雷電密度問(wèn)題探討

黃肖峰+陳星宇

摘 要：雷電密度是防雷工程設(shè)計(jì)以及雷電分布特征重要的一個(gè)參數(shù)，目前對(duì)雷電密度的確定有兩種方式，一種是應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式推算，另一種是根據(jù)氣象臺(tái)站的儀器測(cè)量的觀測(cè)數(shù)據(jù)得出。無(wú)論是采用哪種形式，都需要應(yīng)用當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)站的氣象觀測(cè)資料，由于觀測(cè)手段的差異，導(dǎo)致得出雷電密度的數(shù)值也存在差異。通過(guò)對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式方法和儀器測(cè)量法缺點(diǎn)的分析，可以得出儀器測(cè)量法較為準(zhǔn)確，但是由于兩種方法都有缺點(diǎn)，提出在實(shí)際應(yīng)用中兩者相互修正才能達(dá)到與實(shí)際情況相近的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：雷電密度 雷暴日 儀器

中圖分類號(hào)：TM862 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）10（c）-0038-01]

雷電是發(fā)生在大氣中瞬時(shí)放電現(xiàn)象，雷電具有強(qiáng)電流，高溫和強(qiáng)烈的電磁輻射等特性，具有極大的破壞力。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，特別是城市規(guī)模急劇擴(kuò)張，人口集中、電子信息設(shè)備增多，受雷電災(zāi)害的人員和財(cái)產(chǎn)損失越來(lái)越大，對(duì)城市公共安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的影響和威脅日益加劇[1-2]。掌握雷電密度、雷電電流強(qiáng)度、雷電流陡度、回?fù)舸螖?shù)、輻射場(chǎng)強(qiáng)等參數(shù)，對(duì)防雷設(shè)計(jì)和雷電物理研究都有重要意義。而雷電的地理分布特征能夠在一定程度上反映某地的強(qiáng)對(duì)流天氣的變化情況，確定了雷電密度的分布情況，也就掌握了雷電的地理分布特征。

1 雷電密度的定義

每年每平方公里上發(fā)生的總閃電次數(shù)，定義為雷電密度，也就是雷擊大地的年平均密度。如果該值是準(zhǔn)確的，則能夠較精確的反映全年雷電活動(dòng)的多少。

2 雷擊大地的年平均密度的確定方式

按照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50057-2010）的規(guī)定，雷擊大地的年平均密度首先應(yīng)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：

Ng=0.1×Td （1）

其中，—雷擊大地的年平均密度，單位：次/km2/a；— 年平均雷暴日，根據(jù)當(dāng)?shù)嘏_(tái)、站資料確定，單位：天/年。也就是說(shuō)，雷擊大地的年平均密度的獲取方式一是由當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)站直接提供的雷電密度的資料，二是根據(jù)當(dāng)?shù)嘏_(tái)站的年平均雷暴日數(shù)的資料應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式確定。

3 兩種方式獲取的雷電密度的差異

獲取雷電密度方式有兩種情況，那么這兩種情況下獲取的雷電密度有何差異呢？為解決這一問(wèn)題，就需要了解氣象臺(tái)站觀測(cè)雷電密度的具體做法。以往對(duì)雷電的觀測(cè)只能通過(guò)雷聲的判斷來(lái)記錄雷電的發(fā)生，而雷是指“閃電通道急劇膨脹產(chǎn)生的沖擊波退化而成的聲波，表現(xiàn)為伴隨閃電現(xiàn)象發(fā)生的隆隆聲”。按照世界氣象組織給出的定義，在本站聽(tīng)到雷聲的觀測(cè)日叫做雷暴日。

當(dāng)觀測(cè)員在一天中聽(tīng)到一次雷聲則記為一個(gè)雷暴日，所以大部分的觀測(cè)記錄都只記錄了雷暴日這一參數(shù)，多年雷暴日的平均記為年平均雷暴日。所以，當(dāng)對(duì)雷電的觀測(cè)只有雷暴日這一參數(shù)時(shí)，氣象臺(tái)站也就不能直接給出本地區(qū)的雷電密度，也只能通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式推算。

隨著科技的發(fā)展，使得儀器觀測(cè)雷電發(fā)生的次數(shù)、位置成為可能，現(xiàn)在全國(guó)各個(gè)省的氣象部門(mén)大都布置了覆蓋全省的閃電定位系統(tǒng)。閃電定位系統(tǒng)是一套云地閃探測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)云地閃的發(fā)生位置進(jìn)行定位。閃電發(fā)生的時(shí)候都會(huì)向外輻射電磁波，通過(guò)人們對(duì)大量觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，云地閃輻射的電磁波有其固有的特征，正是基于這一原理，通過(guò)設(shè)置多個(gè)探測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)波形特征點(diǎn)到達(dá)每個(gè)探測(cè)站的準(zhǔn)確時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)云地閃的精確定位。 某一區(qū)域記錄到的閃電次數(shù)除以這一地區(qū)的面積就得到了該地區(qū)的雷電密度。

3.1 經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)方法的缺點(diǎn)

經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)方法需用到雷暴日這一參數(shù)，而雷暴日的確定是根據(jù)觀測(cè)員的聽(tīng)力為基礎(chǔ)的，由于人的聽(tīng)力有限，觀測(cè)員之間的聽(tīng)力也存在差異，大體上雷聲的可聞距離一般是以觀測(cè)站為中心，周邊15 km至20 km左右的范圍。而觀測(cè)站的布置分散，使得雷暴日數(shù)并不能完全代表該地區(qū)整個(gè)范圍內(nèi)的雷電活動(dòng)情況。

經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)中公式的系數(shù)也存在疑惑，在《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》2000版本中，這一公式也是以雷暴日數(shù)為計(jì)算雷電密度的參數(shù)，但是確定方法不同，2000版本中，計(jì)算公式為Ng=0.024×Td1.3，到2010版本中改為Ng=0.1×Td，而這兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式哪一個(gè)更符合本地區(qū)真實(shí)的雷電密度的情況，可能不同地區(qū)有不同的情況。所以《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》中給出的經(jīng)驗(yàn)公式更像一個(gè)指導(dǎo)公式，也是在不能夠精確獲得當(dāng)?shù)乩纂娒芏认碌囊粋€(gè)粗略的公式。

3.2 儀器測(cè)量方法的缺點(diǎn)

儀器測(cè)量雖能較為精確的測(cè)量雷電發(fā)生的時(shí)間、落雷的地點(diǎn)、雷電流的幅值、落雷極性等，但是目前大多數(shù)的儀器測(cè)量的均為云地閃，忽略了云閃。儀器布網(wǎng)的時(shí)間一般都不長(zhǎng)，并不能代表多年的平均值。

此外，當(dāng)計(jì)算某一地區(qū)的雷電密度時(shí)，需要先確定區(qū)域的大小，統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)落雷的次數(shù)，用落雷次數(shù)除以區(qū)域的面積才能得到雷電密度。如圖1所示。

假設(shè)要計(jì)算圖中“十字”處的雷電密度，選取實(shí)線矩形框和虛線矩形框內(nèi)的雷擊次數(shù)然后除以各自的矩形面積得到的雷擊密度是不同的。所以當(dāng)從氣象臺(tái)站直接獲取雷電密度資料時(shí)應(yīng)明確網(wǎng)格尺寸的大小。

4 結(jié)論

雷電密度是反映雷電活動(dòng)強(qiáng)弱的一項(xiàng)重要參數(shù)，獲取準(zhǔn)確的雷電密度值，對(duì)雷電防護(hù)工程設(shè)計(jì)以及了解某一地區(qū)的雷電活動(dòng)情況都有很大的指導(dǎo)意義。經(jīng)驗(yàn)公式推算法和應(yīng)用閃電定位儀器測(cè)量的方法確定雷電密度都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，而都與實(shí)際中的雷電密度存在差異，這就需要在獲取雷電密度參數(shù)時(shí)，要認(rèn)真分析可能引起誤差的原因，從而糾正以期達(dá)到與實(shí)際較為貼近的數(shù)值。隨著儀器精度、定位方法的改進(jìn)，以及資料的積累，儀器測(cè)量法越來(lái)越受到青睞。但兩種方法均存在缺點(diǎn)，采用兩種方法相互修正或許更能接近實(shí)際情況。

參考文獻(xiàn)

[1] 袁鐵，郄秀書(shū).衛(wèi)星觀測(cè)到的我國(guó)閃電活動(dòng)的時(shí)空分布特征.高原氣象，2004， 23（4）：488—494.

[2] 馮民學(xué)，羅慧，焦雪.閃電定位資料對(duì)儀征儲(chǔ)油罐雷災(zāi)成因的分析應(yīng)用.氣象科學(xué)，2007，27（6）：679—684.

[3] 陳星宇，周鳳蕓，林英鑒，等.煙臺(tái)地區(qū)雷電流的幅值分布特征分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（7）：2072-2073，2082.endprint