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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(lái)源： 91550部隊(duì)15分隊(duì)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)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(duì)15分隊(duì)，大連116023)
摘 要：艦船上電子設(shè)備安裝密集、使用頻繁，雷電的電特性會(huì)對(duì)艦船電子設(shè)備產(chǎn)生極大的破
壞作用，所以雷電監(jiān)測(cè)是艦船水文氣象保障中不可或缺的保障內(nèi)容，防雷預(yù)警工作的任何紕漏
都將直接導(dǎo)致保障任務(wù)的失敗，造成不可挽回的嚴(yán)重?fù)p失。文章通過(guò)研究雷電產(chǎn)生發(fā)展的物
理規(guī)律，分析目前我國(guó)較先進(jìn)的閃電監(jiān)測(cè)設(shè)備—— 多普勒天氣雷達(dá)和SAFIR3000監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的
監(jiān)測(cè)方法，提出了一種更為準(zhǔn)確、可靠的保障方式，并成功地應(yīng)用于艦船水文氣象保障實(shí)踐中。
關(guān)鍵詞：雷電監(jiān)測(cè)；多普勒天氣雷達(dá)；SAFIR3000
中圖分類號(hào)：TP959．4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(guó)海域雷電發(fā)生頻繁，從北到南跨越3O多
個(gè)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(nèi)，都可能產(chǎn)生
雷擊，造成的危險(xiǎn)過(guò)電壓損害電子設(shè)備。近年來(lái)，
隨著艦船上數(shù)據(jù)設(shè)備和精密儀器應(yīng)用的日益廣
泛，雷電造成的事故有逐年上升的趨勢(shì)。尤其是
電子設(shè)備大量的采用超大規(guī)模集成電路為核心組
件的測(cè)量、保護(hù)、監(jiān)控、通訊和計(jì)算機(jī) 廣泛應(yīng)用
于航海，大型CMOS集成模塊等集成原件存在的
對(duì)暫態(tài)過(guò)電壓承受能力弱的特點(diǎn)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(shè)施和人員安全的主要威脅，我國(guó)大多數(shù)航海
保障部門的防雷保障集中在云地閃的探測(cè)和防護(hù)；
而云間閃才是雷暴生成、發(fā)展和消滅的主要表現(xiàn)形
式，其探測(cè)和預(yù)報(bào)難度較大。在對(duì)雷暴的識(shí)別和跟
蹤過(guò)程中，最為重要的是對(duì)雷暴處于什么發(fā)展階段
的判斷，需要積累大量保障經(jīng)驗(yàn)。事后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行
資料整理，對(duì)保障過(guò)程展開(kāi)總結(jié)和討論，逐漸建立和
收稿日期：2016-06-02．
作者簡(jiǎn)介：夏光濱(1980一)，男，大學(xué)，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(wù)的防雷保障模式。
1 防雷保障途徑
1．1 多普勒天氣雷達(dá)監(jiān)測(cè)
多普勒天氣雷達(dá)監(jiān)測(cè)雷電活動(dòng)，是通過(guò)分析
對(duì)流云回波發(fā)展變化來(lái)進(jìn)行的判斷。多單體雷電
由一個(gè)不斷變化的單體系列組成 【，其預(yù)報(bào)需要
依靠雷達(dá)回波結(jié)合地面降水、氣壓等要素場(chǎng)的分
析研究來(lái)進(jìn)行 。
1．2 閃電定位監(jiān)測(cè)
SAFIR3000閃電定位系統(tǒng)南探測(cè)站網(wǎng)組成，
應(yīng)用三角相位法對(duì)接收到的高頻信號(hào)進(jìn)行干涉運(yùn)
算，精確定位閃電發(fā)生區(qū)域，并通過(guò)低頻信號(hào)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(shí)時(shí)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(xiǎn)，雷暴發(fā)展階段的IC(云間閃)就可能造成嚴(yán)
重的后果，其保障重點(diǎn)是盡可能早的對(duì)云間閃定位
和預(yù)警。根據(jù)雷電發(fā)展規(guī)律，采用如下保障方式：
(1)將SAFIR3O0O閃電監(jiān)測(cè)保障的重點(diǎn)范
圍盡量擴(kuò)大，使用DIsCHARGE 功能，將
wARR1NG AREA設(shè)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(kāi)ACTIVE和
BEEP功能，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
(2) 當(dāng)WARRING AREA 區(qū)域變紅、
MESSAGE報(bào)警框顯示m云間閃信息并嗚響報(bào)
警音時(shí)．如圖1所示．應(yīng)立即發(fā)布雷電預(yù)警信息，
避免 現(xiàn)雷擊事故。
-’。l ●_ ● 一■ ●- — ● ■ —- - ●- - ’、- f
圖1 雷暴預(yù)警演示
(3)在發(fā)布雷電預(yù)警信息半小時(shí)后，如術(shù)繼
續(xù)監(jiān)測(cè)到保障范圍內(nèi)的云間閃信息，對(duì)比多普勒
天氣雷達(dá)匝J波，找到產(chǎn)生雷暴團(tuán)的對(duì)流云位置，實(shí)
時(shí)監(jiān)控其M波強(qiáng)度，如圖2所示。
圖2 雷達(dá)二次產(chǎn)品圖
(4)使用M()NI'I、()R功能，監(jiān)測(cè)保障區(qū)域內(nèi)
雷電密度。根據(jù)雷暴團(tuán)發(fā)展的客觀規(guī)律，計(jì)算全
面閃電活動(dòng)強(qiáng)度，判斷所監(jiān)測(cè)雷暴團(tuán)的發(fā)展階段，
適時(shí)撤銷雷電預(yù)警信息。
2．2 多艘艦船的防雷預(yù)警
大型雷暴團(tuán)活動(dòng)產(chǎn)生的云地閃對(duì)單獨(dú)航行艦
船的安全造成極大威脅。多艘單獨(dú)航行艦船保障
的覆蓋面廣，通訊和導(dǎo)航設(shè)備對(duì)空中閃電非常敏
感，防雷預(yù)警丁=作的任何紕漏都會(huì)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(yù)警信息不現(xiàn)實(shí)。主
要解決的保障難題是如何準(zhǔn)確地為各艘艦船分別
提供防雷預(yù)警。大多數(shù)艦船所在位置超過(guò)多普勒
雷達(dá)有效監(jiān)測(cè)范圍，只能依靠SAFIR3000雷電監(jiān)
測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行保障。
(1)將SAFIR30O0雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的保障重點(diǎn)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(shè)置為以某一艦船為網(wǎng)心，
半徑20 km的圓形保障區(qū)域，并打開(kāi)ACTIvE和
BEEP功能，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，如罔3所示。
圖3 雷暴預(yù)警演示
第4期 夏光濱，等：艦船防雷保障方法研究
(2)當(dāng)其中若干站點(diǎn)的wARRING AREA
區(qū)域變紅、MESSAGE報(bào)警框顯示出雷電信息并
鳴響報(bào)警音時(shí)，應(yīng)立即向該艦船發(fā)布雷電預(yù)警信
息。由于云地閃一般較云間閃出現(xiàn)晚10 min以
上L4J，而且云間閃與云地閃出現(xiàn)的時(shí)間差越短，全
面閃電活動(dòng)強(qiáng)度越弱，對(duì)艦船造成巨大威脅的強(qiáng)
雷暴天氣現(xiàn)象從首次監(jiān)測(cè)到云間閃到出現(xiàn)云地閃
的時(shí)間一般在1 h以上_5]，故預(yù)警時(shí)間的提前量
足夠艦船采取防雷保護(hù)措施。
(3)當(dāng)云間閃發(fā)生在各站點(diǎn)預(yù)警范圍外時(shí)，以
監(jiān)測(cè)CELLS方式做出未來(lái)雷暴團(tuán)移動(dòng)預(yù)測(cè)情況。
(4)使用DISTANCE功能計(jì)算雷暴團(tuán)到艦
船預(yù)警范圍的距離。根據(jù)系統(tǒng)預(yù)測(cè)的閃電移動(dòng)方
向、速度，判斷雷暴團(tuán)行進(jìn)到各單獨(dú)預(yù)警范圍的時(shí)
間，并提前2 h發(fā)布雷電預(yù)警信息。
(5)雷暴團(tuán)遠(yuǎn)離各單獨(dú)預(yù)警范圍后，可適時(shí)
撤銷雷電預(yù)警信息。
3 結(jié)論
3．1 雷電發(fā)展內(nèi)在規(guī)律
首先，大氣對(duì)流活動(dòng)使云層帶電。電荷數(shù)量在
云內(nèi)逐漸增加，對(duì)流區(qū)域產(chǎn)生早期的云間閃電。隨
對(duì)流云的發(fā)展，云間閃的發(fā)生概率同時(shí)增加。在對(duì)
流強(qiáng)度最大的云層，云間閃的數(shù)量占全面閃電活動(dòng)
的比率達(dá)到90～99 [ 。此時(shí)，SAFIR系統(tǒng)已經(jīng)
可以進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)云間閃的強(qiáng)度和密度。
當(dāng)云間閃強(qiáng)度和密度達(dá)到最大值時(shí)，對(duì)流云
與整個(gè)雷暴團(tuán)升至最大高度，開(kāi)始出現(xiàn)云地閃，對(duì)
航海艦船的安全也開(kāi)始造成威脅。此時(shí)，距第一
次產(chǎn)生云間閃一般有幾十分鐘。
云地閃數(shù)量、強(qiáng)度逐漸增大，云地閃對(duì)地面放
電，云層帶電量減少，云間閃的數(shù)量急劇下降，此時(shí)
的雷暴團(tuán)對(duì)艦船航行危害性最強(qiáng)。最后，云間閃數(shù)
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(duì)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(chǎn)生雷達(dá)回波 ]，而后降水發(fā)展，
回波加厚，出現(xiàn)一個(gè)標(biāo)志著降水的回波中心(核)，經(jīng)
常伴隨著雷電，從最初有雷達(dá)回波到地面產(chǎn)生降水
大約需要10~15 min。多普勒雷達(dá)能夠及時(shí)地捕捉
到活動(dòng)范圍、對(duì)流強(qiáng)度、移動(dòng)方向和速度以及發(fā)展趨
勢(shì)，但無(wú)法對(duì)閃電進(jìn)行定位。閃電定位系統(tǒng)只局限
于對(duì)閃電活動(dòng)的監(jiān)測(cè)和定位，不能給出降水范圍及
強(qiáng)度。閃電定位系統(tǒng)突出特性在于對(duì)雷電的準(zhǔn)確定
位，而多普勒雷達(dá)則體現(xiàn)在對(duì)降水的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，兩
者綜合使用的互補(bǔ)性極強(qiáng)。
根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，強(qiáng)對(duì)流天氣的強(qiáng)弱與閃電活
動(dòng)速度，云間閃、云地閃的比例和云間閃、云地閃
的典型時(shí)間差之間存在一定對(duì)應(yīng)關(guān)系，見(jiàn)表1。
閃電出現(xiàn)頻率越高閃電活動(dòng)強(qiáng)度越強(qiáng)；云間閃的
數(shù)量與云地閃的數(shù)量比數(shù)越大，則閃電活動(dòng)強(qiáng)度
越強(qiáng)；云間閃與云地閃產(chǎn)生的時(shí)間差距越長(zhǎng)，則閃
電活動(dòng)的強(qiáng)度越強(qiáng)。
表1 全面閃電活動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算表
對(duì)近十年 R雷電資料進(jìn)行分析整理發(fā)現(xiàn)，
在中小尺度局地對(duì)流過(guò)程中，對(duì)流云生消變化速度
快、時(shí)間短、其產(chǎn)生的影響卻往往是巨大的。對(duì)于使
用天氣雷達(dá)的常規(guī)預(yù)報(bào)手段，在雷達(dá)收到短時(shí)局地
對(duì)流中降雨云的反射因子之前，往往已經(jīng)是電閃雷
鳴。這時(shí)，云間閃實(shí)時(shí)定位資料就成為最重要的預(yù)
報(bào)因子。雷暴云團(tuán)的產(chǎn)生到消亡全部在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)
完成，SAFIR可跟蹤定位對(duì)流早期過(guò)程中產(chǎn)生的云
間閃電，這就使最早發(fā)現(xiàn)對(duì)流現(xiàn)象的時(shí)間更加提前，
使艦船實(shí)時(shí)防雷保障成為可能。
參考文獻(xiàn)：
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