林奕峰，羅意瀾，林偉旺，李小展，陳易昕

（1.廣州市黃埔區(qū)氣象局，廣東廣州 510530；2廣州市防雷減災(zāi)管理辦公室，廣東廣州 510801；3.揭陽市氣象局，廣東揭陽 522000）

地面氣象自動化觀測是氣象觀測的重要組成部分，通過系統(tǒng)地、連續(xù)地觀察和測定地球表面一定范圍內(nèi)的氣象狀況及其變化過程，為各類氣象業(yè)務(wù)提供重要依據(jù)［1-3］。根據(jù)《地面氣象觀測規(guī)范》，地面氣象觀測場通常建設(shè)在相對開闊且較高的場地，大大增加了受到雷擊損害的可能性。氣象觀測自動化實現(xiàn)了電子信息化采集、傳輸，導(dǎo)致雷擊事故的數(shù)量也在不斷增加，造成氣象數(shù)據(jù)缺測、丟失，降低了氣象觀測質(zhì)量，并帶來了一定的經(jīng)濟損失。

防雷保護設(shè)施的有效性是氣象自動化觀測設(shè)備穩(wěn)定運行的重要保障，確保自動化觀測設(shè)備正常采集氣象要素數(shù)據(jù)［2-6］。一般造成氣象觀測場的雷擊損害主要有以下4種［7］：一是雷電產(chǎn)生電動力作用和強加熱效應(yīng)使觀測設(shè)備原件損壞；二是瞬態(tài)電位驟然升高使觀測設(shè)備損壞；三是由靜電、電磁感應(yīng)作用，導(dǎo)體產(chǎn)生火花引起觀測設(shè)備損毀；四是由于閃電或靜電釋放引起的電位瞬變，侵入到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。

隨著氣象自動化觀測防雷工作任務(wù)的日益加重，地面氣象觀測場需要對自身防雷效果進行評價，以便保障氣象業(yè)務(wù)工作的正常運行。氣象觀測場地的防雷設(shè)施能否保障設(shè)備的安全存在許多的不確定性或不完全性，也就是防雷設(shè)施的有效性水平受許多并且難以量化的風(fēng)險因素影響。為了解決氣象觀測場綜合防雷有效性評價的難題，可以在厘清防雷思路的基礎(chǔ)上，有針對性地研究，找出相應(yīng)的評價指標，利用多種評價工具構(gòu)建一個具有嚴謹邏輯推理和數(shù)學(xué)依據(jù)的評價模型，以科學(xué)評價氣象觀測場防雷有效性。

1 防雷有效性指標體系

為了解決氣象觀測場防雷問題，需要綜合各方面因素考慮。根據(jù)《雷電防護 第2部分：風(fēng)險管理》（GB／T21714.2-2015），對于氣象觀測場有影響的雷電，主要有擊中觀測場的雷電或者集中擊中觀測場附近的雷電，擊中入戶線路（如供電線路、通信線路）或者線路附近的雷電［3］。而雷電防護效果，取決于對每種防護措施的特性。因此，將雷擊觀測場預(yù)計年平均雷擊危險次數(shù)為ND、雷擊觀測場附近預(yù)計年平均雷擊危險次數(shù)為NM、雷擊觀測場入戶線路預(yù)計年平均雷擊危險次數(shù)為NL，以及雷擊觀測場入戶線路附近預(yù)計年平均雷擊危險次數(shù)為NI作為氣象觀測場防雷有效性的2級指標。

根據(jù)《地面氣象觀測場（室）防雷技術(shù)規(guī)范》（GB／T31162-2014），地面氣象觀測場的防雷裝置應(yīng)該做好定期維護和日常檢查維護［4］，能夠有效發(fā)現(xiàn)問題并及時整改，保障、提高地面氣象觀測場防雷有效性。

為此，建立如表1所示的氣象觀測場防雷有效性綜合評價指標體系。在確定了指標體系后，還需要進一步確定其權(quán)重，這里通過向相關(guān)專家咨詢，并通過查閱相關(guān)資料，研究相關(guān)案例進行適當(dāng)修正后，給出各指標的權(quán)重。

表1 氣象觀測場防雷有效性綜合評價指標體系

2 灰色關(guān)聯(lián)分析模型

在氣象觀測場防雷有效性評價中，采用灰色關(guān)聯(lián)分析［5-7］，能夠克服傳統(tǒng)統(tǒng)計分析只能定量分析的不足，其主要原理如下：

以原始數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，確定參考序列U0＝，以及比較序列Ui＝其中，U0、Ui為數(shù)列；y（k）以及x（k）為數(shù)列的項，用函數(shù)表示；k為自然數(shù)。

1）數(shù)據(jù)量綱為一。由于各指標不同的量綱，不能直接進行準確的比較分析，只有量綱一處理后才能得到統(tǒng)一的指標。數(shù)據(jù)量綱唯一方法有初值化、均值化、平移化、極大化、極小化、均值化后再平移法等多種方法，好的方法應(yīng)該保持原始數(shù)據(jù)的一致性和關(guān)聯(lián)系數(shù)的一致性，綜合衡量后，本研究采用最小值標準化法對數(shù)據(jù)序列進行歸一化處理，即以單項參數(shù)值除以同類參數(shù)的最大值，得到歸一到［0～1］之間的單項評價分數(shù)。

2）求關(guān)聯(lián)系數(shù)的兩極差。

（1）求參考序列與比較序列的差序列。

（2）從差序列Δi()k中找出最大值和最小值。

（3）從不同序列的最值中分別找到最大值和最小值。

（4）求關(guān)聯(lián)系數(shù)，用 ηi（k）表示。

其中，ρ為分辨系數(shù)（0≤ρ≤1），當(dāng) ρ取值越小，分辨率就越大，一般認為ρ≤0.546 3即滿足要求，本研究 ρ＝0.5。

3）計算關(guān)聯(lián)度，用ri表示。關(guān)聯(lián)度的大小反映參考序列與比較序列變化的趨勢一致性，關(guān)聯(lián)度越大，說明該比較序列對參考序列的影響越大。

其中，ηi（k）為關(guān)聯(lián)系數(shù)；k、n為自然數(shù)，表示k的取數(shù)從1取到n。

4）計算權(quán)重系數(shù)，用ai表示。權(quán)重系數(shù)用相應(yīng)指標的關(guān)聯(lián)度與所有指標關(guān)聯(lián)度的和做商得到。

5）綜合評價分數(shù)（Q）。綜合評價分數(shù)是相應(yīng)指標的單項評價分數(shù)與其權(quán)重的乘積再累加得到，綜合評價分數(shù)為

3 實例分析

1）源數(shù)據(jù)的選擇與處理。

國家基本氣象站 A（以下簡稱“A氣象站”），位于廣東省某地區(qū)，該地區(qū)的平均年雷暴日為104 d／年［8］。該站位于市郊的一個小山坡上，周圍無高大建筑物。根據(jù)《地面氣象觀測場（室）防雷技術(shù)規(guī)范》（GB／T 31162-2014），該國家基本氣象站防雷等級為2級。

A氣象站已經(jīng)根據(jù)中國氣象局綜合觀測司《地面氣象觀測場規(guī)范化建設(shè)圖冊》完成標準化整改，并按照《地面氣象觀測場儀器基礎(chǔ)防雷接地平面圖》，在25×25的觀測場4個角安裝20m高的避雷針。建筑物外引低壓電源埋地線纜長約500 m，埋地信號電纜長約300 m。信號線路安裝有金屬屏蔽槽，并通過地溝接入機房。電源線路已進行了3級雷電過電壓防護，信號線路兩端安裝了SPD，設(shè)計合理，施工質(zhì)量良好。

根據(jù)《雷電防護 第2部分：風(fēng)險管理》（GB／T21714.2-2015），分別計算A氣象站預(yù)計年均危險事件次數(shù)［2，9］。

雷擊建筑物年均危險事件次數(shù)：

其中，雷擊建筑物截收面積AD＝L×W+6×H×（L+W）+π×（3×H）2＝0.83×104m2；雷擊大地密度NG＝10.4次／（km2×年）；位置因子CD＝2，表示該建構(gòu)筑物為位于小山頂或山丘上孤立的建筑物；該觀測場的長（L）、寬（W）均為25 m，風(fēng)塔高（H）為10.5 m。

雷擊建筑物附近年均危險事件次數(shù)：

雷擊建筑物附近截收面積：

雷擊入戶線路年均危險事件次數(shù)：

其中，電力線總長LCP＝500 m，通信線總長LCT＝300 m。

線路安裝因子CI＝0.5，表示布線方式為埋地；線路環(huán)境因子CE＝0.5，表示所處位置為郊區(qū)；線路類型因子CT＝1，表示線路為低壓供電線路，通信或數(shù)據(jù)線路。

雷擊入戶電力線路截收面積：

ALP＝40×LCP＝2.00×104m2；

雷擊入戶通信線路截收面積：

ALT＝40×LCT＝1.2×104m2；

雷擊入戶線路總截收面積：

AL＝ALP+ALT＝3.2×104m2；

雷擊入戶線路附近年均危險事件次數(shù)：

其中，電力線總長LCP＝500 m，通信線總長LCT＝300 m；CI＝0.5；CE＝0.5；CT＝1。

雷擊入戶電力線路附近截收面積：

AIP＝4000×LCP＝2.00×106m2；

雷擊入戶通信線路附近截收面積：

AIT＝4000×LCT＝1.2×106m2；

雷擊入戶線路附近總截收面積：

AI＝AIP+AIT＝3.2×106m2。

根據(jù)以上計算，再查到該站日常維護數(shù)據(jù)，得到表1的測量計算值。

在本案例中，將專家評分的權(quán)重設(shè)為參考數(shù)列U0，將計算測量值設(shè)為比較數(shù)列U1。則：

2）數(shù)據(jù)量綱為一處理。參照灰色關(guān)聯(lián)分析式（1），對原始數(shù)據(jù)進行量綱為一處理，依次得到各項指標的單項評價分數(shù)。

3）參照式（2）、（3）、（4）計算比較序列與參考序列的關(guān)聯(lián)度（ri），以及各項指標計算氣象觀測場防雷有效性綜合評價中的權(quán)重系數(shù)（ai）。

4）按照氣象等級法，并參照依據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB／T 50057-2010）［10］，對綜合得分劃分為5個等級，用G（1-5）表示：G＝0～0.199（差）；G＝0.200～0.399（較差）；G＝0.400～0.599（中）；G＝0.600～0.799（較好）；G＝0.800～1.000（極好）。值越大說明有效性越大，分別對應(yīng)差、較差、中、較好、極好。參照式（5）計算A氣象站的綜合評價分數(shù)，得到綜合評價分數(shù)Q（A）＝0.501。說明A氣象站的防雷有效性為“中”等級。

4 結(jié)論

本研究運用灰色關(guān)聯(lián)分析法確定指標的灰色關(guān)聯(lián)度，進而確定各指標權(quán)重系數(shù)，最終建立氣象觀測場綜合防雷有效性評價模型。整個模型中，數(shù)據(jù)易于獲取、加工，權(quán)重系數(shù)確定具有客觀性。評價模型具有說服力，評價方式簡單可行，評價結(jié)果通俗易懂，滿足氣象觀測場綜合防雷有效性評價客觀、有效的需求，為各地氣象觀測場所進行防雷優(yōu)化，提高觀測場地的防雷有效性提供可行的理論支持。

在實際中，雷電防護有效性評價不可能達到1。從某種意義上說，所有雷電防護措施只能盡最大可能降低雷電災(zāi)害，但永遠沒法達到100%的可靠性。經(jīng)多次計算發(fā)現(xiàn)，一般情況達到0.65即可視為最優(yōu)。A氣象站的綜合評價分數(shù)0.501，從側(cè)面也說明了A氣象站氣象觀測場的防雷設(shè)施能夠滿足日常業(yè)務(wù)運行，但其有效性有提高的空間。

本研究仍有不足之處。僅從宏觀上雷電直接造成的觀測場損害因素進行排序，并未從微觀上具體分析是哪些因素（地理位置、氣候、天氣過程、人為因素等）可能引發(fā)或加劇氣象觀測場的雷電傷害，以及如何在氣象觀測場雷電傷害發(fā)生前后進行防范和治理，才能將損失降到最低，這些問題也將是以后進一步研究的重點所在。