基于閃電定位資料的宣城市雷電繞擊率分析與區(qū)劃

何桂霞 田青 蘇雷

摘 要：采用宣城市2010—2018年ADTD型閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測的閃電資料，經(jīng)質(zhì)量控制后，利用Excel、VBA編制小程序統(tǒng)計(jì)小于1類、2類、3類防雷建筑物滾球半徑對應(yīng)的雷電流幅值概率，結(jié)果表明，宣城市建筑物按照規(guī)范1類、2類、3類防雷類別設(shè)計(jì)時(shí)，其繞擊率分別為0.02%、0.44%、5.94%。因此，針對不同防雷類別，可利用plot函數(shù)繪制雷電繞擊率區(qū)劃分布圖，以期為防雷減災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：雷電;繞擊率;區(qū)劃;plot函數(shù)

中圖分類號(hào) TU976.55文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2020）11-0158-03

Analysis and Division of Lightning Strike Rate in Xuancheng City Based on Lightning Location Data

He Guixia et al.

（Xuancheng City Meteorological Bureau， Xuancheng 242000， China）

Abstract： Using Xuancheng city from 2010 to 2018， ADTD lightning lightning positioning system monitoring data， after quality control， using Excel and VBA to compile a small program to calculate the probability of lightning current amplitude corresponding to the rolling radius of type 1， type 2 and type 3 lightning protection buildings， it is concluded that when the buildings in Xuancheng are designed according to the type 1， type 2 and type 3 of the code， the around rate is respectively 0.02%， 0.44% and 5.94%. According to different types of lightning protection， Plot function is used to plot the partition distribution of the shielding failure rate due to lightning stroke， It provides scientific basis for lightning protection and disaster reduction.

Key words： Thunder and lightning; Around the rate;Zoning; Plot function

雷電災(zāi)害被聯(lián)合國有關(guān)組織列為“最嚴(yán)重的10種自然災(zāi)害之一”。在中外歷史記載中，雷擊造成火災(zāi)、建筑物坍塌和人畜傷亡的記錄不計(jì)其數(shù)[1-2]。宣城市隸屬南北氣候過渡帶，境內(nèi)襟山帶水，地形呈南高北低，特殊的氣候、復(fù)雜的地形，導(dǎo)致境內(nèi)雷電活動(dòng)頻繁，雷電災(zāi)害時(shí)有發(fā)生[3]。在雷電災(zāi)害調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，有的建筑物雖然安裝了有效的直擊雷防護(hù)措施，由于雷電繞擊，在LPZ0B區(qū)（直擊雷防護(hù)區(qū)）仍然會(huì)發(fā)生雷電災(zāi)害，如2014年9月2日宣城市醫(yī)藥有限公司門衛(wèi)室屋面遭受雷擊，該建筑物處于直擊雷保護(hù)范圍。因此，進(jìn)行雷電繞擊率的分析研究，對于科學(xué)有效地防雷具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 資料來源與統(tǒng)計(jì)方法

1.1 資料來源 閃電資料來源于安徽省ADTD閃電監(jiān)測系統(tǒng)，在合肥、蚌埠、阜陽、六安、安慶、宣城、黃山共布設(shè)了7套ADTD型閃電探測儀，組成閃電監(jiān)測網(wǎng)（圖1），并于2010年開始投入業(yè)務(wù)使用。ADTD型閃電監(jiān)測系統(tǒng)的探測范圍廣、精度高，探測儀探測半徑為100km，地閃位置在系統(tǒng)有效覆蓋區(qū)域內(nèi)誤差小于1km。該系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測閃電活動(dòng)，有效地彌補(bǔ)了人工觀測的不足，其監(jiān)測參數(shù)見表1。近年來，隨著閃電探測技術(shù)的不斷發(fā)展完善，閃電資料已經(jīng)應(yīng)用于雷電監(jiān)測預(yù)警、雷電災(zāi)害調(diào)查、雷電防護(hù)、災(zāi)害性天氣的研究中[4-8]。

1.2 統(tǒng)計(jì)方法 根據(jù)防雷規(guī)范所列公式，計(jì)算出不同防雷類別滾球半徑所對應(yīng)雷電流幅值，采用2010—2018年宣城市閃電資料，經(jīng)質(zhì)量控制后，利用Excel、VBA編制小程序統(tǒng)計(jì)分析小于不同防雷類別滾球半徑所對應(yīng)雷電流幅值的閃電次數(shù)及所占比率，即得繞擊率。目前，國內(nèi)外沒有統(tǒng)一的質(zhì)量控制方法，本研究采用IEEE工業(yè)組文件規(guī)定的質(zhì)量控制方法，即“對于回?fù)綦娏鞣祽?yīng)用范圍的定義為2～200KA”，剔除雷電流幅值小于2KA的樣本12個(gè)和大于200KA的樣本1168個(gè)。

2 結(jié)果與分析

2010—2018年，宣城市共發(fā)生閃電331328次，其中負(fù)閃317615次、正閃13713次，負(fù)閃電占比95.9%。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[9]，云層與地面之間的放電大多為負(fù)閃電。

2.1 繞擊率分析 根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-2010第6.2.1.2條：“本區(qū)內(nèi)的各物體不可能遭到大于所選滾球半徑對應(yīng)的雷電流直接雷擊，以及本區(qū)內(nèi)的雷擊電磁場強(qiáng)度仍沒有衰減時(shí)，應(yīng)劃分為LPZ0B區(qū)。”LPZ0B區(qū)即直擊雷防護(hù)區(qū)。英國《建筑物防雷實(shí)用規(guī)范》（BS 6651-1999）第16.6.2條：“……另一方面，即使安裝了專設(shè)接閃器，還是存在一個(gè)繞擊問題，即比所規(guī)定的雷電流小的電流仍有可能穿越專設(shè)接閃器而繞擊于屋頂?shù)目赡苄??！保簿褪钦f，LPZ0B區(qū)的各物體不可能遭到大于所選滾球半徑對應(yīng)的雷電流直接雷擊，但小于該雷電流仍有可能會(huì)繞擊。繞擊是指雷電擊中接閃器保護(hù)范圍內(nèi)的被保護(hù)物體上的直接雷擊現(xiàn)象。繞擊率是評價(jià)避雷針和避雷線對建筑物直擊雷保護(hù)效果的重要指標(biāo)[10-11]。由雷云向地面發(fā)展的先導(dǎo)放電通道頭部到達(dá)擊距（即滾球半徑）位置以前，雷擊點(diǎn)是不確定的，直到先導(dǎo)與地面物體的距離等于擊距時(shí)，才開始定向，即對先到達(dá)其擊距的物體放電。擊距R（滾球半徑）與雷電流幅值的關(guān)系式[12]：

根據(jù)2010—2018年宣城市閃電定位數(shù)據(jù)，經(jīng)質(zhì)量控制，剔除小于2KA的樣本，統(tǒng)計(jì)得出小于5.42KA、10.11KA、15.75KA的概率（見表3）。由表3可知，宣城市建筑物按照1類、2類、3類防雷類別設(shè)計(jì)時(shí)，可能遭受繞擊的概率分別為0.02%、0.44%、5.94%。對于一些重要的建筑物，需要提高防雷措施來防范繞擊，可以通過縮少接閃網(wǎng)格、減小滾球半徑、縮小均壓環(huán)間距等加強(qiáng)防范。

2.2 繞擊率區(qū)劃 按照1類、2類、3類防雷類別，利用plot函數(shù)繪制雷電繞擊率區(qū)劃分布圖（見圖2），圖中黑色點(diǎn)區(qū)域即為存在繞擊率的區(qū)域。圖2（a）黑色點(diǎn)標(biāo)記區(qū)域，主要分布在宣州區(qū)城區(qū)，涉及1類防雷類別建筑物均存在繞擊的可能性，在防雷工程設(shè)計(jì)、施工時(shí)應(yīng)注意提高防護(hù)措施;圖2（b）黑色點(diǎn)標(biāo)記區(qū)域，主要分布在宣州區(qū)、郎溪縣、廣德市的部分地區(qū)，涉及2類防雷類別建筑物均存在繞擊的可能性，在防雷工程設(shè)計(jì)、施工時(shí)應(yīng)注意提高防護(hù)措施;圖2（c）黑色點(diǎn)標(biāo)記區(qū)域，主要分布在宣州區(qū)、郎溪縣、廣德市、績溪縣、旌德縣的西部、涇縣的南部地區(qū)，涉及3類防雷類別建筑物均存在繞擊的可能性，在一些重要或人員密集場所，如省級(jí)重點(diǎn)文物、學(xué)校等防雷工程設(shè)計(jì)、施工時(shí)需要提高防護(hù)措施。

3 結(jié)論

（1）宣城市2010—2018年共發(fā)生閃電331328次，其中，<5.42KA的閃電次數(shù)54次，占比0.02%;<10.11KA的閃電次數(shù)1451次，占比0.44%;<15.75KA的閃電次數(shù)19694次，占比5.94%。宣城市建筑物按照規(guī)范1類、2類、3類防雷類別設(shè)計(jì)時(shí)，繞擊率分別為0.02%、0.44%、5.94%。

（2）利用plot函數(shù)繪制宣城市1類、2類、3類防雷類別繞擊率區(qū)劃分布圖，結(jié)果表明，涉及1類防雷類別建筑物繞擊率區(qū)域主要分布在宣州區(qū)城區(qū);涉及2類防雷類別建筑物繞擊率區(qū)域主要分布在宣州區(qū)、郎溪縣、廣德市的部分地區(qū);涉及3類防雷類別建筑物繞擊率區(qū)域主要分布在宣州區(qū)、郎溪縣、廣德市、績溪縣、旌德縣的西部、涇縣的南部地區(qū)。

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（責(zé)編：張宏民）

基金項(xiàng)目：宣城市氣象科研基金項(xiàng)目（KY201902）。

作者簡介：何桂霞（1972—），女，安徽黃山人，工程師，從事氣象災(zāi)害防御和雷電防護(hù)技術(shù)研究工作。? 收稿日期：2020-04-20