什么是雷电灾害
雷电的成灾是由以下三方面基本因子相互作用而成的。一是致灾因子,包括灾种和致灾强度;二是承灾体,包括承灾体的环境时空条件和承灾力;三是雷电灾情,包括灾情和灾度。从这三种因子的互动过程,可以看出,雷电成灾过程就是致灾因子通过承灾体的中介而产生雷电灾情的过程。雷电灾情的大小既取决于灾种、致灾强度的大小,又取决于承灾体的环境时空条件和承灾力大小。而雷电灾情的大小又反过来影响承灾体即人类社会的生存和发展。作为承灾体,人类社会既受到致灾因子的影响,又影响着致灾因子的生成和发展,有时往往会构成或引发社会灾害或人为灾害。
社会灾害也通过承灾体的中介作用产生新的灾情。这是一种互馈式互动模式或过程。
1.致灾因子
致灾因子也称为灾象或灾源,是指自然界物质运动过程中一种或数种有破坏力的自然或自然现象,它往往是造成自然灾害的直接原因。
雷电灾害的致灾因子是雷电,但是雷电危害的方式对雷电灾情的大小具有很大的作用。在充满图腾和禁忌的蒙昧时代,先人们对自然、社会和人类自身缺乏了解,往往把雷电灾害根源归结为超自然的“上帝”、“神”或“魔”的力量。因此有“雷公”、“电母”之称。随着社会生产力的发展和科学技术的进步,人们逐渐对雷电灾害成因有了比较正确的认识,比较重视对致灾因子的研究。
但是不可否认,人类活动也形成了社会灾害或人为的一些灾种,如酸雨、沙尘暴、火灾等。人为的致灾因子所产生的灾情,以世界上若干公害事件为例,如比利时的马斯河谷事件,美国多诺拉烟雾事件,洛杉矶光化学烟雾事件,阿拉斯加的溢油事件,英国伦敦烟雾事件,日本的四日市哮喘事件、水俣事件、骨痛病事件、米糖油事件,瑞士桑多化学公司仓库爆炸、污染莱茵河事件等等。所以,原联合国人口基金会总干事萨拉斯把人类无限膨胀的欲望称作“欲望炸弹”。这种“欲望炸弹”的气浪引发了灾难。人们无节制地向自然索取,而遭到了“大自然的报复”,这种报复就是社会——自然灾害。
任何致灾因子中的灾种自身都有一个运动过程,这个过程可分为孕育期、潜伏期、预兆期、爆发期、持续期、衰减期、平息期,这对雷电灾害也一样。雷电灾害的致灾因子可以用三个参数来表示,即时、空、强。
时:雷电出现或发生作用的时间。
空:雷电所在地理位置。
强:雷电强度。
2.雷电灾情
雷电灾情是雷电作用于承灾体所造成的人员伤亡、社会财产损失、灾害救助损失以及恢复其正常社会秩序投入的总和。
雷电灾情用雷电灾害事件和雷电灾害损失来表示。雷电灾害损失由三方面要素构成,一是雷电灾害对人的影响,包括受灾人数、成灾人数和伤亡人数;二是雷电灾害受灾范围,包括受灾面积和成灾面积;三是直接经济损失。
为了使各种灾情有个可比较的测度,马宗晋等学者曾提出“灾度”
这一概念。灾度是自然灾害损失绝对量度的分级标准,以人员伤亡和直接经济损失两个指标把灾情分为巨灾(A级)、大灾(B级)、中灾(C级)、小灾(D级)、微灾(E级)。后来,刘燕华又提出了“灾情等级的绝对指标”与“灾情等级的相对指标”。
3.承灾体
雷电在造福人类(产生臭氧、增加氮肥、清新空气)的同时,也带来了雷电灾害。雷电灾害总是损害人类的利益,威胁人类的生存,无情地毁坏人类的生存环境,贪婪地吞噬着人们的生命财产,是人类生存和社会发展的大敌。所以人类社会及其生存环境是雷电灾害的承灾体。灾害影响社会,造成人员伤亡、迁移、暴乱和异族的入侵。在封建社会,国家的重大事件和政权更替又常与严重的自然灾害相关。尽管灾情的大小是同致灾因子的灾种、致灾强度相关,但承灾体的时空条件和承灾力对灾情大小也有着极大影响。
相同强度雷电作用于承灾体,由于时空条件不同,雷电灾情条件不同,雷电灾情也有很大的不同。
不同的社会条件即使同样的雷电强度,其雷电灾情也不同。在沙漠和人烟稀少地区,与在繁华的人口密集区发生同样等级的雷电灾害,灾情就大不相同。可见,某一灾种作用于承灾体,具有区域性的冲击力和破坏力分布差异。在不同的时间,如在农业生产的不同季节,致灾因子的某一种所造成的损失也不同。
雷电灾害承灾体的承灾能力更是影响着雷电灾情大小的重要因素。
有致灾因子存在总会造成灾情。人类社会至今还无能力来消灭致灾因子,但是灾害承灾体对灾情起到制约作用,即具有减轻自然灾害的能力。从历史上来看,影响承灾体抵御能力的社会因素,有三个方面:(1)缺乏减灾意识、忧患意识,对致灾因子形成、发展不能及时认识和适应;(2)虽然对致灾因子所造成灾害的危害性有所认识,但由于缺乏科学技术知识和经济实力,没有完善的对策,或虽有对策也无法实现;(3)由于群众的不响应。
因此,我们不难由上述灾害成因分析中看出,尽管作为造成灾害的直接原因的致灾因子,总是一种自然现象,但另一方面,产生灾害的前提又往往和人类的生产方式和生活方式及其抵御自然力的能力有关,也就是说,产生灾害的结构原因又往往在于人类社会本身的弱点和人类活动中的失误。这种弱点和失误或表现为不合理地盲目开发自然资源,或表现为人类不自觉地日益污染生态环境,从而降低人类生存环境的空间质量;或表现为人类科技发展的阶段性和局限性带来的危害,或表现为因人类自身生理或心理的固有弱点造成的危害等等。
比如防雷装置不安装或安装不规范导致雷击事故。
总之,灾害或自然灾害归根到底是一种社会事件,在本质上它是对人类社会特定环境和秩序的破坏。
雷电灾害的特性
雷电灾害是一种过程,也是一种现象,具有其自己的特性。它同任何自然灾害一样,有以下几个方面的基本特性。
1.普遍性和恒久性
全球每年约有12亿个闪电,即每秒平均30多个。因此,就某一时间段而言,雷电灾害时时刻刻、无处不在。
2.多样性和差异性
由于雷电在时间和空间分布上的差异,以及强度的不同,这就导致雷电灾害的多样性。此外,由于雷电危害方式不同,也使其具有一定的差异性。
3.全球性和区域性
一方面,雷电灾害在全球每一个角落都有可能发生;另一方面,雷电灾害的发生和影响范围都是有限的。因此具有全球性和区域性。
4.随机性和可预测性
雷电灾害的发生及其要素(发生的时间、地点、强度等因子)似乎是不能确定的,这就是雷电灾害的随机性。不过,雷电灾害本身的发生、发展过程是具有规律性的,是可以预测的。只是由于人类目前对雷电还不完全了解,不能准确预测一切时刻、一切地区雷电灾害的形成与发生过程,雷电灾害发生对人类而言具有随机性。因此,雷电灾害的随机性和可预测性是相对于人类的认识水平而言的。
5.突发性
雷电灾害的发生通常在人们尚未意识到的时候就突然降临,使人们猝不及防,往往带来惨重的后果。
易被雷电袭击的对象
雷电“喜爱”在尖端放电,所以在雷雨交加时,人在旷野上行走,或扛着带铁的金属农具,或骑在摩托车上,或恰恰举起高尔夫球杆,或在电线杆、大树下躲雨,人或物体容易成为放电的对象而招来雷击。
建筑物的顶端或棱角处,也很容易遭受雷击;此外,金属物体和管线都可能成为雷电的最好通路。
1.易遭雷击的地点
土壤电阻率较小的地方,如有金属矿床的地区、河岸、地下水出口处、湖沼、低洼地区和地下水位高的地方;山坡与稻田接壤处;具有不同电阻率土壤的交界地段。
2.易遭受雷击的建筑物
高耸突出的建筑物,如水塔、电视塔、高楼等;排出导电尘埃、废气热气柱的厂房、管道等;内部有大量金属设备的厂房;地下水位高或有金属矿床等地区的建筑物;孤立、突出在旷野的建筑物。
3.同一建筑物易遭受雷击的部位
平屋面和坡度≤1/10的屋面、檐角、里墙和屋檐;坡屋度>1/10且<1/2的屋面、屋角、屋脊、檐角和屋檐;坡度>1/2的屋面、屋角、屋脊和檐角;建筑物屋面突出部位,如烟囱、管道、广告牌等。
据统计,不同的树受到雷击的可能性也不同。据调查,在100次雷击树木中,击中橡树的次数最多,为54次;杨树为24次,云杉为10次,松树为6次,梨树和樱桃树为4次。
但它从来不会击中茂密树林中的桦树和槭树(而不是指空旷地区的孤树)。
观察表明,建筑物越高,遭受雷击的可能性越大。在整整400年间,意大利威尼斯着名的圣马可教堂的钟楼,被雷击12次,使得好端端一座建筑物遭到严重破坏。美国纽约市的帝国大厦,每年平均遭到3次雷击;瑞士卢加诺山上的一个塔顶仅一年时间受到雷击就有100次之多!在雷电出现频率属中等水平的中等平坦地区,各种高度的建筑物每年遭到雷击的平均值为:一般高度100年1次;15米高,5年1次;180米高,每年3次;40米高,每年5次;05米高,每年10次;66米高,每年20次。
雷击物体的过程和危害
1.地闪接地过程和击距
绝大部分云地闪电先导启动于云内,向下传播并接近地面时,在其强大电磁场作用下地面突出物尖端启动向上行进的先导,两者相向行进,直至相互连接,形成正或负地闪。
闪电击地点与云内启动点的水平距离在零千米到大约25千米范围内变化,雷击点既可能正处于闪电启动点的正下方,也可能处于其远处,即出现所谓的“晴空霹雳”现象;当然距雷电启动源区越远,出现雷击点的可能性越小。云地闪电的下行先导的传播和接地行为以及接地点位置决定于雷暴云电荷结构和电场强度分布的总体形势,即取决于在雷暴云尺度(10千米量级)相当的三维空间范围内云体的电荷结构及下垫面地形和土壤电导率分布特点。某个地面构建物的几何尺寸远小于云体尺度,这种小尺度的结构特征不均匀性对下行先导行为的影响只会在下行先导运行到离构建物一倍至几倍击距以内时才有明显的表现。闪电下行先导和构建物之间相互作用的方式和强度,或雷击危害形式和程度由三个主要因素决定,(1)先导位势或电荷量;(2)物体距下行先导的水平距离;(3)物体的结构特性,如突出尖端,边缘,高度等。
2.建筑物的雷击危害形式
这里,建筑物泛指简易民房,古建筑物,高层楼房,装备有各种电子和电器设备的现代化智能大楼,高塔,烟囱以及各种用途的地面仓储构建物等。雷击危害建筑物形式主要是直接雷击和雷电电磁感应两种。
雷电直接击中建筑物可能造成结构损坏,着火燃烧以及人员伤亡事故。例如,1957年7月6日明十三陵长陵棱恩殿遭受雷击,劈掉西部吻兽,劈裂两根直径1.17m,高14.3m的高大楠木柱子,死1人,伤3人。这类雷击危害形式源于雷电流的热效应和机械效应。当强大的雷电流流过击中物体时,热效应导致物体内的水分或其他可挥发成分急剧蒸发或气化,产生局部气体压力突增,膨胀和爆裂,可使树木劈裂、房屋破坏、器物爆裂等,有些闪电的时间较长,则容易造成木结构物或其他可燃物的高温燃烧起火。
雷电电磁脉冲危害是建筑物内部雷击灾害的重要形式,这一形式或效应过去称之为雷电二次效应,还有人称之为“感应雷”,是指雷电电磁场在电子和电气设备的线路上或在其接地线上,耦合产生的电压波形成的一种危害电子设备或电力线路正常功能的形式。有多种途径可能导致雷电电磁脉冲危害:(1)附近自然雷电的电磁辐射对建筑物内的电力线路和电子设备的电磁干扰;(2)建筑物的防雷装置接闪时,强大的瞬间雷电流对建筑物内电力线路和电子设备的干扰;(3)由外部各种强弱电架空线路、电缆传来的雷电电磁脉冲对建筑物内的电子和电器设备的干扰破坏。例如,1957年7月8日中山公园的一棵大树落雷,雷电流感应至附近的配电线路,然后传至中山公园音乐堂内,烧毁了配电室,舞台和观众厅的大顶棚。现代建筑物内几乎都有复杂程度不同的家用电器和微电子设备以及铺设供水、供气、供电和通信等金属管线,民用建筑也不例外。
据研究:实际建筑物内的电磁环境很复杂,通常钢筋框架结构的屏蔽效能只有3~15,现浇密网钢筋混凝土的为32分贝,而电子设备要求的有效屏蔽性能应该为98分贝以上。近年来,雷电电磁脉冲对建筑物内部电子和电器设备的干扰,损伤和破坏的事故频发,危害增多,损失增大,日益成为建筑物防雷设计关注的重点。必须重视实际钢筋混凝土建筑物的屏蔽能力不足的问题,对于现代电子和电气设备密集的智能型大楼的雷电防护,更要严格按照国家防雷规章做好外部和内部的防雷设计和施工,对重点设施和大楼的(电源线,通信线,及各种管线等)进出线还要加强屏蔽和合理安装浪涌保护器等防雷设施。
3.电力设备的雷击危害形式
雷击架空的输电、配电线路可能引起绝缘闪络的三种危害形式:
(1)绕击(SF)形式:雷电直击于相导线,对金属杆塔,地面或屏蔽线,中性线,或其他相导线发生闪络。对于架空配电线,视阻抗典型值500Ω(每边),遭到典型的30千安回击电流直击将产生7.5毫安的过电压,而配电线的绝缘水平通常只有100~500千伏,所以这种直击雷防护是困难的。有效的防护方法是在其上方架设接地良好的屏蔽线。即使不完备的屏蔽线也能够拦截大部分直接雷,而设计良好的屏蔽线也不可能对直击雷实现100%的拦截。在这种屏蔽失败的情况下,发生绕击的雷电流也比较弱,只要采取足够高的绝缘防护措施,可以避免或大大减少闪络的发生。
(2)反击形式:雷击于避雷线及其支持架构,对相导线产生闪络。
设计良好的屏蔽线可以把雷电直击后产生反击事件数降低到很少,进一步采取绝缘防护和其他避雷措施能够避免或大大减少输配电线路的中断事故。
(3)感应毫安形式:靠近线路近处,未与线路有任何接触的某处发生雷击产生感应过电压,一边小于300千伏,对于输配电线而言,不是主要威胁;但对于安装了复杂电气和电子检测和控制仪器的输配电控制中心(室)来说,对雷电电磁脉冲的防护是不可疏忽的。
地下电缆的雷击危害形式:目前有很多城市地区的配电线路是利用埋设地下电缆进行输配电的。地面雷击点通常只有10厘米或更小,但该点附近土地内形成击穿电场,若土壤电导率为0.001西门子/米,回击峰值电流30千安,击穿半径大约4m,产生的非均匀电弧半径还要大,例如在地面上留下几米至几十米长的非均匀电弧和烧蚀痕迹。由于雷电流脉冲能量主要分布在10千赫兹以下,雷电流穿透深度可以达到几十米甚至100米以上,地下闪电弧能够使得电导率小的沙质土壤变成融岩状玻璃管就是雷击在地面以下威力的表现。埋设于雷击点附近的地下电缆将吸引电弧,把雷击效应传播到更大范围,1960年以前西欧一些国家在山区开挖隧道时屡屡发生隧道内电雷管爆炸的事故便起因于此。地下闪电弧可能造成电缆绝缘层局部或大面积穿孔,甚至导致中性线的熔化,立即导致供电中断或留下隐患;由此产生的浪涌电压可能损坏变电设备或危害居民用电安全,所以处在雷击点下方的地下作业,不能不考虑潜在的雷击危害。
配电室和输变电中心要重视直接雷击危害,更要重视其内部的电子和电器设备的雷击电磁感应危害。
4.微电子设备的雷击危害形式
高速大容量集成电路功能飞速提高的同时,其可承受的极限功率呈指数下降,50年前分立电子元件的毁坏功率是毫瓦量级。今天,高速大容量微电子设备对于雷电电磁干扰和影响已经极其敏感,其毁坏功率已经降至万分之一毫瓦以下。
耐压很低,一般微电子设备经受不了正负5伏的电压波动。我们认识一下雷击危害形式是:
(1)暴露在雷电电磁场作用下静电感应和脉冲电流的电磁感应以及闪电辐射场的影响导致微电子设备的扰乱和破坏;(2)直接雷击或通过电磁感应在外部各种强电、弱电架空线路或电缆内产生雷电波,再经过这些线路传来,直接侵入和危及微电子设备;(3)建筑物防雷装置接闪时,强大的雷电流通过建筑物的混凝土内钢柱结构,产生快变的磁场,在计算机系统或其他微电子系统的环形线和电缆上感应浪涌电流,造成与直接雷击电流入侵类似的危险和干扰。
5.飞行器的雷击危害形式
根据美国商业飞机1950~1974年间遭雷击事件统计,大体每飞行3000小时遭雷击一次,或每年遭雷击一次。据南非1948~1974年统计,大部分雷击飞机事件多发生在3~5千米高度范围,每1万小时遭雷击1~4次。目前主要客货运飞机的飞行高度提高,接近云顶或在云顶以上飞行,大大减少了飞行中遭受雷击的可能性,但在起飞和着陆以及驻留机场期间的雷电防护问题仍然不可回避。
雷击飞机的后果是:闪电灾害后果包括飞机表皮上的烧蚀斑和熔洞,或由电阻热升温或磁作用力效应导致非金属构件的撕裂,如飞机头部雷达天线罩,活动机翼,尾舵和翼尖处的指示灯等毁坏,以及因为雷击导致连接,铰链和关节部的电弧和火花,或油箱蒸汽的点燃爆炸,酿成飞机解体和机毁人亡;电磁感应效应在飞机内产生的有害电压和电流,包括扰乱或破坏飞机的许多电子系统,同样可能造成严重事故。通常分为直接效应和间接效应(或感应)。现代飞机设计和制造中越来越多地采用非金属合成材料,可以大大减少飞机自身重量,但却可能降低对雷电直接和间接危害的屏蔽和防护能力,在这一工程领域内面临着如何保证雷击防护设计可靠性的新课题。
各种飞机遭雷击频数随高度分布形式是类似的,高频数在0℃~5℃温度区;以现代喷气飞机巡航高度虽然在9千米,遭雷击可能性较小,但它常在起飞爬升或降落遭遇雷击;绝大部分雷击发生于云内,只有百分之几的雷击事件发生在云下和云外。绝大多数雷击飞机事件与湍流和降雨现象相伴随,其中70%事件发生时有降雨,12%的的事件发生时有雨、雪、雨夹雪或冰雹。
雷击区的分布
雷击区与地质结构有密切关系。
科学家曾经通过模拟实验来说明,如果地面土壤电阻率的分布不均匀,那么电阻率小的地区雷击率大。这说明了同一地区也有不同的雷击分布,所以将这种现象称为“雷击选择性”。
试验结果证明,雷击位置经常在土壤电阻率较小的土壤上,而电阻率较大的多岩石土壤被击中的机会很小。这是因为在雷电先驱放电阶段中,地中的电导电流主要是沿着电阻率较小的路径流通,使地面电阻率较小的区域被感应而积累了大量与雷云相反的异性电荷,雷电自然就朝这些地区发展。
土壤电阻率较大的山区和平原有着较为明显的雷电选择性;有金属矿床的地区、河岸、地下水出口处、山坡与稻田接壤的地上和具有不同电阻率土壤的交界地段是雷击的多发区。
雷击也多发在湖沼、低洼地区和地下水位高的地方。除此之外,雷击选择性与地面上的设施也有重要关系。
当放电通道发展到离地面不远的空中时,电场受地面物体影响而发生畸变。如果地面上有一座较高的尖顶建筑物,因为建筑物的尖顶具有较大的电场强度,雷电自然会被吸引向这些建筑物,所以更容易遭受雷击。
在旷野,即使建筑物并不高,但是由于它是比较孤立、突出,因此也比较容易遭受雷击。调查结果表明,在田野里供休息的凉亭、草棚、水车棚等遭受雷击的事故是很多的。
从烟囱冒出的热气柱和烟囱常含有大量导电微粒和游离分子气团,它们比一般空气易于导电,这就等于加高了烟囱的高度,这也是烟囱易于遭受雷击的原因之一。因此,在一座较高的烟囱附近,如果有一座较低的烟囱,在高烟囱不冒烟而低烟囱冒烟的情况下,雷电往往直接击在低烟囱上。所以在高低两条烟囱并排时,即使低烟囱在高烟囱雷电保护范围之内,但仍然要求两条烟囱都要装避雷装置。
建筑的结构、内部设备情况和状态也会影响雷击选择性。金属结构的建筑物、内部有大型金属体的厂房,或者内部经常潮湿的房屋,因为具有很好的导电性,所以遭受雷击的概率比较大。
相关资料表明,雷击的地点以及遭受雷击的部位是有一定规律的,所以为了防止雷击,需要掌握这些规律。
雷电灾害的危害
从国际范围来看,相关统计表明,雷电灾害是联合国“国际减灾十年”公布的最严重的十种自然灾害之一,为此造成了严重的经济损失,死亡人数也较多。除此之外,雷电也带来了很多其他问题,如火灾、爆炸、建筑物损毁等事故频繁发生。因为雷电无孔不入,所以几乎全球范围内的很多东西都不可避免遭到雷电灾害的严重威胁。
1.雷电灾害对人身安全的影响
雷灾严重损害人体健康。雷击致死的第一个重要生理效应是人的心脏停止供血。人的心脏有两个心室,左心室使血液流经全身,右心室使血液流经肺部,正常人的两个心室的肌肉都是同时收缩和同时舒张以产生规律性的压力造成血液循环。当电流通过心肌时,破坏了这种协调性,各心室独立动作,不做有规律的收缩(即所谓“心脏跳动”),而是做软弱的不规则颤动,医学上称为纤维性颤动,出现这种生理效应时,血液停止循环,约4分钟即可导致死亡。
我国雷电灾害每年造成近千人伤亡,尤其很多受害者或春秋正盛或为莘莘学子和天真活泼的儿童,使很多家庭支离破碎,给这些受害者及其家庭带来不可挽回的伤害和损失,减轻雷电对人民群众生命的威胁是建设和谐社会的一部分。从英、美、荷兰、澳大利亚等国长期的科学统计数据来看,死于雷击事故的人数在稳步下降,例如对于英国,在一个半世纪里整个人员伤亡数有明显的逐步下降,从1870年的23人下降到1990年的3人。这与防雷技术和急救医疗的进步密切相关,同时也受当地人口从农村到城市迁移的影响。因为雷击严重威胁着人民的生命财产安全,所以要加强雷电防御,提高人民的生存安全感。
随着改革开放的不断推进,有越来越多的外国游客来中国旅游,而随之而来的就是中国旅游项目的增多,特别是户外活动,因此一定要关注雷电对于这些户外人群的威胁,一旦雷电造成一定的人员伤亡,其必然会有损中国形象。除此之外,因为人民群众的工作和生活越来越离不开电气、电子设备,而这些设备中集成电路的耐过电压过电流能力极为脆弱,所以可能被雷电干扰甚至损坏,引发人员伤亡。在这一方面也一定要引起相关部门的注意。
2.雷电灾害对经济建设的影响
雷电灾害的严重性首先表现在它具有破坏性上,其破坏性特别大。
在现有条件下,雷电灾害的发生是人类无法控制和阻止的,这种灾害的特点是雷电放电电压高,电流幅值大,变化快,放电时间短,电流波形陡度大。另外,雷电产生强大破坏作用的原因是强大的电流、炽热的高温、猛烈的冲击波、剧变的电磁场,以及强烈的电磁辐射等物理效应,容易造成人员伤亡、巨大破坏、起火爆炸等严重损失。雷电灾害波及面非常广,涉及人类社会活动、农业、林业、牧业、建筑、电力、通信、航空航天、交通运输、石油化工、金融证券……随着高科技的发展,雷电灾害显得越来越严重。雷灾的严重性更表现在,雷电通过多种渠道侵害地面物。除直接雷击外,还有雷电的静电感应作用,闪电放电时的电磁感应作用;闪电放电时产生的强烈电磁脉冲;雷电反击以及雷电过电压波可能沿各种架空线、无线电天线、天线馈线、电缆外皮和金属管线等传入仪器设备,酿成祸患,并由此而引发的其他灾害所造成的直接和间接经济损失是无法估量的。
雷电对我们国家许多部门的安全生产有严重威胁。我国大部分地区属雷电多发区,雷电既是威胁一些高科技领域的重要灾害,也是对化工、石油、矿山开采、高层建筑、加油站、输电线、森林等易燃易爆场所安全生产的主要威胁因素之一。
例如1989年,我国青岛市黄岛油库于8月12日遭雷击起火,燃烧104小时才勉强扑灭。伤亡人员近百名,烧毁原油3.6万吨,整个油库毁坏殆尽,变成一片废墟。又如某数据中心,集全体技术人员历时三年的研究成果和宝贵数据也因一次雷灾而化为乌有。各项损失都特别大。
这种例子数不胜数。20世纪80年代之后,雷灾出现新的特点,因为一些高大建筑的兴起及其上面的设施都会吸引落雷,这必然导致建筑物遭到破坏。增设的各种架空长导线也会引雷入室,即使有避雷设置也不会发生作用。除此之外,随着微电子技术的广泛普及,这也导致了雷害对象的转移,同时导致人身伤亡事故发生的可能性也增加。鉴于这些方面,人们应当采取措施来预防和降低这些雷电危害的产生程度。
1977年7月13日:雷电击中电线,导致纽约900万人断电25小时。随后发生的趁火打劫导致1700多家店铺遭抢劫或破坏,370多人被捕,财产损失高达1.5亿美元。
2003年14日,包括纽约在内的美国东北部和加拿大部分地区的突然发生大面积停电事故,也是由纽约一个电厂遭雷击起火,导致一个主要电网供电中断所引起,停电事故造成数百万纽约市民“无家可归”,纽约的许多商店关闭,全球游客的旅行计划搁浅。因此雷电灾害的防护不仅与经济建设紧密相关,更是关系到确保工农业生产和人民生命财产安全,维护社会稳定的大事。
3.雷电灾害对信息技术的影响
在现代社会中,信息技术发挥着越来越重要的作用。它不仅关系着国民经济的发展,对人民生活水平的提高也发挥了重要作用。信息技术的核心是微电子技术、通信技术、计算机技术和网络技术。近些年来,随着电子技术的高速发展,各行各业对计算机信息系统的依赖程度越来越高,计算机系统已经成为信息资源的重要载体和储存库。
然而,雷电电磁辐射干扰直接影响着计算机系统的稳定性,可靠性和安全性。电磁辐射对计算机系统及其数据存储所产生的干扰、破坏的危险性与日剧增,成为严重的社会化问题。雷电产生的电磁辐射干扰所造成的信息丢失,结果不仅使计算机受损,造成严重的经济损失,更重要的是它所造成的间接影响和由此引起的安全问题。雷电侵入计算机,主要是通过电网之供电电源而产生的。
4.雷电灾害对航天安全的影响
众所周知,航空航天是汇集了人类最新高科技的尖端领域。虽然防雷技术并不突出,然而却不能忽视。液氢燃料的加注过程、火箭的发射升空都不能在有雷电的情况下执行。雷电除对航天飞行器、发射塔等造成直接破坏外,还可引爆火箭的点火装置,使火箭自行升空,或使发射过程中的火箭爆炸,因此火箭上的主要电子仪器必须有极强的抗雷电辐射和静电干扰的能力。
一方面发射场高耸的发射架和耸立在发射台上的运载火箭都是良好的尖端放电物,极易遭受雷击;另一方面航天器发射后,会迅速改变周围环境的电场分布,使电场强度剧增,严重时会引起诱发雷电;火箭发射升空的过程中,起电的云层,甚至没有明显自然闪电的云,也可能袭击飞行中的航天飞行器。雷电一旦击中航天飞行器,将造成巨大的经济损失,而由此产生的间接经济损失和社会影响更是不可估量。
1987年3月26日美国国家航天局利用大力神火箭从美国卡纳维拉尔角基地发射海军通信卫星时曾遭受雷击而使发射失败,当时火箭发射约1分钟后受雷电干扰突然失控,浪涌电压破坏了制导控制计算机,导致星箭俱毁,损失高达1.7亿美元。
1987年6月9日美国航天局在瓦罗普斯发射场实施航天发射前,一阵暴风雨突然降临,3枚火箭被雷电击中,雷电触发火箭自行点火启动,结果两枚火箭升空后在预定轨道上仅飞行了4km,另一枚飞出100米左右坠入大西洋,导致发射彻底失败。因为我国发射任务相对较少,另外又考虑到了必要的防雷措施并选择100%避开雷雨天气进行发射,所以到目前为止还没有出现因雷电而引起的航天发射事故,但这并不意味着航天事业就不需要改进了。
而是对我国航天发展提出了更高的要求,需要采取更有力的措施来保障夏季雷暴频发季节进行航天发射的安全。
5.雷电灾害对信息安全的影响
如今,各国军队改进装备的重点被放在利用信息技术提高队伍的各种能力上,如快速响应能力、战场及战略情报的收集能力、后勤补给能力……同时还有其他一些方面,如利用信息技术改进武器的精度、机动性……这足以证明了现代战争是全面信息化基础上的战争,同时也说明了信息技术对海湾战争的重要性。雷电对信息时代的军事行动和电子装备,如雷达、电台、导弹、飞机等兵器都有严重破坏和干扰,因此对现代战争有重要影响。雷电产生的强大辐射场,可使一切以微电子器件、计算机技术为基础的信息传输、通信、指挥等系统内部敏感的电气和电子线路中产生致命的电压和电流,可以改变电子线路某些元件的工作状态,造成电路功能紊乱、传输的信号产生误码和错乱,甚至使整个网络失去控制。因此现代战争中,雷电的破坏作用是不容忽视的。
6.雷电灾害对交通安全的影响
雷电严重威胁着交通运输安全。
在全球范围内,每年因雷击而造成的交通安全事故特别多。雷电可以直击交通工具产生直接破坏,其中对飞机的飞行安全威胁最大。铁路、高速公路的特点是面广、线长,不仅要有强电设备,而且还要有大量的监控、通信、传感等弱电设备,外场设备遍布全路段,旷野区域往往有突出的设备点,电力线路往往要翻山越岭,传输和控制线路往往穿越复杂的地质层面,如此种种都造成了线路易遭雷击或雷电感应的弱点。雷击事故轻则使部分设备被击坏,系统丧失部分功能;重则使全系统瘫痪,经济损失惨重;更有甚者,因系统频繁遭受雷电侵扰,系统不能正常运行,全部系统功能丧,给交通安全带来极大隐患。我国大部分地区属雷电多发区,因此加强交通运输行业的雷电防护有重要的实际意义。
7.雷电灾害对生态安全的影响
在我国,每年都会有大量森林发生火灾,这严重威胁着生态环境和经济发展。其中的很多火灾都是由雷电引发的。雷击火灾是林业的最重要灾害之一,据统计,我国大兴安岭由于雷击引起森林火灾占森林火灾总数的24%,而小兴安岭的伊春林区由于雷击引起森林火灾占森林火灾总数的7%。2002年7月28日内蒙古大兴安岭北部原始林区因雷击引发建国以来最为严重的雷击林火,火灾涉及19个火场,火灾面积达4万公顷。近1.6万名林业职工和官兵在4架直升飞机、2架运五飞机和1架人工增雨飞机的协助下,经过23个昼夜才将大火扑灭,仅扑火费用就高达近1亿元。此次雷击引发的森林大火,受到全国人民和党中央、国务院的高度关注和重视,由它所造成的生态损失和影响是十分严重的。
8.雷电灾对户外体育活动影响
随着人们户外体育活动的不断增加,因为雷电而导致的人员伤亡和活动中断等事故也时有发生,所以各类体育场馆一定要有较好的雷电防护设施。
9.雷电灾害对现代建筑物的影响
众所周知,雷电是发生在大气中的一种放电现象,其特点是高电压、大电流、强电磁辐射。通常,防雷技术是在高大的建筑物楼顶或其附近,安装防直击雷的防护装置。
这种防雷装置是由三部分组成,即接闪器、引下线和接地体。安装这种防护装置的目的是将强大的雷电电流,按照设计的通道泄放到大地。
也就是由设在建筑物顶端的接闪器拦截雷电电流,之后通过导电通畅的引下线,引导到电阻值很小的接地体泄入到大地。这是属于防直击雷的措施,一般我们称之为外部防雷。
当雷击发生时,建筑物的外部防雷装置确实有效地防御了雷击对建筑物结构的破坏,防止和减少了火灾和人身伤亡。但它并不能保护建筑物内的电气系统和电子系统免遭雷击。因为:(1)当雷电流快速泄放到大地的同时,在空中就会产生一个强大的变化磁场,处在这个强力变化磁场作用范围内的所有电气和电子系统的线路和设备,都会因为切割了磁场的磁力线而感应产生出电涌电流,轻则会产生失误动作,重则会造成设备损坏。(2)雷击发生时雷电流可能击中架空的电力线或通信线,也可能击中这些金属线缆附近而感应出电涌电流。这些电涌电流会沿着金属线缆进入电气和电子系统,造成破坏。
我们把上述通过感应磁场的效应即“场”的作用,以及通过线路雷电流侵入即“路”的作用统称为雷击电磁脉冲,也可以称为二次雷击。这种二次雷击的破坏是在人们看不见的感应磁场中发生的。可见,雷击电磁脉冲的破坏作用虽然是悄然发生的,但是却有更为严重的破坏。防御雷击电磁脉冲的技术可称为“内部防雷”。正是外部防雷与内部防雷共同组成了系统的综合防雷体系。
另外,雷击发生时建筑物的避雷装置在防止直击雷过程中,强大的雷电流经过引下线和接地体泄入大地。与此同时,可向附近的各种接地导体闪络电弧,电压可高达数万伏以上,会向建筑物内包括机房内各类接地的机器设备和电子设备;自来水管道、暖气管道、煤气管道等各类金属管线;接地的金属门窗甚至人,发生闪络现象,至使设备和人员受到伤害。所以在设计系统综合防雷工程时,对上述问题均要一并予以考虑。
人身雷击事故分析
报刊经常有关于雷击人身事故的报道,有的是很引人关注的。如1970年7月27日午后1点,一个闪电击到北京天安门广场,击倒10名游客,2人当场死亡,当年正是十年动乱最严重时期,于是引发了种种迷信传说,报刊有所忌讳,未作详细的现场描述,难以作寻踪分析以找出落雷伤人的规律性的知识。
自有记载以来,单雷击致人死亡的情况最多的是1975年12月23日非洲南部高原的津巴布韦的一次雷灾,在乌姆塔利市郊野外活动的21个农民,为躲雷雨而挤入一座茅棚,闪电击中茅棚,引起大火,草棚化为灰烬,21人全被烧焦。这一惨案之所以如此之惊人是由于两个原因:首先是野外茅棚高于四周,容易引雷。挤在一起的人群,同时都会受到雷电流的作用而麻木失去知觉,本来这么多的人分担电流,不一定会毙命。大惨案之所以出现,是因为还有第二个原因,即茅草易燃,就是大火燃烧使全体失去知觉的农民丧生。所以这一事例很值得注意。
我国发生过比这大得多的人身雷击事件,但灾害却轻得多。据1994年4月11日新华社讯,4月11日上午10时40分左右,位于大别山腹地的河南省商城县长竹园乡的黄柏山小学上空突降大雨(一个多月气温偏高,从未下雨),闪电击穿房顶,8间教室房顶上瓦被击碎,教室内共有125名师生被雷所伤,其中有8人重伤,3名教师和22名学生当场被击伤休克,幸无1人丧生。从地势、气象和落雷击碎瓦的面积看,这种雷有可能是如4.7节所说的巨型雷,能量较大,由于乡村小学没有什么金属物,雷电流入大地的通道分散,所以被击的人数虽多,但各人身体通过的电流均不至于造成心脏停跳,不致于丧生。
这所学校用的是砖瓦结构,而不是茅草屋顶,不致起火。
1994年湖北省也发生过一次超过津巴布韦的雷击事件。7月9日下午4时左右南漳县双坪乡石家坪村突降暴雨,正在这里参加小农闲开发的两千多农民工分别躲进民房和工棚内避雨,其中有66名挤入工地指挥部工棚,闪电袭击这一工棚,工棚被掀翻,有1人被抛出7m多远,5人被抛到了3m以外的荆棘中,其中重伤14人,轻伤52人,被抢救后,无人死亡。这则报道,记者没有描述工棚的状况,中雷者的状况难以分析。但是有两点可以肯定:它没有引起火灾,这是大幸,显然这不是一种“热雷”,工棚不是易燃物,也没有易燃易爆物放在棚内。第二点是此雷产生了较猛烈的气流冲击,雷的能量相当大,以至于可以把这么多人抛移相当远的距离,使66人同时受伤。
这样巨大能量的雷,在同一年的暑期还在另一地方出现过。那是1994年6月18日下午3点多钟,在吉林省罗通山脚下柳河县圣水镇小白蒿沟村发生的,15户农民受灾,死1人,重伤2人,轻伤5人。这个巨雷是在一阵冰雹之后发生的,这是一种“热雷”,它先击中村民老林房前40m处的一棵20m高的杨树,劈断烧成焦炭,在树旁击出一个1m深的大坑,由此可以看出这一闪电产生的冲击波的能量相当大,可以与湖北省石家坪村的雷击相比。
据同年7月7日《中国气象报》的采访中,闪电电流强度相当大,烧裂地面出现两条深沟裂缝,1条长达40多米,到达老林家,烧死他家儿媳1人,把他炕上的儿子烧成重伤,把室外的两个孙子烧成轻伤,来串门的邻居及怀中的孩子烧成轻伤;另1条到达其邻居老陈家猪圈,一头大母猪被击毙,仓库物资全部烧焦。
这种烧裂地面出现深沟裂纹的现象,在国外也曾见到过,作者摄制的电教片《雷电及其防护》中有一个镜头,就是现场拍下的照片,其尺度与吉林省小白蒿沟村的情况相近。
从这几个实例,可以得出一个结论:这种特别大的巨雷是并不罕见的,在高原、山地似乎出现的概率更大些,这种地区不易被诸报刊报道,通常防雷规范里的公式、数据是没有计算这种特殊情况的。不过人们头脑中应该有所防备,譬如在野外避雨时就要有所留意,双脚不能分开,这种巨雷产生的跨步电压就不同寻常,要考虑避雨处的火灾问题等。
下面介绍大树引雷造成的人身雷击事故。
1994年7月24日下午3点,云南省师宗县瓦葵村下雷雨时,3个挖秧田的村民跑到一棵大树下躲雨,闪电袭击大树,2人当场死亡,1人重伤。同年同月25日下午2点,乌云密布,普兰店市沙包镇奎兴村的村民4人正坐在大树下打扑克,突然响雷,4人当即昏迷,后来3人苏醒,1人死亡。
在大树下避雨遭雷击的事例非常多,即使不在树下,只是骑自行车经过,也有受到雷击的。1960年在荷兰,一名士兵骑车经过树旁,只看到一道火光从树向他射过来,自行车把带了电,他感到像挨了一拳狠击,失去知觉15分钟后就苏醒了,皮肤完好无损。1961年在美国,一个10岁男孩骑车经过树下,人们发现他靠在树上,失去了知觉,头上有一块地方被烧伤,左脚后跟起了一个泡,经抢救,脱离危险。
总结上述情况,都是一种旁侧闪络所致,因为雷击电流通过树时,树干各处电压骤然升高,人站在地上,与大地等电位,所以树干对人身产生电弧放电,电流经过人体的部位不同,产生的伤害就不同,流经心脏的,大都必死,否则就不一定致命。十岁男孩显然是闪电流经过心脏的,电流从头顶进入,从脚流出,为何能救活呢?就因为他骑车而过,离树较远,而身子又较矮,这样飞弧的距离较长,电压降大部发生在电弧区域,男孩头与脚间的电压就小多了,而闪电电流持续时间很短,闪电的能量较小,不足以使心脏停跳。至于那个士兵,则闪电主要从自行车入地了,只是部分电流从车把流入人体,接触面积大,不足以灼伤皮肤。
旁侧闪络击人,不一定来自大树,在帐篷或金属棚下都可能发生。
1944年Paterson和Turner报道,有两个士兵在钟形帐篷里躲雨,闪电击中帐篷,一个士兵立刻死了,左肩、臀部和大腿部均有烧伤,另一个仅失去知觉几分钟,不需急救,他只是左大腿有一处烧伤。显然柱顶是闪电入击之点,柱身就是闪电通道,这与大树相似,旁侧闪络从士兵的腿部进入,不经过心脏,就安然无事,所以在帐篷或工棚中避雨,要远离支柱是很重要的。如1973年Hanson和Mellwraith介绍过一个事例:有7个儿童在帐篷里避雨时,闪电击中帐篷的柱子,2个儿童死亡,左脸和脚趾均有烧痕,而另5个安然无恙,无任何受伤处。
在金属顶棚下避雨特别危险,即使闪电没有击它,也会出现旁侧闪络。1965年Rees介绍了一个事例:
有一家的男主人站在一块锌板下避雨,脚穿一双底下有平头钉的鞋,踩在潮湿的地上,20码远处的落叶松遭雷击,并烧着了树旁的干草堆,他的后背和右腿也有大面积的烧伤,上衣、衬衫和左脚上的鞋都烧坏了。
他的儿子和儿媳在近处另一块锌板下避雨,儿媳的脖子还碰到了锌板,闪电击中松树时,这两人都感到电击而被抛出8英尺远,儿子曾在很短时间内失去了知觉,但没有受什么伤,儿媳觉得脖子后面好像挨了一下打,右肩和后颈都有表皮烧伤,臀部有电流流过的烧痕。这其实是一种感应雷的旁侧闪络,当闪电先导接近松树时,锌板感应出电荷,松树发生回击时,这些感应电荷发生的静电高压就通过人体对大地放电了。
再举一个感应雷击人的例子,对我国城镇居民很有参考价值。
1992年6月21日下午5点半,北京突然出现雷雨,正在街上玩要的10岁小姑娘妮妮浑身被雨淋湿,急忙往家跑,当她推自家铁门时,一下子昏倒在地,家人及时为她做人工呼吸,紧接着,急救车把她送到北京同仁医院。医生检查,妮妮心跳每分钟仅30次,手腕部、大腿内侧有明显电击烧痕,由于心跳慢和呼吸严重阻碍造成脑缺氧,引起脑水肿,经全力抢救,6小时后她终于清醒了。现在城镇居民楼流行装防盗铁门,雷雨时期,这种门就会因静电感应而带上电,一旦附近有落地雷发生,触门者就因接触电压而受雷击。所以雷灾常会随着建筑情况和科技的发展而出现新情况,这必须引起人们的注意。
下面只举三件报载的事例。
1994年8月9日晚,辽宁省新民市周坨子乡王甸子村村民冯某等4名妇女围在屋内炕上看电视,9点左右,外面正下着雷雨,忽见电视机内冒烟,声像消失,4人也同时失去知觉,1人倒在炕上,其他3人被抛到地上。约10分钟后,4人相继苏醒,都说不清10分钟前发生的事,冯某感到脖子有轻微灼痛感,大家定睛一看,发现她脖颈上留下一道清晰的项链痕迹,项链本身尚未损坏。显然这是闪电的脉冲电磁场在金属闭合圈中产生感应电流的热效应所致,估计这还不是闪电直接击中电视室外天线,而是感应的二次雷从天线馈线进入室内,所以4人的伤势不重,否则冯某脖子上的项链也就熔化了。现在城乡电视天线密布,常有发生电视机被雷击毁之事,人身事故也就难免。在广州等地,感应过电压波沿电话线入室的颇多,手握电话机而死者耳有所闻。这是富兰克林避雷针不能保护现代城镇居民在室内安全的重要原因。
下面再介绍两件雷击死人的事例。
1967年6月24日北京和平里南大街百林寺一个民房院内,一棵高约15m的大树被雷击,雷电流闪络到距树干1m的晒衣铁丝上,该铁丝钉于院内前后房的墙上,其钉的墙另一侧室内又钉有一小段挂手巾的铁丝,长约50厘米,墙内外的两钉并不相通,墙为24厘米的厚砖墙。挂手巾的铁丝上挂了个钢盒尺,下方恰好坐着一个11岁女孩,钢尺下端距女孩头顶尚有约20厘米~30厘米的距离,雷响时女孩当即倒地死去。同时北屋顶棚南半部正中明配电灯线的上部崩坏2m长一段墙皮,墙内栓苇箔的铁丝熔化,南屋靠西墙的顶棚也崩坏2m长一段墙皮,墙内栓苇箔的铁丝也熔化,这类栓苇箔的铁丝都是20号的,足见雷电流的瞬变电磁场产生的电磁感应电流的能量之大。
1957年6月23日北京海淀区温泉乡白疃村一民房的收音机天线遭雷击,一妇女毙命。该天线栓于西房后和北房后的两棵18~20m高的大树顶部,横过院内,引到东房室内收音机上,地线埋于室外,院内东西房之间距地1.6m处,栓有一根晒衣铁丝,此铁丝与天线有一段距离,互不相通,铁丝下当时正有一位妇女在洗衣服。当日刚下雨就有闪电击中天线,天线当即熔断,雷电流已窜到室内击碎收音机,并有闪电流分窜,把东屋西立面南窗上的过梁击裂,东西屋钉晒衣铁丝的顶梁木柱均被击裂,雷电流还沿东屋顶梁柱入地,把柱旁的水缸击穿一个洞,水漏了满地。闪电电流在此处还分窜到钉在梁上的晒衣铁丝,经铁丝下的洗衣妇女放电入地,击毙了这名妇女。
现在我们来分析这两个事例。
首先可以看到大树引雷是比较普遍的现象,不仅大树下避雨有危险,而且增加高树旁的建筑物落雷的概率,特别是农村不高的平房、楼房,其次应注意到闪电的路径总是选取低电阻的通道,因此空中乱拉金属线常是雷击的一个重要祸首。闪电的电压高,它可以隔开一段距离闪络到金属线上,从而使导线附近的人成为雷击受害者。对于现代楼房,自来水管、暖气管和煤气管道也同样会成为闪电分窜的通道。
这一情况对于雷雨时人们在室内外的活动,要特别留意。例如,1956年Arden曾描述了发生在跑马场的雷击事故,闪电击在跑马场的围栏上,许多倚栏的观众都摔倒在地,想移动两腿可就是站不起来,51人被送进医院,其中20人需住院,所有人都诉说腿痛。不过这类受雷击,包括跨步电压击倒的人,大都无生命之忧,因为闪电是经过下部,不经过心脏。即使如此,也不可大意,因为遇到多雷时节,因跨步电压而倒地不起之后,再有落地雷,则此时跨步电压产生的电流就会流经心脏了。所以在有可能遇到跨步电压的地方,要注意双脚的站法和选择地面的情况。
有书中曾提到法国教堂的一次雷击事故,只说到站在潮湿地面的作礼拜的信徒被跨步电压击倒在地的情况。当时还有一批信徒却安然无恙,他们是站在干的橡木地板上唱诗班席上,闪电没有流经这块高电阻的地区,因此也就没有跨步电压了。
从大量人身遭雷击事故的统计中,还可以看到落雷地点的规律性,据轻工业部1966年向国家经委和劳动部提出的报告记载:1951~1964年我国各处盐场共有176次雷击事故,死亡39人,伤34人。
美国在1950~1969年调查统计了全国48个州的雷击人身事故,户外娱乐活动者被雷击死494人,伤941人。其中,在水中游泳、划船或在岸边钓鱼等情况的死伤人数所占比例最高,远远超过其他地方,死亡200人,伤177人。
从这些情况可看出落雷点集中于地面电阻最低的区域。理由很清楚,这里地面对雷雨云感应的电荷多,自然地面的电场强度比其他地方高,闪电的下行先导容易趋向这里,从而吸引落地雷的概率较大。
而且这种场所,人常常是地面上较高的突出物,成为尖端放电的对象,吸引闪电先导,因此人身雷击事故特别多。
我国部分雷击事例
雷击灾害简况1232年据《金史·五行志》记载,“天兴元年九月辛丑(1232年10月9日),大雷,工部尚书蒲乃速震死”,这是中国历史上记载的最早雷击致人死亡的事例,而且死的是一位“部长级”
高官。
明弘治十二年(1500年)六月十六日夜子时,雷击孔庙启圣家祖,延烧正殿,伯鱼庙、子思庙、大成门、大成殿、启圣殿、东西两庑以及洪武、永乐御制碑文并楼等共123间。
1724年清雍正二年(公元1724年)六月初九日申时,雷落孔庙大成殿,火势猛烈,正殿焚毁,延烧寝殿、东西两庑、大成门、启圣王殿、金丝堂以及圣祖皇帝御碑东西两亭等。
1874年9月22日,澳门风雨大作,雷电交加,澳门最古老的天主教堂遭受雷击起火,继而殃及附近的楼寓民宅,死者近1000人。为了纪念这场灾难,澳门将每年的9月22日定为“天灾节”,每到这一天,都要组织防灾防火检查并进行宣传。
1964年9月10日,河北省承德市外八庙的普佑寺因雷击全部烧毁,只剩一堆废墟。
1976年3月31日某炼油厂318号1.5万立方米半地下混凝土原油罐雷击爆炸着火,油罐无法修复,直接经济损失26万元。
1979年1月6日,我国东北地区的四平、长春、吉林出现罕见的冬雷,造成牡丹江市、林海县输电线路跳闸事故,仅牡丹江电业局就少送电约2000万千瓦时。3月30日,南京炼油厂318号储油罐直接遭雷击,罐顶被击穿,烧毁原油860吨,损失26万余元。
1983年9月10日,上海嘉定桃浦二库发生因球状闪电雷击引起的一次大火,把正待出口美国等地的大量麻袋、山芋干等物品烧毁,损失250万元。10日凌晨,乌云滚滚,电光闪闪、雷声隆隆,风狂雨猛。3时15分时,一道蓝色的闪光划破长空,霹雳声中,一个直径约20厘米以上的火球从闪电中滚下,正好击中嘉定桃浦二库东面6条堆垛的中间。火球在堆垛间隙中滚动,不久就见到燃起熊熊大火。火后保险公司赔款达750万元。
1985年7月26日上海造纸工业公司北蔡仓库因雷击引起大火灾,殃及23个堆垛,使5600余吨各种造纸原料受灾,直接经济损失高达74万元。当晚7时15分左右,一个落地雷正好打在该仓库上,这些造纸原料都是旧棉絮、废纸、纸浆等可燃物品,燃点最高的也不过200℃左右,用来捆扎这些原料的都是铁丝或铁皮,雷击会感应起很大的电流而又无法导出。结头处因电阻较大会产生电火花,铁丝铁皮上也会因大电流通过产生高温,使燃点不高的原料起火。
1986年7月8日,河北省张北县油篓乡八一毛皮厂成品仓库发生一起特大火灾,烧毁房屋214平方米,皮衣类5773件,皮帽24210件,各种皮茄克652件,皮革39270.6平方米,直接经济损失978938元。
经消防部门现场勘查结果确认,这次火灾就是感应雷击引起的。那天夜里,张北县遭到雷电袭击。雷雨时,产生增大的交变磁场,在磁场内的钢屋架(有的闭合,无接地)产生感应电流,电火花引燃皮革制品,导致火灾发生。
1987年5月31日,湖北武当山金顶遭雷击起火,6名道人受重伤。
8月24日23时,北京故宫景阳宫因雷击起火,31辆消防车赶到现场,到25日4时大火被扑灭,烧毁屋顶80多平方米。1989年8月12日9时55分,山东省黄岛油库5号罐雷击起火,之后引爆了4号、1号、2号、3号罐,黄岛油库雷击事故造成19人死亡、78人受伤,大火共燃烧104个小时,烧掉原油3.6万吨,烧毁油库(罐)5座,直接经济损失3540万元,间接经济损失8500万元。1990年9月20日,广东电网珠江三角洲地区遭雷暴袭击,220千伏输电线路受雷击,导致11个220千伏变压器停止工作,损失负荷80万千瓦,占当时全省负荷的1/4,造成广州、佛山、肇庆、韶关等市大面积停电。
1991年8月15日凌晨,北京焦化厂供电系统遭雷击,设备损失严重,停产多日,煤气供应减少50万立方米,东郊工业区和使馆区煤气中断。
1993年5~7月间,广西罗城矿区频遭雷击,损失严重。因雷击造成供电中断多达26次,直接损失和间接损失多达50多万元,浮石110千伏供电线路因雷电击毁线路钢化玻璃瓷瓶停电3次,累计中断供电21天;四把矿6千伏供电设备被雷击6次;桥一矿和桥二矿都被雷电击毁6千伏供电电缆各1根;打花矿被雷击中35千伏设备后,中断供电3个多小时,矿井受到被淹没的威胁,造成连续一个多月生产处于被动的局面。6月18日雷雨交加,电话中断,对讲机的差转台被雷电击毁,矿务局无法与各矿联络,造成大量物资消耗和停产损失。该矿1992~1993年间雷击损失达600多万元。
1995年5月29日,辽宁省岫岩满族自治县发生一起球状闪电击死3名村民的事件。当天早晨6时许,该县石灰窑乡石灰窑村村民陈梁全家4口正在自家草屋内睡觉,外面下着雷雨,忽然一个球状闪电进入室内,接着发生爆炸并燃起大火。
陈梁双手被烧掉了皮,疼痛难忍,他立即叫来邻居救人。可是,他的妻子和9岁男孩、4岁女孩已经被球雷击死烧焦。
8月5日14时15分,一场雷击造成了台湾省北部20多年来的最大停电事故。雷击使北部5个电厂12部火力发电机组和核电一、二厂的各一个发电机组受到不同程度的损坏,造成桃园以北300万户居民和单位用电受到严重影响。这次意外停电事故给电业部门造成的损失仅停电补偿费就在1000万新台币以上。
1996年7月25日14时03分,河南省濮阳市变电站遭球形雷电击中,造成26只变电柜爆炸,其中21只被炸毁,直接经济损失70多万元,因多日停电,给工农业生产带来的损失巨大。
2002年7月底,因雷击引发兴安岭北部原始林区数天接连出现8处火点,其中4处火势较大,4500多名警民奋力扑救。雷击火是林业的最主要灾害之一,若按雷电均匀分布估算,世界上410万公顷森林,每天遭受50万次雷击,每年平均火灾达5万次。我国大兴安岭林火灾24%以上由雷击引起,其中29%酿成大火或特大火灾。
2003年8月2日中午一场突如其来的强烈雷阵雨,上海市区的4条10千伏高压电线遭遇雷击,4条线路烧断,分别导致交通路、黄陂路、新嘉路、北苏州河路周边区域数千户居民断电。
2004年6月26日13时50分至14时之间,浙江省临海市杜桥镇发生特大雷击事故,造成17人死亡,13人受伤。2005年4月21日,重庆东溪化工有限公司发生特大雷击爆炸事故,19人下落不明,9人受伤。
2006年8月1日20时,广州市大沙头码头一群游人遭雷击,致一死一伤。死者当时站立在离珠江不到10米,恰好位于一棵树冠很大的绿化树下,事故发生后,此处地面还有一块10厘米见方的焦痕及9个大大小小的坑。
8月17日7时,浙江省平阳县钱仓镇山垟村突然雷电大作,上空下起雷阵雨,4名河南籍外来务工人员和山垟村1名村民前往该村一座亭内避雨,亭内5人遭到雷击。
其中4人死亡,1名受伤。
2007年4月1日晚上7时,忠垫高速公路K128+680段工地发生惨剧,公路工地工棚内正在吃饭的10名工人遭遇雷击,5死5伤。据其中一位幸存者赵飞回忆,当时10名工人挤在工棚内吃饭,外面大雨如注,电闪雷鸣。突然“咔嚓”一声天崩地裂般巨响。赵飞感觉眼前一黑,再也没了知觉。大约几分钟后,他醒了过来,觉得视线模糊,耳朵嗡嗡乱叫,什么也听不见,全身是血。
他发现身边工友口鼻流血,或靠或躺,有的浑身赤裸,有的仅剩一条内裤。工棚内一片狼藉,衣物的碎片满地都是,玻璃瓦顶不知去向,只剩下一根根铁架,手臂粗的钢管扭曲变形,大雨浇在钢管上青烟嗤嗤直冒。
5月23日,重庆大部、四川东部、陕西南部、湖北西南部出现了雷暴天气,因雷击死亡9人,其中重庆开县兴业村小学,由于该校教室为砖石墙体的四合院平房,教室楼顶没有安装避雷设施,因此雷暴发生时,正在上课的兴业村小学四、六年级两个教学班95名学生遭到雷击,造成学生7人死亡,43人受伤。
此次事件被称为1949年以来最为严重的一次学生遭雷击事件。6月25日下午,上三高速公路上虞段雷雨交加,一辆苏州至温岭的大客车突遭雷击,车载电视爆炸,导致大客车起火,所幸20余名乘客无一伤亡。
7月9日下午,台湾台北缆车被雷电击中,被迫停驶5小时,直至晚7时才恢复运行,所幸没有人员伤亡。
7月17日上午8时许,一阵“轰隆隆”的雷电掠过重庆江北机场上空时,在机场跑道上砸出一个雷击坑。17日,进出重庆空港的246个航班受雷雨影响,1.3万旅客的行程受阻,最长延误近7个小时。
2008年5月27日13时40分,广州暨南大学医学院两名女生赶往教室途中,打着雨伞在学校一条主干道旁的树下行走时被雷击中,两人经过抢救脱离生命危险。
6月14日7时,广州白云区良田镇光明村一处山坡上,12岁的湖南少女小利在砖瓦房门外走廊遭雷击身亡。经防雷专家鉴定,击中小利的红色火球很可能是“球形雷”,这种雷飘忽不定,会随气流飘动,碰到物体则会爆炸。2009年6月6日上午,广东佛山市顺德区容桂街道高黎社区发生一起雷击事件中,造成4死2伤。6月3日下午不到4时就开始下雨,几名工人还在冒雨干活。雨越下越大,很快就电闪雷鸣,几名工人这才跑进工棚避雨。当时雷声巨大,不久,一声炸雷的巨响之后,在工棚内避雨的8人遭雷击,当场5人倒在地上,1人受轻伤。
8月4日,石家庄市长安区南石家庄村一村民自建房屋遭雷击坍塌。20人被埋,其中17人死亡,3人受伤。8月4日8时05分,9月15日傍晚,台湾台中县太平市山区下雷雨,晋得钢窗公司一栋5层新建大楼遭雷击,屋角水泥被打落,屋内8成以上电器用品被毁坏。
2010年4月13日凌晨,上海东方明珠电视塔顶端发射天线遭强雷击,引起天线外罩燃烧,所幸未造成设备损坏。
5月4日,河北邢台1家农药公司遭雷击,成品库起火。
6月19日,贵州平塘县通州镇几乎同一时间发生两起雷击事故,同是55岁的两位男性村民,在相距10多公里的水田里干活时被雷电击中身亡。
7月3日晚,京广铁路上行线孝昌县境内的花园~卫店段,供电设施遭雷击,导致该路段中断行车3小时。
7月13日,6名游客在云南石林景区南天门附近遭雷击,2人丧生,4人受伤。
7月20日,江西星子县苏家垱乡抗洪现场,18名抗洪人员被雷电击倒,2人牺牲,16人受伤。8月23日,广东翁源县江尾镇连溪村,3村民遭雷击身亡。23日和25日,广州番禺一小区连遭雷击,击坏该小区的部分智能火灾自动报警系统,直接经济损失9.06万元,间接经济损失20万元。
2010年2月28日16时,莒南县1名男子在村北回家的路上遭雷击死亡;莱芜市1名女性村民在田间耕种时遭雷击死亡。
2010年6月4日9时,莱芜市1名男村民在山路上行走时遭雷击死亡。
2010年6月22日18时许,东阿县王宗汤村2名村民在农田里干农活时遭雷击,其中1人当场死亡,另1人受伤;另有十几名村民在王宗汤村外的农田里打沙管井时遭雷击,导致1人当场死亡,另1人受伤;同日18时40分许,东阿县单庄乡大姜村1名村民在农田里干活时被雷电击中,经抢救无效身亡;同日22点30分,1名男子骑摩托车经过308国道济南市天桥区大桥镇路段时遭雷击当场死亡。
2011年6月8日12时50分,青岛一公司遭雷击,视频系统、消防报警系统、传感器遭雷击损毁,直接经济损失11万元。
2011年7月1日,潍坊一氯碱厂遭雷击,直接经济损失800万元。
2011年7月2日17时,青岛市市南区香港东路23号海大麦岛校区10#、12#楼遭雷击,直接经济损失约50万元。
2011年8月15日,淄博市淄川区一纺织厂遭雷击,直接经济损失近50万元,间接经济损失近100万元。
2011年8月15日23~24时,德州8个加油站遭雷击,直接经济损失65万元,间接损失600万元。
2011年8月16日2时,聊城市冠县城区出现强雷暴天气,造成城区近千户ADSL网络拨号器损坏,直接经济损失10万元,间接经济损失约20万元。
2011年8月16日19时05分,临沂市北城新区杏坛文化家园19号楼遭雷击,击坏2部电梯,直接经济损失40万元。
2012年5月26日15时至17时,公主岭市秦家屯镇赵家屯村八社遭雷击,造成1人死亡,1人受伤,雷击烧毁3间房屋,共造成直接经济损失5.0万元,间接经济损失10.0万元。
外部分雷击事例
18世纪在欧洲,有人认为敲击教堂的钟可以避雷。结果,在33年中有386座教堂被雷击,有103名敲钟人丧生。
1767年的一次雷电击中了威尼斯一个储放了几百吨炸药的教堂拱顶,引起大爆炸,3000人丧生。
1926年6月10日17时许,美国登玛克湖的匹克了尼兵工厂内一座炸药仓库雷击起火爆炸,首先雷电击中炮弹仓库,继而引发了另外两座各储存有800吨TNT的仓库爆炸。
造成19人死亡,38人受伤,工厂遭严重破坏,现场留下巨大爆坑和连片焦土。1955年7月在英国皇家跑马场发生了一次雷击事件,当时雷击在围栏上,雷电流沿金属栏杆而流散,许多人摔倒在地,51人被送进医院,其中一名骑士和一名观众身亡。1958年加拿大因雷击造成150次森林火灾,占年森林火灾总数的27%,损失占全部森林火灾损失的77%。1963年12月8日,在美国费城航空港,一架准备着陆的波音717飞机在强湍流中被闪电击中,飞机失去操纵而燃烧爆炸,乘客和机组人员全部遇难。1969年11月14日,美国肯尼迪航天发射中心第39A发射场上,“土星V—阿波罗12”号大型载人飞船整装待发,这次发射是阿波罗计划的第5次飞行,也是第2次载人登月飞行。
11时22分,阿波罗12按预定程序点火起飞后,飞行了36秒,到达1920米高度时,突然从云层经火箭到地面之间,出现两道平等的蓝色闪电。飞船上的宇航员也看到了闪电,指令长发现:雷击后3个燃料电池与母线自动切断,造成了飞行平台失控等一系列不正常状态。
他立即向地面指挥中心报告了这一险情。16秒后,即达到4300米高度时,又发生了第二次闪电,并进一步造成了破坏。由于宇航员采取了启用备用电池等应急措施,故障得以迅速排除,飞船转危为安,顺利登月。根据美国宇航局等单位的调查,这次事故是由闪电引起的。
1977年7月13日晚上20时30分左右,人口近1000万的美国纽约遭到雷电袭击,5条负荷345千伏的电缆全被闪电切断,其他线路也因负荷剧增而自行中断,整个城市陷入一片黑暗和混乱之中,停电持续了26小时之久,工厂停工,商店关门,机场封闭,歹徒伺机打劫,损失十分惨重。
9月24日,美国芝加哥郊外的石油公司,总储量7.35万立方米的3个油罐因雷击燃起大火。1979年7月,前苏联远东伯力市的弹药库遭雷击爆炸,弹片横飞了几个小时之久,死亡人数达340人。1981年6月,日本“马特”导弹在发射后进入云层,正巧遇到落地雷,导弹落地坠毁。5名操作人员也遭雷击毙命。1982年7月9日,美国泛美航空公司的一架B727—235客机,在新奥尔良国际机场起飞遭遇强雷雨和低空风切变,爬高到46米就坠毁,造成了机上145人、地面8人丧生。1984年6月上旬,日本反坦克部队在进行反坦克导弹的实弹射击时,发生了一起罕见的导弹遭雷击的事故,导弹落地坠毁,5名操作手因遭雷击而被烧伤。1986年8月11日,美国西部牧区和森林,因雷击发生370多起火灾,烧毁了7万多公顷牧场。1987年3月26日,美国国家宇航局利用大力神/半人马座火箭从美国卡纳维拉尔角基地发射海军通信卫星时曾遭受雷击,导致星箭俱毁,损失高达1.7亿美元。
6月9日美国宇航局在瓦罗普斯发射场实施航天发射前,3枚火箭被雷电击中后自行点火启动,结果两枚火箭升空后在预定轨道上仅飞行了4千米,另一枚飞出100M左右坠人大西洋,导致发射彻底失败。
7月1日19时52分,日本北海道千岁市航空自卫队基地内一座容量3261立方米地下油罐突然爆炸燃烧。着火当时是雷雨天气,风向东南,风速2米/秒,气温16℃,湿度95%。消防队员到达现场时,油罐已全面起火,冒着火焰和黑烟。
由于不断地发生爆炸燃烧,其辐射热很强,致使消防队员难以开展灭火活动。过了3小时后才开始喷射泡沫灭火,于23时12分将火熄灭。
这次火灾共出动消防车27辆,消防队员206名。无人员伤亡,油罐烧毁。
1988年6月14日,美国中西部的黄石公园因雷击起火并蔓延扩展,共烧毁森林420万公顷,救火费用花费了3.5亿美元。9月9日11时30分,载有81人的越南民航客机,在泰国廊曼机场附近被雷击毁,造成73人死亡,2人失踪,只有6人生还的恶性事件。
1992年12月21日,荷兰一架客机在葡萄牙的法鲁机场降落时,因遇雷击起火坠落并发生爆炸,至少有52人死亡,250多人受伤。1993年8月8日,南斯拉夫贝尔格莱德以西80公里的一村庄正在举行足球赛,雷电击中在场22名队员,其中1名队员身亡。1994年7月26日晚,德国南部的巴特好森里德市体育场遭受雷击,当时一支俱乐部足球队还在冒雨训练,一名24岁的队员被雷电击中,伤势严重,另有6名队员遭雷击受伤。
11月一次风暴中,闪电击穿了埃及南部某镇的一个军用燃料库,燃烧的油料流进城镇,造成至少430人死亡。
12月1日,印尼苏门答腊楠榜省一个甘蔗园中的一间棚房遭雷击,屋中避雨的24名工人,有5人当场死亡,另有8人受伤。
1995年6月3日,洪都拉斯首都特古西加尔巴市西郊一个村镇伦皮拉港遭雷击起火,当时正在一起观看比赛的观众有22人受伤,有16人遭雷击死亡。
1996年2月6日,一架满载游客的波音757客机在多米尼加北部加勒比海域因雷击失事,飞机坠入大海,机上176名德国乘客和13名机组人员无一生还。
1997年10月,刚果民主共和国国内的一场比赛中,一道闪电击中了一名球员身上的螺丝钉,闪电杀死了在场上的11名球员,场边也有30多人受伤。
2001年7月14日,位于布基纳法索首都瓦加杜古以西150千米的伯尼一小型体育场突遭雷击,结果造成11名观众死亡,5人受重伤。
当时,场上两支球队正在进行比赛。
突然。一场暴雨从天而降,同时雷电大作,一些观众慌不择路,聚拢到一棵大树下面躲雨。顷刻间,一道闪电劈过,酿成了一场人间惨剧。
2004年3月9日下午,在新加坡新故俱乐部踢球的中国吉林籍球员不幸遭雷击身亡。
2005年10月23日(当地时间22日晚)尼日利亚贝尔韦尤航空公司一架B737—200型客机从拉各斯起飞飞往首都阿布贾时,飞机刚起飞3分钟后就空中爆炸坠毁,飞机上110名乘客和6名机组人员全部遇难,其中包括数名政府高级官员。
据尼日利亚官方报道和当地村民目击者说,飞机是在一个非常强的雷暴天气状况下起飞的,飞机起飞后3分钟就在空中爆炸,随即坠毁。
造成了航空飞行史上的又一大惨剧。
2006年9日17时45分左右,韩国亚洲航空公司一架载有200多名乘客的空中客车321民航班机在离地面300米的空中突然遭到雷击,装有雷达的机头被打落,驾驭舱的玻璃也出现裂缝,伴随雷电而来的冰雹还打破了发动机的部分外壳。
事故发生后,飞机开始大幅度摇摆,机长向机场管制塔发出紧急着陆的请求,第一次尝试着陆失败后,再次拉升飞机,并在18时14分左右,成功迫降。机上除一些乘客出现呕吐外,无人受伤。据机长事后介绍,当时视线完全不清,他们只能人工实施降落。
8月25日下午美国肯尼迪航天中心上空突发雷电,发射台顶部雷电保护装置上附着的一根金属线被击中。技术人员需要进行详细检查,原定于8月27日下午4时30分升空的“阿特兰蒂斯”号航天飞机的发射时间推迟24小时。
2007年也门西北部省份哈杰7月以后发生多起雷击事件,共造成22人死亡,10人受伤。雷击事件不仅造成人员伤亡,还导致了严重的财产损失。其中,哈杰省会城市电信局主发射塔严重受损,另有两所民房起火。
8月10日,也门国家田径队一名运动员在也门南部扎马尔省拉赫迈地区遭遇雷击丧生。此外,也门西部荷台达省和北部萨达省9日有4人在雷击事故中死亡,其中包括一名军官。
2008年8月10日傍晚,也门南部扎马尔省拉赫迈地区一名25岁的保安在巡逻时被雷电击中死亡。
8月2日,挪威举行的一场全国赛车比赛遭遇雷电袭击,闪电击中比赛现场旁边小山上的观众席。
91名观众被雷击中,其中45人被送往医院治疗,但伤势均不严重。
8月3日晚,比利时沙特莱一个汽车回收站被雷电击中,引发大火。
2009年5月2日傍晚,德国巴登符腾堡州小城因格尔丁根一座用于青少年联赛比赛的球场遭遇雷击,26名在球场上做赛前准备活动的小球员和部分观众在事故中受伤,其中1人生命垂危。
5月12日,也门西部拉伊麦省发生一起严重雷击事件,致5人死亡11人受伤。
格林尼治时间5月31日22时(北京时间6月1日5时),一客机从巴西里约热内卢起飞后不久便进入暴风雨区,与地面空中交管部门失去联系,后证实失事,机上228人遭遇不幸。有专家分析认为,是雷击使客机仪器失灵。7月14日晚,一道雷电击中奥地利施蒂里亚州莱奥本一座正在举行比赛的足球场,25名球员和观赛者都受伤入院。幸运的是,没有人受到直接雷击,所以伤势并未致命。
2010年8月16日,哥伦比亚一架载有131人的波音737—700型客机在圣安德烈斯岛一处机场降落时遭雷电击中,坠毁断为三截,事故造成1人死亡,100多人受伤。
近一年,孟加拉国100多人遭雷电袭击死亡,死亡人数占全球因雷电袭击致死总人数的1/4。
2011年美国联合航空公司一架客机飞行途中遭遇闪电,被迫就近急降。
雷电的预警和预报
雷电灾害是一种自然灾害,它是由强对流性天气造成的,因为雷电形成较为迅速,所以无法做出提前预报。在雷电短时预报方面,国内外都做了大量研究和业务工作,主要利用中尺度观测系统、雷达、卫星和雷电定位系统等获得的观测资料以及数值预报模式的产品,开展了雷电天气的临近预报技术开发和业务运行,例如美国目前可以给出3小时后的雷电发生概率产品。
但雷电的预警预报由于受对雷电本身物理过程认识不足等原因,到目前为止还没有十分成熟的业务系统。
多年以来,国内外的研究和业务人员在利用雷达和卫星等探测资料进行雷电临近预报方面做了大量深入的研究工作。例如美国空军第45天气中队给出了以雷达为工具的雷电临近预报经验规则,特别是选用了云顶高度参数作为预报因子,并在1996年亚特兰大奥运会的气象保障预警业务中得到应用,虽然在这一方面得到了发展,但是因为很多认识只是处于初级阶段,目前还要进一步深化对机理的认识,所以需要科学工作者的进一步努力和研究。我国雷电预警预报技术和方法的研发刚刚起步,目前还没有成熟的可供预报服务实际使用的业务产品,因此,我国在雷电预警预报方面的工作相当薄弱,目前基本没有开展有针对性的雷电预警预报业务。
中国气象科学研究院近期开展了雷电预警预报技术和方法研究,并开发了雷电临近预警系统软件。
临近预报是指0~2小时的天气预报,实时观测资料是主要的决策依据,如雷达、卫星、闪电定位仪、大气平均电场仪等。以雷达为工具的雷电临近预报经验规则,如最大回波强度及其出现高度、强回波体积、顶高等参数,对单体雷暴、砧状云、碎云等的云闪、地闪的预报。
因为不同地区有不同的风暴活动特征,所以,在我国的雷电临近预报中如何有效地利用各种观测资料还需要研究者做大量的工作。
地面电场仪可以测量晴天和雷暴天气条件下地面大气平均电场的大小和极性的连续变化,能够灵敏地响应近距离雷暴活动发生发展的过程,在雷电临近预警中非常有用。
因为单点的地面大气电场是空中所有电荷在该点产生的电场的矢量和,所以只利用单点地面大气电场的测量结果不能准确反映雷暴云中的雷电活动状况,需要地面大气电场仪的组网观测,并通过其他观测大致确定雷暴云的空间位置。到目前为止,如何充分有效地利用地面电场仪组网观测资料进行雷电临近预警仍然是一个难以解决的问题,还需要大量的实验研究工作。
对于地面电场观测数据,目前主要采用了两个预警指标进行雷电临近预警:电场瞬间变化量和电场平均变化趋势。每秒一次的采样率是可以在一定程度上反映闪电放电引起的电场变化的,因为闪电发生后,地面电场恢复到闪电前的状态需要一定的时间,所以根据我们观测到的电场瞬间变化(相邻2秒地面电场值之差)能够大体上判断出在近距离是否发生了闪电。对于电场平均变化趋势(如采用1米的平均值)来说,不适于在近距离有闪电发生时使用,因为近距离有闪电发生时(特别是闪电频繁发生时),很可能闪电发生之后地面电场还未得到完全恢复就又有一次闪电发生了,这样每分钟平均值的变化会是杂乱无章的。但是在闪电还未发生前、最后一次闪电发生后或者闪电发生频率较低时(可舍弃闪电发生之后一段时间的数据不参与平均值的计算,若闪电发生频率较高,可能会造成根本没有数据适于计算平均值),还是可以利用电场平均值的变化趋势作为预警指标的,特别是雷暴发展初期,云中电荷处于积累阶段,通过对地面大气电场平均值的变化趋势的预测,可以对闪电的发生进行有效地预警。
需要注意的是:利用单站的电场观测难以估计雷暴云的位置,其预警区域和提前预警时间是非常有限的,并且存在一些不确定性;另外,由于地面大气电场测量受安装环境的影响较大,尤其是在城市地区,很难找到理想的安装条件。因此,不同站点采用的平均电场预警指标是不一样的,需要进行场地校正或根据长期观测寻找经验判据。
对于过境的雷暴,由于电场仪的有效响应范围有限,能够提前预警的时间受很大限制(当然,组网观测在一定程度上能够增加雷暴路径上电场仪的提前预警时间),最好结合其他观测,如雷达、卫星、闪电定位等。而对于电场仪观测网区域内新生的雷暴云,理论上地面电场观测能够达到很好的预警效果(采用电场平均变化趋势作为预警指标),这还需要用实际观测进行检验。
随着全国地闪定位站网和局部地区总闪定位系统的建设,闪电资料在雷电预警中将起到越来越重要的作用。通过区域识别、跟踪和外推算法,我们可以对已经发生闪电的区域进行识别,利用一段时间的监测资料就能进行跟踪和预测,特别是总闪定位系统能够提供云闪的信息,可以为地闪提供更长的预警时间。
另外,在同时拥有闪电监测资料及雷达、卫星等实测资料时,需要综合考虑这些资料。例如在利用雷达、卫星资料对强对流区域进行识别、跟踪时,参考雷电定位结果,判断这些区域是否已经发生闪电,将为下一时段外推得到的强对流区域是否会发生闪电提供决策依据。
利用照相机对闪电观测
利用照相机对闪电观测是研究闪电的重要工具之一。由照相观测可以测量闪电的时间、闪电的速度和闪电的结构。早在19世纪后期,霍弗就利用照相摄影方法观测闪电,他将照相机作水平快速移动,获取闪电照片,观测闪电变化情况,发现闪击是有分枝的,并且闪击之间有连续发光存在,并测量两闪电的时间间隔为1/5~1/10秒,这个时间显然是过大了。到20世纪初,法国沃尔特利用一个由钟控制的可移动照相机,精确地测出了闪击之间的时间,并拍摄了第一次闪击的先导,观测到第一次闪击是向下分枝的,但是他没有发现先导是梯级的。同时,美国的拉尔森也进行了类似的闪电观测,测量了闪击之间的时间,并记录到一次由40次闪击组成的闪电。
直到1926年玻依斯设计出一种旋转式相机,后来称之为boys相机。
其结构是将两个照相机的镜头分别安装在一个旋转圆盘的一条直径的两端,镜头随圆盘高速旋转。当观测闪电时,闪电成像位于两镜头后面的静止底片上,由于圆盘快速旋转,两镜头各向相反的方向移动,由于镜头的高速移动,闪电光不是同时到达底片上,使得照相底片上感光的闪光发生畸变,这种畸变方向是以直径为对称的,镜头的旋转速度是已知的,通过将两幅图的比较分析及一系列处理后,就可以推断出闪电的方向和速度,并且可以判断闪电发展的连续相位,从而得到闪电的结构和发展过程。1929年,玻依斯又将相机作了进一步的改进,将转动相机镜头改为两镜头固定不动,而照相底片作快速旋转,这有利于提高观测的稳定性和精度。为观测回击闪电通道径向变化,塔卡基等制作了一台高速扫描相机,它是对一般线扫描相机的改进。其部件有:物镜、图像辅助(放大)装置、一维荷电耦合器件的图像感应器、一个探测驱动器和一个视频放大器。CCD图像感应器是由1024个高灵敏度的硅光敏二极管组成的线性阵列,所有的光敏二极管与CCD移位寄存器相连。
测量大气电场
旋转(场磨)式大气静电场仪,它是根据导体在电场中产生的感应电荷原理来测量大气电场。主要由大气电场感应器、信号处理电路、显示系统和雷电警报器四个部分组成。大气电场感应器由上下两片相互平行、有一定间距、开关相似的四叶片连接在一起的对称扇形金属片组成。下面的金属片用来感应电荷,固定不动,称为定片,上面的金属片由马达驱动旋转,称为动片,并与地相连接,它既起屏蔽定片的作用,又使定片暴露在大气电场中。
当动片旋转时,定片便交替地暴露在大气电场中,由此产生交流电信号,信号的强弱与大气电场强度成正比。信号处理电路是将交变电信号进行放大等处理为显示系统所要求的信号。显示系统可以用示波器、打印机或记录器等显示大气电场信号。雷暴警报器根据测量的电场的大小和变化,预测雷电出现的可能,并发布近距离雷电警报。
大气电场探空仪用于研究积雨云或其他云中大气电场分布和云中电荷分布。它由双球式大气电场感应器、发射机和在地面的接收系统三部分组成。双球式大气电场感应器由两个相隔一定间距、绕水平轴旋转的金属球体组成。在强大气电场中,两个金属球分别感应大小相等、极性相反的交变电荷,其幅值与两球旋转所形成平面的大气电场分量成正比,双球式大气电场感应器的输出信号,经发射机传送到地面。地面接收系统由天线、接收机、数据处理系统和显示装置组成。天线接收的大气电场和温、湿信号,通过接收机和数据处理,最后输出探测结果。此外探空仪还携带有温度、湿度和测风应答仪。
卫星和雷达监测雷暴
卫星为大范围探测闪电提供了理想平台,多年来已有多颗静止气象卫星装载有记录闪电信号的观测仪器,美国国防气象卫星(DMSP)上载有各种光学探测闪电的探测器。
DMSP卫星是1970年美国空军发射的一颗用于军事目的的气象卫星,采用太阳同步轨道,其使用的基本仪器是高分辨率扫描仪,可以获取可见光和红外图片。1973年DMSP卫星发射后不久发现高分辨率可见光扫描仪在轨道的夜间部分具有探测闪电的功能。1980年,科学家首次提出在静止卫星上获取高空间分辨率、高探测效率、昼夜探测闪电放电图像。20世纪90年代,根据他们的理论开发出一种新的LMS闪电探测仪。
LMS成图探测器能够探测大范围区域闪电发生的时间、闪电的辐射能、日夜监测云闪和地闪闪电,其空间探测分辨率达到10千米。
20世纪50年代,科学家首次用雷达观测闪电,直到近年来雷达可以用于闪电定位、确定通道的物理特征和监测有关风暴的演变。雷达能实时连续对雷电进行监测,对闪电的观测要优于被动观测,是监测闪电的最有效工具之一。
闪电定位与新型探测仪
1.闪电定位
闪电定位系统也称之为闪电探测和测距系统(LDAR)。20世纪70年代,LDAR由一个中心站和6个遥控站组成,基本工作原理是双曲线定位原理。现在已大有改进,只用一个中心站和3个遥控接受站组成三角定位法系统。有两种方法:
一种是磁场方位法。是利用一对闭合环形导体做成接收天线以接收闪电发生的脉冲电磁波的磁场分量。每一个天线接受磁场的一个分量,它是垂直于天线线圈平面的,从二个磁场分量的大小,可以确定落地闪的方向,二个站各自同时定出的方向线相交点就是落地闪的位置,用三个站,则可以把交点位置定得更精确。1989年黄岛油库是落地雷引起大火的,这个落地雷的地点和准确时间监测人员是在几百里外的监测闪电系统的监视屏上看到并记录下来的。这种闪电监测定位系统可以用于森林火灾的监测,也可用于荒无人烟大范围的输电网雷击损坏点的搜寻,我国大庆油田、华北电管局等已购用中科院空间中心研制的SD—JD—I型闪电监测定位系统,其测量范围可达几万平方千米。
另一种闪电定位方法是采用辐射场到达时间系统,又称雷电跟踪定位系统,它有非常高的精度,是以接受导航卫星的时间标准为基准,与各检测站收到闪电辐射场的时间相比较,从而定出闪电的位置。
2.新型探测仪
检测大气电场不一定用电学仪器,也可以运用光学效应来测量电场,光纤电光晶体电场传感器就是其中之一。电光晶体有一种泡克耳斯效应,它是这样一种现象:凡是不具有对称中心的透明晶体,光通过时会产生双折射现象,在某一方向加电场后,双折射现象会发生改变,变化量与外加电场成正比,是一阶电光效应,把晶体放入偏振装置中,经过起偏器1/4波片和检偏器作用后,通过电光晶体的光强就与外加电场的大小成正比了,光强可以用光电管来测量取读数。
另一个是借用共振现象测闪电。
大地表面和高空的电离层类似一个电的谐振腔,闪电发出的电磁波有各种频率成分,它的7.5赫兹的基频及其谐波在这个大谐振腔发生共振,称为舒曼共振。用电磁波接收机接收空中各种来源的电磁波,若有这种频率的成分,它一定是来自雷暴放电,利用这一现象可以监测全球的雷电,任何一个地方的闪电辐射舒曼共振频谱在全球任何地点均可监测到。
雷电监测产品的应用
闪电定位系统是用于雷电监测和预警的新型探测设备,可以自动、连续、实时监测闪电发生的时间、方位、强度、极性等特征参数。特别是目前在世界发达国家广泛使用的闪电监测站网,能够提供大范围、长距离、高效率和高精度的雷电活动位置和发展信息等,而且甚高频(VHF)闪电定位探测系统还可以监测云闪,能够揭示闪电放电过程的时空分布,因此闪电监测信息具有广泛的应用前景。
在短时天气预报的应用方面,雷电信息作为对流性天气灾害超短时预报的新手段已受到重视。1980年美国曾经开展了对流降水试验计划,反映了人们认识到电结构,特别是对流云系统电结构的复杂性,也反映了起电过程的多样性和复杂性。在2000年夏季美国NWS和NOAA开展了试验项目STEPS,强雷暴起电和降水研究),其主要目的是研究雷电结构与灾害性雷暴的关系。STEPS试验项目的探测试验中采用了三维VHF闪电探测系统LMS和Doppler天气雷达等探测设备。利用LMA系统对各种雷暴进行了进一步的观测研究,利用LMA观测资料对雷暴中的闪电特征及其与对流的相关性进行分析。
围绕“闪电和强对流天气”这一研究主题,国内外均开展了大量的研究,取得了可观的进展。早在1987~1991年,美国就利用其覆盖全国的雷电监测网(NI.DN)进行了站网观测运行实验,美国国家强风暴预报中心(NSSFC)在1988~1990年间,组织了相应的“闪电资料应用于强对流天气预报业务”
的评估研究,并肯定了闪电资料可以有效地改进强对流天气的诊断和预报。近几年,美国民航气象局和NSSFC已经有了可用于业务的诊断和预报技术,用户已可以很方便地从NLDN索取闪电资料及其预报产品。
近年来的研究表明,利用雷达和雷电定位对雷暴的观测分析表明,雷电频数与雷暴的生消演变过程有直接关系,闪电资料在时效性方面有着突出的优势,闪电监测数据已经成为灾害性天气预报产品中必不可少的因素,有助于改进强对流天气的诊断和预报,但许多认识还处于现象学阶段。目前还要进一步深化对机理的认识,利用闪电数据的特征与强对流天气的关系,针对不同地区强对流活动的特点,结合多种探测手段和测量方法,提出典型区域强对流天气的闪电特征诊断和短时预报方案,发展可用于预报业务的诊断分析技术,以及与短时预报相配合的软件产品,为闪电资料在灾害性短时天气预报上的应用研究提供新的结合点。
雷暴过程常伴随有强烈的对流、降水和雷电活动,对它们之间的相关性的研究随着雷电定位系统的应用而取得了许多有意义的结果,特别是经常发生在一些超级单体雷暴中的冰雹、大雨或龙卷风等灾害性天气过程与雷电的时空演变特征有很好的相关性。利用闪电VHF辐射源高时空分辨率的三维观测资料对超级单体雷暴的闪电特征进行了观测研究,曾发现雷暴中闪电洞(即闪电空白区)的存在,且与雷暴中的强上升气流有关,结果表明对流风暴中的闪电洞或闪电环(即环状闪电空白区)与强上升气流密切相关。观测还发现闪电频数小于10次/分钟的雷暴一般不产生降雹,而大于100次/分钟的雷暴60%产生大的降雹;研究结果表明在降雹发生期间,雷暴中主要以正地闪为主,且正地闪峰值超前于降雹过程的发生,这些研究大多基于雷电定位系统对地闪特征的观测,地闪多发生在雷暴的成熟和消散阶段,在发展阶段较少,而云闪在雷暴的总闪电中占有更大的比例,尤其是在雷暴的发展阶段。同时观测还发现云闪峰值可超前5~10分钟预警下击暴流的发生。
这些观测结果进一步反映出雷暴电荷结构的复杂性和雷电活动与动力、微物理过程之间的相关性,雷电参量在灾害性天气的预警、预报中具有重要作用,特别是这些结果具有一定的普遍性,对我国的灾害性天气过程的监测预报也具有重要的参考价值。但为了更好地利用雷电这一重要参数,进一步深入研究和大量观测实验的开展是非常必要的,也具有重要的实际意义。因此对雷暴产生的云闪和地闪以及单个闪电通道的发生发展特征进行综合分析,将有利于对雷暴的监测、预警和闪电特征的理解。
研究表明,闪电定位系统的数据能够较可靠地反映雷暴过程的发展趋势,不同类型风暴的天气过程的闪电特征不同,同一次风暴过程的不同阶段的闪电特征也不同,但这些认识还处于现象学阶段。要发展可用于业务的诊断和预报技术,还要进一步深化对机理的认识,在原有的闪电资料的基础上,针对不同地区强对流活动的特点,建立可靠的诊断指标和预报方法。目前,美国强风暴实验室和俄克拉何马大学研究人员,使用雷达、探空、自动气象站等多种气象探测手段获得的信息,开发了天气决策支持系统。
在雷电防护上,闪电探测实验研究,可以进一步深化对闪电机理的认识,提供可用于防雷产品和防雷工程设计效果检验的可靠实验测试数据。气象部门用在防雷减灾工作方面取得较大进展,但总体上讲,还是处于发展的初级阶段。闪电探测数据的长期积累,可以改变我国人工观测闪电和缺少雷电密度分布的状态。同时,防止雷电灾害,首先要分析雷电,特别是雷电电磁脉冲的物理过程,认识其成灾规律,从而有针对性地设计防雷产品,实施合理的雷电防护系统LPS。而闪电定位系统是利用对闪电电磁脉冲的探测技术,因此说闪电监测系统是从更深入的层次和角度,对闪电发生过程的详细描述。以此为出发点,闪电探测实验研究可以提供一种雷电防护有效性验证方法,并为雷电防护技术标准和管理规定的制定和防雷减灾技术的研究奠定基础。
此外,卫星闪电探测资料也得到了广泛的应用。OTD和LIS的优点在于其对地观测的一致性,外界的影响主要是太阳耀斑和南大西洋异常区等一些影响卫星仪器的原因。
但由于卫星是低轨运行,受对飞越的固定点上空观测时间短的限制,星载仪器不能连续监测特定地区的雷暴过程,对特定地区的闪电活动是低重复率、间断式地观测、采样,另外OTD和LIS给出的是总闪电,不能区分云闪和地闪,因此限制了资料在预报和预警上的应用,该资料主要应用在气候研究和雷暴云的个例分析和对比研究上。OTD和LIS从1995年至今,已获得11年一个太阳周期的全球连续观测的闪电资料,获得了大量新的科学成果,得到了全球闪电活动的气候学特征,包括闪电分布的海陆差异、纬度变化、时间变化,指出全球闪电频数平均每秒钟约为46±5个,被称为三大烟囱的高闪电发生区有着不同的闪电特征,闪电活动存在半年周期,对恩索在某些区域有强响应,全球总闪率对全球地面气温的变化是正响应的,闪电活动可以当作全球气候变化的指示器。OTD和LIS资料还被运用于闪电产生NOx的计算和化学输送模式中。由于TR毫米上还搭载着辐射仪和降雨雷达,还可以将LIS闪电资料和雷暴云的雨强、云顶亮温等参量做相关研究。
雷电作为对流性天气所产生的主要灾害之一,由于其成灾迅速而对其研究、预报和防治带来了极大的困难。同时,雷暴作为雷电的产生源常引起冰雹、暴雨等突发性天气灾害。利用雷电探测系统,结合雷达、地面气象观测系统,通过研究强风暴的动力、微物理和电学特征及它们之间的相互作用过程和耦合机制;研究强风暴系统与雷电活动的发展演变规律,从雷电的角度研究强对流风暴的冰雹、大风等局地气象灾害临近预报的方法和技术,发展雷电预警预报方法研究,为我国灾害性天气过程的监测和预测提供新的手段,为提高大城市和重大工程的灾害天气过程的超短时定点预报服务水平奠定基础。通过闪电特征与天气过程关系的深入研究,发展可用于业务的诊断和预报技术,进一步开发闪电资料的预报产品,为气象业务预报服务。
随着人们防雷意识的不断提高,对雷电灾害预报的要求越来越迫切,对防雷技术的要求也越来越高。鉴于气象部门具备对雷电的监测、防护和研究的优势,闪电监测资料的开发应用,会在很大程度上减少雷电灾害给人民生活和社会生产造成的损失。另外,也会对我国雷电探测和防护的规范化管理及其健康发展起到积极的作用。目前各行业对闪电灾害预报的需求量很大,在气象、航空、航天、电力、通信、军事、工业、水文、农业等部门,以及人们的日常工作生活,都需要闪电的预报产品提供雷电预报和警报的多种服务,以及雷电防护的咨询服务。
雷电预警预报产品的应用
雷电预警预报系统可以有效、实时地提供一定时间和区域内雷电发生概率,可以应用于各行业。特别是在一些特殊的场所,如高尔夫球场、爆炸物储藏仓库、运动场、户外游乐场等。为在空旷场地活动公众提供雷电预警信号,以便在雷电发生之前能及时撤离到安全的、有完善的直击雷防护措施的建筑物中;为公众日常活动及运动员特殊比赛日提供雷电预警信息,如球场、运动场、公园、游泳池、马术中心和学校,以及海滩、码头等大面积且人员较为密集的空旷场地,以便保护人身安全;为机场气象部门提供雷电活动信息,保障飞行安全,也为机场的地勤人员提供雷电预警保护;还可以为在户外训练的军人提供雷电预警信息,以便用来确定最适当的时间来关闭精密电子设备;为露天作业的人员以及易燃易爆物品的装卸和运送操作人员提供雷电预警信号,以确保这些人员的生命安全。
特别是通过以现代化技术和手段建立的公众雷电服务系统,以及准确、及时地适应公众需求、内容丰富的雷电信息产品的开发,将为电力、交通、航空航天、国防、军事、石油等应用领域提供高质量、高时空分辨率的雷电信息应用产品,并结合不同行业的特殊要求,提供专业雷电预警、灾害等级科学评估和决策分析结果,为国民经济众多部门的建设服务。
雷电预警信号
提前做好雷电防范工作,必须认识气象部门发布的雷电预警信号。
雷电预警信号分三级,分别以黄色、橙色和红色表示越来越严重。
1.雷电黄色预警信号
标准:6小时内可能发生雷电活动,可能会造成雷电灾害事故。
防御指南:
(1)政府及相关部门按照职责做好防雷工作;(2)密切关注天气,尽量避免户外活动。
2.雷电橙色预警信号
标准:2小时内发生雷电活动的可能性很大,或者已经受雷电活动影响,且可能持续,出现雷电灾害事故的可能性比较大。
防御指南:
(1)政府及相关部门按照职责落实防雷应急措施;(2)人员应当留在室内,并关好门窗;(3)户外人员应当躲入有防雷设施的建筑物或者汽车内;(4)切断危险电源,不要在树下、电杆下、塔吊下避雨;(5)在空旷场地不要打伞,不要把农具、羽毛球拍、高尔夫球杆等扛在肩上。
3.雷电红色预警信号
标准:2小时内发生雷电活动的可能性非常大,或者已经有强烈的雷电活动发生,且可能持续,出现雷电灾害事故的可能性非常大。
防御指南:
(1)政府及相关部门按照职责做好防雷应急抢险工作;(2)人员应当尽量躲入有防雷设施的建筑物或者汽车内,并关好门窗;(3)切勿接触天线、水管、铁丝网、金属门窗、建筑物外墙,远离电线等带电设备和其他类似金属装置;(4)尽量不要使用无防雷装置或者防雷装置不完善的电视、电话等电器;(5)密切注意雷电预警信息的发布。
自我预估及个人防雷原则
1.自我预估
在收听或者是收看天气预报的时候可以通过自己的感官来确定是否真的有雷电要来。
仰望天空:当天空中的积云开始迅速变黑的时候可能会出现雷电天气。
倾听杂音:在收听广播的时候,如果听到收音机发出刺耳的声音,表示可能有雷雨出现。
估计距离:如何判断雷电在何时达到本地?最简单的方法是,当看到闪电的一瞬间马上读秒,由于光速为每秒30万千米与空气中的声速每秒340米相比有明显的差异,所以,在闪电与伴随的雷声之间,会有一定的时间差。如果看见闪电后和听见雷声之间的时间间隔为5秒钟,表示雷闪发生在离自己约1.5千米左右的位置;如果是1秒钟,也就是一眨眼的时间就会听见雷声,说明雷闪位置就在附近300米左右。当遇到雷雨天气时,可以记住每次听到雷声与看见闪电的时间间隔是越来越长,还是越来越短,以此来判断雷雨是逐渐远离而去,还是越来越近,从而采取一定的防范措施。自我感觉:当你感觉到自己的头发和皮肤有异样感觉的时候,这说明雷击很快就可能出现,为了免受伤害,此时应立即采取保护措施。
2.个人防雷原则
如果遇到雷雨天气,一定不要惊慌。通常来说,要遵守两条原则:
一是要远离可能遭雷击的物体和场所,二是在室外时设法使自己及随身携带的物品不要成为雷击的对象。
按照防雷避险六字诀,就可能避免遭受雷击的伤害。防雷避险六字诀为:
一是学,即学习有关雷电及其防雷知识。
二是听,通过多种渠道,如电视、广播、报纸等及时收听或者是收看各级气象部门发布的雷电预报预警信息,不能听他人没有根据的谣传。
三是察,即密切注意观察天气的变化情况,如果发现了异常情况,一定要及时采取防护措施。
四是断,在防雷救灾中,首先要切断可能导致二次灾害的电、煤气、水等灾源。
五是救,利用已经学过的一些救助知识来进行自救或者是互救,如果有遭受雷击比较严重的人则需要进行及时抢救。
六是保,除了自我保护之外,还要利用社会防灾保险,这有这样,才能将损失降到最低。
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