雷電密度問題探討

黃肖峰+陳星宇

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

關(guān)鍵詞：雷電密度 雷暴日 儀器

中圖分類號：TM862 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（c）-0038-01]

雷電是發(fā)生在大氣中瞬時放電現(xiàn)象，雷電具有強電流，高溫和強烈的電磁輻射等特性，具有極大的破壞力。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，特別是城市規(guī)模急劇擴張，人口集中、電子信息設(shè)備增多，受雷電災(zāi)害的人員和財產(chǎn)損失越來越大，對城市公共安全和經(jīng)濟社會發(fā)展的影響和威脅日益加劇[1-2]。掌握雷電密度、雷電電流強度、雷電流陡度、回?fù)舸螖?shù)、輻射場強等參數(shù)，對防雷設(shè)計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對流天氣的變化情況，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_、站資料確定；若無此資料，可按下式計算：

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

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？為解決這一問題，就需要了解氣象臺站觀測雷電密度的具體做法。以往對雷電的觀測只能通過雷聲的判斷來記錄雷電的發(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，在本站聽到雷聲的觀測日叫做雷暴日。

當(dāng)觀測員在一天中聽到一次雷聲則記為一個雷暴日，所以大部分的觀測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)對雷電的觀測只有雷暴日這一參數(shù)時，氣象臺站也就不能直接給出本地區(qū)的雷電密度，也只能通過經(jīng)驗公式推算。

隨著科技的發(fā)展，使得儀器觀測雷電發(fā)生的次數(shù)、位置成為可能，現(xiàn)在全國各個省的氣象部門大都布置了覆蓋全省的閃電定位系統(tǒng)。閃電定位系統(tǒng)是一套云地閃探測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r對云地閃的發(fā)生位置進行定位。閃電發(fā)生的時候都會向外輻射電磁波，通過人們對大量觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計發(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，通過設(shè)置多個探測點，檢測波形特征點到達每個探測站的準(zhǔn)確時間，從而實現(xiàn)對云地閃的精確定位。 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)驗公式推導(dǎo)方法的缺點

經(jīng)驗公式推導(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)觀測員的聽力為基礎(chǔ)的，由于人的聽力有限，觀測員之間的聽力也存在差異，大體上雷聲的可聞距離一般是以觀測站為中心，周邊15 km至20 km左右的范圍。而觀測站的布置分散，使得雷暴日數(shù)并不能完全代表該地區(qū)整個范圍內(nèi)的雷電活動情況。

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

3.2 儀器測量方法的缺點

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

此外，當(dāng)計算某一地區(qū)的雷電密度時，需要先確定區(qū)域的大小，統(tǒng)計區(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)要計算圖中“十字”處的雷電密度，選取實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)從氣象臺站直接獲取雷電密度資料時應(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強弱的一項重要參數(shù)，獲取準(zhǔn)確的雷電密度值，對雷電防護工程設(shè)計以及了解某一地區(qū)的雷電活動情況都有很大的指導(dǎo)意義。經(jīng)驗公式推算法和應(yīng)用閃電定位儀器測量的方法確定雷電密度都有各自的優(yōu)缺點，而都與實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，要認(rèn)真分析可能引起誤差的原因，從而糾正以期達到與實際較為貼近的數(shù)值。隨著儀器精度、定位方法的改進，以及資料的積累，儀器測量法越來越受到青睞。但兩種方法均存在缺點，采用兩種方法相互修正或許更能接近實際情況。

參考文獻

[1] 袁鐵，郄秀書.衛(wèi)星觀測到的我國閃電活動的時空分布特征.高原氣象，2004， 23（4）：488—494.

[2] 馮民學(xué)，羅慧，焦雪.閃電定位資料對儀征儲油罐雷災(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