雷擊風險評估中氣象觀測要素的應用

李寧

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

關鍵詞：雷擊 風險評估 災害 氣象

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

雷電災害是自然災害的一種。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備的危害十分明顯。根據相關的統計可知，每年全球有超過1萬的人口因為雷電而造成傷亡，而經濟損失則超過10億美元。我國位于亞熱帶和溫帶地區，雷電較多，由于雷電造成的傷亡每年約3000～4000人[1]。根據雷電的時空分布特征分析可知確定雷電發生的重點區域和主要時段，從而評估雷擊的風險，并且還可以促進減災防災。

1 雷擊風險評估中相關氣象數據的監測方式

雷擊風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、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。閃電定位儀是根據電磁場、光、聲等的特性來測量閃電的回擊放電參數。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、雷電流幅值和回擊次數，還可以建立雷電的監測信息數據庫，有較高的監測能力和定位精度[2]。

2 氣象數據在雷擊風險評估中的應用方式

2.1 雷暴日

雷暴日是反映雷電活動規律的重要參數。在《雷電防護》（GB/T21714-2008）第二部分風險管理中提出，物體的物理特征以及所在地區的暴風雨活動情況可以影響受保護的物體的年度雷擊次數N[3]。而在《建筑物電子信息系統防雷技術規范》（GB50343-2004）中建筑物年預計雷擊次數、建筑物電子信息系統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、入戶設施年預計雷擊次數是其中重要的評估因子。可以說雷暴日數是雷擊風險評估中至關重要因子。

通過統計分析項目所在地區的雷暴日數據的，可以在雷擊風險評估中對生產建設等進行合理指導，尤其是在安裝、調試建筑工程和電子信息系統時應合理的避開雷暴時段和高發期，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，由于地區的不同，雷暴日和落雷的分布也不同，即使地區相同，單位面積不同，各類數據也不一定相同。

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

Ng=0.1×Td （1）

Td指的是年平均雷暴日數，可以通過當地氣象觀測資料確定。

由公式（1）可知，雷暴日數和地閃密度是唯一的對應關系，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，年預計雷擊次數可以由下面的公式得到。

Ng=0.1×Td （2）

年預計雷擊次數比利用實測的雷擊大地密度計算的數值大30%，這導致用年平均雷暴日計算結果判斷建筑物的防雷類別等級可能提高[5]。在計算建筑物年預計雷擊次數時，應首選建筑物所在區域閃電定位儀測得的地閃密度。當測量地閃密度困難時，再通過雷暴日計算。

2.3 雷電流幅值

在評估雷擊風險時，SPD通流容量的選擇可以通過評估建筑物所在區域的雷電流幅值得到。而利益通過雷電定位系統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果。

在GB 50057中規定第一、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判斷。因此應選擇閃電定位儀提供的實測雷電流幅值來進行計算。以下為計算方法。

假設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）

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

2.4 雷暴路徑

雷暴路徑是反映某一區域雷電活動規律的主要內容。通過查看雷電災害的案例，可以發現有些單體反復遭受雷擊或者其某些部位反復遭受雷擊。這就反映出了此區域雷電活動的規律性。例如20世紀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山頭而來，因此1957年人們在那里安裝了避雷針，雷雨時節，可以看到避雷針接閃，在此之后該氣象站也沒有發生直擊雷事故【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方時更容易遭到雷擊，在實際的評估雷擊風險時，不僅僅需要利用幾何模型進行計算，還應該考慮雷暴路徑，適當的減少或者增加評估雷擊風險時所需要的參考值。

3 結語

雷擊風險評估中雷電監測資料的多角度應用，可以使得評估結果更具客觀性和科學性，滿足較為準確的風險計算，全方位考慮雷電災害的影響，促使防雷減災工作的規范化、科學化、準確化。

參考文獻

[1] 許小峰.雷電災害與監測預報[J].氣象，2004，30（12）：17-21.

[2] 問楠臻，王亞靜.也談雷電監測資料在雷擊風險評估中的應用[J].建筑電氣，2009，9（5）：255-257.

[3] 中華人民共和國標準化管理委員會.GB/T21714.2-2008 雷電防護.第2部分：風險管理[S].秦皇島：中國標準出版社，2008.

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

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

[6] 馬宏達.山區電網防雷的新概念--區域性防雷[J].電網技術，1990，14（3）：43-46.