏光濱，等：艦船防雷保障方法研究
(2)當其中若干站點的wARRING AREA
區(qū)域變紅、MESSAGE報警框顯示出雷電信息并
鳴響報警音時，應立即向該艦船發(fā)布雷電預警信
息。由于云地閃一般較云間閃出現晚10 min以
上L4J，而且云間閃與云地閃出現的時間差越短，全
面閃電活動強度越弱，對艦船造成巨大威脅的強
雷暴天氣現象從首次監(jiān)測到云間閃到出現云地閃
的時間一般在1 h以上_5]，故預警時間的提前量
足夠艦船采取防雷保護措施。
(3)當云間閃發(fā)生在各站點預警范圍外時，以
監(jiān)測CELLS方式做出未來雷暴團移動預測情況。
(4)使用DISTANCE功能計算雷暴團到艦
船預警范圍的距離。根據系統(tǒng)預測的閃電移動方
向、速度，判斷雷暴團行進到各單獨預警范圍的時
間，并提前2 h發(fā)布雷電預警信息。
(5)雷暴團遠離各單獨預警范圍后，可適時
撤銷雷電預警信息。
3 結論
3．1 雷電發(fā)展內在規(guī)律
首先，大氣對流活動使云層帶電。電荷數量在
云內逐漸增加，對流區(qū)域產生早期的云間閃電。隨
對流云的發(fā)展，云間閃的發(fā)生概率同時增加。在對
流強度最大的云層，云間閃的數量占全面閃電活動
的比率達到90～99 [ 。此時，SAFIR系統(tǒng)已經
可以進行跟蹤監(jiān)測云間閃的強度和密度。
當云間閃強度和密度達到最大值時，對流云
與整個雷暴團升至最大高度，開始出現云地閃，對
航海艦船的安全也開始造成威脅。此時，距第一
次產生云間閃一般有幾十分鐘。
云地閃數量、強度逐漸增大，云地閃對地面放
電，云層帶電量減少，云間閃的數量急劇下降，此時
的雷暴團對艦船航行危害性最強。最后，云間閃數
量減少直至最終消失，云層帶電量減弱，雷電消亡。
3．2 多途徑的綜合保障
對于中緯度陸地上的云，大氣中0~C層高度之
上大的冰粒子最早產生雷達回波 ]，而后降水發(fā)展，
回波加厚，出現一個標志著降水的回波中心(核)，經
常伴隨著雷電，從最初有雷達回波到地面產生降水
大約需要10~15 min。多普勒雷達能夠及時地捕捉
到活動范圍、對流強度、移動方向和速度以及發(fā)展趨
勢，但無法對閃電進行定位。閃電定位系統(tǒng)只局限
于對閃電活動的監(jiān)測和定位，不能給出降水范圍及
強度。閃電定位系統(tǒng)突出特性在于對雷電的準確定
位，而多普勒雷達則體現在對降水的監(jiān)測和預報，兩
者綜合使用的互補性極強。
根據資料統(tǒng)計，強對流天氣的強弱與閃電活
動速度，云間閃、云地閃的比例和云間閃、云地閃
的典型時間差之間存在一定對應關系，見表1。
閃電出現頻率越高閃電活動強度越強；云間閃的
數量與云地閃的數量比數越大，則閃電活動強度
越強；云間閃與云地閃產生的時間差距越長，則閃
電活動的強度越強。
表1 全面閃電活動強度計算表
對近十年 R雷電資料進行分析整理發(fā)現，
在中小尺度局地對流過程中，對流云生消變化速度
快、時間短、其產生的影響卻往往是巨大的。對于使
用天氣雷達的常規(guī)預報手段，在雷達收到短時局地
對流中降雨云的反射因子之前，往往已經是電閃雷
鳴。這時，云間閃實時定位資料就成為最重要的預
報因子。雷暴云團的產生到消亡全部在監(jiān)測范圍內
完成，SAFIR可跟蹤定位對流早期過程中產生的云
間閃電，這就使最早發(fā)現對流現象的時間更加提前，
使艦船實時防雷保障成為可能。
參考文獻：
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