中国科学院大气物理研究所：雷电高精度探测、机理和应用

摘要：雷电灾害是我国最严重的气象灾害之一，严重影响国民经济各行各业的生产安全。针对国内高精度雷电探测手段匮乏、雷击机理认识不清等关键科学技术问题，中国科学院大气物理研究所郄秀书研究团队坚持自主攻关开展全链条科技创新，在高精度探测、机理研究和应用实践方面取得显著进展。

雷电灾害是我国最严重的气象灾害之一，严重影响国民经济各行各业的生产安全。针对国内高精度雷电探测手段匮乏、雷击机理认识不清等关键科学技术问题，中国科学院大气物理研究所郄秀书研究团队坚持自主攻关开展全链条科技创新，在高精度探测、机理研究和应用实践方面取得显著进展。

图片来源：中科院网站

发展通道可分辨的雷电全过程探测技术新体系，实现雷电多波段高精度成像

雷电的高分辨率探测是认识其发生规律和物理机制的重要途径，但是由于雷电发生的瞬时性和随机性特征，对其准确探测和精确定位十分困难。团队突破多通道高速连续采集、多源融合定位算法等多项技术瓶颈，研发了从甚低频到微波、可见光的多波段探测技术，实现对约1/3光速的雷电回击过程的超高时间分辨率（10纳秒）探测；研制高时空分辨率雷电甚高频连续成像干涉仪，处于国际领先水平；研发低频雷电三维动态成像系统，实现对雷电从单点到全过程的大动态范围连续探测以及通道可分辨的高精度三维动态定位，近5年获发明专利授权11项（含国际1项），并在北京、山东等地建立示范站或示范网，提供了区域雷电高精度监测的新手段。

图片来源：中科院大气物理研究所网站

揭示雷电宏微观新现象和机制，深化雷电科学认识

一直以来，国际上存在对雷电发展传输和雷击机理认识不清的问题，尤其对雷电先导发展及与地面雷击目标物的瞬间连接过程等关键物理机制存在争议。团队建立了雷电正极性先导通道的传输理论，提出正先导不连续传输、通道侧向放电、反冲放电等物理机制；率先揭示微秒量级持续时间的雷电对地面目标物的闪击物理图像，提出雷电连接过程主流光路径的优势增长理论；揭示雷电击中地面多目标物的物理机制。郄秀书受邀在GROUND国际会议专门组织的圆桌会议上做重点阐述，成果被《地球物理学研究快报》选为亮点文章，并被包括国际大气电学委员会前主席在内的专家同行研究证实；成果重要性被《自然》文章引用，被美国地球物理联合会（AGU）会士德怀尔团队认为是正先导梯级的重要证据，为雷击风险区划和雷电防御提供了关键支撑。

图片来源：中科院大气物理研究所网站

创建雷电资料同化新方法，提升强对流预报能力

团队通过原位探测、遥感反演和数值模拟相结合，揭示我国雷暴云内电场强度及电荷结构的演化特征，揭示飑线、超级单体等强对流天气的雷电活动规律，建立雷电与云内水物质含量、上升气流速度之间的定量关系，发展基于变分算法的雷电资料同化新方法，显著提升了强对流降水的数值预报效果，雷电资料同化方案被国际广泛使用的新一代中尺度天气预报模式（WRF）采用，是WRF模式中第一个雷电资料同化方案，供全球下载使用。该方案被应用于北京市气象局“睿图”业务预报模式，在雷电观测用于强对流短临预报方面取得了实质性进展。

图片来源：北京城市气象研究院

构建雷电“引—测—防”综合技术体系，服务防灾减灾

人工引雷技术的发展，标志着从被动防御雷电转向主动控制，而火箭技术的突破是这一转变的核心。团队创新研发了基于复合材料的新一代人工引雷火箭系统，在山东滨州建立人工引雷科学试验基地，获得极近距离的光、电、磁信号同步观测资料，为雷电防护设计和标准制定提供了宝贵的第一手数据和关键参量；利用位置确定、时间可控、参量可测的人工引雷技术，开展针对无线通信基站、埋地输气管道、储油罐等通信、石化、电力多个行业急需的直接雷击和电磁耦合试验，明确雷击致灾的关键物理过程，提出雷电灾害主动防御新方法。

图片来源：新京报知道News

研究成果提升了对雷电物理及其效应的认识，在国际上有重要影响，也为我国大气科学研究赢得了国际学术地位。，2023年因在青藏高原雷暴和雷电与人工引雷方面的突破性贡献，当选美国地球物理联合会（AGU）会士。同时，研究成果也增强了我国对雷电和强对流灾害的监测和预警能力，在气象、通信、电力、石化等多个行业得到广泛应用，并为国家重大活动提供保障服务，在气象灾害监测防御科技创新发展与融合应用方面起到了示范和引领作用。此外，部分成果获2018年气象科技进步一等奖、中国气象服务协会气象技术发明一等奖，以及2022年中国气象局气象科技成果评价“优秀”等级。

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