武汉地区云地闪电特征及防护效率研究

武汉地区云地闪电特征及防护效率研究 武汉地区云地闪电特征及防护效率研究 第38卷第6期 2010年12月 气象科技 METE0ROLoGICALSCIENCEANDTECHNOLoGY V01.38,No.6 Dec.2O1O 引言 武汉地区云地闪电特征及防护效率研究 王学良刘学春史雅静 (湖北省防雷中心,武汉430074) 统计分析了武汉地摘要采用武汉地区2006年3月至2009年2月云地闪电资料, 区云地闪电特征及其直击雷防 护效率,为该地区的雷电防护工程和雷击风险评估提供参考依据.统计分析明,武汉地区年平均云地闪电 次数为45693次;负闪电占闪电总数的96.0,平均负闪电强度为32.6kA;正闪电占闪电总数的4.0%,平均正闪 电强度为38.3kA.4—8月闪电占全年闪电总数的96.9,其中7,8月闪电占全年闪电总数的7O.8,9月至次 年3月闪电仅占全年闪电总数的3.1.正,负闪电强度主要集中在l0n50kA,平均陡度为12kA/"s左右.通过 统计分析,拟合出适合武汉地区大于某一雷电流幅值累计概率方程.武汉市新洲区西南部与黄陂区东南部交接地 区和江夏区东部地区是闪电高密度中心,年平均闪电次数在8.5次/km以上.武汉地区建筑物直击雷保护范围 按照1,2,3类防雷类别设计时,其绕击率分别为1.3,3.3和l1.5,反击率分别为0.1,0.2,1.6. 关键词云地闪电雷电流幅值绕击率反击率防护效率 雷电灾害是最严重的10种自然灾害之一,被称 为"电子时代的一大公害".据不完全统计,2009年 8月2628日3天时间,湖北省境内发生9起雷击 灾害,造成19人伤亡,其中死亡11人,重伤3人,轻 伤5人.因此,国内外的学者对雷电及其危害的研 究日益重视.冯桂力等口利用1998--2000年山东 地区雷电探测网获取的云对地闪电资料,从闪电的 日变化,闪电的强度,闪电密度,极性等方面研究了 山东地区的雷电分布特征.刘岩等基于浙江省闪 电探测网获取的地闪资料,从闪电的空间分布,日变 化,强度等方面分析了2007年浙江地区梅雨期的闪 电分布特征.余建华等利用2004--2007年江西 省雷电监测定位系统获取的雷电数据资料,分析了 江西省雷电强度,陡度的分布特征.何晖等利用 2000--2003年北京地区云地闪电资料研究了北京 地区闪电分布特征.王学良等L5采用2006年3月 至2008年2月探测到的云地闪电资料,从闪电的极 性分布,闪电的日变化,闪电的月变化,闪电的强度, 闪电密度等方面研究了湖北地区云地闪电时空分布 特征.本文采用武汉地区2006年3月至2009年2 月监测到的137079次云地闪资料,对其闪电的分布 基本特性,闪电强度,陡度及闪电密度等进行统计分 析,并根据该地区的闪电特性分析了雷电防护效率, 为武汉地区防雷工程设计和雷击风险评估提供 参考. 1资料来源与统计 文中所采用的闪电资料来源于中国科学院空间 科学与应用研究中心提供的ADTD雷击探测定位 系统,该系统由分布于湖北不同地理位置的13个 ADTD雷击探测仪组成,主要探测云地闪电.每个 闪电资料包括闪电时间,地理位置(经纬度),极性 (正,负闪电),陡度和闪电峰值电流强度5个主要 参数. 根据武汉地区2006年3月至2009年2月36 个月探测到的云地闪电资料,统计分析正,负闪电次 数及其所占闪电总数的百分比;按照间隔10kA,把 闪电强度小于等于200kA的闪电分成2o个闪电强 度段,分别统计各闪电强度段内的闪电次数及占其 闪电总数的百分比,并统计大于各个闪电强度段的 累积频率.一天中,按照整点时段(如OO:OO一 01:O(],01:O0一O2:O0,…,23:()()一.0:00)统计逐小 时内闪电次数,一年中各月闪电次数采用近3年平 均数;根据单位面积的年平均闪电次数求出某一地 作者简介:王学良,男,1962年生,高级工程师,主要从事雷电防护技术和方法研 究,Email:wxlwh@tom.coin 收稿日期:2009年12月20日;定稿日期:2010年6月24日 8O6气象科技第38卷 区年平均闪电密度(次/(km?a)). 2结果与分析 2.1闪电分布特性 统计近3年的闪电资料表明,武汉地区年云地 闪电次数在3万次至7万次之间,年平均云地间闪 电45693次.2006年3月至2009年2月共监测到 云地闪电137079次,平均负闪电强度32.6kA,平 均正闪电强度为38.3kA;负闪电占闪电总数的 96.0,正闪电占闪电总数的4.0%.主要原因是 大多数积雨云上部带正电荷,云体下部主要带负电 荷],因此,云层与地面之间的放电绝大多为负闪 电.武汉地区正闪电占闪电总数百分比,与王学良 等]研究的湖北地区2006--2007年正闪电占闪电 总数的3.8基本一致,但与山东,北京等地正闪电 百分比在12左右l_】"]有较大差别. 2.2闪电次数日变化 从图1可以看出,武汉地区闪电次数的日变化 基本上呈双峰型,即主峰在l7:O0,平均每小时闪电 次数在4200次以上;次峰在夜间O4:O0,平均每小 时闪电次数在2000次以上.12:O0和23:()O相对 较少,在1000次左右.l2:OO一17:O0,依次快速增 加,16:00—2O:00是闪电高发期,说明武汉地区此 段时间是对流性雷电天气相对集中发生期,也是雷 电防御的关键时段.04:O0闪电次数相对较高,可 能与西风带系统云系活动有关.一般锋面云系中的 锋面云系闪电过 对流活动在夜间比白天活跃得多, 程的强盛期主要出现在后半夜j. 5000 4500 4000 35D0 蠢3000 髫2500 2000 l500 1000 500 0 量量量量搴搴暑量oo..量量量 8窖苫兽害2= 图1武汉地区闪电次数日变化 2.3闪电次数月变化 统计2006年3月至2009年2月武汉地区云地 闪监测资料表明,武汉地区年平均云地间闪电 45693次,4—8月闪电44285次,占全年闪电总数的 96.9,其中正闪电占闪电总数的3.8%;7—8月闪 电32358次,占全年闪电总数的70.8.9月至次 年3月闪电仅占全年闪电总数的3.1,其中正闪 电占其闪电总数的8.9.说明气温较高的季节, 对流云发展旺盛,云层顶部较高,云层上部的正电荷 击穿空气对地放电几率减小,因此,正闪电占闪电总 数百分比较低,反之较高. 2.4闪电密度分布特征 为了进一步了解武汉地区闪电密度分布状况, 将武汉地区划分为若干个区域网格,以便得出单位 面积上的闪电次数.在区域网格划分过程中,考虑 到闪电监测经纬度定位误差在1km左右,本文采 用0.02.×0.02.经纬度网格,若将此经纬度看作直 线,可以近似得出此网格的径向长为2.224km,纬 向长为1.926km,即每个区域网格的面积为 4.283km..将各区域网格内近3年闪电次数绘制 图2(见图版).从图2可以看出,江夏区大部分地 区,蔡甸区南部,汉南区新洲区南部和黄陂区西南部 地区,闪电密度较大,一般年平均在7次/kin.以上, 尤其在新洲区西南部与黄陂区东南部交接地区和江 夏区东部地区,分别有一个闪电高密度中心,年平均 闪电次数在8.5次/km以上,而在武汉城区和蔡甸 区的东部地区,闪电密度较小,年平均闪电次数在3 次/km以下.造成上述差别的原因,除了下垫面的 影响因素之外,其他因素的影响有待进一步探索. 2.5闪电强度分布特征 2.5.1闪电强度百分率分布 雷电监测资料显示,武汉地区4站算法监测到的 最大正闪电强度达430.7kA,发生在2007年8月26 日武汉市江夏区境内;最大负闪电强度340.6kA,发 生在2006年8月26日武汉市黄陂区境内.图3(见 图版)给出了武汉地区闪电强度在100kA以下,各闪 电强度出现的次数占其闪电总数的百分率.由图3 可以看出,负闪电与总闪电百分率曲线变化几乎完全 一 致,但正,负闪电分布曲线变化差异较大,其主要原 因是负闪电次数占总闪电次数的96以上.正闪电 强度在10,20kA时出现最多,百分率最大值为 30.4;负闪电强度在20,3OkA时出现最多,百分 率最大值为32.6.闪电强度在20~50kA时,负闪 电百分率大于正闪电百分率.闪电强度大于50kA 以上的正闪电百分率大于负闪电百分率,说明在正, 第6期王学良等:武汉地区云地闪电特征及防护效率研究8O7 负闪电次数相同的情况下,大于50kA以上的正闪电 次数要多于50kA以上负闪电次数.图3所示,正, 负闪电强度主要集中在1O,50kA,约占闪电总数的 83.5,因此,在雷电防护方面应重点加强对此强度 范围内闪电的防范. 2.5.2闪电强度累计概率分布 雷电流幅值概率分布一直是国内外防雷界非常 重视的雷电参数之一,在绕击和反击防雷计算中占 据十分重要的位置,国内外的雷电流幅值分布表达 式不同].根据武汉地区近3年的闪电监测资料, 绘制出大于某一雷电流幅值的累积概率,如图4(见 图版)中"监测曲线"所示. 文献E83给出的Anderson根据Berger实测数 据提出的雷电流幅值分布公式: 南?1+f二1 式中:P为大于某一雷电流幅值的累积概率(%); 为雷电幅值电流;a为中值电流,即雷电流幅值大于 a概率为5O;6(6>1)为雷电流幅值累积概率曲线 拟合指数,体现曲线变化程度,相当于曲线斜率的绝 对值,b值越大表示幅值概率曲线下降程度越快,电 流幅值集中性越强l8].当口一28.0,6—3.3时,根据 式(1)计算,绘制图4中的"拟合曲线".从图4可以 看出,式(1)计算的曲线与实际监测曲线基本相同, 实测值与计算值相关系数高达0.99997. 在实际防雷工程设计中,可根据方程: 因此, 高1+(). 计算武汉地区大于某雷电流幅值的累积概率. 2.5.3闪电陡度分布 统计资料表明,武汉地区正,负闪电平均陡度为 12kA/us左右;陡度在30kA/us以上的正闪电占 其闪电总数的6.2%,负闪电占其闪电总数的 1.3,正,负闪占闪电总数的1.5左右.从图5 (见图版)可知,负闪电和总闪电陡度百分比分布几 乎相同;正闪电陡度主要集中在5,10kA/us之 间,负闪电和总闪电陡度主要集中在5,15kA/us 之间,说明一般情况下,负闪电平均陡度大于正闪电 陡度,但闪电陡度大于20kA/us以上时,正闪电百 分比大于负闪电百分比. 3雷电防护效率探讨 3.1绕击率 绕击是指雷电击中在接闪器保护范围内的被保 护物上的雷击现象.雷电先导的发展起初是不确定 的,直到先导头部电压足以击穿它与地面目标间的 间隙时,也即先导与地面目标的距离等于击距时,才 受到地面影响而开始定向.《建筑物防雷设计规 范》_9提供的电气一几何模型如下: h一101.(2) 式中:为雷闪的最后闪络距离(击距),也可 为滚球半径;I是指与h相对应的得到保护的最小 雷电流幅值(kA),即比该雷电流小的雷电流可能击 到被保护的空间. 根据式(2)可以计算出,第1,第2,第3类防雷 建筑物所对应的得到保护的最小雷电流幅值分别是 5.4,10.1,15.8kA,也就是说当雷电流幅值小于上 在接闪器保护范围内被保护物体,有可能 述幅值时, 遭受直击雷的危害.统计武汉地区闪电资料显示, 雷电流幅值小于5.4,10.1,15.8kA的概率分别是 1.3,3.3%,11.5.由表1可知,武汉地区建筑 物直击雷保护范围按照1,2,3类防雷类别设计时, 可能会有1.3,3.3和11.5的绕击率发生;也 就是说,武汉地区第1,第2,第3类防雷建筑物直击 雷防护效率为98.7,96.7,89.5左右.对于 特别重要的场所,如需进一步提高直击雷防护效率, 在直击雷防护保护范围计算时,可以根据需要减小 滚球半径h值,以进一步减小绕击率. 表1不同防雷类别直击雷防护保护范围内的绕击率与反击率 808气象科技第38卷 3.2反击率 为了防止雷击电流流过防雷装置时所产生的高 电位对保护物的建筑物或与其有联系的金属物发生 反击,应使防雷装置与这些物体之间保持一定的安 全距离.安全距离按电阻电压降和电感电压降相应 求出的距离相加而得].地上部分的安全距离为: , d s一+ Lon — xdt(3) uaT1{T\u, 式中:为地上部分安全距离(m);为雷电流幅值 (kA);R为接地装置的冲击接地电阻(Q);ER为电阻 取值为500kV/m;L.为引下 电压降的空气击穿强度, 线或避雷针的单位长度电感;取值为1.5/1H/m;h 为被保护物或计算点的高度(m);di/dt为雷电流陡度 (kA/t~s);EL为电感电压降的空气击穿强度(kV/m), 其值为EL一600(14-1)(kV/m),T1为雷电流波形波 』1 头时间(s). 根据式(3)就可推导出不同防雷类别建筑物的 地上和地下的安全距离S和S(其中S一IR/ ER,但是如果雷电流幅值大于200kA,150kA和 100kA时,首次雷击雷电流幅值所对应的防雷类别 的地上和地下的安全距离要求将会发生变化,此时 按照《建筑物防雷设计》_9进行安全距离设计, 将有不同程度的反击风险发生.从表1可以看,当 雷电流幅值大于200kA,150kA和100kA时,武 汉地区第1,第2,第3类防雷建筑物反击率分别在 0.1,0.2,1.6.例如:2008年8月6日监测 到武汉市黄陂区境内的负闪电强度为263.4kA,陡 度为66.1kA/t*s,根据式(3)就可求得地上的安全 距离s.因为di—I , 即萼一66.1,T=== 3?98(/~s);EL600(1+)?751(kV/m),所以 s:+一0.528R.f0.132h--4--.当50051,=一—一=IIaj'l…x.] R,一8Q,h一10ITI时,S一5.5m. 按照《建筑物防雷设计规范》第1类防雷建筑物 地上部分的安全距离计算:当h<5R,时,S?0.4 (R.+0.1h),将R,一8Q,h一10m代人得S.? 3.6m,S一S1—1.9m. 也就是说在这种雷电流击中防雷装置时,地上 的安全距离应在5.5m以上,如果按照《建筑物防 雷设计规范》第1类防雷建筑物地上部分的安全距 离为3.6m,因安全距离过小,将会发生雷电反击. 同样按照2007年8月26日发生在武汉市江夏 区境内的最大正闪电强度为430.7kA来计算地下 部分的安全距离l_9]: Sol一一_o.8eR_一一—丽一一u?- 而第1类防雷建筑物地上部分的安全距离S? 0.4Ri,前者是后者的2倍以上.同理,这种情况下 将会在地下发生雷电反击. 4结论与讨论 (1)统计近3年的闪电资料表明,武汉地区年闪 电次数在3万次至7万次之间,年平均云地间闪电 45693次.负闪电占闪电总数的96.0,平均负闪 电强度为32.6kA,正闪电占闪电总数的4.0,平 均正闪电强度为38.3kA.闪电次数的日变化基本 上呈双峰型,即主峰在17:OO,次峰在O4:O0—12:O0 和23:()()闪电次数相对较少;16:OO2O:.0是闪电 频次高发期,也是雷电防御的关键时段. (2)武汉地区48月闪电占全年闪电总数的 96.9,其中正闪电占闪电总数的3.8;78月闪 电占全年闪电总数的70.8.9月至次年3月闪电 仅占全年闪电总数的3.1,其中正闪电占其闪电 总数的8.9.说明气温较高的季节里,对流云发 展旺盛,云层顶部较高,云层上部的正电荷击穿空气 对地放电几率减少,因此,正闪电占闪电总数百分比 较低,反之较高. (3)武汉市新洲区西南部与黄陂区东南部交接 分别有一个闪电高密度中 地区和江夏区东部地区, 心,年平均闪电次数在8.5次/km以上,而在武汉 城区和蔡甸区的东部地区,闪电密度较小,年平均闪 电次数在3次/kin以下.其他地区一般年平均在 3,7次/kin.左右.造成上述差别的原因,除了下 垫面之外,其他因素的影响有待进一步探索. (4)武汉地区正,负闪电强度主要集中在10, 5OkA,约占闪电总数的83.5;正,负闪电平均陡 度为12kA//as左右,负闪电和总闪电陡度主要集 中在5,15kA/~s之间,陡度大于等于30kA//2s 以上的占闪电总数的1.5左右. (5)统计资料显示,武汉地区雷电流幅值小于 5.4,10.1,15.8kA的概率分别是1.3,3.3, 第6期王学良等:武汉地区云地闪电特征及防护效率研究809 11.5,因此,武汉地区建筑物直击雷保护范围按照 1,2,3类防雷类别设计时,绕击率分别为1.39/6, 3.3,11.5,即第1,第2,第3类防雷建筑物直击 雷防护效率分别为98.7,96.7,89.5左右. 雷电流幅值大于200,15O,100kA的概率分别是 0.1%,0.2,1.6,因此,按照第1,第2,第3类防 雷建筑物安全距离计算时,将分别会有0.1, 0.2,1.6左右的反击率发生. E23 [3] [43 [5] [6] [7] 致谢:凌舟,徐海舟同志参加了部分闪电资料的统计 工作,谨致谢意![8] 参考文献 [1]冯桂力,陈文选,刘诗军,等.山东地区闪电的特征分析[J].应 [9] 用气象,2002,13(3):347—355. 刘岩,王振会,张慧良.2007年浙江地区梅雨期闪电特征的分 析EJ].气象科学,2009,29(2):225—229. 余建华,邹金生,李杉.江西省雷电监测定位系统探测数据分 析[J].气象科技,2009,37(1):102—105. 何晖,李宏宇.北京地区闪电特征初探[J].气象科技,2005, 33(6):496—500. 王学良,黄小彦,刘学春,等.2006--2007年湖北地区云地闪电 时空分布特征分析EJ].暴雨灾害,2008,27(4):359—362. 陈渭民.雷电学原理[M].北京:气象出版社,2003:95—96. 林开平,林宗桂,易燕明,等.各类云系的闪电时空分布特征 [J].热带气象,2005,21(4):383—392. 陈家宏,童雪芳,谷山强,等.雷电定位系统测量的雷电流幅值 分布特征口].高电压技术,2008,34(9):1893—1897. GB50057—1994建筑物防雷设计规范(2000年版)[M].北 京:中国计划出版社,2001. LightningCharacteristicsandProtectiveEfficiencyinWuhanArea WangXueliangLiuXuechunShiYajing (HubeiProvincialLightningProtectionCenter,Wuhan430074) Abstract:ThelightningcharacteristicsandprotectiveefficiencyintheWuhanareaareanalyzed statistically,basedonthecloud— groundlightningdatafromMarch2006toFebruary2009.Theresults indicate:theannualmeannumberofcloud— groundlightningflashesintheWuhanareais45693;the negativelightningaccountsfor96.0ofthetota!andtheaveragenegativelightningintensityis32.6kA: thepositivelightningaccountsfor4.0ofthetotalandtheaveragepositivelightningintensityis38.3 kA.ThenumberoflightningflashesfromApriltoAugustaccountsfor96.9oftheannualtotal,and thatfromJulytoAugustaccountsfor70.8,thatfromSeptembertoMarchofnextyearfor3.1%.The positiveandnegativelightningintensitesaremostlywithintherangeof10kAto50kA,andtheaverage steepnessisabout12kA/us.Theaccumulationprobabilityequationforthelightningcurrentbiggerthan certainamplitudeisformulatedbyseveralstatisticalmethods.Theborderareasofthesouthwestern XinzhouandsoutheasternHuangpiandtheeasternJiangxiaarehigh—densitylightningcenters,wherethe annualmeanlightningnumberoflightningflushesisabove8.5/kin.Accordingtothethree—grade lightningprotectioncategory,theshieldingfailurerateis1.3,3.3and11.5,andthecounter—attack rateis0.1,0.2,1.6,respectively.Theresultscanbeusedasreferencesinlightningprotection engineeringdesignandlightningriskassessment. Keywords:cloud—groundlightning,lightningcurrentamplitude,shieldingfailurerate,counter—attack rate,protectiveefficiency 《 {》iL6O 墨碡;4O 20 0 王学良等:武汉地区云地闪电特征及防护效率 2-j 闪电强度/kA 图2武汉地区闪电密度分布(次/kin)图3武汉地区不同强度的闪电次数占闪电总数的百分比 闪电强度/kA 图4雷电流幅值概率曲线 陡度(kA/~s) 图5武汉地区不同陡度的闪电占闪电总数的百分比 ?加坫0 \丑隶忸赫馥叵 加?? ??坫0 96\求陋籁赵匣