闪电监测数据在成都市雷击风险评估中的应用

李一丁，靳小兵，陆 茂，卜俊伟，刘婷立

(四川省防雷中心，四川 成都 610072)

闪电监测数据在成都市雷击风险评估中的应用

李一丁，靳小兵，陆 茂，卜俊伟，刘婷立

(四川省防雷中心，四川 成都 610072)

雷电监测资料的开发与应用，是雷电业务建设的主要内容，其在公众服务、专业服务、科技服务中都发挥了重要作用。该文详细描述了如何利用四川省雷电监测资料中的地闪密度和电流幅值以及雷暴日统计分布等参数取代传统人工观测的雷暴日数等数据进行评估，并以具体事例进行计算，分别与传统计算方法进行对比。通过利用雷电监测资料进行雷击风险评估，对提高防雷技术服务能力，提升防雷减灾服务效果有积极的作用。

雷电;监测资料;雷电灾害;风险评估

1 引言

雷电灾害是全球最严重的十种自然灾害之一。四川省雷电活动十分频繁，是雷电灾害多发区之一，雷电灾害多见于盆地区和川西高原南部。盆地区和川西高原南部的雷电活动主要发生在3—10月。四川省每年因雷击造成人员伤亡、财产损失巨大，而根据防雷技术规范的要求对建设项目可能遭受的雷击风险进行评估，提出科学、经济和符合项目特性的防御措施，可有效避免和减轻雷电灾害造成的损失，保障人民生命和财产安全。

到目前为止，气象领域还是通过测站观测员看到闪电或听到雷声识别记录雷暴情况来进行雷击风险评估。由于闪电发生的时空分布与气候、地形、地貌、土壤等密切相关，所以由人工记录的雷暴不能全面反映雷暴的发展过程以及闪电分布情况，而闪电定位仪的地闪记录可以清楚实时地表示一次对流活动的发生发展情况。因此在雷电灾害风险评估时，使用闪电定位资料代替人工观测资料，能够更加真实地反映建设项目所在区域的雷电活动情况。

2 四川省雷电监测系统简介

闪电以其大电流、高电压、强电磁辐射和发生的瞬态性等为特征。闪电放电击穿过程可以产生频率范围很宽且连续的电磁辐射。

雷电监测系统就是利用闪电回击辐射的声、光、电磁场特性来遥测闪电回击放电参数的一种自动化探测系统。四川省雷电监测系统是一个专业性较强的系统，涉及到气象、计算机等各领域。该雷电监测网络从2004年底开始建设，于2005年开始投入运行，目前四川省雷电监测网共由27个子站和1个中心站构成，初步形成了覆盖全省的雷电监测网络。

四川省雷电监测业务系统以地闪资料为基础，以四川省气象局信息中心到四川省防雷中心高速通信网络为纽带，采用人机交互方式，实现监测业务产品制作的定时、定点、定量和客观化、自动化。其业务流程见图1，包括：资料收集、资料加工和雷电监测业务产品生成、雷电监测业务产品发送等，业务产品主要包括四川省雷电监测快报、四川省雷电监测月报、四川省雷电监测年报、四川省雷电专报、成都市雷电监测快报、成都市雷电监测年报、雷灾调查报告、雷击风险评估报告以及其他为专业用户提供的雷电监测业务产品。极大地满足了四川省气象局内部用户和其他专业用户开展雷电监测的工作需要。

3 地闪密度在雷击风险评估中的应用

在计算建筑物雷击风险时需要使用地闪密度数据。根据 GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》附录A，建筑物年预计雷击次数的公式为：

图1 四川省雷电监测业务流程图

式中：N为建筑物年预计雷击次数(次/a);k为校正系数，在一般情况下取1;Ng为建筑物所处地区雷击大地的年平均密度(次/km2/a);Ae为与建筑物截收相同雷击次数的等效面积(km2)。

雷击大地的年平均密度，首先按当地气象台、站资料确定;若无此资料，可按下式计算：

式中：Td为年平均雷暴日，根据当地气象台、站资料确定(d/a)

地闪密度若根据GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》附录A计算，则该地区的雷暴日必须是已知的。但是，根据雷暴日的定义，1 d内观测员只要听到雷声，无论次数多少，均记为1个雷暴日。

雷暴日分布与指定的统计区域有关，单位为：天数/一定区域内，比较科学的方法是采用10×10 km2网格为标准统计区域，但这与现在的雷暴日计算方法有差异，目前我国以气象观测站听到雷声为统计依据，国外科学家研究，听力好的人可以听到20 km以外的雷声，听力不好的人连5 km处发生的雷电都听不到，另外也与雷声大小、背景噪声及传播路径上有无障碍有关，同时，我国目前基本是1个行政县设1个气象观测站，可以依县级行政区域为雷暴日统计单位。依据不同的统计方法，得出来的结论相差很大。在四川地区，仅仅凭借几个观测点来观测全省的雷暴日是远远不够的，且并不能保证观测员能听到所有的雷声。通常情况下，距离观测点15 km以内的雷电可以听到其雷声，超出此范围的雷电不能够被听到。也就是说，该指定区域的范围是以观测点为圆心，以15 km为半径的圆形区域。因此就产生了一定的观测误差。这里的雷声既包括云地闪发出的，也包括云内闪和云际闪发出的，并不能准确表征地面落雷的频繁程度。

如成都市年平均雷暴日数为35.1 d，带入式(2)中计算得出成都市平均地闪密度为3.51(次/km2/a)。而通过四川省雷电监测系统可以统计出(图2)，成都市范围内各个区域的地闪密度差异很大，如按照GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》附录A计算地闪密度，与实际测量得出的地闪密度值有较大差异，对后面计算建筑物年预计雷击次数进而确定该建筑物的防雷等级产生了影响。而四川省雷电监测系统可以根据被测建筑物所在经纬度，进行更为精细化的地闪密度统计(图3)，不难看出，采用雷电监测网实际测得的地闪密度值进行计算更具真实性。

因此，在进行建筑物年预计雷击次数的估算时，应以建筑物所在区域测得的地闪密度为准。而不应以通过雷暴日计算的地闪密度为准。当测量地闪密度困难或不可能时，可用通过雷暴日计算得出的地闪密度进行计算，但误差较大。

4 雷电流幅值在雷击风险评估中的应用

在进行雷击风险评估时，被评估建筑物所在区域的雷电流幅值用于评估SPD(电涌保护器)通流容量的选择。而利用雷电定位系统获得雷电流幅值分布特征，可使防雷计算的结果更符合实际情况。根据四川省雷电监测系统探测到的四川省2005-2011年地闪资料进行分析，可以得出，其中负极性雷击约占96%，正极性雷击约占4%，且正雷击多发生在每年5月之前、9月之后气温较低的情况下。造成雷击事故主要是负极性雷击，本文主要讨论四川省负极性雷电的幅值的分布以及在雷击风险评估中的应用。

在GB50057-2010附录F中规定的首次负极性雷击的雷电流参量：第一类防雷建筑物为100 kA;第二类防雷建筑物为75kA;第三类防雷建筑物为50kA。如果在评估中采用规范的推荐值进行计算的话，得出的SPD通流容量可能不能真正反映出被评估建筑物所需SPD级数及其通流容量，即评估针对性不强，因此选择雷电监测网所提供的实测雷电流幅值来进行计算。而监测网给出的雷电流幅值会有若干极大值，毕竟这些极大值的出现属于小概率事件，因此采用雷电流累积概率为99%、98%、97%、90%时对应的雷电流强度值和平均雷电流强度值作为计算依据，现举具体实例如下。

根据成都市某建筑物位置地理参数，得出3 km范围雷电流累积概率分布曲线(图4)，由分布曲线得出雷电流累积概率分别为99%、98%、97%、90%时对应的雷电流强度值和平均雷电流强度统计表见表1。

图4 成都市某建筑物3 km半径范围地闪雷电流强度累积概率曲线图

根据图4可知，项目所在地(3 km半径)区域范围内7 a雷电流幅值：平均值为28.25kA;雷电流幅值＞178.9 kA的地闪概率为1%;雷电流幅值＞86.0 kA的地闪概率为2%;雷电流幅值＞60.0 kA的地闪概率为3%;雷电流幅值＞40.1 kA的地闪概率为10%。

表1 项目所在地雷电流强度统计表

假定总雷电流i0的50%流入建筑物的LPS的接地装置中，而其余的50%的i0即is进入各种设施(外来电力线、金属管道等)间分配。

雷电流经过SPD1后，会有50% ～30%的残余施加于SPD2上，这里考虑较坏的情况，假定有50%的残余雷电流施加于SPD2上，则SPD2的标称通流量为：

I2=I1×50%

同样，雷电流经过SPD2后，会有50% ～30%的残余施加于SPD3上，这里考虑较坏的情况，假定有50%的残余雷电流施加于SPD3上，则SPD3的标称通流量为：

I3=I2×50%

根据以上计算，成都市某二类防雷建筑物，实测雷电流累积概率为99%的雷电流幅值为178.9 kA，即雷电流幅值＞178.9 kA的地闪概率为1%。试按照GB50057-2010附录F中规定的雷电流参量和四川省雷电监测系统实测的雷电流幅值分别计算和确定该建筑物SPD通流容量(表2)。

表2 建筑物SPD流通容量统计表(单位：KA)

表2分别采用实测值和规范的推荐值进行了比较计算，可以看出，若采用推荐值75kA或者150 kA计算，该建筑物需要安装的SPD通流容量均偏小，实际应用中不能达到雷电防御的要求，应加强该区域的建筑物防雷措施。

5 雷暴日统计在雷击风险评估中的应用

雷暴日数反映了某一地区雷电活动的频繁程度，利用传统观测方法得到的雷暴日统计，既包括云地闪信息，也包括云内闪和云际闪信息，并不能准确表征地面落雷的频繁程度，因此，在进行建筑物所在地域雷暴日的统计时，应以在建筑物所在区域测得的地闪雷暴日为准。

根据四川省雷电监测网提供的成都市2005—2011年雷暴日资料，可以得出下列雷电活动特征。从图5可知，雷暴主要发生在5-9月，11、12、1月基本没有雷暴发生。表3列出按气象常规四季划分法得出各季雷暴日数占全年雷暴日数的百分比。从表3可看出，春夏季是成都雷暴日高发季节，占全年的84.63%，冬季最少，仅占全年的1.74%。

表3 成都市各季节雷暴日数占全年比率(2005-2011)

图5 2005—2011年雷暴日累月平均数

图6 成都市某建筑工程所在区域(3 km)地闪季节变化曲线

以下雷电资料取自四川省雷电监测网，以在成都市某建筑物中心位置附近现场测量的地理参数为基准点，以3 km为半径提取7 a(2005—2011)地闪资料，进行统计分析得出如下结论，作为雷电风险评估的基础参数之一。

从图6上可知，5、8月为雷电高发期，则成都市在建工程项目各类机房内灵敏设备安装、调试，应尽可能避开这4个月份，特别是7、8月份，最好安排在11-12月或1-2月。

从图7可知，成都市某建筑工程项目所处地区雷电活动主要集中在14时-次日凌晨02时，95%的地闪都发生在这个时段，凌晨03时-13时地闪相对较少，约5%的地闪发生在这个时段。塔吊等可用作接闪器的施工机械安装和拆卸作业应安排在每日13时以前，14-20时段不宜进行此类作业。

图7成都市某建筑工程项目地区(3 km)地闪日变化曲线

综上所述，通过合理安排工期，尤其是高空作业和弱电系统设备的安装、调试应避开雷暴高发期和时段，至少可将潜在雷击危险显著降低到1%以下。

6 小结

①雷击风险评估是防雷工程设计工作之前最重要的环节，必须同防雷工程设计一样，作为业务工作来实行，这样才能使防雷工程建设立于科学基础之上，真正做到安全可靠、技术先进和经济合理。

②将雷电监测资料应用到雷击风险评估中的地闪密度值、雷电流幅值以及雷暴日的计算和统计中，可以使得评估结果更具客观性和科学性，从而使防雷事业健康快速地发展，以防止或减少雷电灾害给经济建设、人民生命财产带来的重大损失。

［1］ GB50057-2010，建筑物防雷设计规范［S］.

［2］ 易高流.雷电监测资料在雷击风险评估中的应用［J］.江西气象科技，2004，27(4)：45-47.

［3］ 问楠臻，高文俊.基于IEC62305雷击风险评估计算方法［J］. 建筑电气，2008，27(7)：34-37.

［4］ 张小青.建筑物内电子设备的防雷保护［M］.北京：电子工业出版社，2000.

P49

B

1003-6598(2012)04-0051-04

2012-06-30

李一丁(1983-)，男，工程师，主要从事雷电监测防护工作。