福建省高速公路沿線雷電活動特征分析

鄭君亮 劉雋 應達

(1 福建省災害天氣重點實驗室,福州 350001； 2 福建省氣象災害防御技術中心,福州 350001)

引言

雷電是最嚴重的氣象災害之一，它是大氣中的一種放電現(xiàn)象，發(fā)生時伴隨有強大的電流、電場、磁場，嚴重威脅著人身安全和設施安全[1-3]。近年來，高速公路路網(wǎng)的不斷擴大及高速公路信息化、電子化的不斷提升，雷電災害對高速公路的的影響也逐步加大，是造成高速公路機電設施故障的主要危害之一。隨著高速公路省界收費站的取消、ETC的推廣，高速公路收費站將更多地采用無人自動化通行，這對機電設備的穩(wěn)定運行提出更高的要求，更應加強高速機電設備的雷電防護工作，保障高速公路的正常通行。因此，如何提高高速公路機電設施的防雷工作成為了高速機電建設的關注重點。其中，對雷電活動特征進行科學的分析是做好雷電災害防御工作的重要環(huán)節(jié)，地閃密度、雷電流幅值、雷電陡度都是反映雷電活動特征的重要參數(shù)[4-6]。國內(nèi)學者對高速公路沿線雷電活動特征的研究較少，余田野，文舸一等人利用湖北省閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析研究湖北省主要高速公路沿線雷電活動特征，提出了基于雷電參數(shù)的風險區(qū)劃方法[7]。還有學者對高速鐵路、電力線路沿線雷電活動做了相關研究，向念文、谷山強等分析了京滬高鐵線路沿線雷電活動特征，分析了高鐵線路易受雷擊的路段[8]。趙淳、雷夢飛等研究了輸電線路走廊雷電流幅值分布統(tǒng)計方法，提出一種精細化雷電流幅值累積概率分布統(tǒng)計方法[9]。本文將利用2015—2018年福建省雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)分析福建省高速公路沿線雷電活動特征情況。采用線路走廊網(wǎng)格法，通過高速公路沿線地閃次數(shù)、雷電流幅值、雷電流陡度分析其雷電活動特征，并對公路沿線雷電流幅值累積概率密度進行擬合分析，找到其適用的分布函數(shù)。上述研究是高速公路防雷工作的重要環(huán)節(jié)，對高速公路機電設施防雷的優(yōu)化設計和穩(wěn)定運行是十分重要的。

1 數(shù)據(jù)資料

1.1 福建省地閃資料及高速公路路網(wǎng)資料來源

本文地閃資料采用福建省氣象局三維閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測到的地閃數(shù)據(jù)，選取2015—2018年4年的地閃數(shù)據(jù)。

本文福建省高速公路路網(wǎng)資料來源于百度地圖，能保證路網(wǎng)更新的及時性、路網(wǎng)數(shù)據(jù)的準確性。

1.2 數(shù)據(jù)處理

為了更細致地分析福建省高速公路沿線的雷電活動特征，首先沿高速公路走向?qū)⒏咚俟钒? km距離進行分段。然后，根據(jù)《GB/T 21714.2—2015雷電防護第2部分：風險管理》中雷擊線路附近截收面積計算采用的是線路左右兩端各取2 km[10]，所以本文將雷電統(tǒng)計半徑選取為2 km。最后，以3 km為間距，2 km為半徑對福建省高速公路進行網(wǎng)格劃分，并統(tǒng)計分析各網(wǎng)格內(nèi)的雷電活動特征。本文的總體技術路線如圖1所示，將劃分好的網(wǎng)格和2015—2018年福建省雷電數(shù)據(jù)進行疊加分析。通過統(tǒng)計網(wǎng)格內(nèi)的地閃次數(shù)計算地閃密度，分析得到高速公路雷電活動分級圖；通過網(wǎng)格內(nèi)的雷電流幅值和雷電陡度對福建省高速公路沿線雷電強度進行分級，形成雷電強度等級分布圖；通過統(tǒng)計分析高速公路沿線的雷電流幅值分布情況得到雷電流幅值累積概率分布函數(shù)。

圖1 技術路線

2 地閃月、日活動特征

2015—2018年期間，福建省高速公路沿線總地閃頻數(shù)為628592次。從地閃的年變化上看(圖2)，1—8月地閃活動呈上升趨勢，8—12月地閃活動呈下降趨勢。1—4月有少量地閃活動，5—9月的地閃頻數(shù)顯著增多，是地閃高發(fā)期，10—12月地閃活動顯著下降，只有少量地閃活動。地閃活動主要集中在5月至9月，分別占全年的18.01%、19.84%、20.47%、20.50%、15.27%，其中又以8月的地閃活動最為頻繁。5—9月地閃活動較為頻繁主要是因為5—9月福建省氣溫較高，更容易產(chǎn)生強對流運動，有助于雷暴天氣系統(tǒng)的發(fā)生和發(fā)展。此外，福建省5月天氣開始變熱，7月、8月氣溫達到最高，9月氣溫開始下降，福建省氣溫的變化趨勢與地閃頻數(shù)的變化趨勢一致。

圖2 福建省高速公路沿線地閃頻數(shù)逐月變化

從雷暴的日變化上來看(圖3)，14:00—18:00是地閃活動最頻繁的時段，每小時時段內(nèi)的地閃頻數(shù)均占到全天地閃總數(shù)的10%以上，其中以16:00的地閃活動最為頻繁，達到全天地閃總數(shù)的14.92%。地閃活動峰值出現(xiàn)在16:00，主要是因為午后太陽輻射加強，地面溫度不斷升高，對流活動開始發(fā)展，16:00左右對流活動達到最強。傍晚至夜間，不穩(wěn)定能量釋放后減弱，導致地閃活動減少；上午則由于熱力條件不足，不利于雷暴的形成，所以上午地閃活動較弱。

圖3 福建省高速公路沿線地閃頻數(shù)日變化

3 地閃密度

3.1 地閃密度計算

地閃密度為每年每平方公里發(fā)生的地閃次數(shù)。通過前文描述的數(shù)據(jù)處理方法，將福建省高速公路路網(wǎng)進行分段，統(tǒng)計每個分段2 km范圍內(nèi)的地閃發(fā)生次數(shù)(2015—2018年地閃)，并將地閃次數(shù)除以統(tǒng)計范圍的面積和統(tǒng)計年數(shù)(式(1))，得到各分段的地閃密度，并將各分段的地閃密度在GIS軟件中進行可視化展示，形成基于地閃密度的福建省高速公路沿線雷電活動等級分布。

(1)

其中，Ngi為第i個分段的地閃密度，Ni為第i個分段內(nèi)4年地閃的總次數(shù)，Si為第i個分段網(wǎng)格的面積(本文Si為常數(shù))。

3.2 地閃密度等級劃分

國家標準《GB 50343-2012建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》基于雷暴日將雷電活動等級劃分為強雷區(qū)、多雷區(qū)、中雷區(qū)、少雷區(qū)四個等級，各等級都有相應的雷暴日取值范圍，見表1?！禛B 50057-2010建筑物防雷設計規(guī)范》給出了地閃密度和雷暴日的關系[11]，函數(shù)關系為Ng=0.1Td,其中Ng為地閃密度，單位：次/(km2·a)；Td為年平均雷暴日，單位：天。

利用該函數(shù)關系換算出強雷區(qū)、多雷區(qū)、中雷區(qū)、少雷對應的地閃密度值，換算結果見表1。根據(jù)表1，可以基于地閃密度將雷電活動等級分為4個等級。在雷電活動等級分布圖上(圖4)將雷電活動水平從強到弱依次用紅色、橙色、黃色、藍色來表示。從圖4可以直觀看出福建省高速公路沿線雷電活動情況，對于指導高速公路機電設施防雷具有重要意義。分布圖上大部分路段是橙色的，即屬于多雷區(qū)路段。表1也給出了各雷電活動等級路段占總路段的比例，根據(jù)統(tǒng)計結果可知福建省高速公路大部分路段位于多雷區(qū)，強雷區(qū)次之，少雷區(qū)最少，說明福建省高速公路沿線雷電活動整體上較為強烈，應重視高速公路機電設施的防雷工作。

表1 雷電活動等級與雷暴日、地閃密度關系及各等級路段占比

圖4 基于地閃密度的福建省高速公路 沿線雷電活動等級分布

從各地市的分布情況上看(表2)，莆田、寧德、漳州、三明、南平、泉州、福州地區(qū)的強雷區(qū)路段占比較大，強雷區(qū)路段占當?shù)馗咚俟房倲?shù)的比重均超過10%。其中，莆田地區(qū)的強雷區(qū)路段占比最多，占當?shù)馗咚俟房倲?shù)的59.8%；多雷區(qū)路段中，除平潭外其余各地市均分布較多，其中以龍巖地區(qū)最多，占當?shù)馗咚俟房倲?shù)的87.1%；中雷區(qū)路段分布中，廈門地區(qū)的占比最大，占當?shù)馗咚俟房倲?shù)的33.3%。少雷區(qū)路段中，平潭地區(qū)的占比最大，平潭地區(qū)的高速路段均屬于少雷區(qū)。此外，少雷區(qū)路段主要集中在福州、廈門、泉州、漳州、莆田、平潭等靠海較近的區(qū)域。少雷區(qū)路段主要集中在靠海較近的區(qū)域是由于受水面影響，近地層氣溫偏低，不利于形成不穩(wěn)定層結，無法發(fā)生強烈對流運動。

表2 各地市雷電活動等級分布 %

4 雷電流幅值和雷電陡度

雷電流幅值和雷電陡度也是反映某區(qū)域范圍內(nèi)雷電風險的重要指標[12]，在雷電災害評估工作中有著重要作用。文獻[12]基于雷電流幅值和雷電陡度對雷電強度等級進行了分析和驗證。本文也參考該方法，通過雷電流幅值和雷電陡度對福建省高速公路沿線雷電強度進行分級。建立雷電強度統(tǒng)計量T，根據(jù)雷電流幅值和雷電陡度計算出T，最后進行等級劃分。

(2)

其中,L1為雷電流幅值，A1為雷電流幅值所占權重，L2為雷電陡度，A2為雷電陡度所占權重，L1(1%)、L1(99%)為雷電流幅值累積概率為1%、99%處的雷電流幅值大小，L2(1%)、L2(99%)為雷電陡度累積概率為1%、99%處的雷電陡度大小，A1、A2權重取0.5。

T的等級劃分閾值取10%、50%、90%分位點處的數(shù)值，將雷電流幅值、雷電陡度累積概率為10%、50%、90%處的值帶入式(2)，即可得到T的等級閾值，見表3。最后，利用式(2)計算高速公路各分段的T統(tǒng)計量，再按表3標準進行雷電強度等級劃分，形成雷電強度分級圖(圖5)。從雷電強度等級分布情況可以看出，福建省高速公路大部分路段的雷電強度等級為三級。對各等級路段數(shù)占總路段數(shù)的比例進行統(tǒng)計分析，分析結果見表4，福建省高速公路89.87%的路段處于雷電強度等級為三級的區(qū)域。雷電強度等級為四級的路段主要分布在，福州、泉州、寧德、平潭離海較近的區(qū)域。福建省高速公路大部分路段的雷電強度都較高，雷擊危害較大，防雷設計時應適當考慮雷電強度指標。

表3 雷電強度等級閾值

圖5 福建省高速公路沿線雷電強度等級分布

表4 雷電強度各等級占比

5 雷電流幅值累積概率分布

雷電流幅值累積概率分布是雷擊計算分析的重要參考數(shù)據(jù)之一，它可以從宏觀上體現(xiàn)雷電的活動規(guī)律。得到準確的雷電流幅值累積概率分布，對于了解雷電活動規(guī)律和特征、指導防雷工程設計具有重要意義[14]-[15]。中國電力行業(yè)標準《DL/T 620-1997交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》推薦了的雷電流幅值累積概率分布函數(shù)，表達式見式(3)。在國際上，通常采用的是IEEE協(xié)會推薦的雷電流幅值累積概率分布函數(shù)，表達式見式(4)。根據(jù)福建省高速公路沿線實際的雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計并繪制高速公路沿線雷電流幅值累積概率分布圖，見圖6中的短點虛線。圖6還給出了式(3)和式(4)的函數(shù)曲線，通過3條曲線的對比可以看出福建省高速公路沿線的雷電流幅值累積概率分布曲線的走向與式(4)的函數(shù)圖像走勢較為一致，說明實際的累積概率分布函數(shù)更接近式(4)的函數(shù)關系。

(3)

(4)

式中，I為雷電流幅值(kA)，P為雷電流幅值大于I的概率。

圖6 雷電流幅值累積概率曲線對比

圖7 雷電流幅值累積概率擬合曲線:(a)DL/T 620—1997 推薦函數(shù)關系;(b)IEEE標準推薦函數(shù)關系

利用式(3)和式(4)的函數(shù)關系，通過調(diào)整函數(shù)中的參數(shù)去擬合實際的累積概率分布曲線。函數(shù)的擬合曲線和實際監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比見圖7，擬合得到的函數(shù)見式(5)和式(6)，擬合相關系數(shù)分別為0.9330和0.9997，說明后者(IEEE標準推薦的函數(shù)關系)的擬合效果更好。從圖7可以直觀看出，利用中國電力行業(yè)標準推薦的函數(shù)關系進行擬合的結果并不理想，曲線前段部分的擬合數(shù)值小于實際數(shù)值，曲線后段部分的擬合數(shù)值要大于實際數(shù)值，說明該函數(shù)形式不適用于福建省高速公路沿線雷電流幅值累積概率分布。利用IEEE推薦的函數(shù)關系擬合的曲線與實際的雷電流幅值累積概率曲線基本重合，說明福建省高速公路沿線的雷電流幅值累積概率分布滿足式(4)的函數(shù)關系，即滿足IEEE標準推薦的函數(shù)關系，只是函數(shù)中的參數(shù)有所區(qū)別，在實際雷電防護工作中，建議利用式(6)的擬合函數(shù)，更符合實際情況，能更有效地起到防護作用。

(5)

(6)

6 結論

本文分析了福建省高速公路沿線的地閃月、日活動特征；利用地閃密度分析高速公路沿線雷電活動等級分布情況；利用雷電流幅值、雷電陡度分析高速公路沿線雷電強度等級分布情況；利用雷電流幅值分析高速公路沿線雷電流幅值累積概率分布函數(shù)。得出以下結論：

(1)福建省高速公路沿線5—9月的地閃活動較為頻繁，其中以8月份地閃活動最為活躍。日變化上，14:00—18:00是地閃活動最頻繁的時段，16:00地閃活動達到峰值。在5—9月應加強對高速公路防雷設施的維護，確保防雷裝置在雷電高發(fā)期的正常運行；在14:00—18:00應加強對高速公路機電設施的運行狀態(tài)監(jiān)控，以及時處理雷擊故障。

(2)雷電活動等級的分析結果表明福建省高速公路大部分路段處于多雷區(qū)，強雷區(qū)次之，少雷區(qū)最少。其中，莆田、寧德、漳州地區(qū)的強雷區(qū)路段占比較多；多雷區(qū)路段除平潭外均分布較多，以龍巖地區(qū)占比最大；廈門地區(qū)的中雷區(qū)路段占比最大；少雷區(qū)路段主要分布在沿海較近的地區(qū)，平潭地區(qū)的高速路段均屬于少雷區(qū)。

(3)雷電強度等級的分析結果表明福建省高速公路大部分路段處于雷電強度三級區(qū)域，占總路段數(shù)的比例達89.87%；雷電強度四級路段比重較小，主要分布在沿海較近的區(qū)域。雷電強度等級分布圖可以作為雷電活動等級分布圖的補充，在雷電強度等級較高路段可以適當提高防雷措施。

(4)雷電流幅值累積概率分布分析表明福建省高速沿線雷電流幅值累積概率分布滿足IEEE推薦的函數(shù)形式，公式為P=1/[1+(I/20.05)2.642]，在福建省高速公路機電設施雷電防護工作中采用該函數(shù)更符合實際情況。

本次分析是沿高速公路方向以3 km距離進行劃分，若路段劃分的精細程度無法滿足要求，則需要對路段再做細分。此外，如何充分利用高速公路沿線雷電活動特征做好高速公路機電設施的防雷措施，需要進一步研究。