闪电定位数据在雷电灾害调查中的应用

陈星宇,马端良

(山东省烟台经济技术开发区气象局,山东 烟台 264006)

1 引言

雷电灾害是“联合国国际减灾十年”公布的影响人类活动的严重灾害之一[1]。做好雷电灾害的调查分析能为雷电的防御方法提供科学证据，指导科学防御雷电实践论证。此外，雷电灾害调查还涉及保险公司与参保单位的理赔事宜。全面科学的雷电灾害调查既是防灾减灾的基础工作，也是经济社会发展的迫切需要。

应用闪电定位数据可以确定雷电发生的时间、位置、强度、极性等。结合雷电灾害调查中剩磁法的使用，可以帮助判断灾害是否由雷电造成的。剩磁法是判断是否有直接雷击比较实用的方法，但在实际中由于雷击点的位置不容易确定，剩磁在一段时间过后会消失的原因，剩磁法的实用范围受到很大限制，所以两者结合才能发挥最佳效果。

《雷电灾害调查技术规范》(QX/T103-2009)中对雷电灾害调查的内容进行了说明，包含对气象因素、环境因素、历史因素、防雷装置及设备因素、雷电灾害事故现场因素的调查[2]，但未对如何应用闪电数据进行雷灾判断做详尽的描述。国内和国际上利用闪电定位进行雷电灾害调查的案例不多，尤其在确定雷击点与灾害地的距离和确定哪次雷击是灾害的主因上的研究更少。

2 资料与方法

本文闪电定位数据来源于山东省气象局，山东省气象部门自2006年下半年建设了13部闪电定位仪，探测范围覆盖山东全省和周边省份2/3区域。该系统时钟同步精度可达到0.1 μs，定位精度可达到300 m。该系统能识别云闪和地闪，监测数据遍及整个覆盖区域，是非固定的。监测数据以txt文件存储，每列包含地闪发生的时间、经度、纬度位置、电流峰值和极性等，所采用的数据经过了初步的质量控制。

要确定灾害是否由雷击引起，需要对灾害发生地一定水平距离内的落雷情况进行统计分析，通过灾害出现的类型如建筑物损坏、设备损坏、人员生命危险等确定雷击的影响范围，然后将这一范围内的雷击从众多闪电定位数据中提取出来，逐个分析每个雷击可能造成的影响。并结合雷电流幅值、落雷时间、设备的损坏形式、剩磁等因素进行分析判断。在进行落雷点与事故地的距离计算时，需要测量事故地的经纬度，因为LLS系统中闪电位置是以经纬度表示的，方便后期对闪电定位仪记录的落雷点与事故地之间的距离进行计算。

3 雷击点与雷电灾害发生地水平距离的判定

雷击点是否与灾害发生地有直接的关联，要具体情况具体分析，这与防护措施的效果，灾害发生时的周围环境、设备的抗干扰措施等有关。下面列出两种闪电类型下，如何甄选出可能影响灾害发生地的距离。

3.1 直击雷引起的建筑物的物理损坏和生命危险的距离

根据《建筑物防雷设计规范》(GB50057-2010)中对防跨步电压的措施的描述，接地装置与建筑物和构筑物的出入口行人道的距离不应小于3 m，依据这一标准，假定雷击建筑物引起损害、人员生命危险的水平距离为3 m以内[3]。

3.2 辐射电磁场引起设备损坏的距离

引起设备出现损害的电磁场受两方面的限制：雷电流的幅值和雷击点与设备之间的水平距离。

假设发生灾害时，雷击点的雷电流幅值按200 kA考虑，这一幅值是第一类建筑物进行雷电防护时最大的雷电流,则雷击点与设备的水平距离在5.7 km以内时，磁场强度大于0.07 GS，计算机出现误动作或者损坏。根据历史经验，大于200 kA的雷电流发生的概率是非常小的[4]。

雷击点周边产生的磁场强度可由(1)式计算：

H0=i0/2πSa

(1)

式中i0—LPZ0A区的雷电流，单位为安培(A);

Sa—从雷击点到屏蔽空间中心的距离，单位为(m)。

由于闪电定位系统的测量精度为300 m，在进行落雷点计算时可能与实际的落雷点有一定的偏差。为了简化，这里以5.7 km为半径，落入该半径区域内的雷击视为影响灾害发生地的雷击。这个范围的雷击有部分是对灾害的发生不起作用的，在后期的分析中应加以剔除。更精确的筛选是需要以闪电定位精度的提高为前提，如何提高监测精度不是本文讨论的重点。

4 任意两点经纬度之间的距离计算

地球是一个近乎标准的椭球体，它的赤道半径为6 378.140 km，极半径为 6 356.755 km，平均半径6 371.004 km。假设地球是一个完美的球体，那么它的半径就是地球的平均半径，记为R。如果以0°经线为基准，根据地球表面任意两点的经纬度就可以计算出这两点间的地表距离(这里忽略地球表面地形对计算带来的误差，仅仅是理论上的估算值)。设第1点A的经纬度为(LonA, LatA)，第2点B的经纬度为(LonB, LatB)，按照0°经线的基准，东经取经度的正值，北纬取90-纬度值(90-Latitude)，则经过上述处理过后的2点被计为(MLonA, MLatA)和(MLonB, MLatB)。那么根据三角推导，可以得到计算2点距离的如下公式：

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

2点间的距离D=R×Arccos(C)×Pi/180

这里，R和D单位相同，如果是采用6 371.004 km作为半径，那么D就是 km为单位。

闪电定位数据中包含全省大范围的监测数据，为了方便选取，应用MATLAB中的Distance函数，Distance函数的用法如下:

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

lat1,lon1,lat2,lon2表示2个点的纬度和经度值,Dist与Arccos(C)值相当。

5 案例分析

2013年8月8日20时00分左右，烟台某有限公司混凝土搅拌站(37.43°N，121.49°E)在雷雨天气过后，两部混凝土搅拌站操作平台同时损坏，生产系统瘫痪达数小时。

根据闪电定位资料，全省当日共发生地闪数为3 083次，混凝土搅拌站5.7 km范围内的地闪数为36次且均为负闪。幅值最大的为-25.939 kA，它可使雷击点0.74 km内的设备产生误动作，最小的为0.84 kA。36个落雷位置如图1所示,F4为幅值最大的雷电流位置。

图1 灾害点5.7 km内所有落雷点Fig.1 Al lightning points within the range of 5.7 km of the disaster point

图1所示的落雷与事故现场的关联需考虑以下3个方面:①落雷点与事故发生地的水平距离。

②雷电流幅值对电磁场产生的影响。③闪电定位仪记录的时间与事故发生时的时间的接近程度。根据以上3点的判别规则，从36次雷击中筛选出可能造成事故的3起雷击(F1，F2，F3)。这3起雷击如图1红色“o”位置，具体参数如表1所示。

由表1可知， F1～F3闪击发生的时间与事故发生时的时间基本吻合，闪电F1距事故地点285.8 m，F2、F3均在1.1 km(0.74 km加上探测误差300 m)之内。F1、F2、F3闪击使得事故中心点处产生的电磁场强度分别为0.148、0.037、0.039 GS,从数值看F2、F3雷击的电磁辐射未达到对设备造成损坏的程度，F1足以使电子设备误动作或者损坏，F4虽然雷电流幅值较大，但从时间和离事故地距离分析，F4不是此次事故的诱因。

表1 可能造成事故的3次雷击的相关参数Tab.1 Related parameters of three lightning accidents that may cause accidents

后期的勘查中从混凝土搅拌站罐顶处检测到2.54 mT的剩磁，说明闪电直接击到了罐体。结合落雷点的闪电特点，可以判定此次事故是由雷击造成的。

实际的落雷点与监测的落雷点存在偏差，表象上F1闪电是最有可能造成这次事故的，因为落雷点距事故地较近，电磁辐射强度较大。但由于误差的存在， F1～F3均有可能对事故造成直接影响。

6 结论与讨论

闪电定位资料能够弥补地面站点布局和人员观测的局限。在雷电灾害调查时，体会如下：

①利用闪电定位系统，查找灾害地周边的闪电资料，计算闪电与灾害地的水平距离，根据损害类型判断可能引起灾害的闪电，同时考虑设备误差和计算误差的影响。

②地面站要及时记录灾害发生的时间，为判断可能引起灾害的闪电提供补充依据

③利用剩磁法进行调查时，要确保灾害现场不被破坏，同时视灾害情况判断能否使用该方法。

随着闪电定位系统精度提高，以及更优化的经纬度计算，就能更有效的判断雷电灾害的成因。

[1] 李家启，李良福，秦健，等.跨座式单轨交通沿线雷电活动规律与易闪性分析[J].气象科技，2009,37(6):734-738.

[2] QX/T103-2009.雷电灾害调查技术规范 [S].

[3] GB50057-2010.建筑物防雷设计规范[S].

[4] 陈家宏,童雪芳,谷山强,等.雷电定位系统测量的雷电流幅值分布特征[J].高电压技术，2008,34(9):1 893-1 897.