近10 年海南省雷電災(zāi)情及其對閃電定位性能的評估

侯安校，周方聰，鄧發(fā)斌，王康平

（1.海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，?？?570203；2.海南省氣象科學(xué)研究所，?？?570203；3.海南省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，?？?570203；4.海南祥云雷電防護有限公司，?？?570203）

引言

雷電災(zāi)害被聯(lián)合國國際減災(zāi)十年委員會列為“最嚴(yán)重的十種自然災(zāi)害之一”，被國際電工委員會稱為“電子時代的一大公害”。我國雷電災(zāi)害造成的人員傷亡和經(jīng)濟損失十分嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計，1997—2006年雷災(zāi)造成我國4488 人死亡、4320 人受傷［1］；2012—2017 年全國雷災(zāi)事故呈逐年下降趨勢，期間仍造成1495 人傷亡，年平均直接經(jīng)濟損失達到9600 萬元以上［2］。許多學(xué)者對有關(guān)省區(qū)的雷災(zāi)特征進行研究，發(fā)現(xiàn)廣東雷電傷亡事件最多發(fā)生在農(nóng)田［3－4］，云南雷擊人員傷亡主要發(fā)生在農(nóng)村［5－6］，內(nèi)蒙古地區(qū)雷擊人員傷亡主要發(fā)生在農(nóng)村牧區(qū)的戶外環(huán)境，雷電災(zāi)害造成電子電器設(shè)備損壞次數(shù)最多［7］，海南島人員傷亡雷災(zāi)事故最多發(fā)生在田野和簡易工棚，雷災(zāi)造成的直接經(jīng)濟損失中酒店類最多［8］，浙江遭受雷災(zāi)最多的行業(yè)是制造業(yè)［9－10］，江蘇雷災(zāi)經(jīng)濟損失涉及的行業(yè)主要是石油化工、制造業(yè)等［11］，廣西南寧市雷災(zāi)中農(nóng)村以人員傷亡為主，城市則以經(jīng)濟損失為主［12］，另外，陳丹等［13］以賓陽縣為例，分析了廣西農(nóng)村雷災(zāi)特征及其成因。

雷災(zāi)是海南省僅次于熱帶氣旋的氣象災(zāi)害［14］，當(dāng)考慮人口權(quán)重時海南省的雷災(zāi)人員死傷率最高［1］。據(jù)統(tǒng)計，1999—2011 年，海南省雷擊導(dǎo)致了405 人傷亡，平均每年雷擊傷亡31.2 人［8］。陳哲等［15］從地形、土壤電阻率等方面探討了海南省雷災(zāi)的影響因素。這些研究對做好海南省防雷減災(zāi)工作具有很強的指導(dǎo)意義，但是隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展和進步，2012 年以來海南省雷災(zāi)變化趨勢如何？與之前十年相比有無變化？此外，雷災(zāi)資料除了用于分析雷災(zāi)特征和雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃［16－18］外，還可以用于評估閃電定位性能［19－20］。海南省閃電定位系統(tǒng)自2007 年投入業(yè)務(wù)運行，2009 年進行了升級，但升級后沒見對其進行性能評估的報道。因此，本文利用2012—2020 年全國雷電災(zāi)害匯編資料和2021 年海南省雷災(zāi)調(diào)查數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析2012—2021 年海南省雷災(zāi)特征，并將其與1999—2011 年雷災(zāi)特征進行對比，同時利用近10a 雷災(zāi)數(shù)據(jù)信息，評估海南省地閃定位網(wǎng)對回?fù)舻奶綔y效率和定位距離精度，分析造成雷災(zāi)事故的地閃回?fù)舻臉O性、強度和陡度等參數(shù)特征，以期為海南省雷電防御工作提供參考依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 雷災(zāi)資料

2012—2020 年海南省雷災(zāi)數(shù)據(jù)取自《全國雷電災(zāi)害匯編》，2021 年海南雷災(zāi)數(shù)據(jù)來自海南氣象部門雷災(zāi)調(diào)查報告?！度珖纂姙?zāi)害匯編》每年1 冊，包含當(dāng)年全國各省、直轄市、自治區(qū)（不含港澳臺）雷災(zāi)信息，包括雷災(zāi)發(fā)生日期、時間、地點、人員傷亡和財產(chǎn)損失情況，部分雷災(zāi)信息還包含雷災(zāi)發(fā)生地的經(jīng)緯度和雷災(zāi)原因等信息，但也有一些雷災(zāi)信息缺失具體時間、地點或雷災(zāi)損失情況等記錄。

1.2 地閃定位資料

地閃定位資料來自海南省ADTD 閃電定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)由?？凇偤?、三亞、東方、瓊中、永興島等6 個站組成，有3 種定位方式，分別是二站定位、三站定位和四站及以上定位方法［19］，能監(jiān)測地閃回?fù)?，并給出回?fù)舭l(fā)生的經(jīng)緯度和極性、強度、陡度等信息，回?fù)籼綔y效率為90%，探測精度500m。陳有龍等［20］利用雷暴人工觀測和雷災(zāi)等資料，檢驗分析了2007—2008 年海南省閃電定位數(shù)據(jù)，結(jié)果表明閃電定位數(shù)據(jù)可信度基本達到應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 地閃回?fù)襞c雷災(zāi)地點的距離計算

利用百度地圖開放平臺的坐標(biāo)拾取器功能，根據(jù)雷災(zāi)具體地點獲取其經(jīng)緯度信息。再根據(jù)兩點的經(jīng)緯度計算閃電定位的地閃回?fù)襞c雷災(zāi)地點之間的距離，計算公式如下：

其中，d 是閃電定位回?fù)襞c雷災(zāi)地點之間的距離；R 是地球半徑，取值6371km；lon1 和lat1 是地閃回?fù)舻慕?jīng)緯度；lon2 和lat2 是雷災(zāi)地點的經(jīng)緯度。在實際計算兩點經(jīng)緯度距離時，需轉(zhuǎn)化為弧度（即：×π／180）。

2 結(jié)果與分析

2.1 雷災(zāi)特征及其變化

2.1.1 雷災(zāi)概況

2012—2021 年，海南省記錄到52 起雷災(zāi)事件（見表1），其中造成人員傷亡的雷災(zāi)數(shù)19 起，共造成28 人傷亡，其中19 人死亡、9 人受傷；僅造成經(jīng)濟財產(chǎn)損失的雷災(zāi)數(shù)32 起，直接經(jīng)濟損失304.53萬元、間接經(jīng)濟損失194.7 萬元。

表1 2012—2021 年海南省雷災(zāi)事故情況

2.2 雷災(zāi)時空分布特征及其變化

2.2.1 雷災(zāi)時間分布特征及其變化

近10a 海南省雷災(zāi)數(shù)比1999—2011 年［8］大幅下降（圖1a），年平均雷災(zāi)數(shù)由56 起下降到5.2 起，這與浙江［9］和廣西南寧［12］的雷災(zāi)下降趨勢是一致的，可能與防雷科學(xué)知識的逐漸普及和防雷設(shè)施的不斷完善有關(guān)。近10a 海南省雷災(zāi)主要發(fā)生在春季（占比55.8%）和夏季（36.5%），秋季雷災(zāi)很少（7.7%），冬季沒有雷災(zāi)記錄（圖1b）；而1999—2011年海南省雷災(zāi)最多發(fā)生在夏季（56.4%）和春季（31%），其次是秋季（12.3%），冬季最少（0.2%）。近10a 海南省雷災(zāi)發(fā)生在3—10 月（圖1c），集中發(fā)生在4—9 月（占比94.2%），雷災(zāi)月分布呈現(xiàn)雙峰值特征，雷災(zāi)在5 月發(fā)生最多（占比40.4%），7—8 月為雷災(zāi)發(fā)生次峰期（占比30.8%），這與海南省地閃活動月分布的雙峰（峰值分別出現(xiàn)于5 月和8 月）特征［21］是一致的；1999—2011 年雷災(zāi)呈單峰值特征，最多發(fā)生在6 月。近10a 海南省雷災(zāi)主要發(fā)生在06—19 時（占比95.6%，北京時，下同），其中午后（13—19 時）是雷災(zāi)高發(fā)期（占比82.2%），并以14—18 時最為集中（占比77.8%），雷災(zāi)日分布時間峰值為15—16 時（占比48.9%），這也與海南省地閃日分布于16 時左右達到峰值［21］的特點相對應(yīng)；近10a 海南省雷災(zāi)日分布特征與1999—2011 年相比沒有變化（圖1d）。

2.1.2 雷災(zāi)空間分布特征及其變化

近10a 海南省19 個市縣，除三亞、三沙、臨高、五指山、保亭等5 個市縣沒有雷災(zāi)記錄外，其余14個市縣均發(fā)生過雷災(zāi)事故。由圖2 可見，近10a 海南省雷災(zāi)在空間上主要發(fā)生在北部的?？凇⒊芜~和東北部的瓊海、文昌以及西部的東方、中部的瓊中。1999—2011 年海南省雷災(zāi)主要發(fā)生在北部的?？?、中部的瓊中和五指山以及東部沿海的萬寧、瓊海、陵水和文昌。

2.2 雷擊人員傷亡和財產(chǎn)損失特征

2.2.1 雷擊人員傷亡特征

海南省近10a 記錄的19 起人員死亡雷災(zāi)事故大部發(fā)生在農(nóng)村或農(nóng)場（占比94.7%），僅有1 起發(fā)生在?？谑袇^(qū)的某建筑工地。雷擊人員傷亡事故發(fā)生場所環(huán)境依次主要是田野勞作（5 起）、水邊（中）捕魚或鹽田作業(yè)（3 起）、農(nóng)村民居或簡易窩棚（2起）、建筑工地施工（2 起）、大樹附近（1 起），另有6起發(fā)生在農(nóng)村農(nóng)場的人員傷亡雷災(zāi)事故沒有具體場所信息記錄。

2.2.2 雷擊財產(chǎn)損失特征

財產(chǎn)損失雷災(zāi)（表2）依次主要發(fā)生在農(nóng)村農(nóng)場（35.5%）、城鎮(zhèn)小區(qū)（22.6%）、企業(yè)（22.6%）、機關(guān)單位（16.1%）、酒店（3.2%）。在雷擊造成的經(jīng)濟損失（含直接經(jīng)濟損失和間接經(jīng)濟損失）中，企業(yè)占比最大（40.95%），其次是農(nóng)村農(nóng)場（37.03%）和機關(guān)單位（16.94%），最后是城鎮(zhèn)小區(qū)（4.84%）和酒店（0.24%）。雷擊最主要導(dǎo)致電子電氣設(shè)備損壞，其次是造成電梯系統(tǒng)和供配電系統(tǒng)及建筑物受損，此外雷擊有時也會導(dǎo)致牲畜死亡和起火（見表3）。

表2 2012—2021 年海南省雷災(zāi)行業(yè)領(lǐng)域分布情況

表3 2012—2021 年海南省雷災(zāi)導(dǎo)致的資產(chǎn)受損情況

2.3 閃電定位性能評估及雷災(zāi)回?fù)魠?shù)

2.3.1 地閃回?fù)籼綔y效率和定位距離精度評估

近10a 能獲取到具體發(fā)生時間和經(jīng)緯度信息的雷災(zāi)事故共30 起，利用這30 起雷災(zāi)事故對海南閃電定位系統(tǒng)性能進行評估。考慮到雷災(zāi)記錄時間的不確切性，雷災(zāi)實際發(fā)生時間和雷災(zāi)記錄時間之間普遍存在一定的誤差，本文分別取雷災(zāi)記錄時間前后10min、20min 和30min 等3 種情形的閃電定位資料，來判定造成雷災(zāi)的回?fù)?，并評估其探測效率和定位距離精度。判定標(biāo)準(zhǔn)是：針對某次雷災(zāi)事故，在該次雷災(zāi)記錄時間前后10min（或20min、30min）內(nèi)，若有距離雷災(zāi)地點不超過10km 的回?fù)舸嬖?，則判定閃電定位系統(tǒng)對造成該次雷災(zāi)的回?fù)暨M行了有效探測，否則判定為閃電定位系統(tǒng)對此次雷災(zāi)事故的回?fù)袈y；若有多個回?fù)艟嚯x雷災(zāi)地點不超過10km，則取距離最近的回?fù)魹樵斐稍摯卫诪?zāi)事故的回?fù)?。判定距離標(biāo)準(zhǔn)參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 37047—2018 的歸閃距離原則［22］，取值10km。

從評估結(jié)果來看（表4），時間范圍取10min 計算時，海南省閃電定位系統(tǒng)探測到了24 次雷災(zāi)回?fù)?，探測效率80%（24／30），定位距離誤差最小775m、最大8058m、平均2573m，雷災(zāi)回?fù)舭l(fā)生時間與雷災(zāi)記錄時間平均相差4min，最小相差0min，最大相差10min。時間取20min 時，雷災(zāi)回?fù)籼綔y效率80%，定位距離誤差最小60m、最大5619m、平均1639m，回?fù)魰r間與雷災(zāi)記錄時間平均相差9min，最小相差0min，最大相差20min。時間取30min 時，雷災(zāi)回?fù)籼綔y效率83.3%，定位距離誤差最小60m、最大5110m、平均1602m，回?fù)魰r間與雷災(zāi)記錄時間平均相差13min，最小相差0min，最大相差27min。由表4 可知，海南省ADTD 閃電定位系統(tǒng)的評估結(jié)果與其他地區(qū)的評估結(jié)果是很相近的。海南ADTD 閃電定位系統(tǒng)對地閃回?fù)舻奶綔y效率能達到80%以上，定位距離精度平均值最小約為1.6km，與系統(tǒng)升級前（2007—2008 年）相比，回?fù)籼綔y效率幾乎沒有變化（本文以10km 范圍為標(biāo)準(zhǔn)計算探測效率，而系統(tǒng)升級前的評估沒有10km 的距離限制［20］），定位距離精度略有提高。

表4 海南省ADTD 閃電定位系統(tǒng)性能評估及其與其他地區(qū)結(jié)果對比

由時間范圍取值30min 計算結(jié)果散點圖（圖3）可知，回?fù)舳ㄎ痪嚯x精度大部分（80%）小于2km，其中定位距離精度在1km 以下的占36%、在1～2km范圍的占44%；回?fù)魰r間與雷災(zāi)時間之差大部分（76%）不超過20min，其中兩者時間差值不超過10min 的占44%、在10～20min 范圍的占32%。從30min 不同定位方法的定位結(jié)果來看，兩站定位距離精度為590m～5110m（13 次雷災(zāi)回?fù)簦?，平?963m；三站定位距離精度為395m～1602m（5 次雷災(zāi)回?fù)簦?，平?140m；四站定位距離精度為60m～3189m（7 次雷災(zāi)回?fù)簦?，平?262m。三站及以上的定位距離精度比兩站定位的結(jié)果要高，但是四站定位精度卻比三站定位精度要低，這與包坤等［19］的研究結(jié)論是一致的，他們發(fā)現(xiàn)多站定位時可去除較大誤差的站，保證定位結(jié)果的準(zhǔn)確性，但定位結(jié)果并不一定是最優(yōu)結(jié)果。

2.3.2 造成雷災(zāi)的地閃回?fù)魠?shù)特征

取30min 計算結(jié)果分析，閃電定位系統(tǒng)探測到的25 次雷災(zāi)回?fù)糁校▓D4），負(fù)極性占80%（20 次）、正極性占20%（5 次），負(fù)極性回?fù)綦娏鲝姸茸钚?5.2kA，最大為196.7kA，平均47.5kA，大多數(shù)（80%）回?fù)綦娏鲝姸刃∮?0kA，陡度最小為4.8kA·（μs）-1，最大為37.6kA·（μs）-1，平均11.2kA·（μs）-1；正極性回?fù)綦娏鲝姸茸钚?5.6kA，最大為156.5kA，平均109.4kA，陡度最小為8.3kA·（μs）-1，最大為22.1kA·（μs）-1，平均16.6kA·（μs）-1。造成雷災(zāi)的回?fù)羝骄娏鲝姸纫笥诤Ｄ匣負(fù)羝骄娏鲝姸龋?6.8kA）［27］。

4 結(jié)論與討論

通過對近10a 海南省雷災(zāi)特征及其變化進行分析，并利用雷災(zāi)資料對ADTD 閃電定位系統(tǒng)性能進行評估，得到以下結(jié)論：

（1）雷災(zāi)時空分布特征及其變化。近10a 海南省雷災(zāi)數(shù)比1999—2011 年大幅下降；近10a 雷災(zāi)主要發(fā)生在春季和夏季，集中發(fā)生在4 至9 月，5 月最多，午后13－19 時是雷災(zāi)高發(fā)期，而1999—2011 年海南雷災(zāi)最多發(fā)生在夏季和6 月。近10a 雷災(zāi)主要發(fā)生在北部的?？诤统芜~、東部沿海的瓊海和文昌、西部的東方以及中部的瓊中。與1999—2011 年相比，近10a 澄邁和東方雷災(zāi)相對變多，萬寧、陵水和五指山雷災(zāi)相對變少。

（2）雷擊人員傷亡和財產(chǎn)損失特征。人員傷亡雷災(zāi)事故基本發(fā)生在農(nóng)村農(nóng)場（94.7%），依次主要發(fā)生在田野、水邊（中）、農(nóng)村民居或簡易窩棚；雷擊主要導(dǎo)致電子電氣設(shè)備損壞、電梯系統(tǒng)和供配電系統(tǒng)及建筑物受損。

（3）閃電定位系統(tǒng)評估結(jié)果及雷災(zāi)回?fù)魠?shù)。海南省ADTD 閃電定位系統(tǒng)對回?fù)舻奶綔y效率為83.3%，定位距離精度最小平均值為1602m，平均雷災(zāi)回?fù)魰r間與雷災(zāi)記錄時間之差為13min；三站及以上的定位距離精度要高于兩站定位；導(dǎo)致雷災(zāi)的回?fù)舸蠖鄶?shù)為負(fù)極性，雷災(zāi)負(fù)極性回?fù)綦娏鲝姸绕骄?7.5kA，陡度平均11.2kA·（μs）-1；正極性回?fù)綦娏鲝姸绕骄?09.4kA，陡度平均16.6kA·（μs）-1。

本文對雷災(zāi)特征的分析僅統(tǒng)計了氣象部門匯編或調(diào)查過的雷災(zāi)事故，社會上發(fā)生的雷災(zāi)事故存在不報告氣象部門的情況，且部分雷災(zāi)事故信息記錄不全，所以雷災(zāi)特征為不完全統(tǒng)計。近10a 海南省雷災(zāi)數(shù)據(jù)樣本規(guī)模較小，雷災(zāi)特征變化還需要持續(xù)累積資料統(tǒng)計確認(rèn)。使用雷災(zāi)資料對閃電定位性能進行評估，存在雷災(zāi)發(fā)生時間和經(jīng)緯度不準(zhǔn)確的問題，評估結(jié)果僅供參考。海南省已建成閃電低頻電場陣列、全視野閃電通道成像系統(tǒng)、百米通量塔底同軸分流器等閃電觀測設(shè)備，今后將采用高精度三維全閃探測資料、光學(xué)攝像和通量塔的閃電電流數(shù)據(jù)對海南ADTD 閃電定位性能進行進一步的評估。