（大气物理学与大气环境专业论文）舟山群岛雷电活动特征分析和spd配合研究.pdf

摘要 基于浙江省闪电定位探测网资料，采用v i s u a lc + + 、a c c e s s 数据库等方法， 对舟山群岛的闪电活动特征进行了分析。发现舟山群岛的地闪密度介于o 0 1 4 5 5 次( k m 2 年) 之间，平均值为0 9 4 次( k m 2 年) ，远小于浙江省地闪 密度3 1 次( k m 2 年) ，但舟山群岛的平均雷电流强度为4 2 k a ，大于浙江省平 均值3 2 2 k a 。各岛屿的云地闪电密度分布极其不均匀，主要分布特点是舟山西 部诸岛的闪电密度大于东部诸岛，南部诸岛的闪电密度大于北部诸岛。原因可 能是西部和南部诸岛离大陆较近，其闪电活动更易受大陆雷暴天气系统的影响。 另外，利用舟山市近3 0 年的雷暴观测资料，分析了舟山市雷暴活动的时空分布 特征。发现舟山市每年的6 9 月为主要雷暴季节，主峰值出现在7 月，雷暴活 动相对旺盛时段主要集中在午后到上半夜，并在晚上2 0 - - 2 1 点达到全天最高 峰，而上午出现雷暴的概率相对较低，后半夜会出现雷电活动的小高潮，舟山 市内各主要岛屿雷暴活动频繁程度差异较大，这种差异与上述闪电定位资料的 分析结果基本一致。 虽然舟山群岛的地闪密度小于浙江省平均值，但前者的平均雷电强度大于 后者，舟山市的雷电危害性可能更大。因此，针对舟山市雷电电流强度较大的 特点，本文对雷电防护中涉及的两级s p d ( 火花间隙( s g ) 和金属氧化物压敏 电阻( m o v ) ) 之间的雷电流保护配合机制进行了研讨。通过对s g 和m o v 之间 可能出现的各种配合情形的分析，提出了满足配合有效所必须符合的基本条件， 即包含s p d l ( s g ) 两端电压达到启动电压( 点火电压) 、s p d 2 ( m o v ) 的残压 低于负载的耐压和各s p d 能承受预期通过的雷电流能量等原则性要求。为将这 种要求应用于防雷工程实践，结合防雷工程设计实例对其s p d 配合性能作了定 量的分析计算，发现除了s p d 各自性能需满足相应的要求以外，若s g 和m o v 之 间选用的解耦合线圈的电感值过小或自然电缆长度不足，会使其配合存在雷电 流防护的盲区。文中所引入的一系列评估s p d 配合性能的流程和方法，对于电 源s p d 保护设计具有一定的参考价值。 关键词：舟山群岛，闪电定位系统，雷电活动规律，s p d 配合 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ed a t ao fz h e j i a n gp r o v i n c i a ll i g h t n i n gl o c a t i o na n dd e t e c t i o n n e t ，t h ec h a r a c t e r i s t i co fz h o u s h a ni s l a n d si sa n a l y z e da p p l y i n gv i s u a lc + + a n d m i c r o s o f ta c c e s s2 0 0 3 i ti sf o u n dt h a tt h el i g h t n i n gd e n s i t yd i s t r i b u t i o no f z h o u s h a ni s l a n d si sr a n g e df r o m0 01t o4 5 5t i m e s ( k m 2 a 1a n dt h ea v e r a g ed e n s i t y i sa b o u t0 9 4t i m e s ( k m z a ) t h ea b o v ef i g u r ei sm u c hs h o r t e rt h a nt h ea v e r a g e d e n s i t yo fz h e ji a n gp r o v i n c e ，n a m e l y3 1t i m e s ( k m 2 a ) h o w e v e r ，t h ef a c tf o rt h e a v e r a g el i g h t n i n gc u r r e n t sc o m p a r eo ft h e s er e g i o n si so p p o s i t ew i t h4 2 k aa n d 3 2 2 k ar e s p e c t i v e l y m o r e o v e r ，t h el i g h t n i n gd e n s i t yd i s t r i b u t i o ni sn o tu n i f o r m l y a m o n gz h o u s h a ni s l a n d sa n dt h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i ci st h a tt h ef i g u r e sf o rw e s t e r n i s l a n d sa r eb i g g e rt h a nt h o s ef o re a s t e r ni s l a n d sa n dt h ef i g u r e sf o rs o u t h e r ni s l a n d s a r eb i g g e rt h a nt h o s ef o rn o r t h e mi s l a n d s s u c hp h e n o m e n ap e r h a p sc a nb ee x p l a i n e d t h a tt h ew e s t e r na n ds o u t h e r ni s l a n d sa r en e a r e rt om a i n l a n dc o m p a r a t i v e l y ，t h e l i g h t n i n ga c t i v i t i e so ft h ea b o v ea r e a sa r em o r ee a s i l ya f f e c t e db yt h et h u n d e r c l o u d m o v i n gf r o mt h em a i n l a n dt ot h ee a s tt h a nt h eo t h e ra r e a s u s i n gt h em e t e o r o l o g i c a ld a t ao nl a s t3 0y e a r si nz h o u s h a nc i t y ，t h es p a t i a la n d t e m p o r a ld i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h u n d e r s t o r ma c t i v i t i e si nz h o u s h a ni s l a n d si s s t u d i e d i ti sd i s c o v e r e dt h a tt h et h u n d e r s t o r mh a p p e nf r e q u e n t l yi ns u m m e r ， e s p e c i a l l yi nj u l y t h ef r e q u e n tt i m ef o rl i g h t n i n gi s i nt h ep e r i o do ft i m ef r o m a f l e m o o nt om i d n i g h t ，e s p e c i a l l yf r o m2 0 ：0 0t o2 1 ：0 0i nt h en i g h t h o w e v e r ，t h e r e a r ef e wp r o b a b i l i t i e si nt h em o r n i n ga n ds e c o n dc l i m a xl a t e a tn i g h t t h eg r e a t d i f f e r e n c eo ft h u n d e r s t o r ma c t i v i t i e sa m o n gz h o u s h a ni s l a n d si si nc o n s i s t e n tw i t h t h er e s u l to ft h ea b o v el i g h t n i n gl o c a t i o na n dd e t e c t i o nd a t aa n a l y s i s a l t h o u g ht h e r e i sm u c hs h o r t e ra v e r a g ec gl i g h t n i n gd e n s i t yi nz h o u s h a n i s l a n d st h a nt h a ti no t h e rm a i n l a n dr e g i o n so fz h e ji a n gp r o v i n c e ，b u tt h ef o r m e rh a s m u c hs t r o n g e ra v e r a g el i g h t n i n gc u r r e n tt h a nt h el a t t e r t h e r e f o r e ，t h eh a r mt ot h e i i p u b l i ca n dp r o p e r t yo fz h o u s h a nc i t y i sp r o b a b l ym u c hl a r g e r a i m i n ga tt h e c h a r a c t e r i s t i co fb i gl i g h t n i n gc u r r e n tf o rz h o u s h a nc i t ya n df o rt h ep u r p o s eo f l i g h t n i n gp r o t e c t i o np r a c t i c e ，t h ec o o r d i n a t i o nm e c h a n i s mo ft w o s t a g el i g h m i n g s u r g ep r o t e c t i v ed e v i c eu s i n gs p a r kg a p ( s g ) a n dm e t a lo x i d ev a r i s t o r ( m o v ) i s a n a l y z e d w i t h 。s e v e r a lp o s s i b l ec o o r d i n a t i o nc i r c u m s t a n c e sa n a l y s i s ，s o m eb a s i c p r e c o n d i t i o n sf o rt h ep u r p o s eo fs u c c e s s f u lc o o r d i n a t i o na r ec o n c l u d e d ，i n c l u d i n g s o m ep r i n c i p l e st h a tt h ev o l t a g eo fs p d 1 ( s g ) m u s tb eh i g h e rt h a ni t ss p a r kv o l t a g e ， t h er e s i d u a lv o l t a g eo fs p d 2 ( m o v ) m u s tb el o w e rt h a nt h ew i t h s t a n dv o l t a g eo f l o a da n de v e r ys p ds h o u l de n d u r et h el i g h t n i n gc u r r e n tp o w e ra se x p e c t e d i no r d e r t op u tt h e mi n t op r a c t i c e ，a ne x a m p l eo fs u c hs u r g ep r o t e c t i v ed e v i c e sd e s i g ni s c a l c u l a t e da n da n a l y z e dq u a n t i t a t i v e l y i ti sf o u n dt h a ti ft h ei n d u c t a n c eo f u n c o u p l e d c o i lo rt h el e n g t ho ft h en a t u r a lc a b l eb e t w e e ns ga n dm o vi st o os m a l l ，t h e r e w o u l db eb l i n da r e ai nt h el i g h t n i n gc u r r e n tp r o t e c t i o n t h ee v a l u a t i o ns t e p sa n d s o l u t i o n so fs p dc o o r d i n a t i o np e r f o r m a n c ei nt h i sp a p e rw i l lb eag o o dg u i d ef o r l i g h t n i n gs u r g ec u r r e n tp r o t e c t i o ni ne l e c t r i c a ls y s t e m k e yw o r d s ：z h o u s h a ni s l a n d s ，l i g h t n i n gl o c a t i o ns y s t e m ，l a wo ft h el i g h t n i n g a c t i v i t i e s ，s p dc o o r d i n a t i o n i i i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发表或 撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意。 作者签名：二空竺兰 e l 期：趔歹 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定，学校 有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸 质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书 馆被查阅：有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索；有权将学位论 文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：二生笙芗 日期：趔岁 日u百 远在人类进化的3 0 亿年以前，闪电很可能已经在地球上存在了。而且，闪电可能在创 造每一个生物结构组成所必须的有机分子方面起了重要的作用。同时，闪电具有惊人可怖 的破坏力，古代人缺乏足够的知识，总是将其与神灵联系在一起，使其具有神秘的色彩。 如，古希腊人信奉宙斯掌管雷电，古中国人认为雷公司掌天庭雷电，古埃及人认为是神 t y p h o n 投下了闪电，等等。 近几百年来，科学工作者在对闪电的起源、闪电发生机理、闪电的观测探测等方面做 了大量的研究，并经历了从相对缓慢到快速发展的过程。1 7 5 2 年，美国科学家和政治家 f r a n k l i n 证明雷雨云中的电荷与普通的电荷没有什么区别，并发明了至今仍在发挥重要作 用的避雷针( l i g h r u i n gr o d ，国外称其为引雷针) ，这在雷电研究史上具有划时代的意义。 随后关于雷电的研究进展缓慢，1 8 7 6 年，英国物理学家m a x w e l l 认为f r a n k l i n 避雷针系统 ( 包含针、引下线和接地) 能比周围区域吸引更多的雷击，并建议采用法拉第笼和避雷针 系统相结合进行雷电防护。 从古至今，闪电对人类生产和社会活动的具有重要的影响，由于闪电使大气内及与地 球之间发生电荷的迁移和正负电荷的中和，由此产生闪电通道具有巨大的瞬间电流( 最大 峰值达几百k a ) 和高的电流陡度( 达到数百k a 雌) ，能产生机械力、热效应和电效应， 对人类的生命、财产( 建筑物、设备、设施等) 造成巨大的危害。 从1 9 世纪下半叶到2 0 世纪中叶，英国、南非、美国、日本等国许多科学家对于雷电 进行了卓有成效的研究，基本上建立了雷电理论基础知识，为当代防雷研究奠定了重要基 础。 1 9 世纪晚期，摄影术和光谱分析已可供用于雷电研究的分析工具。1 9 2 6 年，b o y s 发 明了快速照相机，并于1 9 2 9 年对其改进，从而使2 0 世纪3 0 年代b f j s c h o l a n d 和d j m a l a n 和他们在南非的同事所进行的雷电研究取得了重要的进展，如南非的研究人员最后 揭示将负电荷释放到大地的闪击由一个向下的先导和一个向上的回击所组成，且首次回击 之前的先导是梯级的。s c h o l a n d 总结了在南非研究所获得的主要结论，很多目前所用的术 语是由南非的研究人员所命名的，在美国、俄罗斯、法国、日本、瑞士的研究人员使用快 速照相机对上述结论确认并推广。 有多人对雷电流的大小进行了估算。1 9 0 0 年，p o c k e l s 最早从雷击目标物附近玄武岩 碎片的剩磁来推断、估算雷电流值。1 9 6 9 年，u m a n 使用磁性材料来估算雷电流。1 9 3 7 年， 俄罗斯的s t e k o l n i k o vv a l e e v 使用拴系气球获得了第一批雷电流波形的示波器记录。迄今为 止，最全面的雷电流波形数据则是b e r g e r 和其同事在瑞士圣萨尔瓦多两座安装了测量仪 器的铁塔上获得的。 因发明云窒以追踪高能粒子而获得诺贝尔奖的c t r w i l s o n ，首先使用静电场测量以 推导雷暴云的电荷结构和闪电放电所涉及的电荷量。 s i m p s o n 、s c r a s e 、r o b i n s o n 最早在雷暴云内做静电场测量实验，并将测量结果用于推 到云内电荷结构。最早的多站测量地面上相对近距离的闪电静磁场测量分别由w o r k m a n 、 r e y n o l d s 和n e i l 等人进行。早期的远距离闪电的电场测量频率范围从几h z 到几十m h z ， 称作天电。n o r i n d e r 和d a h l e 尝试闪电磁场与雷电通道中的电流建立关联。与雷电有关的 现代的电场和磁场测量可追溯导2 0 世纪7 0 年代，当时，最早的微秒和亚微秒时间尺度的 场记录已经报告。 2 0 世纪7 0 年代以来的近3 0 年间，由于高科技的进步使雷电信息技术的发展得以加速 【l 】o 进入2 0 世纪三十年代至今，发表在国外重要期刊( 包含j g r 、a m s 、b m s 、i e e e 、 n a t u r e 、j m e t e o r 等) 的对于闪电物理及闪电防护科技论文在数千篇以上。如此浩大的研究 规模反映了学者对于闪电这一领域的重视，综观几代人来对于闪电研究所获得的成果，主 要包括：对于地闪结构的揭示、地闪回击电流模型的建立、卫星观测获得的全球闪电发生 图示、以及闪电的多种探测方式( 静电场仪、磁方向仪、多普勒气象雷达、卫星观测) 等。 在对雷电的起源方面，对于产生闪电的积雨云中电荷的起电方式，主要有m a s o n 的温差 理论、大雨滴破碎理论、碰撞起电，没有一种理论能独立的解释起电的根源。 在防雷技术应用方面，目前国际电工委员会i e c t c 8 1 技术分会已经制定出版了多种 标准，目前最新的版本在2 0 0 6 年制定，主要有：雷电防护第一部分：总则i e c 6 2 3 0 5 1 、 雷电防护第二部分：雷击风险管理i e c 6 2 3 0 5 2 、雷电防护第三部分：建筑物的实体 2 损害和危险i e c 6 2 3 0 5 3 、雷电防护第四部分：建筑物内电气和电子系统i e c 6 2 3 0 5 4 、 雷电防护第五部分：公共设施i e c 6 2 3 0 5 5 。 闪电发生的突发性，使人们很难捕捉其行踪，随着2 0 世纪7 0 年代末闪电定位仪的发 展，这一难点得以迎刃而解。1 9 7 6 年，美国科学家k r i d e r 等人发现，采用磁方向测定仪器 d f ( d e t e c t i o nf i n d e 0 ，能仅仅利用回击产生的宽幅波形上升沿若干微秒的一段，就能获得闪 电回击通道准确的方位角信息。利用回击产生的宽幅波形上升沿进行分析是当时一个巨大 的进步。他们确信雷击信号源很接近地面，而这些雷击信号源所处的位置( 雷击点) 正是 那些关注雷击危险的人们所极其关注的，同时，由于闪电通道在近地面基本垂直，方向测 定的误差甚小，其中重要的是如何设定波形标准以区分云内闪电过程和云地闪电的波形。 当时，认为随机的方向误差可达到1 2 度，组成系统的方向误差则有5 1 0 度，需要大量 的工作以减少系统误差。 经过多年的努力，闪电定位探测技术已经具备磁方向测量法m d f ( m a g n e t i cd e t e c t i o n f i n d i n g ) 、时差测量法t o a ( t i m eo f a r r i v a l ) ，以及综合m d f 和t o a 的时差测向混合法 i m p a c t ( i m p r o v e da c c u r a c yf r o mc o m b i n e dt e c h n o l o g y ) ，利用闪电定位探测技术较早建 成、组网规模较大、运行较为成熟的主要有美国闪电定位观测网n l d n ( n a t i o n a ll i g h t n i n g d e t e c t i o nn e t ) 1 2 1 ，能提供用户的地闪数据包括：位置、极性、回击的次数、信号强度等。 中国在对闪电方面的研究起步较晚，但在不少领域已经取得可喜的成绩，主要是在闪 电的定位观测方面，目前有中国科学院空间技术研究中心和电子信息产业部第二十二研究 所各自独立研发的a d t d 型雷电探测仪和x d d 0 3 a 型闪电定位仪，主要探测元件和技术 应用了d f 和t o a 两种技术的结合，基本上与国外技术同步。在气象、电力等行业有一定 规模的组网，并开始有了初步的数据应用，主要是电力线故障点的排奄、雷击事故调查取 证、以及雷电预警等。国内从九十年代开始试验布点，其应用已相对较为成熟，虽然离全 国范围的布网还有较大的一段距离3 11 4 。 如何更有效的利用闪电定位数据，前人已做了大量研究5 j 6 1 【7 1 ，但是显得尚不够深入， 尤其需要从更深的层次来揭示闪电活动的规律，并将其与地理、地域的特征相结合，以面 对雷电防护、雷电监测预警、雷击风险评估的需求，获得更为科学、数据可信的本地闪电 3 活动参数，在实际防雷工作实践中显得尤为紧迫。 目前，利用闪电定位数据所作的研究大致可以分为四大类： 1 、将所获得的闪电定位数据用于闪电活动规律与强对流天气之间的关系的研究，这能 通过采用一定的数值化模型、结合多普勒雷达观测或卫星监测来实现，能提高强对流天气 预报的准确性； 2 、运用闪电定位资料与雷达观测，提供一定范围与时效的雷电监测预警； 3 、在多行业有重要的技术应用，如用于气象部门，利于雷击事故的灾害分析和调查， 使其得以细化和有据可依，或用于电力行业，有助于高压输变电系统迅速查询雷击线路故 障点等等。 4 、用于雷电科研及防护技术开发，能获得各行政区域、乃至全国辖区内雷电活动频繁 程度、电流强度、陡度、正闪或负闪的数据，以用于雷电防护【引。 国内外有不少研究人员对闪电定位的原理和应用作了大量的研究，但是在上述所言的 第四方面，显然还有大量的研究值得去做，闪电定位数据的综合应用将在未来几年达到新 的高潮，因为雷击风险评估工作正在全国展开，以前所用的雷暴人工观测资料，在雷击风 险评估应用方面显得数据单一，缺乏可信力，但是，如何充分利用闪电定位资料以利于防 雷工作实践，目前的文献尚缺乏指导性的研究方法；尤其是有关闪电特征参数的统计和计 算方面，尚存在一定的模糊概念、缺乏统一性的方法，这些因素很大程度上制约了防雷技 术工作的进一步发展。 闪电定位仪的数据具有人工观测雷暴不可比拟的许多优点，后者在世界各地的气象站 作为基本观测要素已经执行了近百年，虽然后者的观测结果，通过多年的平均分析对于统 计掌握各地的雷暴日数、时数等具有重要意义f 9 】，但是前者除了能提供前者的分析结果之 外还能获得更定量的信息，如闪电电流的强度、发生的地理位置、回击次数、极性、回击 或云闪发生的具体时间等，这些信息对于各地闪电发生规律的研究是极其重要的。 浙江省地处我国东南的多雷暴区，雷电灾害频繁，雷灾危害严重，例如，2 0 0 6 年6 月 2 6 日，一次雷击造成1 7 人死亡，1 3 人受伤的雷击伤亡事件，就出现在浙江的临海，它是 自有雷击伤亡记录以来世界上最最严重人身伤亡事件。为了认识雷电，了解雷电，观测雷 4 电，掌握雷电的活动规律，进行雷电防护，预测雷电，防雷减灾有效地保护人民的生命财 产安全，浙江在全省布设了闪电定位仪观测系统，并于2 0 0 7 年3 月1 日正式开始运行，闪 电探测网所提供的数据包括时间、经纬度、回击电流强度、陡度、误差、定位方式等地闪 数据。 本文在介绍浙江省闪电定位仪设置情况及浙江省的闪电定位仪采用的观测、定位原理 的基础上，从浙江省的闪电探测网数据提取舟山市范围的闪电资料，进行分析处理，结合 3 0 年的雷暴日资料，分析研究舟山市境内闪电发生规律，揭示闪电地域特征，提供雷电防 护的参考；此外，论文还研究和讨论了电源系统雷电防护中的电涌保护器( s p d ) 的合理 配合，提出了用于评估s p d 配合性能的一系列流程和方法。 5 第一章浙江省闪电探测定位系统 1 1 浙江省闪电探测网概况 浙江省气象局大气探测中心从2 0 0 6 年底开始布设由中国空间科学院的雷电研究室( 目 前该雷电研究所已经归入中国气象局大气探测中心管理) 开发的a d t d 闪电探测仪( 该产 品已经比较成型，在国内已经有一段时间运行) ，并于2 0 0 7 年初完成布点，建成浙江省闪 电探测网( 又名闪电定位系统) ，由1 2 个站组成，设一个中心站，位于杭州，其他1 1 个 子站分别位于1 1 个市( 包括杭州市、宁波市、温州市、绍兴市、湖州市、金华市、衢州市、 台州市、舟山市、嘉兴市、丽水市) 内的气象观测站内，组网密度约9 0 0 0 k m 2 个，如图1 1 所示，其系统组成框图如图1 2 所示( 各探测仪分别代表各子站) 1 0 l ，其中，舟山市子站 设于定海气象基准站内。 该闪电定位系统的构成包括：a d t d 雷电探测仪、中心数据处理站、用户数据服务网 络、图形显示终端等，由布置在不同地理位置上的两台以上的雷电探测仪( 以下简称探头) 可以构成一个雷电探测定位系统网。 中心数据处理站称为主站，a d t d 雷电探测仪称为副站或子站，位置分析器、综合雷 暴信息显示终端设于主站，通信线路将主站、副站互联。该闪电定位系统的主要工作原理 是，a d t d 雷电探测仪测定闪电方位和强度及闪电到达本站的准确时间，这些探测数据经 通信线路传送至中心数据处理站的位置分析器，位置分析器根据各副站的探测数据，进行 方位汇交和时差定位，求出闪电发生的位置经纬度，并利用冗余度给出定位误差的大小， 而且能够利用闪电辐射的电磁场测定出闪电回击的电流强度和电流陡度。中心数据处理站 经通信信道可和多达1 6 个探头相连，对接收到的闪电回击数据实时进行交汇处理，给出每 个闪电回击的准确位置、强度等参数，由其图形显示终端设备随时存储、显示、打印或拷 贝成图；中心数据处理站也可经通信系统对各个探头进行参数设置、调出探头工作状态等 等；中心数据处理站可通过数据服络或设置多个图形显示终端，以便多个部门共享雷电的 信息资源。 6 ，。坪h * n n- 9 、( 十嚷、。j ：一_ 。+* i 嬲燃a m m jm 。i j 一。赢m j 一- 一毽嚣 盅，。? 鼍蕊 、；： i 一。 ，豁 。 。 嗡一 一m d i 。：，。j ” 图11浙江省雷电探洲定位系统分布幽 _ _ f m * l 塑! 墅! 卜i 塑塑i 匝囱巨匦丑匦囫 ；= = = = = j - = = _ 一l 崮碹圈 = 一 ：m s 眠菁蓦i1 4 碍图b 皇秘4 f 圈i2 浙江省a d t d 闪电探洲系统组成框闰 谚系统所能提供的土要数据有：一次闪电中回击的次数、回击的发生时间、同击的发 生何置f 经纬度值) 、亓l 击的电流强膛峰债、同击电流波形陡度虽大值、定何误差和定何 雌蔷 三困；。困 醛篙 方式。但是，实际上，目前在用户界面仅能获得的文本数据主要包括：编号、回击的发生 时间、回击的发生位置( 经纬度) 、回击的电流强度峰值、回击电流陡度、定位误差和定 位方式。 1 2 闪电探测网的基本工作原理 闪电探测网的闪电探测及定位主要基于电磁学原理和麦克斯韦电磁场理论，当雷电电 磁效应所产生的强大电流，引起电磁辐射，从雷击点传播到闪电探测器时，闪电探测器时 通过对雷电电磁感应信号的接收和处理，便能探测雷电发生的时间和地点。 浙江省闪电监测定位系统是通过几个站同时( 采用g p s 全球定位自动授时技术) 测量 闪电回击辐射的电磁场来确定闪电源的电流参数，应用闪电探测中较为先进的时差测向混 合技术( i m p a c t ) ，并用卡方函数x 2 最小化算法最后定位，采用了u m a n 和m c l a i n 提出的 t l ( t r a n s m i s s i o nl i n em o d e l ) 同击电流模型，即假定电流波形不发生弯曲和雷电流沿通道传 播时不发生衰减。 一般而言，闪电探测仪a d t d 单站的测量值准确度不高，需要多站定位提高精度，主 要利用卡方函数x 2 最小化来实现。 1 2 1 时差测向混合技术 浙江省闪电探测网的闪电探测及定位采用时差测向混合技术i m p a c t ，该技术是结合 了磁方向测定法m d f ( m a g n e t i cd i r e c t i o nf i n d e r ) 和到达时间法t o a ( t i m eo fa r r i v a l ) 的综合方法。 i m p a c t 闪电定位系统的每个传感器既探测回击发生的方位角，又测定回击电磁脉冲 到达的精确时间。中心站将根据每个闪电探测传感器的方位和时间差数据，进行不同组合 的联合定位。由于i m p a c t 闪电定位系统定位精度高，同时又可与时差系统和测向系统进 行联网，因此具有良好的兼容性。i m p a c t 闪电定位系统在探测子站数目较少的前提下， 保证了较高的定位精度，是目前比较实用的闪电监测定位系统。 一般的，各传感器获得的数据通常使用卡方函数x 2 最小化法技术产生一个最佳的闪电 定位【1 1 l 1 2 1 ，x 2 最小化由下式给出： 8 警蓬硝警 吃警驭阊 其中，t o 为未知的闪电时间，0 ，为第i 个站测量的从闪电源到第i 个站的传播时间， 仃，为时间测量的预期误差。 上式第1 项为i m p a c t 传感器数n 所报告的方位角标准偏差，第2 、3 项为i m p a c t 传感器数n 报告的时间t 。，和电场峰值已f ，对于i m p a c t 传感器，巳，是从测得的磁场 峰值计算得出的，并且假定峰值基本上是由它们的辐射所决定。 从1 1 式可以看出，实现多站联合定位，即闪电监测网内有多个传感器能接收并处理 同一个闪电信号，能提高其定位的精度。 带有定时g p s 的i m p a c t 传感器增益高，激发阈值降低，波形认可标准改变( 明显 的，比先前而言更窄的波形被系统接受) ，从而以允许探测低峰值雷电流和更远处的闪电。 故采用i m p a c t 技术，能提高探测效率，有效减少漏测现象。 值得一提的是，在闪电定位监测网络的外围，探测效率会迅速下降。 1 2 2 磁方向测定法 磁方向测定法m d f 是指通过测量闪电产生的磁脉冲信号方向进行雷电定位的技术方 法。采用两个垂直且正交的环，其平面朝向南北n s 或东西e w ，每一组天线测量一个给 定的垂直辐射源所产生的磁场，便能获得辐射源的方向。这是基于这样一个事实，根据法 拉第定律，给定金属环的输出电压与磁场矢量和金属环平面的夹角臼的c o s 0 成正比。如图 1 3 所示。 回击源 a ：正交的单匝亥姆霍兹线圈卫：线圈与闲电回击源的方位角 图1 3 磁方向探测示意图 9 对于垂直的辐射源( 回击通道) ，磁场线是环绕辐射源的水平同轴环，例如，一个金 属环( 假设n s 环) 的平面朝向为n s ( 与e w 垂直) 接收一个最大信号，则相正交的e w 环对该辐射源不能接收到信号。 在n s 环中的信号随北向与信号源到天线的夹角0 ( 0 称为方位角) 的c o s 比例变化， 而e w 环的信号随北向与信号源到天线的夹角d 的s i n 0 比例变化。可见这两个信号的比率 随t 9 0 而变化，方位角能通过示波器同步显示，指出闪电放电的方向【1 3 1 。 两站的方向探测仪( d f ) 网络必须通过图1 4 所示的相交技术来确定位置，而多站组 成的网络则需通过卡方函数x 2 最小化来得到： ( 1 2 ) 其中，幺，为第f 站测得的电场初始峰值，置为第i 站未知的电场值，仃威为第f 站电 场测量误差估计值，吒，为第f 站测得的方位角值，0 。为第f 站未知的方位角值，仃研为第f 站方位角测量误差估计值。 d f l 图1 4 采用2 个方向探测仪定位示意图 1 0 乎 畏 随 p 厨盈盯 瑚 8 图1 5 采用3 个方向探测仪定位示意图 如图1 4 所示，2 个方位角的方向矢量( 矢量是从d f 到辐射源的指向) 相交点，提供 为一个回击点的位置，但是因为每一个方位角存在一些随机角度误差和可能的系统位置误 差，故如果用一个带有3 个d f 的系统，每一个d f s 提供了1 个位置，所以有3 个位置， 3 个位置之间的距离提供了系统误差的一些量值，如图1 5 所示。对于3 个或更多的d f s 对一回击的反应，采用卡方函数最小化技术进行定位优化。 每一个d f 测量雷电发生方向时存在位置误差，为了完全消除位置误差，每一个传感 器周围的环境应该是平地和各向同性的，没有明显突出的物体，包括附近埋地的导体。这 些条件通常是难于满足的，因此，测量d f 的位置误差以补偿任何所发现的误差比寻找一 个存在一个可接受的较小的位置误差要容易的多。一般的，为了纠正位置误差1 4 】，至少需 要3 个以上的传感器组成的网络以记录数据和作自我一致性分析，经过一个雷暴季节的运 行，以确定一个位置修正曲线，以作为每一个传感器的角度函数。 1 2 3 到达时间法 到达时间法( t i m e o f a r r i v a l ，简称t o a ) 是指通过测量闪电产生的电磁脉冲信号的时 间差进行雷电定位的技术方法。t o a 采用闪电甚低频段电磁脉冲到达不同地点测站的时间 差进行闪电定位，每个探测子站测定闪电电磁脉冲到达该站的绝对时间，两个测站之间的 时间差，构成一条双曲线，另外两个测站的时间差，构成另外一条双曲线，两条双曲线的 交点即是闪电回击的位置。由于双曲线的双解性，一个t o a 法的闪电定位系统通常包括 四个或以上的探测子站，以保证定位结果的唯一性。 用于闪电定位的到达时间系统分为三种基本类型：甚短基线( 传感器间距几十到几百 m ) 、短基线( 传感器间距几十k r n ) 、长基线( 传感器间距几百到几千k m ) 。 甚短基线和短基线系统通常工作在v h f 频段，其频率范围从3 0 到大约3 0 0 m h z ，而 长基线系统通常工作在v l f 频段，即3 到3 0 0 k h z 。通常认为v h f 辐射与空气击穿过程相 联系，而序信号则是由于已经存在的闪电通道中的电流流动而引起的。短基线系统提供 了闪电通道的图像，而用于研究放电的空间和时间上的发展情况；长基线系统通常用于地 闪回击点或闪电平均位置的识别，浙江省闪电定位探测利用了长基线系统，子站间隔约 1 0 0 k m 左右。 1 2 4 电场辐射、磁场辐射和雷电流强度测量 当从超过数公里的距离观测闪电的时候，回击在电场和磁场记录上会显示一初始、显 著突起的辐射场峰值，如图1 6 所示【1 卯。 在距离回击源约5 k m 以上时，即远场范围时，电场和磁场的初始峰值均由辐射场主导， 这时满足关系：e = c b ，c 为真空中的光速。通过测得磁通密度b ( 也称作磁感应强度) ，就、 能获得电场峰值的大小。 根据t l 回击电流模型，辐射电场e ，t a d 为： 一e ：r a a = 一2 z c e o l c 2 d ，( 0 ，一。c ) ( 1 3 ) 一般的，预测辐射场的幅度在一完全导电的大地表面随距离闪电通道距离值d 成反比 衰减，并假定：1 、所测量的场是一基本辐射场，2 、初始场峰值是从接近地面的位置点辐 射的，由此，可以构建最小卡方函数x 2 ，对于多站的测量，预测e ，的形式为： e 。= _ - 塑若百 ( 1 4 ) c f 2 面i 再石研 4 1 2 一l 一 蔗：善薹孑jc：。：?：-：石。：一-。+。 一1 r 7 1 一r 2 0v m1 7 镪p 量、 o - 0h m 土 上 6 ，i o w 叫 i 1 一 j k 嚣嘏 一l 森彭蕊 y 吾_ 茹”茹站 枣。隹“h u m p 盎黔愚 r t _ i 下1 5 k m 一o 秘墼b 鞘邂 w m 2 | k 一：、 一r 卜_ 朱篙= = 勺 图1 6 典型的垂直电场强度和水平磁通密度波形【1 5 】 ( 实线为首次回击，虚线为后续回击) 其中，e o 是距离闪电通道单位距离时的电场源函数，晟也通过卡方函数最小化的程 序确定。 针对磁场辐射也能构建出一个类似( 1 4 ) 式的方程，同样需要至少3 个站来确定相关 量。 由于大地不是完全良导体，闪电通道与地面的交界处既非各向同性也非平面，且大地 的特性随着闪电的方向而改变，场峰值会比原先假设的与距离成反比的关系以更快的未知 方式而衰减，因此，单独使用电场变化数据在实际定位中不能提供与下面将述及的磁方向 定位法一样准确的定位，然而，电场峰值数据已经结合了磁方向定位法、到达时间法，考 1 3 虑了由于传输效应引起的信号衰减因素，从而能改进系统的定位精度。 回击电流峰值的确定是根据所测得的磁场峰值以及基于t l 传输线模型所预测的线性 场峰值和电流峰值的关系： f ( 0 ，f ) ：2 r u z db ( f ，d c ) ( 1 5 ) 其中，c 为真空中的光速，d 为回击通道与观测点的水平距离，1 ，为回击传播速度， 鳓为自由空间的磁导率。 1 4 第二章舟山群岛闪电定位资料分析 2 1 闪电定位数据采集 本文分析所利用的浙江省闪电监测网数据，其时间跨度从2 0 0 7 年3 月1 日至2 0 0 9 年 2 月2 8 日，共计2 年的监测资料( 2 4 小时不问断自动监测) 。 每天，各地气象局的网络中心能自动接收上一日的全省闪电信息，该信息以文本形式 ( 存储，其主要包含的参数如表2 1 所示。通过d o s 命令，将所有从2 0 0 7 年3 月1 日至 2 0 0 9 年2 月2 8 日之间的文本文件，拷贝到一个文本文件a 仪t 中，再利用m i c r o s o f t a c c e s s 软件，将该文本文件的数据载入到a c c e s s 数据库b m d b 中。 2 2 舟山市范围内的闪电定位数据筛选及闪电密度分析 a 戗t 文本中包含了所有浙江省境内探测到的闪电信息，为了获得舟山市内各地云地闪 电的分布情况，需要对所获的闪电定位数据进行分析和处理。可通过c 语言编程，并进行 v i s u a lc + + 编译运行，统计出给定时间和地域内的闪电发生次数。 根据浙江省地图信息，舟山市的主要范围介于：东经1 2 1 8 度：i l 纬2 9 6 度、东经1 2 1 8 度北纬2 9 6 度、东经1 2 1 8 度北纬2 9 6 度、东经1 2 1 8 度北纬2 9 6 度之间的方形区域内， 如图2 1 所示。 将舟山市进行地理经纬度栅格化处理，即以每o 1 纬度x 0 1 经度分成1 4 x1 5 格，以 对浙江省闪电定位数据遴选，分别对各经纬度区间的闪电次数进行统计。 采用a c c e s s 的条件筛选功能，可提