閃電定位數(shù)據(jù)在雷電災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用

陳星宇,馬端良

(山東省煙臺經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)氣象局,山東 煙臺 264006)

1 引言

雷電災(zāi)害是“聯(lián)合國國際減災(zāi)十年”公布的影響人類活動的嚴(yán)重災(zāi)害之一[1]。做好雷電災(zāi)害的調(diào)查分析能為雷電的防御方法提供科學(xué)證據(jù)，指導(dǎo)科學(xué)防御雷電實(shí)踐論證。此外，雷電災(zāi)害調(diào)查還涉及保險(xiǎn)公司與參保單位的理賠事宜。全面科學(xué)的雷電災(zāi)害調(diào)查既是防災(zāi)減災(zāi)的基礎(chǔ)工作，也是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的迫切需要。

應(yīng)用閃電定位數(shù)據(jù)可以確定雷電發(fā)生的時間、位置、強(qiáng)度、極性等。結(jié)合雷電災(zāi)害調(diào)查中剩磁法的使用，可以幫助判斷災(zāi)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(shí)用的方法，但在實(shí)際中由于雷擊點(diǎn)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(shí)用范圍受到很大限制，所以兩者結(jié)合才能發(fā)揮最佳效果。

《雷電災(zāi)害調(diào)查技術(shù)規(guī)范》(QX/T103-2009)中對雷電災(zāi)害調(diào)查的內(nèi)容進(jìn)行了說明，包含對氣象因素、環(huán)境因素、歷史因素、防雷裝置及設(shè)備因素、雷電災(zāi)害事故現(xiàn)場因素的調(diào)查[2]，但未對如何應(yīng)用閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行雷災(zāi)判斷做詳盡的描述。國內(nèi)和國際上利用閃電定位進(jìn)行雷電災(zāi)害調(diào)查的案例不多，尤其在確定雷擊點(diǎn)與災(zāi)害地的距離和確定哪次雷擊是災(zāi)害的主因上的研究更少。

2 資料與方法

本文閃電定位數(shù)據(jù)來源于山東省氣象局，山東省氣象部門自2006年下半年建設(shè)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(qū)域。該系統(tǒng)時鐘同步精度可達(dá)到0.1 μs，定位精度可達(dá)到300 m。該系統(tǒng)能識別云閃和地閃，監(jiān)測數(shù)據(jù)遍及整個覆蓋區(qū)域，是非固定的。監(jiān)測數(shù)據(jù)以txt文件存儲，每列包含地閃發(fā)生的時間、經(jīng)度、緯度位置、電流峰值和極性等，所采用的數(shù)據(jù)經(jīng)過了初步的質(zhì)量控制。

要確定災(zāi)害是否由雷擊引起，需要對災(zāi)害發(fā)生地一定水平距離內(nèi)的落雷情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，通過災(zāi)害出現(xiàn)的類型如建筑物損壞、設(shè)備損壞、人員生命危險(xiǎn)等確定雷擊的影響范圍，然后將這一范圍內(nèi)的雷擊從眾多閃電定位數(shù)據(jù)中提取出來，逐個分析每個雷擊可能造成的影響。并結(jié)合雷電流幅值、落雷時間、設(shè)備的損壞形式、剩磁等因素進(jìn)行分析判斷。在進(jìn)行落雷點(diǎn)與事故地的距離計(jì)算時，需要測量事故地的經(jīng)緯度，因?yàn)長LS系統(tǒng)中閃電位置是以經(jīng)緯度表示的，方便后期對閃電定位儀記錄的落雷點(diǎn)與事故地之間的距離進(jìn)行計(jì)算。

3 雷擊點(diǎn)與雷電災(zāi)害發(fā)生地水平距離的判定

雷擊點(diǎn)是否與災(zāi)害發(fā)生地有直接的關(guān)聯(lián)，要具體情況具體分析，這與防護(hù)措施的效果，災(zāi)害發(fā)生時的周圍環(huán)境、設(shè)備的抗干擾措施等有關(guān)。下面列出兩種閃電類型下，如何甄選出可能影響災(zāi)害發(fā)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(xiǎn)的距離

根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)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(gòu)筑物的出入口行人道的距離不應(yīng)小于3 m，依據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)，假定雷擊建筑物引起損害、人員生命危險(xiǎn)的水平距離為3 m以內(nèi)[3]。

3.2 輻射電磁場引起設(shè)備損壞的距離

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

假設(shè)發(fā)生災(zāi)害時，雷擊點(diǎn)的雷電流幅值按200 kA考慮，這一幅值是第一類建筑物進(jìn)行雷電防護(hù)時最大的雷電流,則雷擊點(diǎn)與設(shè)備的水平距離在5.7 km以內(nèi)時，磁場強(qiáng)度大于0.07 GS，計(jì)算機(jī)出現(xiàn)誤動作或者損壞。根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)，大于200 kA的雷電流發(fā)生的概率是非常小的[4]。

雷擊點(diǎn)周邊產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度可由(1)式計(jì)算：

H0=i0/2πSa

(1)

式中i0—LPZ0A區(qū)的雷電流，單位為安培(A);

Sa—從雷擊點(diǎn)到屏蔽空間中心的距離，單位為(m)。

由于閃電定位系統(tǒng)的測量精度為300 m，在進(jìn)行落雷點(diǎn)計(jì)算時可能與實(shí)際的落雷點(diǎn)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(qū)域內(nèi)的雷擊視為影響災(zāi)害發(fā)生地的雷擊。這個范圍的雷擊有部分是對災(zāi)害的發(fā)生不起作用的，在后期的分析中應(yīng)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(jiān)測精度不是本文討論的重點(diǎn)。

4 任意兩點(diǎn)經(jīng)緯度之間的距離計(jì)算

地球是一個近乎標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(jīng)線為基準(zhǔn)，根據(jù)地球表面任意兩點(diǎn)的經(jīng)緯度就可以計(jì)算出這兩點(diǎn)間的地表距離(這里忽略地球表面地形對計(jì)算帶來的誤差，僅僅是理論上的估算值)。設(shè)第1點(diǎn)A的經(jīng)緯度為(LonA, LatA)，第2點(diǎn)B的經(jīng)緯度為(LonB, LatB)，按照0°經(jīng)線的基準(zhǔn)，東經(jīng)取經(jīng)度的正值，北緯取90-緯度值(90-Latitude)，則經(jīng)過上述處理過后的2點(diǎn)被計(jì)為(MLonA, MLatA)和(MLonB, MLatB)。那么根據(jù)三角推導(dǎo)，可以得到計(jì)算2點(diǎn)距離的如下公式：

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

2點(diǎn)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(shù)據(jù)中包含全省大范圍的監(jiān)測數(shù)據(jù)，為了方便選取，應(yīng)用MATLAB中的Distance函數(shù)，Distance函數(shù)的用法如下:

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

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

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(chǎn)系統(tǒng)癱瘓達(dá)數(shù)小時。

根據(jù)閃電定位資料，全省當(dāng)日共發(fā)生地閃數(shù)為3 083次，混凝土攪拌站5.7 km范圍內(nèi)的地閃數(shù)為36次且均為負(fù)閃。幅值最大的為-25.939 kA，它可使雷擊點(diǎn)0.74 km內(nèi)的設(shè)備產(chǎn)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(zāi)害點(diǎn)5.7 km內(nèi)所有落雷點(diǎn)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(xiàn)場的關(guān)聯(lián)需考慮以下3個方面:①落雷點(diǎn)與事故發(fā)生地的水平距離。

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

由表1可知， F1～F3閃擊發(fā)生的時間與事故發(fā)生時的時間基本吻合，閃電F1距事故地點(diǎn)285.8 m，F(xiàn)2、F3均在1.1 km(0.74 km加上探測誤差300 m)之內(nèi)。F1、F2、F3閃擊使得事故中心點(diǎn)處產(chǎn)生的電磁場強(qiáng)度分別為0.148、0.037、0.039 GS,從數(shù)值看F2、F3雷擊的電磁輻射未達(dá)到對設(shè)備造成損壞的程度，F(xiàn)1足以使電子設(shè)備誤動作或者損壞，F(xiàn)4雖然雷電流幅值較大，但從時間和離事故地距離分析，F(xiàn)4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(guān)參數(shù)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(jié)合落雷點(diǎn)的閃電特點(diǎn)，可以判定此次事故是由雷擊造成的。

實(shí)際的落雷點(diǎn)與監(jiān)測的落雷點(diǎn)存在偏差，表象上F1閃電是最有可能造成這次事故的，因?yàn)槁淅c(diǎn)距事故地較近，電磁輻射強(qiáng)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(jié)論與討論

閃電定位資料能夠彌補(bǔ)地面站點(diǎn)布局和人員觀測的局限。在雷電災(zāi)害調(diào)查時，體會如下：

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

②地面站要及時記錄災(zāi)害發(fā)生的時間，為判斷可能引起災(zāi)害的閃電提供補(bǔ)充依據(jù)

③利用剩磁法進(jìn)行調(diào)查時，要確保災(zāi)害現(xiàn)場不被破壞，同時視災(zāi)害情況判斷能否使用該方法。

隨著閃電定位系統(tǒng)精度提高，以及更優(yōu)化的經(jīng)緯度計(jì)算，就能更有效的判斷雷電災(zāi)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(guī)律與易閃性分析[J].氣象科技，2009,37(6):734-738.

[2] QX/T103-2009.雷電災(zāi)害調(diào)查技術(shù)規(guī)范 [S].

[3] GB50057-2010.建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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