基于閃電定位數據的雷擊風險評估精細化研究

范旻琪，李 政

（湖北省防雷中心，武漢 430074）

雷擊風險評估是為了衡量雷擊災害風險而對其做評價與估算的一個過程。最早的雷擊風險評估方法來源于國際電工委員會標準IEC61024－1，還有后來的IEC61662，發展到現在運用比較廣泛、評估方法比較成熟的是IEC62305（國內同步轉譯GB／T 21714）。依據IEC62305規定的雷擊風險評估計算方法，國內學者結合實際工作情況，對風險評估精細化研究做了很多工作，但主要集中在對計算參數的精細化。如樊榮［1］擬合了雷擊風險評估中Pms與Kms的連續關系式。扈海波等［2］把建筑物雷電災害承災體劃分為3種空間類型，細化了建筑物接收面積Ad、位置因子Cd的計算方法。甘慶輝等［3］利用電氣－幾何模型，按照繞擊的計算方法確定了更合理的Cd取值。王芳等［4］分析了常年雷暴路徑對Cd取值的影響。

還有一些學者利用閃電定位預警技術來開展雷擊風險評估，如李京校等［5］分析了安裝雷電預警設備對雷擊風險評估計算結果的影響。陳家宏等［6］利用雷擊在線監測技術對輸電線路的雷擊風險評估方法進行了優化。但是利用閃電定位數據來反映目標建筑物的雷電環境，總結雷電發生規律，再結合建筑物使用特征，從而更精細地計算雷擊風險結果的研究目前鮮見報道。本研究主要介紹了采用ADTD系統記錄的閃電定位數據代替Td計算Ng的優點和具體方法，以及用閃電定位數據歸納閃電活動規律再結合建筑物的特殊使用性質優化Ng值的方法，以期為這方面研究提供參考。

1 ADTD閃電定位系統的工作原理

ADTD閃電定位系統是由雷擊探測儀＋中心數據處理站＋用戶數據服務網絡＋圖形顯示終端組成。圖1是ADTD閃電定位系統的工作原理，其中實線是雷擊點的測量方位角，虛線是方位角測量中的隨機誤差，實心的交點是方位角矢量的3個不同交叉點所確定的3個可能的雷擊點。實心圓是最理想的雷擊點位置，是由X2的最小值確定。θi和Ei是未知的方位角以及電場峰值，θmi和Emi是在第i個觀測站得到的方位角以及電場峰值。從理論上講，其核心是通過幾個站同時測量閃電回擊輻射的電磁場來進行閃電定位，并可以得到閃電位置、發生時間、閃電電流、陡度等數據。

圖1 ADTD閃電定位系統工作原理

2 閃電定位數據對Ng的精細化研究

2.1 Td計算 Ng幾點不足

雷擊風險評估就是評估雷電孕災環境作用于受災體造成的雷電災害后果，雷電孕災環境也就是災害源，只有精確地分析孕災環境才能準確地對災害后果進行評估［7－10］。 《GB/T 21714.2－2015》附錄 A 中將反映目標建筑物孕災環境的參數定義為雷擊大地密度 Ng，單位為次 /（km2·a），在溫帶地區取 Ng=0.1×Td。Td是人工觀測年平均雷暴日數。用Td來反映建筑物所在地區的雷電孕災環境是目前很多標準上的規定，但是它只是在閃電定位系統布點不足，閃電定位數據觀測年限不夠的情況下采用的替代辦法，因為Td參數存在缺陷。①氣象部門從2015年開始取消了人工觀測雷暴日數Td的業務記錄，也就是說Td數據將不再更新。②Td只在氣象站里由人工觀測并記錄，兩個相鄰的氣象站相隔較遠，但是據研究人的耳朵能聽到的最遠雷聲距離只有18 km，并且隨著城市建設的快速發展及各種干擾因素的影響（噪音、空氣污染、觀測站環境的惡化等），雷暴日Td越來越不能客觀真實地反映實際的雷電環境。③在雷擊風險評估計算時Td取的是歷史平均值，隨著氣候變化Td數據變化也很明顯，平均值越來越不能反映評估建筑物現有的雷電環境。以湖北省為例，王學良等［11］分析了近52年的湖北省雷暴日數據。結果表明湖北省的雷暴日Td明顯減少。

2.2 閃電定位數據計算Ng時的具體要求

用ADTD閃電定位系統監測記錄的閃電定位數據來代替Td計算Ng，能更準確地反映評估建筑物的雷電孕災環境。但具體計算時還有幾點要求，《IEC 62858：2015》（目前中國標準化委員會下轄的雷電標準委員會已經成立了工作組對該標準進行同步轉譯）對使用閃電定位數據計算Ng做了明確的規定。2.2.1 閃電定位網的探測效率 《IEC 62858：2015》4.1條要求在使用閃電定位數據計算時，所用的閃電定位數據必須位于閃電定位網的探測效率80%以上區域。圖1介紹了ADTD閃電監測系統的工作原理，從中可以看出在定位閃電時，需要多個探測儀同時工作。在湖北省布點的探測儀有14臺，按照探測儀的布點位置就決定了有些地區閃電發生時，只有2臺探測儀能工作，其他一些地區可能有3臺甚至4臺探測儀共同工作，這就造成了探測效率的不同。圖2是湖北省ADTD系統探測效率分布圖，可以看到目前湖北省內大部分地區的探測效率在90%以上，80%以上的探測效率覆蓋全省。湖北省氣象系統布點的ADTD系統記錄的閃電定位數據滿足這一要求。

圖2 湖北省ADTD系統探測效率分布圖

2.2.2 首次回擊和后續回擊的歸閃 閃電發生時有首次回擊和后續回擊，若同時滿足后續回擊與首次回擊的時間間隔小于或等于1 s、位置距離小于或等于10km，后續回擊之間的時間間隔小于或等于500ms，應將后續回擊和首次回擊記為同一次閃電。

2.2.3 最小觀測周期 為了確保氣候變化對雷電參數的短時影響，在計算Ng時取的閃電定位數據應該有足夠長的觀測周期，至少10年，并且包含最近5年的閃電數據。如：為了滿足2016年新建工程雷擊風險評估計算需要，取2006－2015年的閃電定位數據計算Ng則符合要求，取2000－2009年的數據則不滿足要求。

2.2.4 網格單元大小 利用閃電定位數據計算Ng時，應在網格地圖中進行，即特定地理邊界內所有網格單元組成的網格陣列。那么在網格大小不同時就會影響Ng的精度，所以網格大小應符合下列公式的要求。

式（2）中 Tobs為觀測周期，單位為年；Acell為每個網格單元的面積，單位為km2。

湖北省ADTD系統是2006年布點建設，2007年正式開始觀測記錄的，目前為止有10年的閃電定位數據，依據這10年數據得到圖3湖北省2007－2016年閃電密度分布圖。用總的閃電數據除以湖北省的面積得到湖北省平均為2.5次/km2·a，按照公式（2）的要求，在計算時采用的網格就可以滿足要求，當然在圖中平均只有0.5～1.0次/（km2·a）的區域，計算時的網格就需要擴大以滿足公式（2）的要求。

圖3 湖北省2007－2016年閃電密度分布

3 閃電定位數據優化Ng值

雷擊風險評估中將風險類型分為4類：人身傷亡損失風險R1、不可接受的公眾服務中斷風險R2、無法挽回的文化遺產損失風險R3和經濟損失風險R4。各類型的風險計算詳見公式（3）：

式（3）中，Nx是危險事件次數，其中建筑物的危險事件次數ND：

式中，Ng為雷擊大地密度，單位為次/（km2·a），AD為孤立建筑物的接受面積，CD為建筑物的位置因子。除此之外，標準中還對毗鄰建筑物的危險事件次數NDJ，雷擊建筑物附近的年平均危險事件數NM，雷擊線路的年平均危險事件數NL等做了定義，但是在計算危險事件次數Nx都是基于Ng。所以只要能優化Ng，就可以對雷擊風險計算結果進行優化。

3.1 有效 Ng值

在用閃電定位數據優化Ng值時，引入1個新的概念有效 Ng值，定義為 Ng′ 。

式（5）中，Ng′為有效的雷擊大地年平均次數，單位為次/（km2·a），Sd為有效作用于建筑物的雷電比例，單位為%。

舉例說明有效Ng值的概念，圖4是湖北省2007－2015年的閃電月變化分布，從圖4中可以看出，湖北省的閃電從每年2月份開始出現，逐月增多，7、8兩個月最多，到了9月就開始銳減。其中7、8月的閃電占全年閃電的60%。而像學校這類單位在7、8月正在放暑假，只有少量值班人員活動且絕大部分的設備處于關閉狀態，那么在學校進行雷擊風險評估時，以去除7、8月閃電的有效Ng值Ng′來計算雷擊風險更精確。引入Ng′結合目標建筑物的使用性質可以更精確的計算雷擊災害風險。

圖4 2007－2016年湖北省閃電頻次月變化分布

3.2 Ng′的計算

公式（5）交代了Ng′的定義和計算方法，在Ng取值一定時，Sd是計算Ng′的關鍵。計算Sd需要了解目標建筑物的使用性質和利用閃電定位數據歸納的雷電活動特征。圖5是2007－2016年湖北省江漢平原閃電頻次月變化分布圖，對比圖4可以發現這兩者之間有明顯的差別。說明即使在湖北省內，不同區域的閃電活動特征也不同。那么在計算Sd時，該如何確定閃電定位數據的取值范圍。范圍太小，閃電定位數據樣本少，不能真實反映目標建筑物附近的雷電活動規律。范圍太大，就會出現圖4、圖5這種問題。

筆者建議數據周期按照 《IEC 62858：2015》4.3條的規定，取10年以上的閃電定位數據，其中必須包含最近5年的數據。范圍取目標建筑物半徑周圍10 km范圍數據來歸納閃電活動特征以計算Sd。

圖5 2007－2016年湖北省江漢平原閃電頻次月變化分布

武漢市的平均Ng大概為3.5次·年/km2，按上述原則取值時，1個目標建筑物附近大概有10 640條閃電定位數據。1萬條閃電定位數據能否較好地反映雷電活動規律，針對這一情況本研究取10萬條閃電定位數據歸納閃電活動月變化規律。再從這10萬條閃電定位數據中，分3次隨機抽取1萬條閃電定位數據歸納閃電活動規律并和之前10萬條數據歸納的活動規律對比（圖6）。結果表明，1萬條的閃電數據可以較好地反映出目標建筑物的雷電活動規律。

圖6 1萬條閃電數據3次隨機抽樣結果對比

源 小結

1）利用ADTD閃電定位系統記錄的閃電定位數據代替人工觀測雷暴日來計算目標建筑物的Ng，能更準確、精細地反映目標建筑物的雷電環境。

2）結合建筑物的使用性質，利用閃電定位數據歸納建筑物的雷電活動規律，引入有效Ng值Ng′，能大幅度提高雷擊風險評估計算精度。

3）主要介紹了利用閃電分布月變化規律來優化Ng′，在其他地區還可以利用閃電分布日變化規律來優化Ng′，計算方法是相同的。