雷擊風(fēng)險評估中氣象觀測要素的應(yīng)用

李寧

摘 要：雷擊風(fēng)險評估指的是評估由間接雷或者是直擊雷而造成的建構(gòu)筑物損害的風(fēng)險。以確定損害次數(shù)的上限為基礎(chǔ)，為建筑物決定更為經(jīng)濟(jì)合理防護(hù)措施。在《雷電防護(hù)》（GB/T21714-2008）第二部分風(fēng)險管理中，雷暴日數(shù)等氣象要素是其中的關(guān)鍵性因子，而隨著氣象觀測技術(shù)的發(fā)展，雷電監(jiān)測已經(jīng)由單純的人工觀測發(fā)展為人工和閃電定位儀綜合觀測，大大提升了雷電監(jiān)測效率。該文系統(tǒng)闡述了雷暴日數(shù)、地閃密度、雷電流幅值和雷暴路徑等因子如何應(yīng)用于災(zāi)害分析及其在雷擊風(fēng)險評估中的應(yīng)用方法。

關(guān)鍵詞：雷擊 風(fēng)險評估 災(zāi)害 氣象

中圖分類號：P42 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）05（b）-0249-01

雷電災(zāi)害是自然災(zāi)害的一種。它可以直接造成人員傷亡和建筑物損壞，特別是對如今高度普及的電子信息設(shè)備的危害十分明顯。根據(jù)相關(guān)的統(tǒng)計可知，每年全球有超過1萬的人口因為雷電而造成傷亡，而經(jīng)濟(jì)損失則超過10億美元。我國位于亞熱帶和溫帶地區(qū)，雷電較多，由于雷電造成的傷亡每年約3000～4000人[1]。根據(jù)雷電的時空分布特征分析可知確定雷電發(fā)生的重點區(qū)域和主要時段，從而評估雷擊的風(fēng)險，并且還可以促進(jìn)減災(zāi)防災(zāi)。

1 雷擊風(fēng)險評估中相關(guān)氣象數(shù)據(jù)的監(jiān)測方式

雷擊風(fēng)險評估中所要用到的氣象要素主要有項目所在地的雷暴日數(shù)、雷電流幅值、地閃密度和雷暴路徑。目前對雷電的觀測主要有人工觀測和閃電定位儀觀測兩種。閃電定位儀是根據(jù)電磁場、光、聲等的特性來測量閃電的回?fù)舴烹妳?shù)。閃電定位儀不僅可以大范圍的、實時的閃電的地點、時間、極性、雷電流幅值和回?fù)舸螖?shù)，還可以建立雷電的監(jiān)測信息數(shù)據(jù)庫，有較高的監(jiān)測能力和定位精度[2]。

2 氣象數(shù)據(jù)在雷擊風(fēng)險評估中的應(yīng)用方式

2.1 雷暴日

雷暴日是反映雷電活動規(guī)律的重要參數(shù)。在《雷電防護(hù)》（GB/T21714-2008）第二部分風(fēng)險管理中提出，物體的物理特征以及所在地區(qū)的暴風(fēng)雨活動情況可以影響受保護(hù)的物體的年度雷擊次數(shù)N[3]。而在《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》（GB50343-2004）中建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)、建筑物電子信息系統(tǒng)因直擊雷和雷電電磁脈沖損壞可接受的年平均最大雷擊次數(shù)、入戶設(shè)施年預(yù)計雷擊次數(shù)是其中重要的評估因子?？梢哉f雷暴日數(shù)是雷擊風(fēng)險評估中至關(guān)重要因子。

通過統(tǒng)計分析項目所在地區(qū)的雷暴日數(shù)據(jù)的，可以在雷擊風(fēng)險評估中對生產(chǎn)建設(shè)等進(jìn)行合理指導(dǎo)，尤其是在安裝、調(diào)試建筑工程和電子信息系統(tǒng)時應(yīng)合理的避開雷暴時段和高發(fā)期，避免雷擊造成的安全隱患。

2.2 地閃密度

雷電具有明顯的地域性特征。受到不同的氣候條件，特殊地形的影響，由于地區(qū)的不同，雷暴日和落雷的分布也不同，即使地區(qū)相同，單位面積不同，各類數(shù)據(jù)也不一定相同。

一個地方遭受雷擊的可能性可以通過地閃密度來反應(yīng)，地閃密度也是評估雷擊風(fēng)險和判斷建構(gòu)筑物防雷類別的重要依據(jù)。根據(jù)GB50057-2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》，地閃密度（Ng）指的是每年每平方千米遭受到的雷擊次數(shù)?？梢愿鶕?jù)下面的公式進(jìn)行計算。

Ng=0.1×Td （1）

Td指的是年平均雷暴日數(shù)，可以通過當(dāng)?shù)貧庀笥^測資料確定。

由公式（1）可知，雷暴日數(shù)和地閃密度是唯一的對應(yīng)關(guān)系，各地閃電的多少可以在一定程度上通過雷暴日的多少來反映。其中，雷暴日指的是在一天內(nèi)可以聽到雷聲，且不分云閃和地閃，因此，地閃密度很難通過雷暴日得到真實的反映度[4]。

對于同一建筑物，年預(yù)計雷擊次數(shù)可以由下面的公式得到。

Ng=0.1×Td （2）

年預(yù)計雷擊次數(shù)比利用實測的雷擊大地密度計算的數(shù)值大30%，這導(dǎo)致用年平均雷暴日計算結(jié)果判斷建筑物的防雷類別等級可能提高[5]。在計算建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)時，應(yīng)首選建筑物所在區(qū)域閃電定位儀測得的地閃密度。當(dāng)測量地閃密度困難時，再通過雷暴日計算。

2.3 雷電流幅值

在評估雷擊風(fēng)險時，SPD通流容量的選擇可以通過評估建筑物所在區(qū)域的雷電流幅值得到。而利益通過雷電定位系統(tǒng)而得到的雷電流幅值分布特征，可以得到與實際情況更加符合的防雷計算結(jié)果。

在GB 50057中規(guī)定第一、二、三類防雷建筑物的雷電流幅值分別為200 kA、150 kA、100 kA。如果在評估中此值計算的話，得出的SPD通流容量可能無法真正反映出被評估建筑物所需SPD的實際通流容量并影響級數(shù)判斷。因此應(yīng)選擇閃電定位儀提供的實測雷電流幅值來進(jìn)行計算。以下為計算方法。

假設(shè)50%的總雷電流（總雷電流記為i0）流入到建筑物的LPS接地裝置，其余的50%（記為i），流入金屬管道、外來電力線等設(shè)施。SPD1的流通量I1可以由下面的公式計算得到。

I1= i0×50%×× （3）

即為SPD1的Iimp（10/350 μs）；當(dāng)波形為8/20 μs時，可利用下式得到單位能量推算。

I1（8/20）=I1（10/350）× （4）

雷電流經(jīng)過SPD1后，SPD2上會有30%～50%的殘余能量，則SPD2的標(biāo)稱通流量為：I2= i1×50%，以此類推。

2.4 雷暴路徑

雷暴路徑是反映某一區(qū)域雷電活動規(guī)律的主要內(nèi)容。通過查看雷電災(zāi)害的案例，可以發(fā)現(xiàn)有些單體反復(fù)遭受雷擊或者其某些部位反復(fù)遭受雷擊。這就反映出了此區(qū)域雷電活動的規(guī)律性。例如20世紀(jì)50年代，浙江天目山氣象站多次遭受雷電襲擊，通過觀察可知，雷云一般都是從左側(cè)山頭而來，因此1957年人們在那里安裝了避雷針，雷雨時節(jié)，可以看到避雷針接閃，在此之后該氣象站也沒有發(fā)生直擊雷事故【6】。

地面物體遭受雷擊的概率受到雷暴路徑的影響，物體位于雷暴路徑上風(fēng)方時更容易遭到雷擊，在實際的評估雷擊風(fēng)險時，不僅僅需要利用幾何模型進(jìn)行計算，還應(yīng)該考慮雷暴路徑，適當(dāng)?shù)臏p少或者增加評估雷擊風(fēng)險時所需要的參考值。

3 結(jié)語

雷擊風(fēng)險評估中雷電監(jiān)測資料的多角度應(yīng)用，可以使得評估結(jié)果更具客觀性和科學(xué)性，滿足較為準(zhǔn)確的風(fēng)險計算，全方位考慮雷電災(zāi)害的影響，促使防雷減災(zāi)工作的規(guī)范化、科學(xué)化、準(zhǔn)確化。

參考文獻(xiàn)

[1] 許小峰.雷電災(zāi)害與監(jiān)測預(yù)報[J].氣象，2004，30（12）：17-21.

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[3] 中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T21714.2-2008 雷電防護(hù).第2部分：風(fēng)險管理[S].秦皇島：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[4] 馬金福，馮志偉.雷擊地閃密度與雷暴日數(shù)的關(guān)系分析[J].氣象科學(xué)， 2009，29（5）：674-678.

[5] 傅智斌，汪洋，黃遠(yuǎn)，等.不同方法確定的雷擊密度對防雷分類的影響[J].氣象與減災(zāi)研究，2013，36（1）：69-72.

[6] 馬宏達(dá).山區(qū)電網(wǎng)防雷的新概念--區(qū)域性防雷[J].電網(wǎng)技術(shù)，1990，14（3）：43-46.