閃電定位數據在雷電災害調查中的應用

陳星宇,馬端良

(山東省煙臺經濟技術開發區氣象局,山東 煙臺 264006)

1 引言

雷電災害是“聯合國國際減災十年”公布的影響人類活動的嚴重災害之一[1]。做好雷電災害的調查分析能為雷電的防御方法提供科學證據，指導科學防御雷電實踐論證。此外，雷電災害調查還涉及保險公司與參保單位的理賠事宜。全面科學的雷電災害調查既是防災減災的基礎工作，也是經濟社會發展的迫切需要。

應用閃電定位數據可以確定雷電發生的時間、位置、強度、極性等。結合雷電災害調查中剩磁法的使用，可以幫助判斷災害是否由雷電造成的。剩磁法是判斷是否有直接雷擊比較實用的方法，但在實際中由于雷擊點的位置不容易確定，剩磁在一段時間過后會消失的原因，剩磁法的實用范圍受到很大限制，所以兩者結合才能發揮最佳效果。

《雷電災害調查技術規范》(QX/T103-2009)中對雷電災害調查的內容進行了說明，包含對氣象因素、環境因素、歷史因素、防雷裝置及設備因素、雷電災害事故現場因素的調查[2]，但未對如何應用閃電數據進行雷災判斷做詳盡的描述。國內和國際上利用閃電定位進行雷電災害調查的案例不多，尤其在確定雷擊點與災害地的距離和確定哪次雷擊是災害的主因上的研究更少。

2 資料與方法

本文閃電定位數據來源于山東省氣象局，山東省氣象部門自2006年下半年建設了13部閃電定位儀，探測范圍覆蓋山東全省和周邊省份2/3區域。該系統時鐘同步精度可達到0.1 μs，定位精度可達到300 m。該系統能識別云閃和地閃，監測數據遍及整個覆蓋區域，是非固定的。監測數據以txt文件存儲，每列包含地閃發生的時間、經度、緯度位置、電流峰值和極性等，所采用的數據經過了初步的質量控制。

要確定災害是否由雷擊引起，需要對災害發生地一定水平距離內的落雷情況進行統計分析，通過災害出現的類型如建筑物損壞、設備損壞、人員生命危險等確定雷擊的影響范圍，然后將這一范圍內的雷擊從眾多閃電定位數據中提取出來，逐個分析每個雷擊可能造成的影響。并結合雷電流幅值、落雷時間、設備的損壞形式、剩磁等因素進行分析判斷。在進行落雷點與事故地的距離計算時，需要測量事故地的經緯度，因為LLS系統中閃電位置是以經緯度表示的，方便后期對閃電定位儀記錄的落雷點與事故地之間的距離進行計算。

3 雷擊點與雷電災害發生地水平距離的判定

雷擊點是否與災害發生地有直接的關聯，要具體情況具體分析，這與防護措施的效果，災害發生時的周圍環境、設備的抗干擾措施等有關。下面列出兩種閃電類型下，如何甄選出可能影響災害發生地的距離。

3.1 直擊雷引起的建筑物的物理損壞和生命危險的距離

根據《建筑物防雷設計規范》(GB50057-2010)中對防跨步電壓的措施的描述，接地裝置與建筑物和構筑物的出入口行人道的距離不應小于3 m，依據這一標準，假定雷擊建筑物引起損害、人員生命危險的水平距離為3 m以內[3]。

3.2 輻射電磁場引起設備損壞的距離

引起設備出現損害的電磁場受兩方面的限制：雷電流的幅值和雷擊點與設備之間的水平距離。

假設發生災害時，雷擊點的雷電流幅值按200 kA考慮，這一幅值是第一類建筑物進行雷電防護時最大的雷電流,則雷擊點與設備的水平距離在5.7 km以內時，磁場強度大于0.07 GS，計算機出現誤動作或者損壞。根據歷史經驗，大于200 kA的雷電流發生的概率是非常小的[4]。

雷擊點周邊產生的磁場強度可由(1)式計算：

H0=i0/2πSa

(1)

式中i0—LPZ0A區的雷電流，單位為安培(A);

Sa—從雷擊點到屏蔽空間中心的距離，單位為(m)。

由于閃電定位系統的測量精度為300 m，在進行落雷點計算時可能與實際的落雷點有一定的偏差。為了簡化，這里以5.7 km為半徑，落入該半徑區域內的雷擊視為影響災害發生地的雷擊。這個范圍的雷擊有部分是對災害的發生不起作用的，在后期的分析中應加以剔除。更精確的篩選是需要以閃電定位精度的提高為前提，如何提高監測精度不是本文討論的重點。

4 任意兩點經緯度之間的距離計算

地球是一個近乎標準的橢球體，它的赤道半徑為6 378.140 km，極半徑為 6 356.755 km，平均半徑6 371.004 km。假設地球是一個完美的球體，那么它的半徑就是地球的平均半徑，記為R。如果以0°經線為基準，根據地球表面任意兩點的經緯度就可以計算出這兩點間的地表距離(這里忽略地球表面地形對計算帶來的誤差，僅僅是理論上的估算值)。設第1點A的經緯度為(LonA, LatA)，第2點B的經緯度為(LonB, LatB)，按照0°經線的基準，東經取經度的正值，北緯取90-緯度值(90-Latitude)，則經過上述處理過后的2點被計為(MLonA, MLatA)和(MLonB, MLatB)。那么根據三角推導，可以得到計算2點距離的如下公式：

C=sin(MLatA)×sin(MLatB)×cos(MLonA-MLonB)+cos(MLatA)×cos(MLatB)

2點間的距離D=R×Arccos(C)×Pi/180

這里，R和D單位相同，如果是采用6 371.004 km作為半徑，那么D就是 km為單位。

閃電定位數據中包含全省大范圍的監測數據，為了方便選取，應用MATLAB中的Distance函數，Distance函數的用法如下:

[dist,az]=distance(lat1,lon1,lat2,lon2)

lat1,lon1,lat2,lon2表示2個點的緯度和經度值,Dist與Arccos(C)值相當。

5 案例分析

2013年8月8日20時00分左右，煙臺某有限公司混凝土攪拌站(37.43°N，121.49°E)在雷雨天氣過后，兩部混凝土攪拌站操作平臺同時損壞，生產系統癱瘓達數小時。

根據閃電定位資料，全省當日共發生地閃數為3 083次，混凝土攪拌站5.7 km范圍內的地閃數為36次且均為負閃。幅值最大的為-25.939 kA，它可使雷擊點0.74 km內的設備產生誤動作，最小的為0.84 kA。36個落雷位置如圖1所示,F4為幅值最大的雷電流位置。

圖1 災害點5.7 km內所有落雷點Fig.1 Al lightning points within the range of 5.7 km of the disaster point

圖1所示的落雷與事故現場的關聯需考慮以下3個方面:①落雷點與事故發生地的水平距離。

②雷電流幅值對電磁場產生的影響。③閃電定位儀記錄的時間與事故發生時的時間的接近程度。根據以上3點的判別規則，從36次雷擊中篩選出可能造成事故的3起雷擊(F1，F2，F3)。這3起雷擊如圖1紅色“o”位置，具體參數如表1所示。

由表1可知， F1～F3閃擊發生的時間與事故發生時的時間基本吻合，閃電F1距事故地點285.8 m，F2、F3均在1.1 km(0.74 km加上探測誤差300 m)之內。F1、F2、F3閃擊使得事故中心點處產生的電磁場強度分別為0.148、0.037、0.039 GS,從數值看F2、F3雷擊的電磁輻射未達到對設備造成損壞的程度，F1足以使電子設備誤動作或者損壞，F4雖然雷電流幅值較大，但從時間和離事故地距離分析，F4不是此次事故的誘因。

表1 可能造成事故的3次雷擊的相關參數Tab.1 Related parameters of three lightning accidents that may cause accidents

后期的勘查中從混凝土攪拌站罐頂處檢測到2.54 mT的剩磁，說明閃電直接擊到了罐體。結合落雷點的閃電特點，可以判定此次事故是由雷擊造成的。

實際的落雷點與監測的落雷點存在偏差，表象上F1閃電是最有可能造成這次事故的，因為落雷點距事故地較近，電磁輻射強度較大。但由于誤差的存在， F1～F3均有可能對事故造成直接影響。

6 結論與討論

閃電定位資料能夠彌補地面站點布局和人員觀測的局限。在雷電災害調查時，體會如下：

①利用閃電定位系統，查找災害地周邊的閃電資料，計算閃電與災害地的水平距離，根據損害類型判斷可能引起災害的閃電，同時考慮設備誤差和計算誤差的影響。

②地面站要及時記錄災害發生的時間，為判斷可能引起災害的閃電提供補充依據

③利用剩磁法進行調查時，要確保災害現場不被破壞，同時視災害情況判斷能否使用該方法。

隨著閃電定位系統精度提高，以及更優化的經緯度計算，就能更有效的判斷雷電災害的成因。

[1] 李家啟，李良福，秦健，等.跨座式單軌交通沿線雷電活動規律與易閃性分析[J].氣象科技，2009,37(6):734-738.

[2] QX/T103-2009.雷電災害調查技術規范 [S].

[3] GB50057-2010.建筑物防雷設計規范[S].

[4] 陳家宏,童雪芳,谷山強,等.雷電定位系統測量的雷電流幅值分布特征[J].高電壓技術，2008,34(9):1 893-1 897.