近10 年海南省雷电灾情及其对闪电定位性能的评估

侯安校，周方聪，邓发斌，王康平

（1.海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海口 570203；2.海南省气象科学研究所，海口 570203；3.海南省气象灾害防御技术中心，海口 570203；4.海南祥云雷电防护有限公司，海口 570203）

引言

雷电灾害被联合国国际减灾十年委员会列为“最严重的十种自然灾害之一”，被国际电工委员会称为“电子时代的一大公害”。我国雷电灾害造成的人员伤亡和经济损失十分严重，据统计，1997—2006年雷灾造成我国4488 人死亡、4320 人受伤［1］；2012—2017 年全国雷灾事故呈逐年下降趋势，期间仍造成1495 人伤亡，年平均直接经济损失达到9600 万元以上［2］。许多学者对有关省区的雷灾特征进行研究，发现广东雷电伤亡事件最多发生在农田［3－4］，云南雷击人员伤亡主要发生在农村［5－6］，内蒙古地区雷击人员伤亡主要发生在农村牧区的户外环境，雷电灾害造成电子电器设备损坏次数最多［7］，海南岛人员伤亡雷灾事故最多发生在田野和简易工棚，雷灾造成的直接经济损失中酒店类最多［8］，浙江遭受雷灾最多的行业是制造业［9－10］，江苏雷灾经济损失涉及的行业主要是石油化工、制造业等［11］，广西南宁市雷灾中农村以人员伤亡为主，城市则以经济损失为主［12］，另外，陈丹等［13］以宾阳县为例，分析了广西农村雷灾特征及其成因。

雷灾是海南省仅次于热带气旋的气象灾害［14］，当考虑人口权重时海南省的雷灾人员死伤率最高［1］。据统计，1999—2011 年，海南省雷击导致了405 人伤亡，平均每年雷击伤亡31.2 人［8］。陈哲等［15］从地形、土壤电阻率等方面探讨了海南省雷灾的影响因素。这些研究对做好海南省防雷减灾工作具有很强的指导意义，但是随着经济社会的不断发展和进步，2012 年以来海南省雷灾变化趋势如何？与之前十年相比有无变化？此外，雷灾资料除了用于分析雷灾特征和雷电灾害风险区划［16－18］外，还可以用于评估闪电定位性能［19－20］。海南省闪电定位系统自2007 年投入业务运行，2009 年进行了升级，但升级后没见对其进行性能评估的报道。因此，本文利用2012—2020 年全国雷电灾害汇编资料和2021 年海南省雷灾调查数据，统计分析2012—2021 年海南省雷灾特征，并将其与1999—2011 年雷灾特征进行对比，同时利用近10a 雷灾数据信息，评估海南省地闪定位网对回击的探测效率和定位距离精度，分析造成雷灾事故的地闪回击的极性、强度和陡度等参数特征，以期为海南省雷电防御工作提供参考依据。

1 资料和方法

1.1 雷灾资料

2012—2020 年海南省雷灾数据取自《全国雷电灾害汇编》，2021 年海南雷灾数据来自海南气象部门雷灾调查报告。《全国雷电灾害汇编》每年1 册，包含当年全国各省、直辖市、自治区（不含港澳台）雷灾信息，包括雷灾发生日期、时间、地点、人员伤亡和财产损失情况，部分雷灾信息还包含雷灾发生地的经纬度和雷灾原因等信息，但也有一些雷灾信息缺失具体时间、地点或雷灾损失情况等记录。

1.2 地闪定位资料

地闪定位资料来自海南省ADTD 闪电定位系统，该系统由海口、琼海、三亚、东方、琼中、永兴岛等6 个站组成，有3 种定位方式，分别是二站定位、三站定位和四站及以上定位方法［19］，能监测地闪回击，并给出回击发生的经纬度和极性、强度、陡度等信息，回击探测效率为90%，探测精度500m。陈有龙等［20］利用雷暴人工观测和雷灾等资料，检验分析了2007—2008 年海南省闪电定位数据，结果表明闪电定位数据可信度基本达到应用标准。

1.3 地闪回击与雷灾地点的距离计算

利用百度地图开放平台的坐标拾取器功能，根据雷灾具体地点获取其经纬度信息。再根据两点的经纬度计算闪电定位的地闪回击与雷灾地点之间的距离，计算公式如下：

其中，d 是闪电定位回击与雷灾地点之间的距离；R 是地球半径，取值6371km；lon1 和lat1 是地闪回击的经纬度；lon2 和lat2 是雷灾地点的经纬度。在实际计算两点经纬度距离时，需转化为弧度（即：×π／180）。

2 结果与分析

2.1 雷灾特征及其变化

2.1.1 雷灾概况

2012—2021 年，海南省记录到52 起雷灾事件（见表1），其中造成人员伤亡的雷灾数19 起，共造成28 人伤亡，其中19 人死亡、9 人受伤；仅造成经济财产损失的雷灾数32 起，直接经济损失304.53万元、间接经济损失194.7 万元。

表1 2012—2021 年海南省雷灾事故情况

2.2 雷灾时空分布特征及其变化

2.2.1 雷灾时间分布特征及其变化

近10a 海南省雷灾数比1999—2011 年［8］大幅下降（图1a），年平均雷灾数由56 起下降到5.2 起，这与浙江［9］和广西南宁［12］的雷灾下降趋势是一致的，可能与防雷科学知识的逐渐普及和防雷设施的不断完善有关。近10a 海南省雷灾主要发生在春季（占比55.8%）和夏季（36.5%），秋季雷灾很少（7.7%），冬季没有雷灾记录（图1b）；而1999—2011年海南省雷灾最多发生在夏季（56.4%）和春季（31%），其次是秋季（12.3%），冬季最少（0.2%）。近10a 海南省雷灾发生在3—10 月（图1c），集中发生在4—9 月（占比94.2%），雷灾月分布呈现双峰值特征，雷灾在5 月发生最多（占比40.4%），7—8 月为雷灾发生次峰期（占比30.8%），这与海南省地闪活动月分布的双峰（峰值分别出现于5 月和8 月）特征［21］是一致的；1999—2011 年雷灾呈单峰值特征，最多发生在6 月。近10a 海南省雷灾主要发生在06—19 时（占比95.6%，北京时，下同），其中午后（13—19 时）是雷灾高发期（占比82.2%），并以14—18 时最为集中（占比77.8%），雷灾日分布时间峰值为15—16 时（占比48.9%），这也与海南省地闪日分布于16 时左右达到峰值［21］的特点相对应；近10a 海南省雷灾日分布特征与1999—2011 年相比没有变化（图1d）。

2.1.2 雷灾空间分布特征及其变化

近10a 海南省19 个市县，除三亚、三沙、临高、五指山、保亭等5 个市县没有雷灾记录外，其余14个市县均发生过雷灾事故。由图2 可见，近10a 海南省雷灾在空间上主要发生在北部的海口、澄迈和东北部的琼海、文昌以及西部的东方、中部的琼中。1999—2011 年海南省雷灾主要发生在北部的海口、中部的琼中和五指山以及东部沿海的万宁、琼海、陵水和文昌。

2.2 雷击人员伤亡和财产损失特征

2.2.1 雷击人员伤亡特征

海南省近10a 记录的19 起人员死亡雷灾事故大部发生在农村或农场（占比94.7%），仅有1 起发生在海口市区的某建筑工地。雷击人员伤亡事故发生场所环境依次主要是田野劳作（5 起）、水边（中）捕鱼或盐田作业（3 起）、农村民居或简易窝棚（2起）、建筑工地施工（2 起）、大树附近（1 起），另有6起发生在农村农场的人员伤亡雷灾事故没有具体场所信息记录。

2.2.2 雷击财产损失特征

财产损失雷灾（表2）依次主要发生在农村农场（35.5%）、城镇小区（22.6%）、企业（22.6%）、机关单位（16.1%）、酒店（3.2%）。在雷击造成的经济损失（含直接经济损失和间接经济损失）中，企业占比最大（40.95%），其次是农村农场（37.03%）和机关单位（16.94%），最后是城镇小区（4.84%）和酒店（0.24%）。雷击最主要导致电子电气设备损坏，其次是造成电梯系统和供配电系统及建筑物受损，此外雷击有时也会导致牲畜死亡和起火（见表3）。

表2 2012—2021 年海南省雷灾行业领域分布情况

表3 2012—2021 年海南省雷灾导致的资产受损情况

2.3 闪电定位性能评估及雷灾回击参数

2.3.1 地闪回击探测效率和定位距离精度评估

近10a 能获取到具体发生时间和经纬度信息的雷灾事故共30 起，利用这30 起雷灾事故对海南闪电定位系统性能进行评估。考虑到雷灾记录时间的不确切性，雷灾实际发生时间和雷灾记录时间之间普遍存在一定的误差，本文分别取雷灾记录时间前后10min、20min 和30min 等3 种情形的闪电定位资料，来判定造成雷灾的回击，并评估其探测效率和定位距离精度。判定标准是：针对某次雷灾事故，在该次雷灾记录时间前后10min（或20min、30min）内，若有距离雷灾地点不超过10km 的回击存在，则判定闪电定位系统对造成该次雷灾的回击进行了有效探测，否则判定为闪电定位系统对此次雷灾事故的回击漏测；若有多个回击距离雷灾地点不超过10km，则取距离最近的回击为造成该次雷灾事故的回击。判定距离标准参照国家标准GB／T 37047—2018 的归闪距离原则［22］，取值10km。

从评估结果来看（表4），时间范围取10min 计算时，海南省闪电定位系统探测到了24 次雷灾回击，探测效率80%（24／30），定位距离误差最小775m、最大8058m、平均2573m，雷灾回击发生时间与雷灾记录时间平均相差4min，最小相差0min，最大相差10min。时间取20min 时，雷灾回击探测效率80%，定位距离误差最小60m、最大5619m、平均1639m，回击时间与雷灾记录时间平均相差9min，最小相差0min，最大相差20min。时间取30min 时，雷灾回击探测效率83.3%，定位距离误差最小60m、最大5110m、平均1602m，回击时间与雷灾记录时间平均相差13min，最小相差0min，最大相差27min。由表4 可知，海南省ADTD 闪电定位系统的评估结果与其他地区的评估结果是很相近的。海南ADTD 闪电定位系统对地闪回击的探测效率能达到80%以上，定位距离精度平均值最小约为1.6km，与系统升级前（2007—2008 年）相比，回击探测效率几乎没有变化（本文以10km 范围为标准计算探测效率，而系统升级前的评估没有10km 的距离限制［20］），定位距离精度略有提高。

表4 海南省ADTD 闪电定位系统性能评估及其与其他地区结果对比

由时间范围取值30min 计算结果散点图（图3）可知，回击定位距离精度大部分（80%）小于2km，其中定位距离精度在1km 以下的占36%、在1～2km范围的占44%；回击时间与雷灾时间之差大部分（76%）不超过20min，其中两者时间差值不超过10min 的占44%、在10～20min 范围的占32%。从30min 不同定位方法的定位结果来看，两站定位距离精度为590m～5110m（13 次雷灾回击），平均1963m；三站定位距离精度为395m～1602m（5 次雷灾回击），平均1140m；四站定位距离精度为60m～3189m（7 次雷灾回击），平均1262m。三站及以上的定位距离精度比两站定位的结果要高，但是四站定位精度却比三站定位精度要低，这与包坤等［19］的研究结论是一致的，他们发现多站定位时可去除较大误差的站，保证定位结果的准确性，但定位结果并不一定是最优结果。

2.3.2 造成雷灾的地闪回击参数特征

取30min 计算结果分析，闪电定位系统探测到的25 次雷灾回击中（图4），负极性占80%（20 次）、正极性占20%（5 次），负极性回击电流强度最小为15.2kA，最大为196.7kA，平均47.5kA，大多数（80%）回击电流强度小于60kA，陡度最小为4.8kA·（μs）-1，最大为37.6kA·（μs）-1，平均11.2kA·（μs）-1；正极性回击电流强度最小为35.6kA，最大为156.5kA，平均109.4kA，陡度最小为8.3kA·（μs）-1，最大为22.1kA·（μs）-1，平均16.6kA·（μs）-1。造成雷灾的回击平均电流强度要大于海南回击平均电流强度（16.8kA）［27］。

4 结论与讨论

通过对近10a 海南省雷灾特征及其变化进行分析，并利用雷灾资料对ADTD 闪电定位系统性能进行评估，得到以下结论：

（1）雷灾时空分布特征及其变化。近10a 海南省雷灾数比1999—2011 年大幅下降；近10a 雷灾主要发生在春季和夏季，集中发生在4 至9 月，5 月最多，午后13－19 时是雷灾高发期，而1999—2011 年海南雷灾最多发生在夏季和6 月。近10a 雷灾主要发生在北部的海口和澄迈、东部沿海的琼海和文昌、西部的东方以及中部的琼中。与1999—2011 年相比，近10a 澄迈和东方雷灾相对变多，万宁、陵水和五指山雷灾相对变少。

（2）雷击人员伤亡和财产损失特征。人员伤亡雷灾事故基本发生在农村农场（94.7%），依次主要发生在田野、水边（中）、农村民居或简易窝棚；雷击主要导致电子电气设备损坏、电梯系统和供配电系统及建筑物受损。

（3）闪电定位系统评估结果及雷灾回击参数。海南省ADTD 闪电定位系统对回击的探测效率为83.3%，定位距离精度最小平均值为1602m，平均雷灾回击时间与雷灾记录时间之差为13min；三站及以上的定位距离精度要高于两站定位；导致雷灾的回击大多数为负极性，雷灾负极性回击电流强度平均47.5kA，陡度平均11.2kA·（μs）-1；正极性回击电流强度平均109.4kA，陡度平均16.6kA·（μs）-1。

本文对雷灾特征的分析仅统计了气象部门汇编或调查过的雷灾事故，社会上发生的雷灾事故存在不报告气象部门的情况，且部分雷灾事故信息记录不全，所以雷灾特征为不完全统计。近10a 海南省雷灾数据样本规模较小，雷灾特征变化还需要持续累积资料统计确认。使用雷灾资料对闪电定位性能进行评估，存在雷灾发生时间和经纬度不准确的问题，评估结果仅供参考。海南省已建成闪电低频电场阵列、全视野闪电通道成像系统、百米通量塔底同轴分流器等闪电观测设备，今后将采用高精度三维全闪探测资料、光学摄像和通量塔的闪电电流数据对海南ADTD 闪电定位性能进行进一步的评估。