杭州亞運會核心區(qū)域雷電特征分析和防御建議

任勇REN Yong；邢天放XING Tian-fang

（①杭州市氣象局，杭州 310051；②浙江省氣象安全技術中心，杭州 310051）

0 引言

根據(jù)雷電氣候的差異，可以將我國雷電高發(fā)區(qū)大致劃分為三個，分別是中東部地區(qū)、華南地區(qū)和四川盆地，因浙江省位于中東部地區(qū)，屬于雷電高發(fā)區(qū)[1]。7－9 月份是浙江省雷電高發(fā)期，因雷擊導致人員傷亡、設備損壞、信息傳輸中斷的情況每年均有發(fā)生[2]。2022 年第19 屆亞運會將在杭州舉辦，亞運會賽事規(guī)格高、涉及城市和場所多、參賽國家（地區(qū)）和人員多、影響力廣泛，因此防雷安全工作極為重要。杭州地處長江三角洲南沿和錢塘江流域，地形復雜多樣，西部屬浙西丘陵區(qū)，主干山脈有天目山等，東部屬浙北平原，地勢低平，河網(wǎng)密布，湖泊密布，屬于亞熱帶季風氣候，具有明顯的季節(jié)性特征，且年內(nèi)有充足的降水。在下墊面和氣候特征的共同作用下，對當?shù)乩纂姲l(fā)生發(fā)展規(guī)律產(chǎn)生了很大影響。亞運主場館位于杭州市濱江區(qū)奧體中心體育場，位于錢塘江邊，北面為開闊的江域，周邊為高層、超高層建筑物密集的陸域?，F(xiàn)階段，人們研究的重點大都是局部地區(qū)雷電環(huán)境特征，而將雷電環(huán)境風險評估結果應用到重大活動保障服務及城市內(nèi)的實物空間中的研究相對較少。下面將以杭州亞運會主場館為例，運用區(qū)域雷電環(huán)境評價方法來解決此類問題。

1 數(shù)據(jù)及方法

本文研究資料主要包括有杭州1951~2013 年地面氣象觀測資料中的雷暴日數(shù)數(shù)據(jù)及2007~2020 浙江省氣象部門通過閃電監(jiān)測網(wǎng)觀測到的杭州閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)信息。結合《地面氣象觀測規(guī)范》中的相關規(guī)定，若是一天中出現(xiàn)一次或多次雷聲（包括云閃），可將其看做是1 個雷暴日；本文中的閃電資料大都是將非雷暴日數(shù)據(jù)及后續(xù)回擊的修正值，這里將空間間隔在10km 以內(nèi)且時間間隔控制在330ms 的所有回擊看做是一次閃電。浙江省ADTD 閃電定位觀測站共有11 個，包括杭州在內(nèi)，幾乎覆蓋整個浙江省。在利用閃電定位系統(tǒng)進行定位時主要是將時差到達法與磁定向法進行結合的方式，數(shù)據(jù)參數(shù)主要有閃電時間、位置、強度、極性等信息，該系統(tǒng)的時鐘同步精度在0.1s左右，而杭州的定位精度則在300m 左右[3-5]。

2 杭州雷電特征分析

2.1 雷暴日年際變化特征

結合杭州市區(qū)1951~2013 年雷暴日數(shù)資料，杭州市區(qū)平均年雷暴日數(shù)為36.8d，1963 年雷暴日數(shù)最多為63d，1978 年雷暴日數(shù)最少為20d，最大值是最小值的3.1 倍，說明杭州市雷暴日數(shù)年際變化波動幅度較大。從圖1 中可以看出，近63 年杭州市區(qū)年雷暴日數(shù)整體呈現(xiàn)出下降的趨勢，氣候變化傾向率為-1.889d/10a，下降趨勢較為顯著。

圖1 杭州市63a 雷暴日數(shù)變化趨勢

2.2 閃電頻數(shù)時間分布特征

從圖2 中可以看出，杭州主城區(qū)年內(nèi)閃電頻數(shù)呈現(xiàn)出單峰型變化特征，1~7 月份閃電頻數(shù)呈現(xiàn)出逐月增加的趨勢，從5~7 月份增幅較大；從8 月份往后，閃電頻數(shù)逐月下降，8~10 月份下降幅度較大，尤以7 月份閃電頻數(shù)最高，其次是8 月份，12 月和1 月份幾乎沒有閃電天氣出現(xiàn)。另外，通過對杭州主城區(qū)四季閃電頻數(shù)進行分析，不難發(fā)現(xiàn)其季節(jié)性變化特征較為明顯，年內(nèi)閃電主要集中在6~8 月份，這段時間的閃電總數(shù)將近是全年的85%以上；其次是秋季和春季，冬季出現(xiàn)閃電的頻率相對較低。

圖2 杭州主城區(qū)閃電頻數(shù)月變化圖

杭州主城區(qū)閃電頻數(shù)具有明顯的日變化，總體呈現(xiàn)單峰型特征（圖3），閃電頻數(shù)主要集中在13~20 時，其中16時的閃電頻數(shù)最高；從21 時往后，閃電頻數(shù)則開始逐漸下降。由此不難看出，杭州主城區(qū)閃電活動大都出現(xiàn)在午后到傍晚這段時間內(nèi)，此時恰好是杭州主城區(qū)對流天氣出現(xiàn)頻率較高，通常來說，對流天氣容易在12 時后出現(xiàn)，在13時到20 時則是一天內(nèi)對流最易發(fā)展成熟時期，閃電最為集中，而從23 時往后，不利于對流天氣的發(fā)展成熟，相應的閃電活動也隨之減少。

2.3 閃電空間分布特征

統(tǒng)計杭州主城區(qū)內(nèi)2007~2020 年閃電次數(shù)年平均值和9 月平均值，除以杭州主城區(qū)總面積2000km2，杭州主城區(qū)年平均地閃密度為6.27fl·km-2·a-1，而蕭山區(qū)及西湖區(qū)南部、濱江區(qū)西南部和余杭區(qū)西北部地區(qū)屬于地閃密度高值區(qū)，如圖4。杭州主城區(qū)9 月平均地閃密度為0.73fl·km-2·a-1，其高值區(qū)主要位于蕭山區(qū)南部、余杭區(qū)西北部和中部，如圖5。

圖4 年平均地閃密度空間分布

圖5 9 月平均地閃密度空間分布

3 奧體賽場核心區(qū)雷電特征分析

3.1 奧體賽場核心區(qū)閃電頻數(shù)時間分布特征

以清江路、奔競二路、慶春路、之江路范圍內(nèi)的面積7.7 平方公里作為亞運主場館的核心區(qū)域，并裁剪衛(wèi)星影響數(shù)據(jù)與雷電數(shù)據(jù)在gis 軟件上進行配準，分析亞運會核心區(qū)雷電環(huán)境[6]。

2007 年1 月1 日~2020 年12 月31 日奧體賽場及奧體賽場周邊7.7km 范圍的核心區(qū)內(nèi)共有88 天出現(xiàn)閃電，共觀測到閃電275 次（圖6）。核心區(qū)閃電頻數(shù)月變化呈現(xiàn)明顯的單峰特征，該區(qū)城每年閃電活動一般開始于2 月，6月到9 月期間較為活躍，占總閃的94%之多，其中峰值出現(xiàn)在7 月，閃電頻數(shù)為107 次，占總閃的39%之多，1 月、10 月、12 月未發(fā)生過雷電（圖7）。核心區(qū)閃電頻數(shù)月變化也呈現(xiàn)明顯的單峰特征，其中13 時~21 時時段較為活躍，不同于全市的閃電平均峰值時間，該區(qū)城16 時左右活動最為頻繁（圖8）。奧體賽場賽事舉辦時間為9 月，賽場各項賽事安排宜盡量考慮避開閃電較為活躍的時段，同時加強雷電防御措施。

圖6 奧體賽場核心區(qū)7.7km2 范圍內(nèi)2007-2020 年的地閃落點分布

圖7 奧體賽場核心區(qū)閃電頻數(shù)月變化圖

圖8 奧體賽場核心區(qū)閃電頻數(shù)小時變化圖

3.2 核心區(qū)閃電空間分布特征

2007~2020 年奧體賽場及奧體賽場周邊7.7km2范圍內(nèi)，其核心區(qū)的地閃密度平均值為2.6fl·km-2·a-1，將其與杭州主城區(qū)地閃密度進行比較，不難看出該區(qū)域年平均地閃密度偏低。

另外，在2007~2016 年這段時間內(nèi)，核心區(qū)7.7km 范圍內(nèi)共有28 次閃電天氣出現(xiàn)，平均雷電流強度在52.8kA左右，由于9 月中、下旬是杭州亞運會奧體賽場賽事舉辦的時間，通過對近19 年9 月10 日到9 月25 日高區(qū)域內(nèi)的地閃分布情況進行統(tǒng)計（圖9）。錢塘江沿江所在區(qū)域是奧體賽場主要位置，再加上賽會較為特殊，核心區(qū)內(nèi)對雷電災害產(chǎn)生影響的風險因子權重要比其它區(qū)域高。

圖9 奧體賽場核心區(qū)7.7km2 范圍內(nèi)2007~2020 年9 月10~25 日的地閃落點分布

3.3 核心區(qū)雷電流強度與雷電流幅值概率分布

結合2007~2020 年核心區(qū)雷電強度，不難發(fā)現(xiàn)其呈現(xiàn)出單峰型分布特征，尤以負閃出現(xiàn)頻率最高，將近是總閃的94.2%，說明負閃分布特征與總閃保持一致。對于0~35kA 之間的雷電強度來說，負閃占據(jù)的比重達到了52.5%，當雷電流強度在5~35kA 之間時則是負閃雷電流強度分布的峰值，其頻率為48.1%；當雷電強度在50~200kA 之間時，負閃出現(xiàn)頻率為20.4%，尤以負極性高幅值雷電流出現(xiàn)頻率較高；正閃雷電流強度分布峰值出現(xiàn)在10~40kA 之間，約占50.0%。相較于負地閃來說，正地閃雷電流強度變化情況較為平穩(wěn)。

通過雷電流幅值累積概率分布情況可以將雷電流活動強弱情況反映出來，在計算輸電線路雷電繞擊和反擊以及設計防雷裝置中具有一定的指示意義。通過統(tǒng)計分析杭州主城區(qū)2007~2020 年正閃和負閃雷電流幅值，可以選擇比雷電流幅值高的閃電概率作為該雷電幅值累積概率，進而獲取到實測雷電流幅值累積概率曲線（圖10）。

圖10 2007-2020 年雷電流幅值的累積概率分布

3.4 核心區(qū)雷電電磁環(huán)境分析

系統(tǒng)能否電磁兼容需要將雷電電磁場分析考慮進去，即便沒有出現(xiàn)直接雷擊，因雷電電磁脈沖產(chǎn)生的電磁場也會對電子或電氣設備造成不同程度的損壞。結合GB/T 2887-2011《計算機場地通用規(guī)范》中的有關規(guī)定，應將電子計算機機房內(nèi)磁場干擾強度控制在800A/m 以內(nèi)，而大部分電子設備可以忍受±5V 以內(nèi)的電壓波動。根據(jù)美國通用研究公司R.D 希爾的建模仿真試驗，在屏蔽措施不足的情況下，雷電電磁脈沖干擾計算機時產(chǎn)生的磁感應強度在0.07Gs（5.572A/m）時，則會有誤動作出現(xiàn)，若是磁感應強度數(shù)值在2.4Gs（191.04A/m）時，則會出現(xiàn)永久性損壞。

因電子信息技術的快速發(fā)展，高頻雷電電磁脈沖對當前設備的影響更為明顯，雷擊暫態(tài)電磁脈沖產(chǎn)生的電氣和電子系統(tǒng)故障現(xiàn)象不斷增多。通常情況下，雷擊產(chǎn)生的最大磁場強度是首次雷擊產(chǎn)生的，經(jīng)過一系列計算，可以得出以奧體賽場所在區(qū)域為中心點的7.7km 范圍內(nèi)，年最大雷電流幅值的平均值為103.5kA，根據(jù)防雷分區(qū)LPZ0 區(qū)磁場強度計算公式[7]：

上式中，在缺少對應屏蔽時產(chǎn)生的無衰減磁場強度可以用H0表示，單位為A/m；最大雷電幅值用i0表示，單位為kA；雷擊點與屏蔽空間的平均距離可以用Sa表示，單位為m；根據(jù)以上公式可以得到在奧體賽場附近存在雷擊點，在無衰減情況下，建筑物所在區(qū)域的磁場強度值（表1）。實際上，建筑物介電常數(shù)與自由空間是兩個不同的概念，相較于自由空間電磁場的計算，建筑物內(nèi)電磁場的計算更為復雜，在條件允許的情況下，應根據(jù)建筑物實際進行針對性設計，以將磁場屏蔽的衰減情況計算出來。

表1 不同距離的雷擊點在場館處產(chǎn)生的無衰減磁場強度

4 結語

對于雷電災害來說，其屬于原發(fā)事故再來，除了自身產(chǎn)生危害外，還可以借助于鏈式、輻射、遷移等路徑引發(fā)次生性災害。雖然雷電災害出現(xiàn)頻率響度較低，但是因出現(xiàn)區(qū)域和發(fā)生時間具有不確定性，再加上危害性較大，一旦出現(xiàn)雷擊事件，將會產(chǎn)生嚴重的后果。若是在雷電災害出現(xiàn)前分析重要區(qū)域內(nèi)的雷電環(huán)境，進而判斷雷電災害風險，并采取科學合理的監(jiān)測預警手段，將會使雷電災害造成的損失降到最低。

在設計奧體賽場及內(nèi)部電子信息系統(tǒng)時，需要將核心區(qū)雷電環(huán)境特征、地理環(huán)境、人員流動等情況考慮進去，以保證最終的雷電防災減災方案具有科學合理性水平，同時結合區(qū)域內(nèi)建筑物重要性、經(jīng)濟價值、使用性質(zhì)內(nèi)，嚴格按照“從嚴”、“就高”的雷電防護等級設計防雷方案。另外，因“后亞運會”時期大型公共建筑的防雷安全及后期維護，應將工程性與非工程性原則進行結合，確保整個防雷措施具有經(jīng)濟合理性和科學有效性水平。