地面氣象自動化觀測場防雷有效性的評價

林奕峰，羅意瀾，林偉旺，李小展，陳易昕

（1.廣州市黃埔區(qū)氣象局，廣東廣州 510530；2廣州市防雷減災管理辦公室，廣東廣州 510801；3.揭陽市氣象局，廣東揭陽 522000）

地面氣象自動化觀測是氣象觀測的重要組成部分，通過系統(tǒng)地、連續(xù)地觀察和測定地球表面一定范圍內的氣象狀況及其變化過程，為各類氣象業(yè)務提供重要依據［1-3］。根據《地面氣象觀測規(guī)范》，地面氣象觀測場通常建設在相對開闊且較高的場地，大大增加了受到雷擊損害的可能性。氣象觀測自動化實現(xiàn)了電子信息化采集、傳輸，導致雷擊事故的數(shù)量也在不斷增加，造成氣象數(shù)據缺測、丟失，降低了氣象觀測質量，并帶來了一定的經濟損失。

防雷保護設施的有效性是氣象自動化觀測設備穩(wěn)定運行的重要保障，確保自動化觀測設備正常采集氣象要素數(shù)據［2-6］。一般造成氣象觀測場的雷擊損害主要有以下4種［7］：一是雷電產生電動力作用和強加熱效應使觀測設備原件損壞；二是瞬態(tài)電位驟然升高使觀測設備損壞；三是由靜電、電磁感應作用，導體產生火花引起觀測設備損毀；四是由于閃電或靜電釋放引起的電位瞬變，侵入到網絡系統(tǒng)中。

隨著氣象自動化觀測防雷工作任務的日益加重，地面氣象觀測場需要對自身防雷效果進行評價，以便保障氣象業(yè)務工作的正常運行。氣象觀測場地的防雷設施能否保障設備的安全存在許多的不確定性或不完全性，也就是防雷設施的有效性水平受許多并且難以量化的風險因素影響。為了解決氣象觀測場綜合防雷有效性評價的難題，可以在厘清防雷思路的基礎上，有針對性地研究，找出相應的評價指標，利用多種評價工具構建一個具有嚴謹邏輯推理和數(shù)學依據的評價模型，以科學評價氣象觀測場防雷有效性。

1 防雷有效性指標體系

為了解決氣象觀測場防雷問題，需要綜合各方面因素考慮。根據《雷電防護 第2部分：風險管理》（GB／T21714.2-2015），對于氣象觀測場有影響的雷電，主要有擊中觀測場的雷電或者集中擊中觀測場附近的雷電，擊中入戶線路（如供電線路、通信線路）或者線路附近的雷電［3］。而雷電防護效果，取決于對每種防護措施的特性。因此，將雷擊觀測場預計年平均雷擊危險次數(shù)為ND、雷擊觀測場附近預計年平均雷擊危險次數(shù)為NM、雷擊觀測場入戶線路預計年平均雷擊危險次數(shù)為NL，以及雷擊觀測場入戶線路附近預計年平均雷擊危險次數(shù)為NI作為氣象觀測場防雷有效性的2級指標。

根據《地面氣象觀測場（室）防雷技術規(guī)范》（GB／T31162-2014），地面氣象觀測場的防雷裝置應該做好定期維護和日常檢查維護［4］，能夠有效發(fā)現(xiàn)問題并及時整改，保障、提高地面氣象觀測場防雷有效性。

為此，建立如表1所示的氣象觀測場防雷有效性綜合評價指標體系。在確定了指標體系后，還需要進一步確定其權重，這里通過向相關專家咨詢，并通過查閱相關資料，研究相關案例進行適當修正后，給出各指標的權重。

表1 氣象觀測場防雷有效性綜合評價指標體系

2 灰色關聯(lián)分析模型

在氣象觀測場防雷有效性評價中，采用灰色關聯(lián)分析［5-7］，能夠克服傳統(tǒng)統(tǒng)計分析只能定量分析的不足，其主要原理如下：

以原始數(shù)據為基礎，確定參考序列U0＝，以及比較序列Ui＝其中，U0、Ui為數(shù)列；y（k）以及x（k）為數(shù)列的項，用函數(shù)表示；k為自然數(shù)。

1）數(shù)據量綱為一。由于各指標不同的量綱，不能直接進行準確的比較分析，只有量綱一處理后才能得到統(tǒng)一的指標。數(shù)據量綱唯一方法有初值化、均值化、平移化、極大化、極小化、均值化后再平移法等多種方法，好的方法應該保持原始數(shù)據的一致性和關聯(lián)系數(shù)的一致性，綜合衡量后，本研究采用最小值標準化法對數(shù)據序列進行歸一化處理，即以單項參數(shù)值除以同類參數(shù)的最大值，得到歸一到［0～1］之間的單項評價分數(shù)。

2）求關聯(lián)系數(shù)的兩極差。

（1）求參考序列與比較序列的差序列。

（2）從差序列Δi()k中找出最大值和最小值。

（3）從不同序列的最值中分別找到最大值和最小值。

（4）求關聯(lián)系數(shù)，用 ηi（k）表示。

其中，ρ為分辨系數(shù)（0≤ρ≤1），當 ρ取值越小，分辨率就越大，一般認為ρ≤0.546 3即滿足要求，本研究 ρ＝0.5。

3）計算關聯(lián)度，用ri表示。關聯(lián)度的大小反映參考序列與比較序列變化的趨勢一致性，關聯(lián)度越大，說明該比較序列對參考序列的影響越大。

其中，ηi（k）為關聯(lián)系數(shù)；k、n為自然數(shù)，表示k的取數(shù)從1取到n。

4）計算權重系數(shù)，用ai表示。權重系數(shù)用相應指標的關聯(lián)度與所有指標關聯(lián)度的和做商得到。

5）綜合評價分數(shù)（Q）。綜合評價分數(shù)是相應指標的單項評價分數(shù)與其權重的乘積再累加得到，綜合評價分數(shù)為

3 實例分析

1）源數(shù)據的選擇與處理。

國家基本氣象站 A（以下簡稱“A氣象站”），位于廣東省某地區(qū)，該地區(qū)的平均年雷暴日為104 d／年［8］。該站位于市郊的一個小山坡上，周圍無高大建筑物。根據《地面氣象觀測場（室）防雷技術規(guī)范》（GB／T 31162-2014），該國家基本氣象站防雷等級為2級。

A氣象站已經根據中國氣象局綜合觀測司《地面氣象觀測場規(guī)范化建設圖冊》完成標準化整改，并按照《地面氣象觀測場儀器基礎防雷接地平面圖》，在25×25的觀測場4個角安裝20m高的避雷針。建筑物外引低壓電源埋地線纜長約500 m，埋地信號電纜長約300 m。信號線路安裝有金屬屏蔽槽，并通過地溝接入機房。電源線路已進行了3級雷電過電壓防護，信號線路兩端安裝了SPD，設計合理，施工質量良好。

根據《雷電防護 第2部分：風險管理》（GB／T21714.2-2015），分別計算A氣象站預計年均危險事件次數(shù)［2，9］。

雷擊建筑物年均危險事件次數(shù)：

其中，雷擊建筑物截收面積AD＝L×W+6×H×（L+W）+π×（3×H）2＝0.83×104m2；雷擊大地密度NG＝10.4次／（km2×年）；位置因子CD＝2，表示該建構筑物為位于小山頂或山丘上孤立的建筑物；該觀測場的長（L）、寬（W）均為25 m，風塔高（H）為10.5 m。

雷擊建筑物附近年均危險事件次數(shù)：

雷擊建筑物附近截收面積：

雷擊入戶線路年均危險事件次數(shù)：

其中，電力線總長LCP＝500 m，通信線總長LCT＝300 m。

線路安裝因子CI＝0.5，表示布線方式為埋地；線路環(huán)境因子CE＝0.5，表示所處位置為郊區(qū)；線路類型因子CT＝1，表示線路為低壓供電線路，通信或數(shù)據線路。

雷擊入戶電力線路截收面積：

ALP＝40×LCP＝2.00×104m2；

雷擊入戶通信線路截收面積：

ALT＝40×LCT＝1.2×104m2；

雷擊入戶線路總截收面積：

AL＝ALP+ALT＝3.2×104m2；

雷擊入戶線路附近年均危險事件次數(shù)：

其中，電力線總長LCP＝500 m，通信線總長LCT＝300 m；CI＝0.5；CE＝0.5；CT＝1。

雷擊入戶電力線路附近截收面積：

AIP＝4000×LCP＝2.00×106m2；

雷擊入戶通信線路附近截收面積：

AIT＝4000×LCT＝1.2×106m2；

雷擊入戶線路附近總截收面積：

AI＝AIP+AIT＝3.2×106m2。

根據以上計算，再查到該站日常維護數(shù)據，得到表1的測量計算值。

在本案例中，將專家評分的權重設為參考數(shù)列U0，將計算測量值設為比較數(shù)列U1。則：

2）數(shù)據量綱為一處理。參照灰色關聯(lián)分析式（1），對原始數(shù)據進行量綱為一處理，依次得到各項指標的單項評價分數(shù)。

3）參照式（2）、（3）、（4）計算比較序列與參考序列的關聯(lián)度（ri），以及各項指標計算氣象觀測場防雷有效性綜合評價中的權重系數(shù)（ai）。

4）按照氣象等級法，并參照依據《建筑物防雷設計規(guī)范》（GB／T 50057-2010）［10］，對綜合得分劃分為5個等級，用G（1-5）表示：G＝0～0.199（差）；G＝0.200～0.399（較差）；G＝0.400～0.599（中）；G＝0.600～0.799（較好）；G＝0.800～1.000（極好）。值越大說明有效性越大，分別對應差、較差、中、較好、極好。參照式（5）計算A氣象站的綜合評價分數(shù)，得到綜合評價分數(shù)Q（A）＝0.501。說明A氣象站的防雷有效性為“中”等級。

4 結論

本研究運用灰色關聯(lián)分析法確定指標的灰色關聯(lián)度，進而確定各指標權重系數(shù)，最終建立氣象觀測場綜合防雷有效性評價模型。整個模型中，數(shù)據易于獲取、加工，權重系數(shù)確定具有客觀性。評價模型具有說服力，評價方式簡單可行，評價結果通俗易懂，滿足氣象觀測場綜合防雷有效性評價客觀、有效的需求，為各地氣象觀測場所進行防雷優(yōu)化，提高觀測場地的防雷有效性提供可行的理論支持。

在實際中，雷電防護有效性評價不可能達到1。從某種意義上說，所有雷電防護措施只能盡最大可能降低雷電災害，但永遠沒法達到100%的可靠性。經多次計算發(fā)現(xiàn)，一般情況達到0.65即可視為最優(yōu)。A氣象站的綜合評價分數(shù)0.501，從側面也說明了A氣象站氣象觀測場的防雷設施能夠滿足日常業(yè)務運行，但其有效性有提高的空間。

本研究仍有不足之處。僅從宏觀上雷電直接造成的觀測場損害因素進行排序，并未從微觀上具體分析是哪些因素（地理位置、氣候、天氣過程、人為因素等）可能引發(fā)或加劇氣象觀測場的雷電傷害，以及如何在氣象觀測場雷電傷害發(fā)生前后進行防范和治理，才能將損失降到最低，這些問題也將是以后進一步研究的重點所在。