监测数据对雷击危害评定的影响范文

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作者：李准肖稳安林春单位：南京信息工程大学大气物理学院江西省雷电监测预警与防护技术中心江西省气象科学研究所

雷电监测资料在雷击风险评估中的应用

在雷电监测系统使用之前，用于研究雷电的资料主要来源于人工气象观测的数据。由于雷暴活动受气候变化及地理环境影响较大，仅凭人工观测得到的雷电数据已经不能满足现代防雷科研和业务需要。探索使用雷电监测资料取代传统人工观测数据，客观高效地进行雷电灾害风险评估成为必要。随着科技的发展和设备标定水平的提高，雷电定位系统的应用使得闪电监测数据的准确性得到极大的提高。江西省雷电监测系统建成以来，取得大量雷电监测数据，已经在雷电监测预警、雷击风险评估和防雷工程设计中得到了应用。文中主要对雷电监测资料的地闪数量、发生时间、闪击点定位坐标以及雷电流强度等进行分析，并应用于雷击风险评估。

1计算雷击大地密度

雷击大地密度（Ng）是进行雷击灾害风险评估的重要参数之一。目前，各地在雷击灾害风险评估中，Ng多采用《建筑物防雷设计规范（GB50057—2010）》中提供的计算公式Ng=0.1Td来计算，其中Td是由当地气象部门提供的所在城市的年平均雷暴日。由此可知，Ng的大小完全依赖于年平均雷暴日的值。众所周知，雷暴日是由世界气象组织定义的一个气象业务的观测项目。其确定是观测者听觉判断的，即气象观测人员在一天内只要听到一次雷声就算一个雷暴日，无论该天发生多少次雷暴。就南昌而言，目前只有一处观测点，仅仅凭这一处的观测点来观测全市的雷暴是远远不够的。因此，利用雷电日数资料计算雷击大地密度存在一定的局限性。

（1）人工观测得到的Td资料精确度不高。

首先，人工观测站辖区内发生雷暴，如果雷暴的强度较弱或者距离台站较远，气象观测人员会因为没有听到雷声或者看到闪电而发生漏记的现象。

通常情况下，距离观测者15km的雷电可以听到雷声，一旦超过此范围，则很难被听到。其次，由于闪电的种类按照空间位置分为云地闪电、云内闪电和云际闪电，所以观测者听到的雷声既有云地闪电发出的，也有云内闪电和云际闪电发出的，因此，依靠人的听觉判断而观测得到的Td值并不能表征雷击大地的真实频率。

（2）计算得到的Ng值误差较大。

Td值一般是指这个城市的全年发生雷电的次数，使用这种方法计算Ng值，存在非常明显的缺陷，即同一个行政辖区内的Ng值完全相同，这就在很大程度上忽略了一个地区不同区域因下垫面性质、气象、建筑结构布局的不同而引起的雷击次数不一样的影响，故利用Td值计算得到的Ng值与雷击密度实际分布情况通常有较大的差异。

目前，江西省使用的雷电监测系统在南昌地区探测效率超过90%。根据雷击大地的年平均密度的含义，选取南昌地区2004—2010年雷电数据，通过MapInfo桌面地理信息系统软件，加载地图信息、雷电数据信息；根据被评估对象所在地的经、纬度，找到在地图上的坐标，在MapInfo上选定半径r内的区域；将选取区域的雷电数据（依次为地闪发生的日期、时间、经度、纬度、雷电流的强度、陡度）导出进行统计。统计记录的条数即为被评估对象所在位置的地闪总次数；用得到的地闪总次数除以该地区的面积及提供的数据的总时间，可以得到精确的雷击大地的年平均密度（图1）。计算公式为其中，D为评估项目地点处总的地闪次数，单位：次/a；Y为选取资料的总时间，单位：a；r为选择区域的等效半径，单位：km。

2确定雷电的主导方向和次主导方向

近10年来，我国雷电监测技术有了长足的发展，闪电定位观测仪得到不断改进，观测精度不断提高。闪电监测由以前人工观测的定性结论“是否有雷暴”，发展到现在可以准确记录一个雷暴日中发生闪击的次数以及每次闪击的具体位置的坐标等信息。目前雷电监测系统对落雷点的定位误差被限定在500m之内，比人工观测的数据在精度上更为接近实际。下面，根据江西省雷电监测系统历年的闪电数据中地闪发生处的经纬度坐标，判断落雷点相对于评估对象的方位，统计得到E、NE、N、NW、W、SW、S、SE等8个方向的地闪次数，画出雷电玫瑰图，得到评估对象所在地的雷电主导方向和次主导方向。具体步骤如下：

（1）计算地图上单位经（纬）度表示的距离：借助Mapinfo上“标尺”功能，在地图上评估对象所在地和距离l处选择两个点，单位经（纬）度距离=l/两点经（纬）度差。

（2）设Dx为落雷点和项目所在地的纬度距离，Dy为落雷点和项目所在地的经度距离，α为落雷点和零度方位的夹角，则Dx=单位纬度距离×评估点与雷击点纬度差的绝对值；Dy=单位经度距离×评估点与雷击点经度差的绝对值；α＝arctan（Dy/Dx）。设E方向为0°，区间（337.5°，22.5°）、（22.5°，67.5°）、（67.5°，112.5°）、（112.5°，157.5°）、（157.5°，202.5°）、（202.5°，247.5°）、（247.5°，292.5°）、（292.5°，337.5°）分别为E、NE、N、NW、W、SW、S、SE方向，根据夹角α值得到在上述8个象限的落点，地闪点所在的方向上取1，其他方向取0，得出各个雷击点相对于被评估点的方位。

（3）将各个方向的值累加，得出各个值所占的比例，按比例绘制出玫瑰图。由图2可以看出，评估点雷击主导方向N，次主导方向SW，为雷击风险评估提供真实数据。

计算被评估点雷电参数幅值

在进行雷击风险评估时，电源线路上电涌保护器安装位置和选型对于评估因子的取值有直接影响。而雷电流幅值是确定电涌保护器雷电流参数的一个重要的参数。《建筑物防雷设计规范》附录中给定了首次正击雷电流的幅值参考值，第一类、第二类、第三类防雷建筑物对应分布为200kA、150kA、100kA。如果评估中采用上述推荐值，得出的计算结果并不能真正反映评估对象所需要的电涌保护器的雷电流参数。

目前江西省的闪电定位系统对雷电强度的测量误差小于15％，如根据已经取得的雷电监测数据中闪电流强度值来计算雷电流幅值，则使得电涌保护器的雷电流参数更有针对性，也使得雷击风险评估工作更加科学。具体步骤如下：首先，根据南昌地区2004—2010年闪电监测资料中的雷电流幅值，根据IEEE工作组推荐的雷电流幅值累积概率公式，得到与实际监测曲线最为近似的拟合曲线，能反映雷电流幅值概率的分布特征（图3）。公式为其中，I为雷电流幅值，单位：kA；PI为雷电流幅值大于I的概率；a表示中值电流，即电流幅值大于a的概率为50%；b反应曲线的曲率变化程度，当b增大时，50%概率点左右侧曲线陡度绝对值均变大。

其次，选择雷击概率99%的雷电流幅值I作为依据。根据《建筑物防雷设计规范》的规定，低压电源线路引入总配电箱、配电柜处安装的电涌保护器，其每一保护模式的冲击电流取值，计算公式：当电源线路无屏蔽层时，式（3）、式（4）中，I为雷电流，单位：kA，根据建筑物防雷类别，第一类取200kA，第二类取150kA，第三类取100kA；n为地下和架空引线引入的外来金属管道和线路的总数；m为每一线路内导体芯线的总根数；Rs为每千米屏蔽层的电阻，单位：Ω/km；Rc为每千米芯线的电阻，单位：Ω/km。

结束语

利用由江西省闪电监测网获取的南昌地区2004—2010年雷电监测数据，计算得到评估对象周围5km范围的雷击密度，雷击主导方向、次主导方向以及雷电幅值参数，分析发现：

（1）利用雷电监测网的监测数据计算得到的雷击大地的年平均密度，较使用《建筑物防雷设计规范（GB50057—2010）》中推荐的公式求得的值更为精确。

（2）通过分析评估对象所在地周边雷电监测数据，得到评估对象所在地雷击主导方向、次主导方向，为雷击风险评估提供真实数据。

（3）对比《建筑物防雷设计规范》三大类防雷建筑物雷电流幅值的推荐值，根据闪电监测资料中的闪电流强度值，按IEEE公式拟合得到符合评估对象周围雷电流幅值分布情况的雷电流I值，由该I值计算得到的电涌保护器Iimp参数选取更加科学、准确。

闪电定位仪阀值设定多少为最佳，是一个值得研究的问题。可能在一些阀值的设定下，闪电定位系统在探测到大量云地闪电数据的同时，云内闪电和云际闪电也被探测并记录下来，如何去除云内闪电和云际闪电的监测数据，是今后研究需要解决的问题。