閃電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在成都市雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用

李一丁，靳小兵，陸 茂，卜俊偉，劉婷立

(四川省防雷中心，四川 成都 610072)

閃電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在成都市雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用

李一丁，靳小兵，陸 茂，卜俊偉，劉婷立

(四川省防雷中心，四川 成都 610072)

雷電監(jiān)測(cè)資料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，是雷電業(yè)務(wù)建設(shè)的主要內(nèi)容，其在公眾服務(wù)、專業(yè)服務(wù)、科技服務(wù)中都發(fā)揮了重要作用。該文詳細(xì)描述了如何利用四川省雷電監(jiān)測(cè)資料中的地閃密度和電流幅值以及雷暴日統(tǒng)計(jì)分布等參數(shù)取代傳統(tǒng)人工觀測(cè)的雷暴日數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，并以具體事例進(jìn)行計(jì)算，分別與傳統(tǒng)計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)利用雷電監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，對(duì)提高防雷技術(shù)服務(wù)能力，提升防雷減災(zāi)服務(wù)效果有積極的作用。

雷電;監(jiān)測(cè)資料;雷電災(zāi)害;風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

1 引言

雷電災(zāi)害是全球最嚴(yán)重的十種自然災(zāi)害之一。四川省雷電活動(dòng)十分頻繁，是雷電災(zāi)害多發(fā)區(qū)之一，雷電災(zāi)害多見(jiàn)于盆地區(qū)和川西高原南部。盆地區(qū)和川西高原南部的雷電活動(dòng)主要發(fā)生在3—10月。四川省每年因雷擊造成人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失巨大，而根據(jù)防雷技術(shù)規(guī)范的要求對(duì)建設(shè)項(xiàng)目可能遭受的雷擊風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，提出科學(xué)、經(jīng)濟(jì)和符合項(xiàng)目特性的防御措施，可有效避免和減輕雷電災(zāi)害造成的損失，保障人民生命和財(cái)產(chǎn)安全。

到目前為止，氣象領(lǐng)域還是通過(guò)測(cè)站觀測(cè)員看到閃電或聽(tīng)到雷聲識(shí)別記錄雷暴情況來(lái)進(jìn)行雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。由于閃電發(fā)生的時(shí)空分布與氣候、地形、地貌、土壤等密切相關(guān)，所以由人工記錄的雷暴不能全面反映雷暴的發(fā)展過(guò)程以及閃電分布情況，而閃電定位儀的地閃記錄可以清楚實(shí)時(shí)地表示一次對(duì)流活動(dòng)的發(fā)生發(fā)展情況。因此在雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，使用閃電定位資料代替人工觀測(cè)資料，能夠更加真實(shí)地反映建設(shè)項(xiàng)目所在區(qū)域的雷電活動(dòng)情況。

2 四川省雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

閃電以其大電流、高電壓、強(qiáng)電磁輻射和發(fā)生的瞬態(tài)性等為特征。閃電放電擊穿過(guò)程可以產(chǎn)生頻率范圍很寬且連續(xù)的電磁輻射。

雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是利用閃電回?fù)糨椛涞穆?、光、電磁?chǎng)特性來(lái)遙測(cè)閃電回?fù)舴烹妳?shù)的一種自動(dòng)化探測(cè)系統(tǒng)。四川省雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)專業(yè)性較強(qiáng)的系統(tǒng)，涉及到氣象、計(jì)算機(jī)等各領(lǐng)域。該雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)從2004年底開(kāi)始建設(shè)，于2005年開(kāi)始投入運(yùn)行，目前四川省雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)共由27個(gè)子站和1個(gè)中心站構(gòu)成，初步形成了覆蓋全省的雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

四川省雷電監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)以地閃資料為基礎(chǔ)，以四川省氣象局信息中心到四川省防雷中心高速通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶，采用人機(jī)交互方式，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)產(chǎn)品制作的定時(shí)、定點(diǎn)、定量和客觀化、自動(dòng)化。其業(yè)務(wù)流程見(jiàn)圖1，包括：資料收集、資料加工和雷電監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)產(chǎn)品生成、雷電監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)產(chǎn)品發(fā)送等，業(yè)務(wù)產(chǎn)品主要包括四川省雷電監(jiān)測(cè)快報(bào)、四川省雷電監(jiān)測(cè)月報(bào)、四川省雷電監(jiān)測(cè)年報(bào)、四川省雷電專報(bào)、成都市雷電監(jiān)測(cè)快報(bào)、成都市雷電監(jiān)測(cè)年報(bào)、雷災(zāi)調(diào)查報(bào)告、雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告以及其他為專業(yè)用戶提供的雷電監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)產(chǎn)品。極大地滿足了四川省氣象局內(nèi)部用戶和其他專業(yè)用戶開(kāi)展雷電監(jiān)測(cè)的工作需要。

3 地閃密度在雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用

在計(jì)算建筑物雷擊風(fēng)險(xiǎn)時(shí)需要使用地閃密度數(shù)據(jù)。根據(jù) GB50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A，建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)的公式為：

圖1 四川省雷電監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)流程圖

式中：N為建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)(次/a);k為校正系數(shù)，在一般情況下取1;Ng為建筑物所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度(次/km2/a);Ae為與建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積(km2)。

雷擊大地的年平均密度，首先按當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)、站資料確定;若無(wú)此資料，可按下式計(jì)算：

式中：Td為年平均雷暴日，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)、站資料確定(d/a)

地閃密度若根據(jù)GB50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A計(jì)算，則該地區(qū)的雷暴日必須是已知的。但是，根據(jù)雷暴日的定義，1 d內(nèi)觀測(cè)員只要聽(tīng)到雷聲，無(wú)論次數(shù)多少，均記為1個(gè)雷暴日。

雷暴日分布與指定的統(tǒng)計(jì)區(qū)域有關(guān)，單位為：天數(shù)/一定區(qū)域內(nèi)，比較科學(xué)的方法是采用10×10 km2網(wǎng)格為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)區(qū)域，但這與現(xiàn)在的雷暴日計(jì)算方法有差異，目前我國(guó)以氣象觀測(cè)站聽(tīng)到雷聲為統(tǒng)計(jì)依據(jù)，國(guó)外科學(xué)家研究，聽(tīng)力好的人可以聽(tīng)到20 km以外的雷聲，聽(tīng)力不好的人連5 km處發(fā)生的雷電都聽(tīng)不到，另外也與雷聲大小、背景噪聲及傳播路徑上有無(wú)障礙有關(guān)，同時(shí)，我國(guó)目前基本是1個(gè)行政縣設(shè)1個(gè)氣象觀測(cè)站，可以依縣級(jí)行政區(qū)域?yàn)槔妆┤战y(tǒng)計(jì)單位。依據(jù)不同的統(tǒng)計(jì)方法，得出來(lái)的結(jié)論相差很大。在四川地區(qū)，僅僅憑借幾個(gè)觀測(cè)點(diǎn)來(lái)觀測(cè)全省的雷暴日是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，且并不能保證觀測(cè)員能聽(tīng)到所有的雷聲。通常情況下，距離觀測(cè)點(diǎn)15 km以內(nèi)的雷電可以聽(tīng)到其雷聲，超出此范圍的雷電不能夠被聽(tīng)到。也就是說(shuō)，該指定區(qū)域的范圍是以觀測(cè)點(diǎn)為圓心，以15 km為半徑的圓形區(qū)域。因此就產(chǎn)生了一定的觀測(cè)誤差。這里的雷聲既包括云地閃發(fā)出的，也包括云內(nèi)閃和云際閃發(fā)出的，并不能準(zhǔn)確表征地面落雷的頻繁程度。

如成都市年平均雷暴日數(shù)為35.1 d，帶入式(2)中計(jì)算得出成都市平均地閃密度為3.51(次/km2/a)。而通過(guò)四川省雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以統(tǒng)計(jì)出(圖2)，成都市范圍內(nèi)各個(gè)區(qū)域的地閃密度差異很大，如按照GB50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A計(jì)算地閃密度，與實(shí)際測(cè)量得出的地閃密度值有較大差異，對(duì)后面計(jì)算建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)進(jìn)而確定該建筑物的防雷等級(jí)產(chǎn)生了影響。而四川省雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以根據(jù)被測(cè)建筑物所在經(jīng)緯度，進(jìn)行更為精細(xì)化的地閃密度統(tǒng)計(jì)(圖3)，不難看出，采用雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)實(shí)際測(cè)得的地閃密度值進(jìn)行計(jì)算更具真實(shí)性。

因此，在進(jìn)行建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)的估算時(shí)，應(yīng)以建筑物所在區(qū)域測(cè)得的地閃密度為準(zhǔn)。而不應(yīng)以通過(guò)雷暴日計(jì)算的地閃密度為準(zhǔn)。當(dāng)測(cè)量地閃密度困難或不可能時(shí)，可用通過(guò)雷暴日計(jì)算得出的地閃密度進(jìn)行計(jì)算，但誤差較大。

4 雷電流幅值在雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用

在進(jìn)行雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，被評(píng)估建筑物所在區(qū)域的雷電流幅值用于評(píng)估SPD(電涌保護(hù)器)通流容量的選擇。而利用雷電定位系統(tǒng)獲得雷電流幅值分布特征，可使防雷計(jì)算的結(jié)果更符合實(shí)際情況。根據(jù)四川省雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)探測(cè)到的四川省2005-2011年地閃資料進(jìn)行分析，可以得出，其中負(fù)極性雷擊約占96%，正極性雷擊約占4%，且正雷擊多發(fā)生在每年5月之前、9月之后氣溫較低的情況下。造成雷擊事故主要是負(fù)極性雷擊，本文主要討論四川省負(fù)極性雷電的幅值的分布以及在雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用。

在GB50057-2010附錄F中規(guī)定的首次負(fù)極性雷擊的雷電流參量：第一類防雷建筑物為100 kA;第二類防雷建筑物為75kA;第三類防雷建筑物為50kA。如果在評(píng)估中采用規(guī)范的推薦值進(jìn)行計(jì)算的話，得出的SPD通流容量可能不能真正反映出被評(píng)估建筑物所需SPD級(jí)數(shù)及其通流容量，即評(píng)估針對(duì)性不強(qiáng)，因此選擇雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)所提供的實(shí)測(cè)雷電流幅值來(lái)進(jìn)行計(jì)算。而監(jiān)測(cè)網(wǎng)給出的雷電流幅值會(huì)有若干極大值，畢竟這些極大值的出現(xiàn)屬于小概率事件，因此采用雷電流累積概率為99%、98%、97%、90%時(shí)對(duì)應(yīng)的雷電流強(qiáng)度值和平均雷電流強(qiáng)度值作為計(jì)算依據(jù)，現(xiàn)舉具體實(shí)例如下。

根據(jù)成都市某建筑物位置地理參數(shù)，得出3 km范圍雷電流累積概率分布曲線(圖4)，由分布曲線得出雷電流累積概率分別為99%、98%、97%、90%時(shí)對(duì)應(yīng)的雷電流強(qiáng)度值和平均雷電流強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表1。

圖4 成都市某建筑物3 km半徑范圍地閃雷電流強(qiáng)度累積概率曲線圖

根據(jù)圖4可知，項(xiàng)目所在地(3 km半徑)區(qū)域范圍內(nèi)7 a雷電流幅值：平均值為28.25kA;雷電流幅值＞178.9 kA的地閃概率為1%;雷電流幅值＞86.0 kA的地閃概率為2%;雷電流幅值＞60.0 kA的地閃概率為3%;雷電流幅值＞40.1 kA的地閃概率為10%。

表1 項(xiàng)目所在地雷電流強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表

假定總雷電流i0的50%流入建筑物的LPS的接地裝置中，而其余的50%的i0即is進(jìn)入各種設(shè)施(外來(lái)電力線、金屬管道等)間分配。

雷電流經(jīng)過(guò)SPD1后，會(huì)有50% ～30%的殘余施加于SPD2上，這里考慮較壞的情況，假定有50%的殘余雷電流施加于SPD2上，則SPD2的標(biāo)稱通流量為：

I2=I1×50%

同樣，雷電流經(jīng)過(guò)SPD2后，會(huì)有50% ～30%的殘余施加于SPD3上，這里考慮較壞的情況，假定有50%的殘余雷電流施加于SPD3上，則SPD3的標(biāo)稱通流量為：

I3=I2×50%

根據(jù)以上計(jì)算，成都市某二類防雷建筑物，實(shí)測(cè)雷電流累積概率為99%的雷電流幅值為178.9 kA，即雷電流幅值＞178.9 kA的地閃概率為1%。試按照GB50057-2010附錄F中規(guī)定的雷電流參量和四川省雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)的雷電流幅值分別計(jì)算和確定該建筑物SPD通流容量(表2)。

表2 建筑物SPD流通容量統(tǒng)計(jì)表(單位：KA)

表2分別采用實(shí)測(cè)值和規(guī)范的推薦值進(jìn)行了比較計(jì)算，可以看出，若采用推薦值75kA或者150 kA計(jì)算，該建筑物需要安裝的SPD通流容量均偏小，實(shí)際應(yīng)用中不能達(dá)到雷電防御的要求，應(yīng)加強(qiáng)該區(qū)域的建筑物防雷措施。

5 雷暴日統(tǒng)計(jì)在雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用

雷暴日數(shù)反映了某一地區(qū)雷電活動(dòng)的頻繁程度，利用傳統(tǒng)觀測(cè)方法得到的雷暴日統(tǒng)計(jì)，既包括云地閃信息，也包括云內(nèi)閃和云際閃信息，并不能準(zhǔn)確表征地面落雷的頻繁程度，因此，在進(jìn)行建筑物所在地域雷暴日的統(tǒng)計(jì)時(shí)，應(yīng)以在建筑物所在區(qū)域測(cè)得的地閃雷暴日為準(zhǔn)。

根據(jù)四川省雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)提供的成都市2005—2011年雷暴日資料，可以得出下列雷電活動(dòng)特征。從圖5可知，雷暴主要發(fā)生在5-9月，11、12、1月基本沒(méi)有雷暴發(fā)生。表3列出按氣象常規(guī)四季劃分法得出各季雷暴日數(shù)占全年雷暴日數(shù)的百分比。從表3可看出，春夏季是成都雷暴日高發(fā)季節(jié)，占全年的84.63%，冬季最少，僅占全年的1.74%。

表3 成都市各季節(jié)雷暴日數(shù)占全年比率(2005-2011)

圖5 2005—2011年雷暴日累月平均數(shù)

圖6 成都市某建筑工程所在區(qū)域(3 km)地閃季節(jié)變化曲線

以下雷電資料取自四川省雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)，以在成都市某建筑物中心位置附近現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的地理參數(shù)為基準(zhǔn)點(diǎn)，以3 km為半徑提取7 a(2005—2011)地閃資料，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出如下結(jié)論，作為雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)參數(shù)之一。

從圖6上可知，5、8月為雷電高發(fā)期，則成都市在建工程項(xiàng)目各類機(jī)房?jī)?nèi)靈敏設(shè)備安裝、調(diào)試，應(yīng)盡可能避開(kāi)這4個(gè)月份，特別是7、8月份，最好安排在11-12月或1-2月。

從圖7可知，成都市某建筑工程項(xiàng)目所處地區(qū)雷電活動(dòng)主要集中在14時(shí)-次日凌晨02時(shí)，95%的地閃都發(fā)生在這個(gè)時(shí)段，凌晨03時(shí)-13時(shí)地閃相對(duì)較少，約5%的地閃發(fā)生在這個(gè)時(shí)段。塔吊等可用作接閃器的施工機(jī)械安裝和拆卸作業(yè)應(yīng)安排在每日13時(shí)以前，14-20時(shí)段不宜進(jìn)行此類作業(yè)。

圖7成都市某建筑工程項(xiàng)目地區(qū)(3 km)地閃日變化曲線

綜上所述，通過(guò)合理安排工期，尤其是高空作業(yè)和弱電系統(tǒng)設(shè)備的安裝、調(diào)試應(yīng)避開(kāi)雷暴高發(fā)期和時(shí)段，至少可將潛在雷擊危險(xiǎn)顯著降低到1%以下。

6 小結(jié)

①雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是防雷工程設(shè)計(jì)工作之前最重要的環(huán)節(jié)，必須同防雷工程設(shè)計(jì)一樣，作為業(yè)務(wù)工作來(lái)實(shí)行，這樣才能使防雷工程建設(shè)立于科學(xué)基礎(chǔ)之上，真正做到安全可靠、技術(shù)先進(jìn)和經(jīng)濟(jì)合理。

②將雷電監(jiān)測(cè)資料應(yīng)用到雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的地閃密度值、雷電流幅值以及雷暴日的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)中，可以使得評(píng)估結(jié)果更具客觀性和科學(xué)性，從而使防雷事業(yè)健康快速地發(fā)展，以防止或減少雷電災(zāi)害給經(jīng)濟(jì)建設(shè)、人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)的重大損失。

［1］ GB50057-2010，建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］ 易高流.雷電監(jiān)測(cè)資料在雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用［J］.江西氣象科技，2004，27(4)：45-47.

［3］ 問(wèn)楠臻，高文俊.基于IEC62305雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估計(jì)算方法［J］. 建筑電氣，2008，27(7)：34-37.

［4］ 張小青.建筑物內(nèi)電子設(shè)備的防雷保護(hù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2000.

P49

B

1003-6598(2012)04-0051-04

2012-06-30

李一丁(1983-)，男，工程師，主要從事雷電監(jiān)測(cè)防護(hù)工作。