JP2017026587A - 落雷電荷量推定方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】リーダ進展速度を用いることなく電荷中心の高度を求め、精度良く落雷電荷量を推定できるようにする。【解決手段】落雷位置から観測点までの水平距離Ｄ[ｍ]及び観測点における落雷前後の電界値を計測し、落雷を形成する放電における最初の電界変化直前の電界値と最後の電界変化直後の電界値の差である電界変化量ΔＥ[Ｖ／ｍ]を算出し、落雷位置及び発生時点に近い測候所で観測された高層気象観測データから気温が−５℃〜−１５℃である空気層の地上高の範囲を推定し、推定範囲に基づいて一つの高さＨ[ｍ]を選択し、Ｄ、ΔＥ及びＨを用いて次式によって、落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]を算出する。ΔＱ＝２πε0Ｄ3ΔＥ{１＋(Ｈ／Ｄ)2}3/2／Ｈ（πは円周率、ε0は空気の誘電率）。【選択図】図１

Description

本発明は、落雷の電荷量を高い精度で推定可能とする落雷電荷量推定方法及びシステムに関する。

電力会社等のインフラ設備を保有する企業や、広範囲に設備を分散配置し管理する事業者においては、落雷による設備被害をできるだけ早く把握することが求められる。
落雷が発生したときに、その落雷のエネルギー（電荷量）が分かれば、設備被害の想定を行う上で大変有効である。

雷は雷雲等の空中の電荷が変化し地上の電荷と中和される過程で発生するため、特許文献１（特許第４２１７７２８号公報）に記載されるように、このときの空中での電荷の変化を図１に示すように点電荷の変化で模擬するとともに、落雷位置（電荷中心）から観測点までの水平距離Ｄ[ｍ]、落雷前後における電界変化量ΔＥ[Ｖ／ｍ]及び電荷中心の高度Ｈ[ｍ]を測定することで、式（１）から落雷の電荷量を推定することが知られている。
ΔＱ＝２πε₀Ｄ³ΔＥ{１＋(Ｈ／Ｄ)²}^3/2／Ｈ・・・（１）
ただし、ΔＱは落雷電荷量[Ｃ]、πは円周率、ε₀は空気の誘電率である。
特許文献１では、Ｄは落雷位置標定装置から標定された落雷位置と測定対象位置との距離から算出し、ΔＥは電界変化の勾配の大きさで落雷と判定した場合、最初の電界変化の直前の電界値と最後の電界変化の直後の電界値の差により算出し、Ｈは電界センサで検知した落雷の発生時点と磁界センサから検知した落雷に先行するリーダの発生時点からリーダ進展時間を求め、その進展時間と一定のリーダ進展速度から算出している。

特許第４２１７７２８号公報

しかし、特許文献１に記載されている方法では、雷撃の種類によりリーダ進展速度が大きく変化するため、一定のリーダ進展速度を用いたのでは正しい電荷中心の高度の算出結果を得ることができない。
本発明の課題は、リーダ進展速度を用いることなく電荷中心の高度を求め、精度良く落雷電荷量を推定できるようにすることである。

請求項１に係る発明は、落雷電荷量を算出するための点電荷変化モデルによる落雷電荷量推定方法であって、落雷位置から観測点までの水平距離Ｄ[ｍ]及び前記観測点における落雷前後の電界値を計測し、前記落雷前後の電界値に基づいて、落雷を形成する放電における最初の電界変化直前の電界値と最後の電界変化直後の電界値の差である電界変化量ΔＥ[Ｖ／ｍ]を算出し、前記落雷位置及び落雷発生時点に近い箇所及び時点における気象観測データから気温が−５℃〜−１５℃である空気層の地上高の範囲を推定し、推定した前記地上高の範囲に基づいて一つの高さＨ[ｍ]を選択し、前記水平距離Ｄ、前記電界変化量ΔＥ及び前記高さＨを用いて次式によって、前記放電における落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]を算出することを特徴とする。
ΔＱ＝２πε₀Ｄ³ΔＥ{１＋(Ｈ／Ｄ)²}^3/2／Ｈ
（ただし、πは円周率、ε₀は空気の誘電率を表す。）

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の落雷電荷量推定方法において、前記最初の電界変化直前の電界値と最後の電界変化直後の電界値に基づいて、正極性落雷であったか負極性落雷であったかを判定し、正極性落雷と判定した場合に、該正極性落雷を形成する複数回の放電のうちの最初の放電における最初の電界変化が生じた時点を落雷開始時点とし、各回の放電における最初の電界変化が生じた時点と前記落雷開始時点との時間差を求め、
該時間差が第１所定時間未満である初期段階の放電における前記落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]の算出に際しては、前記気象観測データから気温が−１３℃〜−１５℃である空気層の地上高の範囲を推定し、
前記時間差が第１所定時間以上第２所定時間未満である中期段階の放電における前記落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]の算出に際しては、前記気象観測データから気温が−１０℃〜−１３℃である空気層の地上高の範囲を推定し、
前記時間差が第２所定時間以上である終期段階の放電における前記落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]の算出に際しては、前記気象観測データから気温が−５℃〜−１０℃である空気層の地上高の範囲を推定することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の落雷電荷量推定方法において、前記最初の電界変化直前の電界値と最後の電界変化直後の電界値に基づいて、正極性落雷であったか負極性落雷であったかを判定し、負極性落雷と判定した場合に、該負極性落雷を形成する複数回の放電のうちの最初の放電における最初の電界変化が生じた時点を落雷開始時点とし、各回の放電における最初の電界変化が生じた時点と前記落雷開始時点との時間差を求め、
該時間差が所定時間未満である前期段階の放電における前記落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]の算出に際しては、前記気象観測データから気温が−５℃〜−１０℃である空気層の地上高の範囲を推定し、
前記時間差が所定時間以上である後期段階の放電における前記落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]の算出に際しては、前記気象観測データから気温が−１０℃〜−１５℃である空気層の地上高の範囲を推定することを特徴とする。

請求項４に係る発明は、落雷電荷量を算出するための落雷電荷量推定システムであって、落雷位置から観測点までの水平距離Ｄ[ｍ] を計測する落雷位置標定手段と、前記観測点における落雷前後の電界値を計測する電界計測手段と、前記落雷前後の電界値に基づいて、落雷を形成する放電における最初の電界変化直前の電界値と最後の電界変化直後の電界値の差である電界変化量ΔＥ[Ｖ／ｍ]を算出する電界変化量演算手段と、前記落雷位置及び落雷発生時点に近い箇所及び時点における気象観測データから気温が−５℃〜−１５℃である空気層の地上高の範囲を推定する地上高範囲推定手段と、該地上高範囲推定手段が推定した前記地上高の範囲に基づいて一つの高さＨ[ｍ]を選択する高さ選択手段と、前記水平距離Ｄ、前記電界変化量ΔＥ及び前記高さＨを用いて次式の演算を行い、前記放電における落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]を算出する電荷量計算手段とを備えていることを特徴とする。
ΔＱ＝２πε₀Ｄ³ΔＥ{１＋(Ｈ／Ｄ)²}^3/2／Ｈ
（ただし、πは円周率、ε₀は空気の誘電率を表す。）

請求項５に係る発明は、請求項４に記載の落雷電荷量推定システムにおいて、前記最初の電界変化直前の電界値と最後の電界変化直後の電界値に基づいて、正極性落雷であったか負極性落雷であったかを判定する落雷極性判定手段と、前記落雷極性判定手段が正極性落雷と判定した場合に、該正極性落雷を形成する複数回の放電のうちの最初の放電における最初の電界変化が生じた時点を落雷開始時点として記憶する落雷開始時点記憶手段と、各回の放電における最初の電界変化が生じた時点と前記落雷開始時点との時間差を求める放電開始時間差演算手段を有し、
前記地上高範囲推定手段は、
前記放電開始時間差演算手段が求めた時間差が第１所定時間未満である初期段階の放電における前記落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]の算出に際しては、前記気象観測データから気温が−１３℃〜−１５℃である空気層の地上高の範囲を推定し、
前記放電開始時間差演算手段が求めた時間差が第１所定時間以上第２所定時間未満である中期段階の放電における前記落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]の算出に際しては、前記気象観測データから気温が−１０℃〜−１３℃である空気層の地上高の範囲を推定し、
前記放電開始時間差演算手段が求めた時間差が第２所定時間以上である終期段階の放電における前記落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]の算出に際しては、前記気象観測データから気温が−１０℃〜−１５℃である空気層の地上高の範囲を推定することを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項４又は５に記載の落雷電荷量推定システムにおいて、前記最初の電界変化直前の電界値と最後の電界変化直後の電界値に基づいて、正極性落雷であったか負極性落雷であったかを判定する落雷極性判定手段と、前記落雷極性判定手段が負極性落雷と判定した場合に、該負極性落雷を形成する複数回の放電のうちの最初の放電における最初の電界変化が生じた時点を落雷開始時点として記憶する落雷開始時点記憶手段と、各回の放電における最初の電界変化が生じた時点と前記落雷開始時点との時間差を求める放電開始時間差演算手段を有し、
前記地上高範囲推定手段は、
前記放電開始時間差演算手段が求めた時間差が所定時間未満である前期段階の放電における前記落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]の算出に際しては、前記気象観測データから気温が−５℃〜−１０℃である空気層の地上高の範囲を推定し、
前記放電開始時間差演算手段が求めた時間差が所定時間以上である後期段階の放電における前記落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]の算出に際しては、前記気象観測データから気温が−１０℃〜−１５℃である空気層の地上高の範囲を推定することを特徴とする。

請求項１又は４に係る発明によれば、電荷中心の高度をリーダ進展時間及び所定のリーダ進展速度から算出せず、落雷位置及び落雷発生時点に近い箇所及び時点における気象観測データから気温が−５℃〜−１５℃である空気層の地上高の範囲を推定し、推定した地上高の範囲に基づいて一つの高さＨ[ｍ]を選択することにより決定しているので、磁界センサ及び雷撃の種類により大きく変化するリーダ進展速度を用いずに電荷中心の高度を得ることができ、低コストで精度良く落雷電荷量を推定することができる。

請求項２又は５に係る発明では、請求項１又は４に係る発明による効果に加えて、正極性落雷であったか負極性落雷であったかを判定し、正極性落雷と判定した場合に、正極性落雷を形成する複数回の放電のうちの最初の放電における最初の電界変化が生じた時点を落雷開始時点とし、各回の放電における最初の電界変化が生じた時点と落雷開始時点との時間差を求め、時間差が第１所定時間未満である初期段階の放電における落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]の算出に際しては、気温が−１３℃〜−１５℃である空気層の地上高の範囲を推定し、時間差が第１所定時間以上第２所定時間未満である中期段階の放電における落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]の算出に際しては、気温が−１０℃〜−１３℃である空気層の地上高の範囲を推定し、時間差が第２所定時間以上である終期段階の放電における落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]の算出に際しては、気温が−５℃〜−１０℃である空気層の地上高の範囲を推定し、推定した地上高の範囲に基づいて一つの高さＨ[ｍ]を選択することにより電荷中心の高度を決定しているので、正極性落雷であった場合に、より精度良く落雷電荷量を推定することができる。

請求項３又は６に係る発明によれば、請求項１、２、４及び５のいずれかに係る発明による効果に加えて、正極性落雷であったか負極性落雷であったかを判定し、負極性落雷と判定した場合に、負極性落雷を形成する複数回の放電のうちの最初の放電における最初の電界変化が生じた時点を落雷開始時点とし、各回の放電における最初の電界変化が生じた時点と落雷開始時点との時間差を求め、時間差が所定時間未満である前期段階の放電における落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]の算出に際しては、気温が−５℃〜−１０℃である空気層の地上高の範囲を推定し、時間差が所定時間以上である後期段階の放電における落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]の算出に際しては、気温が−１０℃〜−１５℃である空気層の地上高の範囲を推定し、推定した地上高の範囲に基づいて一つの高さＨ[ｍ]を選択することにより電荷中心の高度を決定しているので、負極性落雷であった場合に、より精度良く落雷電荷量を推定することができる。

点電荷モデルを示す図。 落雷電荷量推定システムの概念図。 負極性落雷の測定電荷量と推定電荷量とを比較したグラフ。 正極性落雷の測定電荷量と推定電荷量とを比較したグラフ。 正極性落雷における推定電荷量の誤差率を示すグラフ。 本発明の落雷電荷量推定システムを示す図。

以下、実施例によって本発明の実施形態を説明する。

実施例１の落雷電荷量推定システムの概念図を図２に示す。
図２に示すように、実施例１の落雷電荷量推定システムは次の各手段を備えている。
（１）雷電流を直接観測するために風力発電設備の下部に設置されたロゴスキーコイルと風力発電設備に落雷があった際にロゴスキーコイルに誘導される電流を測定する装置を備え、精度約０．２マイクロ秒（以下「μｓ」と記載する。）のＧＰＳ時計によるトリガ時刻を記録するとともに、サンプル時間間隔０．１μｓで測定された電流値を記録する雷電流観測手段１。
なお、全記録時間はトリガ時刻前約１００ミリ秒（以下「ｍｓ」と記載する。）及びトリガ時刻後３００ｍｓの約４００ｍｓである。
（２）落雷に伴う電界の変化を計測するスローアンテナを備え、精度約０．２μｓのＧＰＳ時計で上記（１）の雷電流観測手段１と時刻同期を取ってサンプル時間間隔０．１μｓで計測された電界値を記録する電界計測手段２。
（３）上記（１）のロゴスキーコイルが設置されている風力発電設備に近い測候所で観測された高層気象観測データを取得するデータ取得手段３。
（４）落雷のあった風力発電設備（落雷位置）と電界計測手段２（観測点）の水平距離Ｄ[ｍ]を計測する落雷位置標定手段４。
なお、落雷位置標定手段４は、落雷による雷放電から放射される電磁波を複数の地点で受信し、それらの受信した電磁波を周知の手段（例えば、特許文献１に示された非特許文献１である岸本保夫、「雷観測システムおよび雷保護規格の最新動向」、ＮＴＴ建築総合研究所を参照。）を用いて解析することにより落雷位置を標定し、その落雷位置と電界計測手段２の水平距離Ｄ[ｍ]を計測するものとしても良い。

（５）上記（３）のデータ取得手段３で取得した電界値のデータからトリガ時刻の前後における電界値のデータを抽出し、落雷を形成する放電における最初の電界変化直前の電界値と最後の電界変化直後の電界値の差である電界変化量ΔＥ[Ｖ／ｍ]を算出する電界変化量演算手段５。
（６）落雷のあった風力発電設備に最も近い測候所において、落雷時点に最も近い時点に観測された高層気象観測データを抽出し、落雷のあった風力発電設備上空における気温が−５℃〜−１５℃である空気層の地上高の範囲を推定する地上高範囲推定手段６。
（７）上記（６）の地上高範囲推定手段６が推定した地上高の範囲から一つの高さＨ[ｍ]を選択する高さ選択手段７。
なお、一つの高さＨ[ｍ]を選択する方法については後述する。
（８）上記（４）の落雷位置標定手段４で計測された水平距離Ｄ[ｍ]、上記（５）の電界変化量演算手段５で算出された電界変化量ΔＥ[Ｖ／ｍ]及び上記（７）の高さ選択手段７で選択された高さＨ[ｍ]を用いて式（１）による演算を行い、風力発電設備に落ちた雷の落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]を算出する電荷量計算手段８及び計算結果を表示する表示手段９。
（９）上記（１）の雷電流観測手段１より得られた電流値から変換した測定電荷量を表示する表示手段１０。

高さＨ[ｍ]の選択方法を確立するにあたって、南九州地区で実施した雷に伴う電界の観測に基づき式（１）による演算を行って得られた推定電荷量と測定によって得られた測定電荷量とを比較した。
なお、実施例１における落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]の観測は、雷雲に負の電荷が蓄積される負極性落雷について行われたが、負極性落雷か否かは放電における最初の電界変化直前の電界値が高く、最後の電界変化直後の電界値が低くなっていることで判定できる。

図３に示すグラフは、負極性落雷を形成する複数回の放電のうち、最初の電界変化が生じた時点から１ｍｓ未満に発生した放電における電界変化量等に基づく推定電荷量、同じく１ｍｓ以上２ｍｓ未満に発生した放電における電界変化量等に基づく推定電荷量、同じく２ｍｓ以上３ｍｓ未満に発生した放電における電界変化量等に基づく推定電荷量、同じく３ｍｓ以上４ｍｓ未満に発生した放電における電界変化量等に基づく推定電荷量及び同じく４ｍｓ以上５ｍｓ未満に発生した放電における電界変化量等に基づく推定電荷量と測定電荷量とを比較したものである。
そして、落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]の推定に用いる高さＨ[ｍ]には、落雷のあった風力発電設備に最も近い測候所（鹿児島気象台）で落雷発生時点に最も近い時点において観測された高層気象観測データから推定された５０００ｍ（気温が−１．８℃である空気層の高さ）、６０００ｍ（気温が−６．８℃である空気層の高さ）、６５００ｍ（気温が−１０．０℃である空気層の高さ）及び７０００ｍ（気温が−１２．０℃である空気層の高さ）の４つを選択した。

選択された４つの高さＨ[ｍ]を用いて得られた推定電荷量と測定電荷量とを比較すると、１ｍｓ未満に発生した放電においては高さＨ[ｍ]を６０００ｍ（気温が−６．８℃である空気層の高さ）とした場合の推定電荷量と測定電荷量との差が最も小さく、２ｍｓ以上３ｍｓ未満に発生した放電においては高さＨ[ｍ]を６５００ｍ（気温が−１０．０℃である空気層の高さ）とした場合の推定電荷量と測定電荷量との差が最も小さく、１ｍｓ以上２ｍｓ未満に発生した放電においては高さＨ[ｍ]を６０００ｍとした場合の推定電荷量と測定電荷量との差及び高さＨ[ｍ]を６５００ｍとした場合の推定電荷量と測定電荷量との差が同程度の小ささとなっていることが分かる。

そして、４ｍｓ以上５ｍｓ未満に発生した放電においては１ｍｓ以上２ｍｓ未満に発生した放電と同様の結果を示しているものの、上記の比較結果を雷放電の理論に照らしつつ考察すると、負極性落雷の場合、推定電荷量と測定電荷量との差が小さくなる高さＨ[ｍ]が時間と共に高くなる傾向を示していることから、落雷を形成する複数回の放電の電荷中心は時間と共に上昇しているものと考えられる。

この考察結果に基づけば、この観測を行った地域における観測時と同様の条件下での負極性落雷の場合、落雷を形成する複数回の放電のうちの最初の放電における最初の電界変化が生じた時点を落雷開始時点とし、各回の放電における最初の電界変化が生じた時点と落雷開始時点との時間差を求めた上で、時間差が１ｍｓ未満である放電においては気温が−６．７℃である空気層の地上高を選択し、時間差が１ｍｓ以上２ｍｓ未満である放電においては気温が−８．５℃である空気層の地上高を選択し、時間差が２ｍｓ以上３ｍｓ未満である放電においては気温が−１０．３℃である空気層の地上高を選択し、時間差が３ｍｓ以上４ｍｓ未満である放電においては気温が−１１．１℃である空気層の地上高を選択し、時間差が４ｍｓ以上５ｍｓ未満である放電においては気温が−１１．９℃である空気層の地上高を選択すれば、精度の良い落雷電荷量の推定ができる。

実施例２は、実施例１の落雷電荷量推定システムと同じシステムを用いて、島根県西部で実施した雷雲に正の電荷が蓄積される正極性落雷に伴う電界の観測に基づいて、式（１）による演算を行って得られた推定電荷量と測定によって得られた測定電荷量とを比較したものである。
なお、正極性落雷か否かは放電における最初の電界変化直前の電界値が低く、最後の電界変化直後の電界値が高くなっていることで判定できる。

図４に示すグラフは図３と同様、正極性落雷を形成する複数回の放電のうち、最初の電界変化が生じた時点から１ｍｓ未満に発生した放電における電界変化量等に基づく推定電荷量、同じく１ｍｓ以上２ｍｓ未満に発生した放電における電界変化量等に基づく推定電荷量、同じく２ｍｓ以上３ｍｓ未満に発生した放電における電界変化量等に基づく推定電荷量、同じく３ｍｓ以上４ｍｓ未満に発生した放電における電界変化量等に基づく推定電荷量、同じく４ｍｓ以上５ｍｓ未満に発生した放電における電界変化量等に基づく推定電荷量、同じく５ｍｓ以上１０ｍｓ未満に発生した放電における電界変化量等に基づく推定電荷量、同じく１０ｍｓ以上１５ｍｓ未満に発生した放電における電界変化量等に基づく推定電荷量、同じく１５ｍｓ以上２０ｍｓ未満に発生した放電における電界変化量等に基づく推定電荷量、同じく２０ｍｓ以上２５ｍｓ未満に発生した放電における電界変化量等に基づく推定電荷量及び同じく２５ｍｓ以上２７．９ｍｓ未満に発生した放電における電界変化量等に基づく推定電荷量と測定電荷量とを比較したものである。
そして、落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]の推定に用いる高さＨ[ｍ]には、落雷のあった風力発電設備に最も近い測候所（松江気象台）で落雷発生時点に最も近い時点において観測された高層気象観測データから推定された２０００ｍ（気温が−８．０℃である空気層の高さ）、２５００ｍ（気温が−１１．５℃である空気層の高さ）、３０００ｍ（気温が−１５．０℃である空気層の高さ）の３つを選択した。

また、図５に示すグラフは、正極性落雷について各時間帯において選択された３つの高さＨ[ｍ]を用いて得られた推定電荷量の測定電荷量に対する誤差率を示すものであり、このグラフからみて、正極性落雷においては、５ｍｓ未満では高さＨ[ｍ]を３０００ｍ（気温が−１５．０℃である空気層の高さ）、５ｍｓ以上１５ｍｓ未満では高さＨ[ｍ]を２５００ｍ（気温が−１１．５℃である空気層の高さ）、１５ｍｓ以上では高さＨ[ｍ]を２０００ｍ（気温が−８．０℃である空気層の高さ）とした場合の推定電荷量と測定電荷量との差が最も小さくなっていることが分かる。
すなわち、正極性落雷においては落雷を形成する放電の電荷中心の移動は、負極性落雷の場合よりも長い時間継続し移動距離も大きくなっており、推定電荷量と測定電荷量との差が小さくなる高さＨ[ｍ]が時間と共に低くなる傾向を示していることから、落雷を形成する複数回の放電の電荷中心は時間と共に下降しているものと考えられる。

この考察結果に基づけば、この観測を行った地域における観測時と同様の条件下での正極性落雷の場合、落雷を形成する複数回の放電のうちの最初の放電における最初の電界変化が生じた時点を落雷開始時点とし、各回の放電における最初の電界変化が生じた時点と落雷開始時点との時間差を求めた上で、時間差が５ｍｓ未満である放電においては気温が−１５．０℃である空気層の地上高を選択し、時間差が５ｍｓ以上１５ｍｓ未満である放電においては気温が−１１．５℃である空気層の地上高を選択し、時間差が１５ｍｓ以上である放電においては気温が−８．０℃である空気層の地上高を選択すれば、精度の良い落雷電荷量の推定ができる。

実施例１及び２の変形例を列記する。
（１）実施例１及び２においては、雷電流観測手段１として風力発電設備の下部にロゴスキーコイルを設置したが、風力発電設備に限らず高いビルや鉄塔の避雷針に設置しても良く、ロゴスキーコイルに代えてシャント抵抗を用いても良い。
また、すでに説明したように、雷電流観測手段１を用いずに他の手段によって落雷位置を標定することもできるが、そうした場合、実施例１、２における雷電荷量推定システムは図６に示すようなものとなる。
すなわち、図２の概念図から雷電流観測手段１及び表示手段１０が省かれるとともに、計測された電界値に基づいて正極性落雷であったか負極性落雷であったかを判定する落雷極性判定手段１１と、複数回の放電のうちの最初の放電における最初の電界変化が生じた時点を落雷開始時点として記憶する落雷開始時点記憶手段１２と、最初の電界変化が生じた時点と記憶された落雷開始時点との時間差を求める放電開始時間差演算手段１３が追加されたものとなる。
（２）実施例１及び２においては、正極性落雷であったか負極性落雷であったかを判定し、各回の放電における最初の電界変化が生じた時点と落雷開始時点との時間差を求めた上で、その時間差に応じて一つの高さＨ[ｍ]を選択したが、正極性落雷であったか負極性落雷であったかを判定せずに、落雷時における付近の風力、風向、地上の気温又は予め設定された調整値等を考慮して、地上高範囲推定手段が推定した地上高の範囲に基づいて一つの高さＨ[ｍ]を選択するようにしても良く、その場合、雷電荷量推定システムは図６から落雷極性判定手段１１、落雷開始時点記憶手段１２及び放電開始時間差演算手段１３を削除した簡易なものとなる。
（３）実施例１及び２においては、電界計測手段２としてスローアンテナを備えることとしたが、併せてファーストアンテナを備えるものとしても良い。
（４）実施例１及び２においては、雷電流観測手段１及び電界計測手段２のサンプル時間間隔は０．１μｓであったが、トリガ時刻、電界変化量及び時間差の特定に支障がなければ、サンプル時間間隔は０．１μｓより大きくても小さくても良い。

（５）実施例１においては、時間差が１ｍｓ未満である放電においては気温が−６．７℃である空気層の地上高を選択し、時間差が１ｍｓ以上２ｍｓ未満である放電においては気温が−８．５℃である空気層の地上高を選択し、時間差が２ｍｓ以上３ｍｓ未満である放電においては気温が−１０．３℃である空気層の地上高を選択し、時間差が３ｍｓ以上４ｍｓ未満である放電においては気温が−１１．１℃である空気層の地上高を選択し、時間差が４ｍｓ以上５ｍｓ未満である放電においては気温が−１１．９℃である空気層の地上高を選択すれば、精度の良い落雷電荷量の推定ができるとした。
ただし、同じ負極性落雷であっても、地域、地表面の温度、風の強さや向きによって、選択すべき高さＨ[ｍ]は変化するので、各地域において予め様々な条件下で実施例１と同様の観測を行い、観測された高層気象観測データから各放電において高さＨ[ｍ]を選択する方法を確立する必要がある。
したがって、負極性落雷の各放電において高層気象観測データから高さＨ[ｍ]を的確に選択するにはデータの積み上げが欠かせないところであるが、定性的には、時間差が所定時間未満である前期段階の放電における落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]の算出に際しては、観測された高層気象観測データから推定された気温が−５℃〜−１０℃である空気層の地上高のいずれかを選択し、時間差が所定時間以上である後期段階の放電における落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]の算出に際しては、観測された高層気象観測データから推定された気温が−１０℃〜−１５℃である空気層の地上高のいずれかを選択すれば良いということができる。

（６）実施例２においては、時間差が５ｍｓ未満である放電においては気温が−１５．０℃である空気層の地上高を選択し、時間差が５ｍｓ以上１５ｍｓ未満である放電においては気温が−１１．５℃である空気層の地上高を選択し、時間差が１５ｍｓ以上である放電においては気温が−８．０℃である空気層の地上高を選択すれば、精度の良い落雷電荷量の推定ができるとした。
ただし、同じ正極性落雷であっても、地域、地表面の温度、風の強さや向きによって、選択すべき高さＨ[ｍ]は変化するので、各地域において予め様々な条件下で実施例２と同様の観測を行い、観測された高層気象観測データから各放電において高さＨ[ｍ]を選択する方法を確立する必要がある。
したがって、正極性落雷の各放電において高層気象観測データから高さＨ[ｍ]を的確に選択するにはデータの積み上げが欠かせないところであるが、定性的には、時間差が第１所定時間未満である初期段階の放電における落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]の算出に際しては、観測された高層気象観測データから推定された気温が−１５℃〜−１３℃である空気層の地上高のいずれかを選択し、時間差が第１所定時間以上第２所定時間未満である中期段階の放電における落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]の算出に際しては、観測された高層気象観測データから推定された気温が−１０℃〜−１３℃である空気層の地上高のいずれかを選択し、時間差が第２所定時間以上である終期段階の放電における落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]の算出に際しては、観測された高層気象観測データから推定された気温が−５℃〜−１０℃である空気層の地上高のいずれかを選択すれば良いということができる。

１ 雷電流観測手段 ２ 電界計測手段 ３ データ取得手段
４ 落雷位置標定手段 ５ 電界変化量演算手段 ６ 地上高範囲推定手段
７ 高さ選択手段 ８ 電荷量計算手段 ９、１０ 表示手段
１１ 落雷極性判定手段 １２ 落雷開始時点記憶手段
１３ 放電開始時間差演算手段
Ｄ 水平距離 ΔＥ 電界変化量 Ｈ 高さ ΔＱ 落雷電荷量

Claims (6)

1. 落雷電荷量を算出するための点電荷変化モデルによる落雷電荷量推定方法であって、
   落雷位置から観測点までの水平距離Ｄ[ｍ]及び前記観測点における落雷前後の電界値を計測し、
   前記落雷前後の電界値に基づいて、落雷を形成する放電における最初の電界変化直前の電界値と最後の電界変化直後の電界値の差である電界変化量ΔＥ[Ｖ／ｍ]を算出し、
   前記落雷位置及び落雷発生時点に近い箇所及び時点における気象観測データから気温が−５℃〜−１５℃である空気層の地上高の範囲を推定し、
   推定した前記地上高の範囲に基づいて一つの高さＨ[ｍ]を選択し、
   前記水平距離Ｄ、前記電界変化量ΔＥ及び前記高さＨを用いて次式によって、前記放電における落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]を算出する
   ΔＱ＝２πε₀Ｄ³ΔＥ{１＋(Ｈ／Ｄ)²}^3/2／Ｈ
   （ただし、πは円周率、ε₀は空気の誘電率を表す。）
   ことを特徴とする落雷電荷量推定方法。
2. 前記最初の電界変化直前の電界値と最後の電界変化直後の電界値に基づいて、正極性落雷であったか負極性落雷であったかを判定し、
   正極性落雷と判定した場合に、該正極性落雷を形成する複数回の放電のうちの最初の放電における最初の電界変化が生じた時点を落雷開始時点とし、
   各回の放電における最初の電界変化が生じた時点と前記落雷開始時点との時間差を求め、
   該時間差が第１所定時間未満である初期段階の放電における前記落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]の算出に際しては、前記気象観測データから気温が−１３℃〜−１５℃である空気層の地上高の範囲を推定し、
   前記時間差が第１所定時間以上第２所定時間未満である中期段階の放電における前記落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]の算出に際しては、前記気象観測データから気温が−１０℃〜−１３℃である空気層の地上高の範囲を推定し、
   前記時間差が第２所定時間以上である終期段階の放電における前記落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]の算出に際しては、前記気象観測データから気温が−５℃〜−１０℃である空気層の地上高の範囲を推定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の落雷電荷量推定方法。
3. 前記最初の電界変化直前の電界値と最後の電界変化直後の電界値に基づいて、正極性落雷であったか負極性落雷であったかを判定し、
   負極性落雷と判定した場合に、該負極性落雷を形成する複数回の放電のうちの最初の放電における最初の電界変化が生じた時点を落雷開始時点とし、
   各回の放電における最初の電界変化が生じた時点と前記落雷開始時点との時間差を求め、
   該時間差が所定時間未満である前期段階の放電における前記落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]の算出に際しては、前記気象観測データから気温が−５℃〜−１０℃である空気層の地上高の範囲を推定し、
   前記時間差が所定時間以上である後期段階の放電における前記落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]の算出に際しては、前記気象観測データから気温が−１０℃〜−１５℃である空気層の地上高の範囲を推定する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の落雷電荷量推定方法。
4. 落雷電荷量を算出するための落雷電荷量推定システムであって、
   落雷位置から観測点までの水平距離Ｄ[ｍ] を計測する落雷位置標定手段と、
   前記観測点における落雷前後の電界値を計測する電界計測手段と、
   前記落雷前後の電界値に基づいて、落雷を形成する放電における最初の電界変化直前の電界値と最後の電界変化直後の電界値の差である電界変化量ΔＥ[Ｖ／ｍ]を算出する電界変化量演算手段と、
   前記落雷位置及び落雷発生時点に近い箇所及び時点における気象観測データから気温が−５℃〜−１５℃である空気層の地上高の範囲を推定する地上高範囲推定手段と、
   該地上高範囲推定手段が推定した前記地上高の範囲に基づいて一つの高さＨ[ｍ]を選択する高さ選択手段と、
   前記水平距離Ｄ、前記電界変化量ΔＥ及び前記高さＨを用いて次式の演算を行い、前記放電における落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]を算出する電荷量計算手段とを備えている
   ΔＱ＝２πε₀Ｄ³ΔＥ{１＋(Ｈ／Ｄ)²}^3/2／Ｈ
   （ただし、πは円周率、ε₀は空気の誘電率を表す。）
   ことを特徴とする落雷電荷量推定システム。
5. 前記最初の電界変化直前の電界値と最後の電界変化直後の電界値に基づいて、正極性落雷であったか負極性落雷であったかを判定する落雷極性判定手段と、
   前記落雷極性判定手段が正極性落雷と判定した場合に、該正極性落雷を形成する複数回の放電のうちの最初の放電における最初の電界変化が生じた時点を落雷開始時点として記憶する落雷開始時点記憶手段と、
   各回の放電における最初の電界変化が生じた時点と前記落雷開始時点との時間差を求める放電開始時間差演算手段を有し、
   前記地上高範囲推定手段は、
   前記放電開始時間差演算手段が求めた時間差が第１所定時間未満である初期段階の放電における前記落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]の算出に際しては、前記気象観測データから気温が−１３℃〜−１５℃である空気層の地上高の範囲を推定し、
   前記放電開始時間差演算手段が求めた時間差が第１所定時間以上第２所定時間未満である中期段階の放電における前記落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]の算出に際しては、前記気象観測データから気温が−１０℃〜−１３℃である空気層の地上高の範囲を推定し、
   前記放電開始時間差演算手段が求めた時間差が第２所定時間以上である終期段階の放電における前記落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]の算出に際しては、前記気象観測データから気温が−１０℃〜−１５℃である空気層の地上高の範囲を推定する
   ことを特徴とする請求項４に記載の落雷電荷量推定システム。
6. 前記最初の電界変化直前の電界値と最後の電界変化直後の電界値に基づいて、正極性落雷であったか負極性落雷であったかを判定する落雷極性判定手段と、
   前記落雷極性判定手段が負極性落雷と判定した場合に、該負極性落雷を形成する複数回の放電のうちの最初の放電における最初の電界変化が生じた時点を落雷開始時点として記憶する落雷開始時点記憶手段と、
   各回の放電における最初の電界変化が生じた時点と前記落雷開始時点との時間差を求める放電開始時間差演算手段を有し、
   前記地上高範囲推定手段は、
   前記放電開始時間差演算手段が求めた時間差が所定時間未満である前期段階の放電における前記落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]の算出に際しては、前記気象観測データから気温が−５℃〜−１０℃である空気層の地上高の範囲を推定し、
   前記放電開始時間差演算手段が求めた時間差が所定時間以上である後期段階の放電における前記落雷電荷量ΔＱ[Ｃ]の算出に際しては、前記気象観測データから気温が−１０℃〜−１５℃である空気層の地上高の範囲を推定する
   ことを特徴とする請求項４又は５に記載の落雷電荷量推定システム。