基于LFEDA的一次“晴天霹靂”雷災(zāi)事故特征分析

殷啟元,周文生,陳易昕

(1.廣東省氣象公共安全技術(shù)支持中心，廣東 廣州 510080;2.廣州市防雷減災(zāi)管理辦公室，廣東 廣州 510080)

1 引言

氣象災(zāi)害帶來的威脅越來越大，防災(zāi)減災(zāi)工作也越來越重要，尤其是雷電災(zāi)害，在很多國(guó)家一直以來對(duì)雷擊造成的傷亡和損失進(jìn)行著研究(Lo′pez RE et al,1998; Coates L et al,1993; Elsom DM,2001;Dlamini WM,2009)。據(jù)我國(guó)氣象部門的統(tǒng)計(jì)資料，雷電災(zāi)害已成為我國(guó)危害程度僅次于暴雨洪澇、氣象地質(zhì)災(zāi)害的第三大氣象災(zāi)害。雷電災(zāi)害在空間上與雷閃頻數(shù)和雷電強(qiáng)度均沒有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，雷災(zāi)的發(fā)生不僅與雷暴自身活動(dòng)有關(guān)，還可能受諸多其他因素的影響(董靈英,2012)。高磊等對(duì)全國(guó)各省市(港澳臺(tái)除外)從1998—2007年的雷災(zāi)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，決定一個(gè)地區(qū)的雷擊人身傷害風(fēng)險(xiǎn)的高低，不僅與當(dāng)?shù)氐臍夂蛴嘘P(guān)，還與當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛?、植被及人民的生產(chǎn)生活方式有關(guān)[6]。徐彬彬[7]等依據(jù)《1998—2009年全國(guó)雷電災(zāi)害匯編》建立全國(guó)雷電災(zāi)害數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)華南地區(qū)雷電造成500萬元以上的嚴(yán)重災(zāi)害廣東省是最多的。目前廣東雷災(zāi)事故數(shù)量總體呈下降的趨勢(shì),電子信息系統(tǒng)雷災(zāi)發(fā)生事故逐年增加,雷災(zāi)導(dǎo)致人員傷亡事件逐年減少，農(nóng)村因雷災(zāi)死亡人數(shù)遠(yuǎn)比城鎮(zhèn)要高，農(nóng)村防雷是現(xiàn)階段的重點(diǎn)和難點(diǎn)[8]。

雷電通常情況下是產(chǎn)生于積雨云里，伴隨閃光和雷鳴的一個(gè)自然放電現(xiàn)象。從安全的角度來看，閃電從云邊向外延伸出去，沒有雷聲，甚至致人傷亡，這種現(xiàn)象都是不可思議的。Michael Cherington[9]等人首先提出了“晴天霹靂(bolt from the blue)(Michael Cherington,E et al ,1997)，看似有些口語化的感覺，但是非常形象。

近年來，廣東發(fā)生多次農(nóng)村人員在雷雨來臨前后遭受雷擊傷亡事件，如2016年5月5日，廣州市增城區(qū)2人在雷雨來臨前，改建民舍屋頂遭雷擊，當(dāng)場(chǎng)死亡；2016年7月26日，廣州市白云區(qū)1人在雷雨云團(tuán)消散時(shí)段，荔枝林菜地躲避過程中遭雷擊倒地身亡；2017年6月3日，廣州市從化區(qū)1人在雷雨來臨前，農(nóng)田巡視過程中遭雷擊倒地身亡。本文主要以2017年6月3日雷擊事故為例，利用閃電低頻電場(chǎng)變化陣列和廣東省電力雷電定位系統(tǒng)，結(jié)合廣州番禺氣象雷達(dá)站單站資料對(duì)此次雷擊事故詳細(xì)剖析“晴天霹靂”BOLT放電過程，并給出對(duì)農(nóng)村防雷安全工作指導(dǎo)和提醒。

2 事故回顧

2017年6月3日上午，廣州市從化區(qū)以晴到多云為主，午后大部分地區(qū)多云轉(zhuǎn)雷陣雨。16時(shí)36分左右，太平鎮(zhèn)高田村平山社村民吳某與目擊者在農(nóng)田和荔枝林巡視，據(jù)目擊者描述，此時(shí)天氣晴朗，頭頂上方云較少，旁邊有一片荔枝林和一小簇竹林以及一條小河溝，突然吳某當(dāng)場(chǎng)倒地，頭發(fā)燒焦，腦門有小孔，全身發(fā)黑，衣服燒焦，褲包中的手機(jī)與皮肉融成一塊，此時(shí)目擊者距離死者吳某10 m左右。事后經(jīng)氣象部門現(xiàn)場(chǎng)勘查，未發(fā)現(xiàn)明顯的雷擊點(diǎn)，在死者倒地位置1 m處有一棵目測(cè)為13 m左右大樹，該樹為周圍最高，樹上方部分枝葉有燒灼痕跡，距離該樹4.5 m處另外一顆高約8 m的樹同樣有樹葉燒灼痕跡，兩樹周圍仍有部分樹枝、樹皮掉落，現(xiàn)場(chǎng)遺留的帽子上有倆個(gè)疑似燒灼的洞，現(xiàn)場(chǎng)附近無鐵磁件，無法進(jìn)行剩磁測(cè)試。經(jīng)法醫(yī)到場(chǎng)勘察檢驗(yàn)，初步認(rèn)定死者符合雷擊死亡特征。圖1為本次雷擊事故現(xiàn)場(chǎng)情況示意圖。

圖1 雷擊現(xiàn)場(chǎng)情況示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of lightning struck

3 資料與方法

廣州市從化地區(qū)閃電觀測(cè)數(shù)據(jù)主要有閃電低頻電場(chǎng)變化陣列和廣東省電力雷電定位系統(tǒng)兩套系統(tǒng)。閃電低頻電場(chǎng)變化陣列(Low Frequency Electric field Detection Array，簡(jiǎn)稱LFEDA)由10個(gè)電場(chǎng)變化探測(cè)子站組成，分布在從化市以及從化市周邊，該系統(tǒng)由中國(guó)氣象科學(xué)研究院2015年組網(wǎng)建設(shè)完成，各子站的電場(chǎng)變化探頭采用的是傳統(tǒng)的閃電快電場(chǎng)變化測(cè)量?jī)x(Krehbiel et al.,1979)，帶寬為160Hz～600KHz，時(shí)間常數(shù)為1ms；不同子站之間通過時(shí)間精度為50ns的GPS時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)同步。采集設(shè)備的采樣位數(shù)為12位，采樣率為10MHz，采樣時(shí)長(zhǎng)為1ms，預(yù)觸發(fā)位置為20%。

廣東省電力雷電定位系統(tǒng)(Guangdong Lightining Location System，簡(jiǎn)稱LLS)，共有16個(gè)定向定位和時(shí)差定位綜合探測(cè)站，1個(gè)中央處理機(jī)和28個(gè)雷電信息分析顯示終端構(gòu)成。盡量減小各種復(fù)雜因素造成的定位精度誤差，LLS 定位誤差存在明顯的地區(qū)差異,珠江三角洲一帶定位精度較高,粵北和粵東山區(qū)及粵西南定位精度稍差，這主要和雷電探測(cè)站分布緊密情況，站與站之間距離和地勢(shì)等因素有關(guān)[8]。

廣州番禺氣象雷達(dá)站于2001年進(jìn)入業(yè)務(wù)試運(yùn)行階段，該雷達(dá)為新一代多普勒天氣雷達(dá)，其最大探測(cè)距離半徑為460 km，具有良好的多普勒測(cè)速能力，對(duì)暴雨、冰雹、龍卷風(fēng)等災(zāi)害性天氣有很強(qiáng)的監(jiān)測(cè)和預(yù)警能力，包括了災(zāi)害性天氣的絕大部分的監(jiān)測(cè)和預(yù)警內(nèi)容；多普勒雷達(dá)還具有良好的定量測(cè)量回波強(qiáng)度的性能，可以定量估測(cè)大范圍降水，每6 min完成一次完整體掃，生成產(chǎn)品約76種[11]。

4 數(shù)據(jù)與分析

4.1 雷暴天氣分析

6月3日，廣州市從化地區(qū)以晴到多云為主，500 hPa高度場(chǎng)有西風(fēng)短波槽東移過境，850 hPa高度場(chǎng)受偏西南風(fēng)場(chǎng)控制，地面受低壓槽控制，并有弱冷空氣滲透影響，造成了不穩(wěn)定天氣潛勢(shì)，午后的熱力對(duì)流易激發(fā)出雷雨過程。

據(jù)廣州雷達(dá)回波圖顯示，6月3日16時(shí)40分左右有分散的雷雨云團(tuán)開始從白云區(qū)方向移進(jìn)從化區(qū)太平鎮(zhèn)，17時(shí)30分基本移出太平鎮(zhèn)。據(jù)自動(dòng)氣象站監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)顯示，離太平鎮(zhèn)高田村最近的太平飛鵝站16時(shí)50分開始錄得0.5 mm降水，到17時(shí)30分錄得雨量8 mm。

根據(jù)廣東省電力雷電定位系統(tǒng)資料顯示，雷災(zāi)事故發(fā)生地點(diǎn)(23°24′31″N，113°31′44″E)16時(shí)35分—17時(shí)05分，該地點(diǎn)附近3 km半徑范圍內(nèi)發(fā)生閃電55次，17時(shí)05分后逐漸減少。16時(shí)35分08秒—36分49秒，閃電較為密集，電流強(qiáng)度在8～30 kA之間。圖2為事故發(fā)生地1 km半徑范圍雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)圖2所點(diǎn)出來位置離事故發(fā)生點(diǎn)最近，時(shí)間為2017年6月3日16點(diǎn)36分49秒，電流強(qiáng)度為-30 kA，因此可以確定致人死亡閃電過程發(fā)電時(shí)間和電流強(qiáng)度。

圖2 事故發(fā)生地1 km半徑范圍雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖(時(shí)間16時(shí)36分—16時(shí)37分)Fig.2 Lightning location data of 1km radius range in the accident place(time：16∶36—16∶37)

4.2 放電過程分析

根據(jù)此次雷災(zāi)事故初步判斷的時(shí)間和位置，基于時(shí)間到達(dá)法(TOA)利用LFEDA的探測(cè)數(shù)據(jù)，給出此次云地閃過程發(fā)展形態(tài)以及放電事件的準(zhǔn)確位置，此次共定位到31個(gè)放電事件，其相應(yīng)事件和位置見表1，結(jié)合2017年6月3日16時(shí)36分廣州雷達(dá)資料，得到LFEDA探測(cè)點(diǎn)疊加雷達(dá)基本反射率切面圖(左圖為平面顯示器PPI，右圖為高度指示器RHI)見圖3。RHI圖是沿著PPI圖的虛線處剖切，可以清晰的看到兩套探測(cè)系統(tǒng)對(duì)于同時(shí)間的擊中地面位置重合。

表1 LFEDA的探測(cè)數(shù)據(jù)(2017年6月3日16點(diǎn)36分49秒)Tab.1 Exploratory Data of LFEDA(16∶36∶49,June 3,2017)

從圖3看出此次地閃過程的發(fā)展形態(tài)，云內(nèi)開始發(fā)展初始放電，接著延伸出云砧，傾斜擊中地面，雷擊點(diǎn)頭頂上方云底高度大概為3 km，與目擊者講述的事故發(fā)生時(shí)頭頂上云少相符合，因此可以確定此次雷災(zāi)事故是典型的“晴天霹靂”傷人事件。研究者發(fā)現(xiàn)，“晴天霹靂”通常是從云的側(cè)面出現(xiàn)，然后它們可能會(huì)在很長(zhǎng)的水平通道上經(jīng)過數(shù)英里，最后才能到達(dá)地面(NOAA)。

圖3 LFEDA探測(cè)點(diǎn)疊加雷達(dá)基本反射率切面圖(左圖為PPI，右圖為RHI)紅色▲為雷擊點(diǎn)；彩色*為云地閃放電輻射點(diǎn)，藍(lán)色為最初，紅色為中期，綠色為晚期；右邊色帶代表為雷達(dá)基本反射率強(qiáng)度(dBZ)Fig.3 Sectional view of radar basic reflectivity and LFEDA exploratory data(Left:PPI,Right:RHI) Red▲is lightning point,Color*is cloud to ground lightning discharge radiation point (Blue is the initial, the red is the medium,and the green is the advanced),The legend on the right represents the radar basic reflectivity intensity (dBZ)

對(duì)于閃電基本上都會(huì)持續(xù)一秒以上并伴有很多分叉，通常只有一個(gè)路徑接地，但是研究表明有1/3到1/2的地閃過程有多個(gè)接地點(diǎn)[13]。從圖3的PPI也可以看出此次地閃過程在擊中地面的同時(shí)，云內(nèi)也有同一時(shí)刻的放電事件發(fā)生，說明此次地閃過程不止一個(gè)接地點(diǎn)。一種理論認(rèn)為，最初的一部分放電事件排斥后來的放電電荷，使其在別處放電(HE Edens et al，2007)。

5 結(jié)論

本文根據(jù)LFEDA多個(gè)探測(cè)站資料，依據(jù)廣東省電力雷電定位系統(tǒng)地閃資料，以及結(jié)合氣象雷達(dá)基本反射率資料，確認(rèn)此次雷災(zāi)事件是一次負(fù)地閃過程造成，放電過程是最初在云內(nèi)初始放電，延伸出雷暴云砧，再到地面，電流強(qiáng)度30.9 kA，為典型的“晴天霹靂”(Bolt From Blue)雷電過程。并且推斷本次地閃過程不止一個(gè)接地點(diǎn)。

由于這種現(xiàn)象的存在，造成雷災(zāi)發(fā)生的不確定性，尤其對(duì)處于戶外的人身財(cái)產(chǎn)的安全危害性更大，因此農(nóng)村防雷依然是落實(shí)安全生產(chǎn)、防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)工作，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全的重要方面。農(nóng)村防雷脆弱主要三大原因，一是科學(xué)認(rèn)識(shí)雷電天氣現(xiàn)象不夠，雷擊的防護(hù)意識(shí)淡薄；二是農(nóng)忙季節(jié)是我國(guó)雷電發(fā)生概率增高的時(shí)段；三是農(nóng)村主要為較為空曠的野外，容易導(dǎo)致人員傷亡的雷擊事故發(fā)生。農(nóng)村或戶外活動(dòng)防雷要做到“兩個(gè)三十”，即第一在雷雨天氣，從看到閃電時(shí)開始，心中默數(shù)30 s聽到雷鳴，說明此時(shí)正處于雷電的高危險(xiǎn)區(qū)域，要立即躲避；第二距最后的一次聽到雷鳴，過了30 min后，再也沒有出現(xiàn)打雷現(xiàn)象，說明已經(jīng)處在一個(gè)相對(duì)安全的環(huán)境里，可以放心進(jìn)行戶外活動(dòng)。

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