雷电监测与预警技术

　　随着试验手段的改进与探测技术的进步，人类对雷电的探索和认识逐渐提高。通过对雷电的监测，可以发现雷电的特征及其发生规律，为雷电防护和预警预报提供更科学、更可靠的理论依据和数据支撑。本书重点介绍雷暴与闪电、雷电探测技术、雷电监测资料的应用方法及其存在的问题。本书共9章，第1章概述人类认识与探索雷电的历史过程和成果；第2章介绍雷暴与闪电，详细分析了雷暴的生消发展及闪电发生的物理机制；第3章阐述闪电的物理特征，闪电的物理特征既是雷电致灾的直接原因，也是雷电探测的信息来源；第4章基于雷电电磁特征，重点介绍不同种类的雷电探测方法、技术与系统；第5章主要介绍大气电场仪及大气电场数据的应用方法；第6章介绍多普勒天气雷达探测雷暴，通过雷达回波分析雷暴参数的闪电特征；第7章简单介绍闪电的其他探测方式；第8章阐述多种气象探测资料在雷电预警预报中的综合应用方法；第9章重点介绍两个雷电预警预报软件系统及其应用方法。本书力求全面、系统地总结和分析当前用于雷电监测的技术、手段和方法，以期提高读者对雷电监测的综合认识。本书既可作为高等院校防雷相关专业的教材，也可作为气象预报员、气象灾害防护技术人员、雷电防护工程师、雷电监测系统设计人员、气象软件开发人员等的专业培训教材或技术参考书。

　　郭在华，成都信息工程大学教授，生于1975年，中共党员，博士。2005年筹建雷电防护科学与技术本科专业，长期从事本科生、研究生的教学与人才培养工作，曾任教研室主任，现任成都信息工程大学雷电监测与防护技术研究所所长，兼任四川气象学会雷电分会副主任委员、四川省电子学会雷电与电磁脉冲专业委员会副主任委员、中国气象学会防雷电分会会员。研究方向为雷电科学与防护技术、大气探测信息处理等，特别在防雷装置智能化监测、接地电阻在线监测领域有多项成果与发明专利。

第1章 概述 1
1.1 古人对雷电的认识与探索 1
1.2 近代雷电研究与探索 4
1.3 近代雷电探测 6
第2章 雷暴与闪电 10
2.1 中尺度对流系统 10
2.1.1 孤立对流系统 11
2.1.2 带状对流系统 15
2.1.3 中尺度对流复合体 16
2.2 雷暴和雷暴云 16
2.2.1 雷暴的分类 17
2.2.2 雷暴云的移动 18
2.3 闪电及其分类 18
2.3.1 根据闪电部位分类 18
2.3.2 根据闪电形状分类 20
2.4 地闪 22
2.4.1 地闪概述 22
2.4.2 地闪的大气电场变化 24
2.4.3 地闪的电学参量 25
2.5 云闪 27
2.5.1 云闪的结构 27
2.5.2 云闪的电场 27
第3章 闪电的物理特征 29
3.1 闪电的光学特征 29
3.2 雷电的声学特征 30
3.2.1 雷的产生 30
3.2.2 雷的特点 30
3.3 闪电的电场特征 31
3.3.1 电荷结构 31
3.3.2 电场结构 32
3.3.3 闪电时地面大气电场 32
3.3.4 闪电通道的电场 33
3.4 闪电的磁场特征 35
3.4.1 闪电的磁场变化 35
3.4.2 闪电通道的静磁场 36
3.4.3 闪电磁场的时间变化 37
3.4.4 闪电通道的电磁辐射 39
3.5 地闪的电流特征与电路模型 41
3.5.1 雷电流波形 41
3.5.2 传输线（TL）模型 43
3.5.3 传输电流源（TCS）模型 44
3.6 雷电通道底部的电流模型 45
3.6.1 双指数函数模型 45
3.6.2 霍得勒（Heidler）函数模型 46
3.6.3 脉冲函数模型 46
第4章 雷电探测技术 48
4.1 闪电定位系统 48
4.2 地闪回击识别技术 49
4.1.1 地闪回击波形 49
4.1.2 地闪回击波形识别 51
4.3 闪电定位技术 52
4.4 VLF-LF闪电定位系统 63
4.4.1 美国国家闪电监测网（NLDN） 64
4.4.2 NLDN局地雷暴探测实例 67
4.4.3 我国的雷电定位系统 68
4.4.4 VLF-LF闪电定位系统布站方案分析 72
4.5 VHF甚高频定位技术 78
4.5.1 VHF/ITF（干涉定位技术） 80
4.5.2 VHF/TOA 83
4.5.3 VHF定位技术误差分析 84
4.6 VHF闪电定位系统 87
4.6.1 SAFIR雷电监测系统 87
4.6.2 相位干涉仪测向原理及误差分析 89
4.6.3 二元干涉仪测向原理及去模糊处理 90
4.6.4 五元圆形天线阵干涉仪模型 91
4.7 第二代Vaisala闪电探测系统 96
第5章 大气电场的测量 97
5.1 静电电场测量 97
5.1.1 大气电场仪的传感器原理 99
5.1.2 大气电场仪的电路原理 99
5.2 场磨式大气电场仪 100
5.3 大气电场探空仪 103
5.4 闪电过程中大气电场在时域的变化特征 105
5.4.1 平稳型 105
5.4.2 上升型 105
5.4.3 下降型 106
5.4.4 先上升后下降型 106
5.4.5 先下降后上升型 107
5.5 时序差分法处理电场数据 108
5.6 闪电过程中大气电场在频域的变化特征 109
5.6.1 平均幅度谱分析 109
5.6.2 能量谱密度分析 110
第6章 多普勒天气雷达探测雷暴 111
6.1 多普勒天气雷达介绍 111
6.2 雷暴的雷达回波特征 114
6.3 雷暴生命史的回波演变 116
6.3.1 多单体雷暴的雷达回波特征 117
6.3.2 超级单体雷暴的雷达回波特征 117
6.4 多普勒天气雷达资料的闪电特征 119
6.4.1 回波强度特征 119
6.4.2 回波高度特征 119
6.4.3 组合反射率因子（CR）特征 120
6.4.4 垂直液态水含量（VIL）特征 120
6.4.5 CAPPI特征 121
6.4.6 风暴体跟踪——STI算法 122
第7章 闪电的其它探测方式 125
7.1 卫星闪电探测系统 125
7.1.1 美国卫星闪电探测系统 125
7.1.2 星载VHF定位技术 127
7.1.3 OSO光度计 128
7.1.4 硅光电管阵列探测器 128
7.1.5 全天候光学闪电监测器 128
7.1.6 闪电图像仪 129
7.2 雷电电流的监测 129
7.2.1 雷电电流峰值的测量 129
7.2.2 雷电电流的测量 130
7.2.3 雷电计数器 131
第8章 雷电监测资料的综合应用 132
8.1 雷电监测资料的分析应用 132
8.2 雷电监测资料在临近预警中的应用 133
8.3 气象雷达资料格点化 135
8.3.1 天气雷达的体扫模式 135
8.3.2 雷达资料的三维格点化 137
8.3.3 插值方法的选取 139
8.4 三维空间雷暴体的识别 140
8.4.1 搜索雷暴串 140
8.4.2 合成雷暴分量 140
8.4.3 组成雷暴体 141
8.5 雷暴体的跟踪 142
8.5.1 雷暴体的跟踪 142
8.5.2 雷暴的预测 143
8.6 计算雷暴预警等级 143
8.7 预警产品的发布 144
8.8 基于大气电场仪的雷电临近预警 145
8.8.1 基于大气电场和闪电定位资料的雷电预警 146
8.8.2 基于聚类算法的雷电临近预警应用 151
第9章 雷电预警预报系统 159
9.1 雷电预警预报系统开发过程 159
9.1.1 需求分析阶段 159
9.1.2 系统设计阶段 160
9.1.3 系统实施阶段 165
9.1.4 系统运行与维护阶段 166
9.2 湖南省雷电监测预警系统 166
9.2.1 系统简介 166
9.2.2 系统实现功能 167
9.3 CAMS_LDWS的业务应用 169
9.3.1 雷达资料应用模块 171
9.3.2 闪电资料应用模块 172
9.3.3 决策树算法和探空资料应用模块 173
9.3.4 多种资料综合预报方法 174