結合閃電定位數據分析北京市同時間點幾起雷擊事故

王浩 陳孟涵 沈東波 崔東凱 汪悅 陳暉 俞勇佩 霍沛東

摘要：準確及時的災害調查事故分析有助于更好的了解雷擊途徑和方式。結合閃電定位資料，分析某區域的雷電概率分布，可判斷認識雷電導致災害的規律性，便于采取更有效的防護措施。該文通過對2022年5月24日北京市東城區同時間節點的三起雷擊事故的詳細分析，還原雷擊過程，探究導致雷擊的原因，提出相關解決方案，減少或避免以后類似雷電災害事故的發生。對北京市東、西城區近年來的雷擊數據統計分析，發現總的落雷走向大多在古河道或大致水位線，潮濕或水位高，其建筑物下的土壤電阻率較小。尤其在北側護城河一帶每年都會或多或少的發生雷擊事故。我們認為，以上這些雷擊規律雖是北京城區的，但頗具普遍性，因而對防雷、防火很有參考價值。周邊現代建筑和各古建筑物的雷電災害防護要引起足夠重視，對其進行定期全面的防雷檢測是必要的。

關鍵詞：雷擊?閃電定位資料?概率分布?數據分析

中圖分類號：P429

Analysis?of?Several?Lightning?Accidents?at?the?Same?Time?in?Beijing?in?Combination?with?Lightning?Location?Data

WANG?Hao??CHEN?Menghan*??SHEN?Dongbo??CUI?Dongkai??WANG?Yue??CHEN?Hui

YU?Yongpei??HUO?Peidong

（Beijing?Meteorological?Observation?Center，?Beijing，?100089?China）

Abstract：?Accurate?and?timely?disaster?investigation?and?accident?analysis?can?help?to?better?understand?the?pathways?and?methods?of?lightning?stroke.?Combined?lightning?location?data，?analyzing?the?probability?distribution?of?lightning?in?a?certain?area?can?judge?and?understand?the?law?of?disasters?caused?by?lightning，?which?is?convenient?to?taking?more?effective?protective?measures.?This?article?provides?a?detailed?analysis?of?three?lightning?accidents?that?occurred?at?the?same?time?point?in?Dongcheng?District，?Beijing?on?May?24，?2022，?restors?the?lightning?process，?explores?the?causes?of?lightning?stroke，?and?proposes?relevant?solutions?to?reduce?or?avoid?similar?lightning?disaster?accidents?in?the?future.?Through?the?statistical?analysis?of?lightning?stroke?data?in?the?Doingcheng?and?Xicheng?districts?of?Beijing?in?recent?years，?it?is?found?that?the?overall?direction?of?lightning?stroke?was?mostly?in?old?river?channels?or?approximate?water?levels，?which?were?wet?or?high?water?levels，?the?soil?resistivity?under?their?buildings?was?relatively?low，?and?that?especially?in?the?area?of?northern?moats，?lightning?accidents?occured?to?some?extent?every?year.?We?believe?that?although?the?above?laws?of?lightning?stroke?are?in?the?urban?areas?of?Beijing，?they?are?quite?universal，?so?they?are?of?great?reference?value?for?lightning?protection?and?fire?prevention.?The?lightning?disaster?protection?of?surrounding?modern?buildings?and?old?buildings?should?be?given?sufficient?attention，?and?it?is?necessary?to?conduct?regular?and?comprehensive?lightning?protection?tests?on?them.

Key?Words：?Lightning?stroke;?Lightning?location?data;?Probability?distribution;?Data?analysis

北京市是全國政治和文化中心，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，錢慕暉等［1］研究表明，北京市年均發生雷電災害53.2起，直接經濟損失超過300萬元，所以利用最新資料對該地區展開雷電流幅值研究對保障首都安全具有重要意義。

以往對雷電災害的研究主要分析了不同時段某一范圍（全國或某省市）雷電災害的分布特征［2-7］或研究了某一行業的雷電災害規律［8-12］，而對北京市雷電災害時空分布的研究較少［13］。本文利用雷電資料實時定位系統（ADTD6.0）的2016—2020年的云閃和地閃定位資料和北京地區的雷災觀測結果對閃電及雷電災害的時空特征進行了分析。

1?所用數據

雷電資料應用平臺（LDAP）是氣象局2013年下發的雷電資料實時定位系統（ADTD6.0）的升級版本，其基于氣象大數據云平臺（天擎），實時自動收集雷電數據，并轉存到本地數據庫，實現對實時雷電數據的資料采集、存儲、統計、顯示等豐富功能，同時可自動生成多種雷電監測分析產品，本地雷電數據庫還為用戶執行進一步的統計分析提供了數據支持。該系統采用時差法和定向時差聯合法對云地閃進行定位，能夠區分閃電的正、負極性，定位精度在?500?m?以內［14］。

2?天氣概況

2022年5月24日，受低壓槽影響，北京市自西向東大部分地區出現多云轉雷陣雨天氣，局部地區雨量較大，雷電情況非常明顯。根據氣象學上的入夏標準，北京從5月17日開始連續5天的滑動平均氣溫已經穩定通過22°C，這意味著北京已于5月17日正式入夏。

一宣布入夏，北京5月24日就迎來了今夏的第一場降雨。多地雷聲隆隆，傍晚時分，京城大部分地區經歷了短時雷陣雨天氣，局部雨量較大。

降雨來得快去的也快，從5月24日14：00-17：00，全市平均降雨量0.6?mm，城區平均0.4?mm。同時降雨帶來的雷電也對市區造成了一定的影響。

3?個例分析

3.1?雷擊事件1

北京市東城區某古建筑區域于2022年5月24日16：24-16：30分遭受雷擊災害。雷擊造成中控室內的消防控制柜線路板被燒，配電柜內兩套浪涌保護器被擊損壞，建筑物內樓道10盞壁燈遭雷擊壞。遭雷擊后設備短時癱瘓，配電柜內浪涌保護器的柜內壁燒焦變黑。

古建筑群位于北京市東城區，建筑物周邊地勢較為平坦，古建筑自身較高（通身46.7?m），北側為較空曠的廣場，兩座較高的古建筑周邊1?000?m范圍內無其他高大建筑物。

建筑物自身裝有直擊雷防護裝置。室內中控室內配電柜內裝有浪涌保護器（參數在雷擊后無法識別）。因近期室內中控設備進行過升級改造工程，設備和配電設施相比之前檢測有較大出入，中控室內消防控制柜等設施均未做好接地及等電位連接的處理。

先后對遭受雷擊的部位：消防控制柜、配電柜等進行了測量雷擊剩磁情況（如圖1所示）。其中配電柜剩磁達到2.89?mT，消防控制柜剩磁為1.45?mT，根據《雷電災害調查技術規范》（QX/T?103-2017），同時考慮雷擊事發幾天后才進的勘察現場情況。雷擊剩磁會隨著時間衰減等因素符合雷擊剩磁判斷標準。

3.2?雷擊事件2

北京市東城區某公園于2022年5月24日16：24-16：27分遭受雷擊災害。雷擊造成中控室內監控設備短時重啟，園區內33個監控探頭不同程度雷擊損壞。

公園地勢平坦，占地面積169?800?m2，其中湖水面積63?800?m2，樹木1.6萬株，屬于現代公園。公園周邊距離高大建筑物很遠。

園區內公園管理處，水上樂園等建筑物安裝了直擊雷防護裝置。室內安裝有浪涌保護器。參數符合國家規范要求。

先后對室外所有監控探頭桿進行接地電阻檢測（如圖2所示）。測得的結果為園區內無死角的各個監控探頭桿共計82個均未接地處理。其中最低的接地電阻87Ω。連接設備的所有信號電源等線路未做屏蔽處理，有些線路埋地處理所用材質為PVC管。損壞的33個監控探頭遍布公園內湖的一周（如圖3所示）。也可以認為公園內湖10?m范圍內的監控探頭全部不同程度的雷擊損壞。

3.3?雷擊事件3

北京市東城區五四大街另一處國家級文物保護單位遭受雷擊侵害。根據工作人員口述情況，2022年5月24日下午4點23分左右遭受雷擊侵害后，門禁系統失效，無法控制。主要包含門禁影像識別設備，道閘控制器設備（如圖4所示）。遭受雷擊侵害后，全部安防監控設備丟失畫面約30?s，經過分析，雷擊造成POE網絡交換機內部供電模塊損壞。

根據現場觀察結合工作人員介紹，雷擊侵害發生后室內室外監控探頭并未出現物理性損害，內部完好可以正常工作，經簡單測試發現監控機房POE網絡交換機內部供電模塊損壞。在更換網絡交換機后，監控系統可以正常工作。室外監控探頭沒有安裝信號電涌保護器。

西平房監控設備機房內設置有防靜電地板，地板下敷設等電位連接裝置。通過監控室等電位端子箱接地。網絡機柜內POE網絡交換機未安裝適配的信號電涌保護器。

東平房監控設備機房內沒有防靜電地板，沒有等電位連接裝置。POE網絡交換機安裝在墻掛式配電箱中，未安裝適配的信號電涌保護器。

從圖5可以看出，三起雷擊事件呈豎向排列，間隔直線距離約1?km。雷擊時間和空間距離均很接近。

4?結合LDAP系統數據分析

經過對LDAP系統中調取5月24日雷擊時段的閃電監測數據，發現如下情況：5月24日從15：00-17：00之間，附近發生了183次云閃，35次地閃。16：20-16：30分間在以上同時間段的兩個雷擊點方圓5k半徑范圍內發生了2次地閃活動。分別為16：21：44發生的正地閃，強度為6.0361?KA；該日16：26：39發生的正地閃，強度為358.84?KA。根據對兩個雷擊現場工作人員的敘述情況和設備記錄故障時間推測是16：26：39發生強度為358.84?KA的正地閃造成的雷擊破壞。

將?2015?年?1?月—2016?年?12?月間發生的閃電按照逐月統計加權平均后表明，北京地區?6—9?月為閃電高發期，這4個月中發生的閃電平均占全年總閃電頻數的?93.90%，且負閃數大于正閃數。閃電頻數最大峰值出現在7月，占全年總閃電頻數的42.20%。另外，正、負閃，云、地閃的變化趨勢與總閃基本一致。北京地區夏季發生閃電頻數占全年總閃電的?81.25%，且以云閃為主；秋季閃電頻數較多，占全年總閃電數的13.34%，但閃電主要發生在9月；春季閃電僅占全年總閃電的5.39%；冬季幾乎沒有閃電發生［15］。

ADTD系統數據中針對2016年—2020年的數據進行分析，從中摘取一些比較有代表性的年份。在圖6、圖7、圖8中可以直觀對比出該地區閃電定位電的概率分布。在北京市東西城區的北部區域記錄的正負地閃情況相對明顯，尤其在北護城河一帶正負地閃的情況在總體數據中較為集中。圖釘標識為正地閃，旗標為負地閃。這次雷擊過程的其中兩起雷擊事故點正好也在北護城河周邊幾百米范圍內［16］。

6?分析雷擊原因

根據《雷電災害調查技術規范》（QX/T?103-2017）的技術要求，結合調查結果及災情統計情況，此次雷擊災害等級為一般雷電災害。

雷電感應產生強大電流沿線路進入配電柜和消防控制柜。造成浪涌保護器和線路板破壞，配電柜內的浪涌保護器被擊壞。所在位置消防柜的柜內壁被燒焦變黑。同時在距離900?m遠的公園內強大的雷電感應將沿湖周圍的33個監控探頭不同程度損壞，因為監控桿均未接地處理，又靠近湖水四周，所以感應雷電流破壞性較強。在相距不遠的另一處文物保護單位受雷擊侵害損壞的設備主要有3處：北門門禁道閘控制柜內部損壞、東側和西側平房監控設備機房網絡機柜POE網絡交換機供電模塊損壞。

7?結論

從這次一場降雨的同時間點的三次雷電災害中不難看出，感應雷擊的破壞性很強。三起雷擊事故點間隔的直線距離約1?000?m，發生時間點和閃電監測LDAP系統中記錄的時間點相對吻合。雖然LDAP系統中記錄的雷電流強度不是此次降雨過程中最大的一次地閃記錄，整體數據來看也不是最強，但閃電監測LDAP系統中數據記錄的落雷點周圍的三起遭雷擊現場都沒有做好相應的防雷接地、等電位連接和線路屏蔽系統防雷措施。導致相關設備并沒有受到應有的保護，均受損嚴重。

在北京近幾年的雷擊事件中比較多發的并不是直接雷擊的情況，而是閃電打到距離很近的位置，在雷電電磁脈沖作用下，產生了感應電流，對電子設備造成損壞。

對北京市東西城區近年來的雷擊數據統計分析，發現總的落雷走向大多都在古河道或大致水位線，其建筑物下的土壤電阻率較小，潮濕或水位高。尤其在北側護城河一帶每年都會或多或少的發生雷擊事故。我們認為，以上這些雷擊規律雖是北京城區的，但頗具普遍性，因而對防雷、防火很有參考價值。周邊現代建筑和各古建筑物的雷電災害防護要引起足夠重視，對其進行定期全面的防雷檢測是必要的。

參考文獻

[1] 錢慕暉，?李京校，?李如箭，?等.2005-2014?年北京市雷電災害特征分析[J].氣象與環境學報，2016，32（4）：126-131.

[2] 楊世剛，趙桂香，潘森，等.我國雷電災害時空分布特征及預警[J].自然災害學報，2010，19（6）：153-159.

[3] 羅少輝，汪家鵬，金欣，等.基于主成分分析和結構方程模型的青海高原雷電環境特征[J/OL].災害

學：1-10[2023-09-26].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/61.1097.P.20230509.1412.002.html

[4] 余田野，賀姍，張科杰等.基于改進層次分析法的湖北省雷電災害風險區劃[J].暴雨災害，2023，42（1）：88-96.

[5] 高燚，周方聰，勞小青.1999-2011年海南島雷電災害特征分析[J].自然災害學報，2014，23（5）：253-262.

[6] 甘璐，李津，鄧長菊，等.北京市電網雷害分布規律及風險評估[J].應用氣象學報，2014，25（4）：499-504.

[7] 張華明，楊世剛，張義軍，等.古建筑物雷擊災害特征[J].氣象科技，2013，41（4）：758-763.

[8] 顧麗華，蔡云泉，李嘉鵬，等.德清縣雷電時空分布特征及雷擊災害風險區劃[J].氣象與環境學報，2012，28（4）：73-78.

[9] 邢天放，鄭文佳，周承等.浙江省加油加氣站雷電災害特征及防護分析[J].建筑電氣，2023，42（3）：42-45.

[10] 王業斌，李金奎，王皓等.皖南山區地面氣象觀測站（室）雷電災害原因分析及防護對策[J].氣象與環境科學，2022，45（5）：105-11.

[11] 邢天放，張衛斌，鄭文佳等.杭州市酒店雷電災害特征及防雷裝置問題分析[J].浙江氣象，2022，43（1）：37-44.

[12] 郭虎，熊亞軍，付宗鈺，等.北京市自然雷電與雷電災害的時空分布[J].氣象，2008，34（1）：12-17.

[13]? 王娟，?諶蕓.?2009-2012年中國閃電分布特征分析[J].氣象，2015，41（2）：?160-170.

[14]? 郭潤霞，王迎春，張文龍，等.基于VLF/LF三維閃電監測定位系統的北京閃電特征分析[J].熱帶氣象學報，2018，34（3）：393-400.

[15] ?任照環，李衛平，曾宇，等.基于ADTD閃電定位資料的重慶市地閃特征分析[J].氣象與環境學報，2022，38（3）：144-149.

[16] 王時煦，于倬云，白麗娟.故宮博物院的防雷歷史與經驗總結[C]//中國紫禁城學會論文集（第三輯）.北京：中國紫禁城學會論文集，2000：390-399.