基于閃電數(shù)據(jù)的中山地區(qū)雷電特征及防護(hù)效率分析

林世祺 李秋健 成志軍 謝寶永 黃慧峰

摘要：本文采用中山地區(qū)2005年至2008年云地閃電資料，統(tǒng)計(jì)分析了中山地區(qū)雷電特征及其直擊雷防護(hù)效率，為該地區(qū)的雷電防護(hù)工程提供技術(shù)支撐。統(tǒng)計(jì)分析表明，中山地區(qū)年平均云地閃電次數(shù)為239325次；負(fù)地閃電占閃電總數(shù)的94.55%，平均負(fù)地閃電強(qiáng)度為42.64kA；正閃電占閃電總數(shù)的5.55%。中山市總閃平均強(qiáng)度為40.55kA，負(fù)地閃的平均強(qiáng)度為42.64kA，正地閃的平均強(qiáng)度38.01kA。中山地區(qū)地閃活動(dòng)主要集中在4-9月（汛期），閃電次數(shù)占全年的99.4%。正、負(fù)地閃電強(qiáng)度主要集中在10～60kA，約占閃電總數(shù)的79.0%。中山地區(qū)建筑物直擊雷保護(hù)范圍按照一、二、三 類防雷類別設(shè)計(jì)時(shí)，其繞擊率分別為0.82%、5.62%和15.59%，即第一、第二、第三類防雷建筑物直擊雷防護(hù)效率分別為99.18%、94.38%、84.41%左右。雷電流幅值大于200kA、15OkA、100kA的概率分別是0.656%、1.289%、5.578%，因此，按照第一、第二、第三類防雷建筑物安全距離計(jì)算時(shí)，將分別會(huì)有是0.656%、1.289%、5.578%左右的反擊率發(fā)生。

Abstract： In this paper， the lightning data from 2005 to 2008 in Zhongshan area were used to analyze the lightning characteristics of the Zhongshan area and the lightning protection efficiency of the direct lightning protection， which provided technical support for the lightning protection project in the area. Statistical analysis shows that the average annual cloud-to-ground lightning frequency in Zhongshan is 239，325 times； negative ground lightning accounts for 94.55% of the total lightning， and the average negative ground lightning intensity is 42.64kA； positive lightning accounts for 5.55% of the total lightning. The average lightning intensity of Zhongshan City is 40.55kA， the average intensity of negative ground lightning is 42.64kA， and the average intensity of positive ground lightning is 38.01kA. The ground lightning activities in Zhongshan area are mainly concentrated in April-September （the flood season）， and the number of lightnings accounts for 99.4% of the whole year. The lightning intensity of positive and negative ground is mainly concentrated in 10～60kA， accounting for 79.0% of the total number of lightning. When the lightning protection scope of buildings in Zhongshan area is designed according to the lightning protection categories of Class I， II and III， the shielding rate is 0.82%， 5.62% and 15.59%， namely the lightning protection efficiency of direct lightning of the first， second and third types of lightning protection buildings is 99.18%， 94.38% and 84.41% respectively. The probability of lightning current amplitude greater than 200kA， 15OkA， 100kA is 0.656%， 1.289% and 5.577% respectively. Therefore， according to the safety distance of the first， second and third lightning protection buildings， there will be 0.656%， 1.289% and 5.577% respectively of the counterattack rate occurred.

關(guān)鍵詞：雷電流強(qiáng)度；繞擊率；反擊率；防護(hù)效率

Key words： lightning current intensity；circumvention rate；counterattack rate；protection efficiency

中圖分類號(hào)：P427.32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）31-0223-04

0 引言

中山市的地理位置較為特殊，地處低緯，該地會(huì)受到南海，海洋、陸地、大氣之間的作用，造成熱帶天氣系統(tǒng)和中高緯度天氣系統(tǒng)的交替，因強(qiáng)對流天氣而引起的雷電成為中山市的重要災(zāi)害性天氣。本文利用利用中山市2005-2008年閃電定位資料，對中山市的閃電活動(dòng)特征進(jìn)行研究。詳細(xì)分析研究了閃電的特性，并對其強(qiáng)度等方面進(jìn)行了分析記錄，在此基礎(chǔ)上對中山市的雷電特征進(jìn)行分析研究和記錄，旨在為中山市防雷工程的順利開展獻(xiàn)力。

1 資料來源與統(tǒng)計(jì)方法

文中所采用的閃電資料來源于廣東省雷電定位系統(tǒng)[3]。廣東省雷電定位系統(tǒng)是1997年采用中山高壓研究所的產(chǎn)品分二期建立起來的。現(xiàn)有廣州站、花都站、肇慶站、茂名站、珠海站、韶關(guān)站、惠州站、汕尾站、汕頭站、梅州站、河源站、陽江站、云浮羅定站、湛江雷州站、湛江廉江站、連州站等16個(gè)雷電方向時(shí)差探測站，探測范圍覆蓋整個(gè)廣東省。

根據(jù)中山地區(qū)2005年1月至2008年12月48個(gè)月探測到的閃電資料 ，統(tǒng)計(jì)分析正、負(fù)地閃電次數(shù)及其所占閃電總數(shù)的百分比；一天中，按照整點(diǎn)時(shí)段（如 00：00-01：00，01：00-02：00，…，23：00-0：00）統(tǒng)計(jì)逐小時(shí)內(nèi)閃電次數(shù)，一年中各月閃電次數(shù)采用4年平均數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 閃電分布特性

本文利用2005-2008年中山市閃電定位資料，分析了總閃、正地閃、負(fù)地閃變化規(guī)律。通常云底為正電荷，地面為負(fù)電荷時(shí)，閃電電流為正稱之為正地閃；云底為負(fù)電荷，地面為正電荷時(shí)，閃電電流為負(fù)稱之為負(fù)地閃；正地閃和負(fù)地閃之和稱為總閃（也稱為地閃）。

統(tǒng)計(jì)2005-2008年的閃電資料表明，中山地區(qū)4年共監(jiān)測到云地閃次數(shù)大約為239325次，平均云地閃59831次，平均正地閃次數(shù)3322.25次，占總地閃5.55%，平均負(fù)地閃次數(shù)56509次，占總地閃94.55%。平均正地閃強(qiáng)度為38.01kA，平均負(fù)地閃強(qiáng)度42.64kA。主要原因是大多數(shù)積雨云上部帶正電荷，云體下部主要帶負(fù)電荷[2]，因此，云層與地面之間的放電絕大多為負(fù)地閃電。

2.2 閃電次數(shù)年變化

由表1可見，2005-2008年總閃次數(shù)的年際變化大，2007年總閃次數(shù)最多，其次是2008年，這兩年都是閃電高發(fā)年；2005年總地閃次數(shù)最少，其次是2006年，這兩年是閃電的低發(fā)年；2007年的總地閃次數(shù)是2006年的1.65倍。與南方大多數(shù)城市一樣，中山市閃電以負(fù)地閃為主，占94.55%，正地閃占4.55%。

2005-2008年中山市總閃平均強(qiáng)度為40.55kA，負(fù)地閃的平均強(qiáng)度為42.64kA，正地閃的平均強(qiáng)度38.01kA，負(fù)地閃的平均強(qiáng)度大于正地閃的平均強(qiáng)度。2005年和2006年的總閃平均強(qiáng)度基本一致，2007年和2008年平均強(qiáng)度略有下降，負(fù)地閃平均強(qiáng)度的變化趨勢與總閃基本一致。正地閃平均強(qiáng)度的年際變化大，2005-2008年平均強(qiáng)度有明顯的下降趨勢，2005-2008年的正地閃平均強(qiáng)度都小于負(fù)地閃平均強(qiáng)度。

2.3 閃電次數(shù)和強(qiáng)度月變化

由圖1可知，中山市地閃活動(dòng)主要集中在4-9月，即中山市的汛期，總閃次數(shù)占全年的99.4%；其中4-6月為前汛期，占全年總閃次數(shù)的52.7%，這三個(gè)月的總閃次數(shù)增加明顯；7-9月為后汛期，占全年總閃次數(shù)的46.7%，由此可見，前汛期比后汛期的閃電活動(dòng)稍活躍。總閃次數(shù)在6月達(dá)到峰值，其次是8月，汛期總閃次數(shù)最少出現(xiàn)在4月，其次是7月。非汛期（10月-翌年3月）總閃次數(shù)明顯減少，最少為1月，其次是12月。全年負(fù)地閃次數(shù)明顯多于正地閃次數(shù)。此次研究說明了氣溫與云流發(fā)展的旺盛情況成正比，氣溫越高，云流發(fā)展越為旺盛，擊穿空氣的電荷對地面的放電幾率也就越小。

由圖2可見，總閃平均強(qiáng)度與負(fù)地閃平均強(qiáng)度的年變化趨勢較一致，正地閃平均強(qiáng)度的年變化波動(dòng)更大，總閃、負(fù)地閃、正地閃平均強(qiáng)度都具有三峰結(jié)構(gòu)。正地閃和負(fù)地閃平均強(qiáng)度同時(shí)在3月、6月和11月達(dá)到峰值，強(qiáng)度最大出現(xiàn)在負(fù)地閃過程中；負(fù)地閃、正地閃平均強(qiáng)度在1月達(dá)最小值。4月至10月，正地閃和負(fù)地閃的平均強(qiáng)度基本相同，3月正地閃平均強(qiáng)度大于負(fù)地閃平均強(qiáng)度。

2.4 閃電次數(shù)和強(qiáng)度日變化

從圖3可以看出，中山地閃活動(dòng)主要發(fā)生在下半天（當(dāng)?shù)貢r(shí)間12：00-20：00），此時(shí)段內(nèi)閃電活動(dòng)約占全天的67%，其次是上半天（06：00-11：00），此時(shí)段內(nèi)閃電活動(dòng)約占全天的17.8%，上半夜和下半天的地閃活動(dòng)較少。由此可見，中山市的地閃活動(dòng)主要集中在白天午后12：00-20：00之間。說明12：00-20：00是中山地區(qū)對流性雷電天氣相對集中發(fā)生期，也是雷電防御的關(guān)鍵時(shí)段。

由圖4可見，中山市地閃強(qiáng)度主要集中在10-60kA，約占閃電總數(shù)的79.0%。全日負(fù)地閃強(qiáng)度變化不大，正地閃強(qiáng)度在17：00和22：00波動(dòng)較大。2005年6月13：14監(jiān)測到最大電流強(qiáng)度為正地閃600kA。總體來看，雷電流幅值總體分布特征與負(fù)閃相似，雷電流幅值在10-60kA范圍內(nèi)落雷密度較大。

3 雷電防護(hù)效率探討

3.1 繞擊率

繞機(jī)主要指的是在被雷電集接閃器保護(hù)范圍內(nèi)被保護(hù)物擊中的雷擊現(xiàn)象，但是這一現(xiàn)象并非是不可確定的，當(dāng)先導(dǎo)頭部電壓擊穿與地面之間的間隙時(shí)，會(huì)受到地面的影響，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行導(dǎo)向，根據(jù)相關(guān)的防雷規(guī)范所提供的模型如以下所示

式中：hr為閃電的最后閃絡(luò)距離（擊距），也可規(guī)定為滾球半徑；I是指與h相對應(yīng)的得到保護(hù)的最小雷電流幅值（kA），也就是說被保護(hù)的空間是存在被雷電流小的情況下存在的。根據(jù)式（1）可以計(jì)算出，第1、第2、第3類防雷建筑物所對應(yīng)的得到保護(hù)的最小雷電流幅值分別是5.57、10.78、15.45kA，也就是說當(dāng)雷電流幅值小于上述幅值時(shí)，在接閃器保護(hù)范圍內(nèi)的被保護(hù)物體，有可能遭受直擊雷的危害。統(tǒng)計(jì)中山地區(qū)閃電資料顯示，雷電流幅值小于5.57、10.78、15.45kA的概率分別是0.817%、5.689%和15.604%。由表2可知，中山地區(qū)建筑物直擊雷保護(hù)范圍按照一、二、三類防雷類別設(shè)計(jì)時(shí)，可能會(huì)有0.817%、5.689%和15.604%的繞擊率發(fā)生；也就是說，中山地區(qū)第一、第二、第三類防雷建筑物直擊雷防護(hù)效率為99.457%、94.386%、84.454%左右。這說明為了進(jìn)一步提升對雷電的防護(hù)效率，最為重要的是加強(qiáng)對不同場所的雷電防護(hù)針對性，加強(qiáng)對防雷電保護(hù)的計(jì)算水平，并在此技術(shù)上精確計(jì)算結(jié)果，以此來盡可能的減少繞擊率。

3.2 反擊率

為了在雷電的天氣下加強(qiáng)對建筑物的保護(hù)，并在一定程度上避免出現(xiàn)雷擊等情況的發(fā)生，在安裝防雷機(jī)制的過程中，便要與物體保持一定的距離，保證距離的安全性，其中的地上部分的安全距離如下：

式中：Sa為地上部分安全距離（m）；I為雷電流幅值（kA）；Ri為接地裝置的沖擊接地電阻（Q）；ER為電阻電壓降的空氣擊穿強(qiáng)度，取值為500kV/m；L0為引下線或避雷針的單位長度電感，取值為1.5μH/m；hx為被保護(hù)物或計(jì)算點(diǎn)的高度（m）；di/dt為雷電流陡度（kA/μs）；EL為電感電壓降的空氣擊穿強(qiáng)（kV/m），其值為EL=600（1+）

（kV/m），T1為雷電流波形波頭時(shí)間（s）。

根據(jù)式（2）就可推導(dǎo)出不同防雷類別建筑物的地上和地下的安全距離Sa和Se1（其中Se1=IR/ER，但是如果雷電流幅值大于200kA、150kA和100kA時(shí)，第一次雷擊雷電流幅值所對應(yīng)的防雷類別的地上和地下的安全距離要求會(huì)產(chǎn)生一定的改變，按照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)條令進(jìn)行安全距離設(shè)計(jì)時(shí)，便會(huì)發(fā)生不同的反擊風(fēng)險(xiǎn)。從表2可以看，當(dāng)雷電流幅值大于200kA、150kA 和100kA時(shí)，中山地區(qū)第一、第二、第三類防雷建筑物反擊率分別在0.575%、1.107%、5.545%。

4 結(jié)論與討論

①2005-2008年的閃電資料表明，中山地區(qū)這4年共監(jiān)測到云地閃次數(shù)大約為239325次，閃電以負(fù)地閃為主，占94.55%，正地閃占5.55%。中山市總閃平均強(qiáng)度為40.55kA，負(fù)地閃的平均強(qiáng)度為42.64kA，正地閃的平均強(qiáng)度38.01kA，負(fù)地閃的平均強(qiáng)度大于正地閃的平均強(qiáng)度。

②2005-2008年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，中山市雷電流強(qiáng)度主要集中在30-50kA范圍內(nèi)，閃電強(qiáng)度峰值出現(xiàn)在3月。

③中山地區(qū)地閃活動(dòng)活躍期主要集中在4-9月（汛期），閃電次數(shù)占全年的99.4%；前汛期（4-6月）占全年總閃次數(shù)的52.7%；后汛期（7-9月）占全年總閃次數(shù)的46.7%。閃電次數(shù)峰值出現(xiàn)在6月，閃電次數(shù)最少出現(xiàn)在1月。

④中山地區(qū)地閃活動(dòng)主要集中在白天午后12：00-20：00之間。說明12：00-20：00是中山地區(qū)對流性雷電天氣相對集中發(fā)生期，也是雷電防御的關(guān)鍵時(shí)段。

⑤統(tǒng)計(jì)資料顯示，中山地區(qū)雷電流幅值小于5.4kA、10.1kA、15.8kA的概率分別是0.82%、5.62%和15.59%，因此，中山地區(qū)建筑物直擊雷保護(hù)范圍按照一、二、三類防雷類別設(shè)計(jì)時(shí)，繞擊率分別為0.82%、5.62%和15.29%，即第一、第二、第三類防雷建筑物直擊雷防護(hù)效率分別為99.18%、94.38%、84.41%左右。雷電流幅值大于200、15O、100kA的概率分別是0.55%、1.17%、5.54%，因此，按照第一、第二、第三類防雷建筑物安全距離計(jì)算時(shí)，將分別會(huì)有0.55%、1.17%、5.54%左右的反擊率發(fā)生。

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