雷电是自然界非常壮观的大气放电现象，其物理效应和电磁效应具有很大的破坏性，被称为世界自然灾害之一。雷电会导致人员伤亡，击毁建筑物、供配电系统、通信设备等，引起仓储、炼油厂、油田等燃烧甚至爆炸，威胁航空航天运载工具等。在森林防火研究领域，雷电是引发森林火灾的最主要天然火源。

根据雷电是否击中地面，闪电类型主要分为云地闪（地闪）和云闪。对于云闪，将相邻两次放射的空间距离在10千米以内、时间差在0.5秒以内，且正、负极性相同的所有辐射点归属为同一次云闪。对于云地闪，将空间距离在5千米以内、时间差在1秒以内，且正、负极性相同的所有回击归属于同一次云地闪。精准探测闪电发生的时间、位置和各放电参数等是雷电灾害防控的重要基础。

根据雷电探测传感器所处位置的不同，闪电探测定位分为地基闪电探测定位技术和星基闪电探测定位技术和两大类。

地基闪电探测定位技术

闪电放电辐射出频率很宽的电磁脉冲，频率范围从甚低频（VLF）到超高频（VHF），其中以甚低频、低频（VLF、LF）辐射为最强。低频闪电电磁脉冲辐射主要由地闪产生，云闪产生的电磁脉冲辐射主要分布在超高频（VHF）频段。

闪电回击（Stroke）产生的电磁波以地波和天波的形式发散，可在距离闪电发生处上千公里外的地点观测得到，地基闪电定位系统会通过几个测站同时测量闪电回击辐射的电磁场来确定闪电源的位置。

多站闪电定位方法主要有磁定向法（MDF）、时差法（TOA）和时差测向混合法（IMPACT）。

磁定向法（MDF）通过放置在南北方向和东西方向的正交环形磁场天线，接收闪电发生产生的电磁波信号，从而判断出闪电发生的方位，它能识别典型的对地闪电的低频（LF）频段辐射电磁场波形，测定放电波形的峰值和方位。

时差法（TOA）与磁定向法一样，该方法也是接收闪电电磁脉冲的低频信号，根据记录到的未知辐射源产生的辐射信号到达两个或更多已知位置接收机的时间差，通过两条双曲线交叉计算出辐射源的位置。

时差测向混合法（IMPACT）该方法将磁定向法（MDF）、时差法（TOA）技术相结合，其对云地闪回击的定位精度可达数百米以内，探测效率达90%以上。目前这种地闪定位系统已在很多国家得到了广泛的应用。

由于甚低频、低频（VLF、LF）电磁波不受高山、建筑物的影响，在探测范围内无衰减和畸变，弥补了雷达低仰角探测常受到地物遮挡的缺点，因此地闪定位系统主要工作在甚低频、低频（VLF、LF）频段，基线长度比较长，达到几十千米到几百千米，运行在极低频（3-30kHz）和低频（30-300kHz）频段，主要用来确定具有较长通道、大电流过程相关的闪电事件位置和放电参数，非常适合引发雷击火的雷电的监测和定位。

地基甚低频、低频（VLF、LF）闪电定位仪经历了二维和三维两个阶段，二维闪电定位仪探测云地闪和二维定位（经度和纬度）；三维闪电定位仪不仅可探测云地闪，而且可探测云闪和探测闪电的二维信息，而且可探测闪电发生的时间、位置、高度、强度及极性等主要参数的三维定位（经度、纬度和高度），显著提高了闪电的定位精度与探测效率。

图1 黑龙江大兴安岭呼中林业局2021安装的地基VLF/LF全波三维闪电定位仪

国家林草局雷击火项目研发的大兴安岭雷击火感知系统中安装的17台闪电定位仪是中国科学院电工研究所最新研制的全波三维闪电定位仪（图1），其应用时差测向混合法（IMPACT），基于甚低频、低频（VLF、LF）信号全波形采集、电磁脉冲信号人工智能识别、波形数据匹配等国际领先技术，对闪电进行识别和定位，实时记录闪电波形，区分先导、首次回击、放电过程变化、后续直窜先导和回击等，识别闪电精细结构及放电类型特性，可实时探测定位半径150公里范围内的闪电信息，定位精度可达300米以内，可为雷击火防控工作提供非常有力的支撑。

星基闪电探测技术

星基闪电探测可以直观的、自上而下的、动态的获得闪电信息，其探测范围大、观测高度高，且不受地面条件制约。卫星闪电成像仪观测雷暴云中闪电发出的强烈光脉冲，利用闪电信号与背景信号在时间、空间和光谱特性方面的差异，通过电荷耦合器件（CCD）面阵探测器，综合利用光谱滤波、空间滤波、时间滤波和背景减光等技术获取闪电信号，其基本探测单元是闪电事件。

根据卫星所处的轨道高度不同，卫星闪电探测分为低轨道卫星（极轨卫星）平台闪电探测和高轨道卫星（静止卫星）平台闪电探测两种。

低轨道卫星闪电成像仪，受卫星平台制约，只有在其经过的位置恰好有闪电发生，才有可能探测到。静止卫星闪电成像仪可连续、实时监测闪电活动，实现对强对流天气系统的追踪和预警，被认为是卫星闪电探测的最有效手段。美国、中国和欧盟一直致力于对静止卫星闪电成像仪的研究，中国风云四号（FY-4）LMI（图2）和美国的GOES-R GLM已于2016年底成功发射，为星基闪电控测技术发展提供了很好的支撑条件。

图2 风云四号设备图

虽然星基闪电探测不受下垫面条件限制，可观测覆盖区域内的总闪电（包括海洋等），但由于其探测仪器位于云层的上方，无法区分云闪与云地闪，因此目前不太适合对于引发雷击火的雷电的监测。

星基与地基闪电探测定位

数据资料的差异

星基与地基闪电探测方法和技术各有优缺点，二者获取的闪电资料和应用主要存在以下差异：

（１）星基闪电成像仪记录的是闪电事件，而地基闪电监测网定位的是闪电回击，二者观测到的是闪电的不同表现形式；

（２）星基闪电成像仪在云顶观测闪电，无法区分云闪与云地闪，且对云闪更加敏感，而地基闪电监测网以探测地闪为主，当前最新的全波三维闪电定位仪即可探云地闪，也可探测云闪。

（３）对同一个闪电目标，由于星基与地基观测的时间和定位上的系统误差，导致二者的观测结果不完全一致。

（4）地基闪电探测技术更适合对于引起森林雷击火的雷电的监测，特别是地基甚低频、低频（VLF、LF）三维闪电定位技术。

作者丨赵风君 王明玉（中国林科院森林生态环境与保护研究所）

苑尚博 （中国科学院电工研究所）

执行主编｜刘斯文