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摘 要：雷电曾数次引发森林大火，预防起来又比较困难。本文把“驱雷—引雷”理论应用于林区雷電防护中。根据雷击选择区、雷电主次导路径、人员密集度以及其它需要重点保护的对象等，分别进行直击雷防护，以避免或减少林区，尤其是风景区雷击事故的发生。
关键词：驱雷；引雷；林区；雷电防护
1 引言
雷电是伴随有闪电和雷鸣的一种自然现象，为世界上十大自然灾害之一。随着林业科学的发展和人们对生态环境的重视，预防森林雷击起火已显得越来越重要。但传统意义上的避雷针对建筑物、电器设备等有限物体的直击雷防护非常管用，而对具有无限面积的林区雷电防护则显得力不从心。本文将探讨、解决面积广阔的林区，尤其是风景区的雷电防护问题。
2 山区雷电活动特点
2.1 山区雷电活动的多发性
山区雷电活动的强度与临近平坦区相比要强得多。一方面由于当地地形对气流的抬升作用有利于雷云的垂直发展，并有利于冷暖气团间的会合，加强了雷云的局部电场；由于山区雷云底部相对平原地区而言较低，增强了雷云底部的大气静电场强度以及山区徒陡的地形、地物又增强了下垫面场强的畸变度，从而导致山区雷云对地闪击的频率比平原或小丘陵区的地闪现象多。
2.2 山区雷电活动的选择性
雷电有专向某些特殊地区放电的特性，这些常被雷击的地点称为雷击选择区，其有两种类型：一种是由于该区域的地理位置比较突出，其海拔高度与周边地区比较具有最大值或次最大值而形成雷击区；另一种是由于该区域下垫面土壤电阻率较小，与周边区域的下垫面土壤电阻率比较具有最小值或次小值而形成雷击选择区。
3 林区雷击火灾发生的条件及规律
3.1 林区雷电火灾发生的条件
雷击引发火灾的可能性与闪电发生处的气象条件（如温度、湿度及风速等）、植被状况（可燃物分布、尺寸及含水率等）有关。如雷电发生时或雷电过后伴有降水，着火蔓延的可能性就会降低，而且还与雨量、雨强有着重要的关系。
3.2 林区雷电火灾发生的规律
雷电引起森林火灾在特定地区是有季节性的，如大兴安岭林区多在4月中旬至7月中旬。伊春以南地区在5月下旬至6月上旬等。另外，雷电引起森林火灾还具有日变化及随纬度变化的特点：一天中一般在午后较多，早晨较少；纬度越高的地方雷击火的发生也越多，我国南方林区雷击火远少于北方林区。
4 传统避雷针在林区雷电防护中的局限性
4.1 林区雷电防护机理与平原不同
传统避雷针“电气——几何”模型雷电防护理论是基于平原地区的大气电学过程与雷电机理提出的，而林区多为山区，其大气电学过程和雷电机理与平原地区有显著的差异。在平原上，雷云结构通常是雷云底部高约2km，顶部高10～12 km，雷云的上部带正电，底部大部分带负电，所以90%以上的云地闪电是负极性的；在山区，云体受大气流动和风力作用后往往发生偏斜，0℃等温线降低，使正电荷云体接近山顶，所以山区正极性的云地闪电较平原多，保护对象受到雷电侧击的现象也较平原多，并且由于林区人烟稀少，一旦发生森林雷击火灾，很容易形成森林大火。
4.2 传统避雷针保护范围的有限性
根据传统避雷针的防雷原理和计算公式，每座高60m的避雷针铁塔在林区的保护面积约为1.127公顷，每座高100m的避雷针铁塔在林区的保护面积约为3.14公顷，而每座铁塔的造价为近10万元，再加上每年的防腐维护费，每公顷森林防雷设施的费用需要近5.7万元，所以对林区而言，由于其面积相对于避雷针保护范围具有无限性，用避雷针保护范围的概念进行森林雷电防护将导致防雷设施造价高、维护困难而不可取。因此传统避雷针对保护对象为面积巨大的森林而言就显得没有意义了。
5 “驱雷—引雷”理论在林区雷电防护中的应用
5.1 驱雷装置——多针型防雷器驱雷原理
5.1.1 多针防雷器对上行雷和下行雷的抑制作用
有关实验表明，多针防雷器对上行雷和下行雷具有抑制作用。多针防雷器顶端的空间电场较为均匀，其上空电荷呈V型空间分布（见图1），越靠近多针防雷器处的电荷密度越大，反之越小；因此雷云电场在靠近防雷的部分也被屏蔽掉更多，在多针防雷器顶部附近电场强度也较低，使向上的引发先导难以发生。因此，多针防雷器控制了上行雷的先导，抑制了上行雷的形成条件。
在下行雷的情况下，当雷电活动发展太快，多针防雷器的电晕电流来不及抑制其发生时，多针防雷器允许遭受雷击，出现消雷现象：在多针防雷器的整个顶部，出现冒火的现象，火花的厚度或长度可达数米；冒火持续时间一般为1～3s；在多针防雷器上空的消雷过程一般不会出现巨响，只有较强的嘶嘶声。
5.1.2多针防雷器对雷击具有削弱作用
多针防雷器对雷击有削减作用：一方面雷云单体向下的始发先导，在深入到距多针防雷器顶端330m 左右时，因先导端部和其通道中电荷对空间异性电荷离子的吸引作用，改变了空间电荷的漂移方向，大量的空间异性电荷进入先导端部和先导通道，使向下先导再深入向下发展受到限制，并且随着向下先导的深入发展，其发展势头也受到越来越大的削弱，因而雷云单体下底面向多针防雷器端部的引发雷击也难以实现；另一方面是电晕电流的中和效应，多针防雷器根据本身的特殊结构充分利用了雷云电场的强大动力，从而产生强大的中和电流，这个中和电流不是去消灭雷云电流，而是削减雷云电场强度，降低空气击穿放电概率，以减少雷害事故。
5.1.3 林区树木的“驱雷”作用
有关研究表明，林区树木的尖端放电非常显著。这些树木的尖端放电不仅在大气电量收支中起到重要作用，而且还通过其尖端放电使电流进入雷雨云底部，对雷云内电场增长起着耗散作用，从而降低了林区上空的雷电场强度，延缓了雷击放电，这与“驱雷—引雷”理论中的驱雷装置相似。因此，可以把具有尖端放电功能的树林，作为林区区域性防雷措施中的驱雷装置。 5.2 引雷装置——提前预放电避雷针工作原理
富蘭克林避雷针虽然造价较低，但其引雷效果不如提前预放电避雷针。当雷云来临时，提前预放电避雷针主动式防雷装置通过底部电极吸收大气电场中的能量，并存于其内部的电子线路，当电荷充电到一定程度时，通过其上部电极放电，在其尖端周围形成强的与云层电荷相反的离子层，这种电离放电的强度比传统避雷针的被动放电要大得多。提前预放电防雷装置的这种强的电离放电产生向上的提前先导，使雷电下行先导的轨迹畸变。上行先导与下行先导在提前预放电避雷针的上空相遇，将雷电电流疏至提前预放电避雷针的中心轴，经引下线安全释放到大地，从而保护林区树木不被雷劈或避免引发森林火灾。
5.3 景区雷电防护
5.3.1 在雷击选择区安装提前预放电避雷针
因为林区雷击选择区与制高点有关，因此可以在景区的制高点、次高点上安装提前预放电避雷针；又因林区雷击选择区还与其下垫面土壤导电率有关，因此还应在景区土壤电阻率较小的地方安装提前预放电避雷针。这样，即可将景区上空大范围的雷电引向提前放电避雷针泻流入地，最大限度地防止或减少景区雷击事故的发生
5.3.2 在雷电活动主次导路径上安装提前预放电避雷针
因为雷电具有显著的路径特征，因此可以在雷电活动的主导路径和次主导路径上安装主动提前预放电避雷针。可以根据当地气象部门对雷达强回波的多年观测以及对林区群众的调查采访，同时兼顾局地气候的影响，在其主导路径和次主导路径上安装提前预放电避雷针，即可将景区上空大范围的雷电引向提前预放电避雷针泻流入地，有效地防止或减少雷电活动路径后方林区的树木、寺庙及人员遭受雷击危害。
5.3.3 接闪器形状
对于风景区，其防直击雷所选用的接闪器形状应与景区环境融为一体。具体可以参照景区内的树木、山石等，做成树枝、攀藤等形状，这样既实用又美观。我国黄山风景区的防雷做法值得借鉴。
6 结语
通过对林区雷电防护的介绍、分析，不难看出：富兰克林避雷针对建筑物、电器设备等有限物体的直击雷防护是有用的，而对具有无限面积的林区雷电防护则显得力不从心。林区树木具有尖端放电功能，相当于驱雷装置，故在林区区域性雷电防护中只需在雷击选择区、雷电主次导路径、人员密集区、易可燃植被区和重点保护区安装主动引雷装置——提前预放电避雷针，而景区内的电器设备可通过安装电涌保护器。这样就可以避免或减少林区，尤其是风景区雷击事故的发生。
参考文献
[1] 吴薛红，濮天伟，廖德利.防雷与接地技术[M].北京：化学工业出版社，2008：1-38.
[2] 李良福，李家启，覃彬全等.雷电防护关键技术研究[M].北京：气象出版社，2008：147-171.
关键词：驱雷；引雷；林区；雷电防护
1 引言
雷电是伴随有闪电和雷鸣的一种自然现象，为世界上十大自然灾害之一。随着林业科学的发展和人们对生态环境的重视，预防森林雷击起火已显得越来越重要。但传统意义上的避雷针对建筑物、电器设备等有限物体的直击雷防护非常管用，而对具有无限面积的林区雷电防护则显得力不从心。本文将探讨、解决面积广阔的林区，尤其是风景区的雷电防护问题。
2 山区雷电活动特点
2.1 山区雷电活动的多发性
山区雷电活动的强度与临近平坦区相比要强得多。一方面由于当地地形对气流的抬升作用有利于雷云的垂直发展，并有利于冷暖气团间的会合，加强了雷云的局部电场；由于山区雷云底部相对平原地区而言较低，增强了雷云底部的大气静电场强度以及山区徒陡的地形、地物又增强了下垫面场强的畸变度，从而导致山区雷云对地闪击的频率比平原或小丘陵区的地闪现象多。
2.2 山区雷电活动的选择性
雷电有专向某些特殊地区放电的特性，这些常被雷击的地点称为雷击选择区，其有两种类型：一种是由于该区域的地理位置比较突出，其海拔高度与周边地区比较具有最大值或次最大值而形成雷击区；另一种是由于该区域下垫面土壤电阻率较小，与周边区域的下垫面土壤电阻率比较具有最小值或次小值而形成雷击选择区。
3 林区雷击火灾发生的条件及规律
3.1 林区雷电火灾发生的条件
雷击引发火灾的可能性与闪电发生处的气象条件（如温度、湿度及风速等）、植被状况（可燃物分布、尺寸及含水率等）有关。如雷电发生时或雷电过后伴有降水，着火蔓延的可能性就会降低，而且还与雨量、雨强有着重要的关系。
3.2 林区雷电火灾发生的规律
雷电引起森林火灾在特定地区是有季节性的，如大兴安岭林区多在4月中旬至7月中旬。伊春以南地区在5月下旬至6月上旬等。另外，雷电引起森林火灾还具有日变化及随纬度变化的特点：一天中一般在午后较多，早晨较少；纬度越高的地方雷击火的发生也越多，我国南方林区雷击火远少于北方林区。
4 传统避雷针在林区雷电防护中的局限性
4.1 林区雷电防护机理与平原不同
传统避雷针“电气——几何”模型雷电防护理论是基于平原地区的大气电学过程与雷电机理提出的，而林区多为山区，其大气电学过程和雷电机理与平原地区有显著的差异。在平原上，雷云结构通常是雷云底部高约2km，顶部高10～12 km，雷云的上部带正电，底部大部分带负电，所以90%以上的云地闪电是负极性的；在山区，云体受大气流动和风力作用后往往发生偏斜，0℃等温线降低，使正电荷云体接近山顶，所以山区正极性的云地闪电较平原多，保护对象受到雷电侧击的现象也较平原多，并且由于林区人烟稀少，一旦发生森林雷击火灾，很容易形成森林大火。
4.2 传统避雷针保护范围的有限性
根据传统避雷针的防雷原理和计算公式，每座高60m的避雷针铁塔在林区的保护面积约为1.127公顷，每座高100m的避雷针铁塔在林区的保护面积约为3.14公顷，而每座铁塔的造价为近10万元，再加上每年的防腐维护费，每公顷森林防雷设施的费用需要近5.7万元，所以对林区而言，由于其面积相对于避雷针保护范围具有无限性，用避雷针保护范围的概念进行森林雷电防护将导致防雷设施造价高、维护困难而不可取。因此传统避雷针对保护对象为面积巨大的森林而言就显得没有意义了。
5 “驱雷—引雷”理论在林区雷电防护中的应用
5.1 驱雷装置——多针型防雷器驱雷原理
5.1.1 多针防雷器对上行雷和下行雷的抑制作用
有关实验表明，多针防雷器对上行雷和下行雷具有抑制作用。多针防雷器顶端的空间电场较为均匀，其上空电荷呈V型空间分布（见图1），越靠近多针防雷器处的电荷密度越大，反之越小；因此雷云电场在靠近防雷的部分也被屏蔽掉更多，在多针防雷器顶部附近电场强度也较低，使向上的引发先导难以发生。因此，多针防雷器控制了上行雷的先导，抑制了上行雷的形成条件。
在下行雷的情况下，当雷电活动发展太快，多针防雷器的电晕电流来不及抑制其发生时，多针防雷器允许遭受雷击，出现消雷现象：在多针防雷器的整个顶部，出现冒火的现象，火花的厚度或长度可达数米；冒火持续时间一般为1～3s；在多针防雷器上空的消雷过程一般不会出现巨响，只有较强的嘶嘶声。
5.1.2多针防雷器对雷击具有削弱作用
多针防雷器对雷击有削减作用：一方面雷云单体向下的始发先导，在深入到距多针防雷器顶端330m 左右时，因先导端部和其通道中电荷对空间异性电荷离子的吸引作用，改变了空间电荷的漂移方向，大量的空间异性电荷进入先导端部和先导通道，使向下先导再深入向下发展受到限制，并且随着向下先导的深入发展，其发展势头也受到越来越大的削弱，因而雷云单体下底面向多针防雷器端部的引发雷击也难以实现；另一方面是电晕电流的中和效应，多针防雷器根据本身的特殊结构充分利用了雷云电场的强大动力，从而产生强大的中和电流，这个中和电流不是去消灭雷云电流，而是削减雷云电场强度，降低空气击穿放电概率，以减少雷害事故。
5.1.3 林区树木的“驱雷”作用
有关研究表明，林区树木的尖端放电非常显著。这些树木的尖端放电不仅在大气电量收支中起到重要作用，而且还通过其尖端放电使电流进入雷雨云底部，对雷云内电场增长起着耗散作用，从而降低了林区上空的雷电场强度，延缓了雷击放电，这与“驱雷—引雷”理论中的驱雷装置相似。因此，可以把具有尖端放电功能的树林，作为林区区域性防雷措施中的驱雷装置。 5.2 引雷装置——提前预放电避雷针工作原理
富蘭克林避雷针虽然造价较低，但其引雷效果不如提前预放电避雷针。当雷云来临时，提前预放电避雷针主动式防雷装置通过底部电极吸收大气电场中的能量，并存于其内部的电子线路，当电荷充电到一定程度时，通过其上部电极放电，在其尖端周围形成强的与云层电荷相反的离子层，这种电离放电的强度比传统避雷针的被动放电要大得多。提前预放电防雷装置的这种强的电离放电产生向上的提前先导，使雷电下行先导的轨迹畸变。上行先导与下行先导在提前预放电避雷针的上空相遇，将雷电电流疏至提前预放电避雷针的中心轴，经引下线安全释放到大地，从而保护林区树木不被雷劈或避免引发森林火灾。
5.3 景区雷电防护
5.3.1 在雷击选择区安装提前预放电避雷针
因为林区雷击选择区与制高点有关，因此可以在景区的制高点、次高点上安装提前预放电避雷针；又因林区雷击选择区还与其下垫面土壤导电率有关，因此还应在景区土壤电阻率较小的地方安装提前预放电避雷针。这样，即可将景区上空大范围的雷电引向提前放电避雷针泻流入地，最大限度地防止或减少景区雷击事故的发生
5.3.2 在雷电活动主次导路径上安装提前预放电避雷针
因为雷电具有显著的路径特征，因此可以在雷电活动的主导路径和次主导路径上安装主动提前预放电避雷针。可以根据当地气象部门对雷达强回波的多年观测以及对林区群众的调查采访，同时兼顾局地气候的影响，在其主导路径和次主导路径上安装提前预放电避雷针，即可将景区上空大范围的雷电引向提前预放电避雷针泻流入地，有效地防止或减少雷电活动路径后方林区的树木、寺庙及人员遭受雷击危害。
5.3.3 接闪器形状
对于风景区，其防直击雷所选用的接闪器形状应与景区环境融为一体。具体可以参照景区内的树木、山石等，做成树枝、攀藤等形状，这样既实用又美观。我国黄山风景区的防雷做法值得借鉴。
6 结语
通过对林区雷电防护的介绍、分析，不难看出：富兰克林避雷针对建筑物、电器设备等有限物体的直击雷防护是有用的，而对具有无限面积的林区雷电防护则显得力不从心。林区树木具有尖端放电功能，相当于驱雷装置，故在林区区域性雷电防护中只需在雷击选择区、雷电主次导路径、人员密集区、易可燃植被区和重点保护区安装主动引雷装置——提前预放电避雷针，而景区内的电器设备可通过安装电涌保护器。这样就可以避免或减少林区，尤其是风景区雷击事故的发生。
参考文献
[1] 吴薛红，濮天伟，廖德利.防雷与接地技术[M].北京：化学工业出版社，2008：1-38.
[2] 李良福，李家启，覃彬全等.雷电防护关键技术研究[M].北京：气象出版社，2008：147-171.