任勇REN Yong；邢天放XING Tian-fang

（①杭州市氣象局，杭州 310051；②浙江省氣象安全技術(shù)中心，杭州 310051）

0 引言

根據(jù)雷電氣候的差異，可以將我國雷電高發(fā)區(qū)大致劃分為三個(gè)，分別是中東部地區(qū)、華南地區(qū)和四川盆地，因浙江省位于中東部地區(qū)，屬于雷電高發(fā)區(qū)[1]。7－9 月份是浙江省雷電高發(fā)期，因雷擊導(dǎo)致人員傷亡、設(shè)備損壞、信息傳輸中斷的情況每年均有發(fā)生[2]。2022 年第19 屆亞運(yùn)會(huì)將在杭州舉辦，亞運(yùn)會(huì)賽事規(guī)格高、涉及城市和場所多、參賽國家（地區(qū)）和人員多、影響力廣泛，因此防雷安全工作極為重要。杭州地處長江三角洲南沿和錢塘江流域，地形復(fù)雜多樣，西部屬浙西丘陵區(qū)，主干山脈有天目山等，東部屬浙北平原，地勢(shì)低平，河網(wǎng)密布，湖泊密布，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，具有明顯的季節(jié)性特征，且年內(nèi)有充足的降水。在下墊面和氣候特征的共同作用下，對(duì)當(dāng)?shù)乩纂姲l(fā)生發(fā)展規(guī)律產(chǎn)生了很大影響。亞運(yùn)主場館位于杭州市濱江區(qū)奧體中心體育場，位于錢塘江邊，北面為開闊的江域，周邊為高層、超高層建筑物密集的陸域。現(xiàn)階段，人們研究的重點(diǎn)大都是局部地區(qū)雷電環(huán)境特征，而將雷電環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果應(yīng)用到重大活動(dòng)保障服務(wù)及城市內(nèi)的實(shí)物空間中的研究相對(duì)較少。下面將以杭州亞運(yùn)會(huì)主場館為例，運(yùn)用區(qū)域雷電環(huán)境評(píng)價(jià)方法來解決此類問題。

1 數(shù)據(jù)及方法

本文研究資料主要包括有杭州1951~2013 年地面氣象觀測(cè)資料中的雷暴日數(shù)數(shù)據(jù)及2007~2020 浙江省氣象部門通過閃電監(jiān)測(cè)網(wǎng)觀測(cè)到的杭州閃電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息。結(jié)合《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，若是一天中出現(xiàn)一次或多次雷聲（包括云閃），可將其看做是1 個(gè)雷暴日；本文中的閃電資料大都是將非雷暴日數(shù)據(jù)及后續(xù)回?fù)舻男拚?，這里將空間間隔在10km 以內(nèi)且時(shí)間間隔控制在330ms 的所有回?fù)艨醋鍪且淮伍W電。浙江省ADTD 閃電定位觀測(cè)站共有11 個(gè)，包括杭州在內(nèi)，幾乎覆蓋整個(gè)浙江省。在利用閃電定位系統(tǒng)進(jìn)行定位時(shí)主要是將時(shí)差到達(dá)法與磁定向法進(jìn)行結(jié)合的方式，數(shù)據(jù)參數(shù)主要有閃電時(shí)間、位置、強(qiáng)度、極性等信息，該系統(tǒng)的時(shí)鐘同步精度在0.1s左右，而杭州的定位精度則在300m 左右[3-5]。

2 杭州雷電特征分析

2.1 雷暴日年際變化特征

結(jié)合杭州市區(qū)1951~2013 年雷暴日數(shù)資料，杭州市區(qū)平均年雷暴日數(shù)為36.8d，1963 年雷暴日數(shù)最多為63d，1978 年雷暴日數(shù)最少為20d，最大值是最小值的3.1 倍，說明杭州市雷暴日數(shù)年際變化波動(dòng)幅度較大。從圖1 中可以看出，近63 年杭州市區(qū)年雷暴日數(shù)整體呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，氣候變化傾向率為-1.889d/10a，下降趨勢(shì)較為顯著。

圖1 杭州市63a 雷暴日數(shù)變化趨勢(shì)

2.2 閃電頻數(shù)時(shí)間分布特征

從圖2 中可以看出，杭州主城區(qū)年內(nèi)閃電頻數(shù)呈現(xiàn)出單峰型變化特征，1~7 月份閃電頻數(shù)呈現(xiàn)出逐月增加的趨勢(shì)，從5~7 月份增幅較大；從8 月份往后，閃電頻數(shù)逐月下降，8~10 月份下降幅度較大，尤以7 月份閃電頻數(shù)最高，其次是8 月份，12 月和1 月份幾乎沒有閃電天氣出現(xiàn)。另外，通過對(duì)杭州主城區(qū)四季閃電頻數(shù)進(jìn)行分析，不難發(fā)現(xiàn)其季節(jié)性變化特征較為明顯，年內(nèi)閃電主要集中在6~8 月份，這段時(shí)間的閃電總數(shù)將近是全年的85%以上；其次是秋季和春季，冬季出現(xiàn)閃電的頻率相對(duì)較低。

圖2 杭州主城區(qū)閃電頻數(shù)月變化圖

杭州主城區(qū)閃電頻數(shù)具有明顯的日變化，總體呈現(xiàn)單峰型特征（圖3），閃電頻數(shù)主要集中在13~20 時(shí)，其中16時(shí)的閃電頻數(shù)最高；從21 時(shí)往后，閃電頻數(shù)則開始逐漸下降。由此不難看出，杭州主城區(qū)閃電活動(dòng)大都出現(xiàn)在午后到傍晚這段時(shí)間內(nèi)，此時(shí)恰好是杭州主城區(qū)對(duì)流天氣出現(xiàn)頻率較高，通常來說，對(duì)流天氣容易在12 時(shí)后出現(xiàn)，在13時(shí)到20 時(shí)則是一天內(nèi)對(duì)流最易發(fā)展成熟時(shí)期，閃電最為集中，而從23 時(shí)往后，不利于對(duì)流天氣的發(fā)展成熟，相應(yīng)的閃電活動(dòng)也隨之減少。

2.3 閃電空間分布特征

統(tǒng)計(jì)杭州主城區(qū)內(nèi)2007~2020 年閃電次數(shù)年平均值和9 月平均值，除以杭州主城區(qū)總面積2000km2，杭州主城區(qū)年平均地閃密度為6.27fl·km-2·a-1，而蕭山區(qū)及西湖區(qū)南部、濱江區(qū)西南部和余杭區(qū)西北部地區(qū)屬于地閃密度高值區(qū)，如圖4。杭州主城區(qū)9 月平均地閃密度為0.73fl·km-2·a-1，其高值區(qū)主要位于蕭山區(qū)南部、余杭區(qū)西北部和中部，如圖5。

圖4 年平均地閃密度空間分布

圖5 9 月平均地閃密度空間分布

3 奧體賽場核心區(qū)雷電特征分析

3.1 奧體賽場核心區(qū)閃電頻數(shù)時(shí)間分布特征

以清江路、奔競二路、慶春路、之江路范圍內(nèi)的面積7.7 平方公里作為亞運(yùn)主場館的核心區(qū)域，并裁剪衛(wèi)星影響數(shù)據(jù)與雷電數(shù)據(jù)在gis 軟件上進(jìn)行配準(zhǔn)，分析亞運(yùn)會(huì)核心區(qū)雷電環(huán)境[6]。

2007 年1 月1 日~2020 年12 月31 日奧體賽場及奧體賽場周邊7.7km 范圍的核心區(qū)內(nèi)共有88 天出現(xiàn)閃電，共觀測(cè)到閃電275 次（圖6）。核心區(qū)閃電頻數(shù)月變化呈現(xiàn)明顯的單峰特征，該區(qū)城每年閃電活動(dòng)一般開始于2 月，6月到9 月期間較為活躍，占總閃的94%之多，其中峰值出現(xiàn)在7 月，閃電頻數(shù)為107 次，占總閃的39%之多，1 月、10 月、12 月未發(fā)生過雷電（圖7）。核心區(qū)閃電頻數(shù)月變化也呈現(xiàn)明顯的單峰特征，其中13 時(shí)~21 時(shí)時(shí)段較為活躍，不同于全市的閃電平均峰值時(shí)間，該區(qū)城16 時(shí)左右活動(dòng)最為頻繁（圖8）。奧體賽場賽事舉辦時(shí)間為9 月，賽場各項(xiàng)賽事安排宜盡量考慮避開閃電較為活躍的時(shí)段，同時(shí)加強(qiáng)雷電防御措施。

圖6 奧體賽場核心區(qū)7.7km2 范圍內(nèi)2007-2020 年的地閃落點(diǎn)分布

圖7 奧體賽場核心區(qū)閃電頻數(shù)月變化圖

圖8 奧體賽場核心區(qū)閃電頻數(shù)小時(shí)變化圖

3.2 核心區(qū)閃電空間分布特征

2007~2020 年奧體賽場及奧體賽場周邊7.7km2范圍內(nèi)，其核心區(qū)的地閃密度平均值為2.6fl·km-2·a-1，將其與杭州主城區(qū)地閃密度進(jìn)行比較，不難看出該區(qū)域年平均地閃密度偏低。

另外，在2007~2016 年這段時(shí)間內(nèi)，核心區(qū)7.7km 范圍內(nèi)共有28 次閃電天氣出現(xiàn)，平均雷電流強(qiáng)度在52.8kA左右，由于9 月中、下旬是杭州亞運(yùn)會(huì)奧體賽場賽事舉辦的時(shí)間，通過對(duì)近19 年9 月10 日到9 月25 日高區(qū)域內(nèi)的地閃分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（圖9）。錢塘江沿江所在區(qū)域是奧體賽場主要位置，再加上賽會(huì)較為特殊，核心區(qū)內(nèi)對(duì)雷電災(zāi)害產(chǎn)生影響的風(fēng)險(xiǎn)因子權(quán)重要比其它區(qū)域高。

圖9 奧體賽場核心區(qū)7.7km2 范圍內(nèi)2007~2020 年9 月10~25 日的地閃落點(diǎn)分布

3.3 核心區(qū)雷電流強(qiáng)度與雷電流幅值概率分布

結(jié)合2007~2020 年核心區(qū)雷電強(qiáng)度，不難發(fā)現(xiàn)其呈現(xiàn)出單峰型分布特征，尤以負(fù)閃出現(xiàn)頻率最高，將近是總閃的94.2%，說明負(fù)閃分布特征與總閃保持一致。對(duì)于0~35kA 之間的雷電強(qiáng)度來說，負(fù)閃占據(jù)的比重達(dá)到了52.5%，當(dāng)雷電流強(qiáng)度在5~35kA 之間時(shí)則是負(fù)閃雷電流強(qiáng)度分布的峰值，其頻率為48.1%；當(dāng)雷電強(qiáng)度在50~200kA 之間時(shí)，負(fù)閃出現(xiàn)頻率為20.4%，尤以負(fù)極性高幅值雷電流出現(xiàn)頻率較高；正閃雷電流強(qiáng)度分布峰值出現(xiàn)在10~40kA 之間，約占50.0%。相較于負(fù)地閃來說，正地閃雷電流強(qiáng)度變化情況較為平穩(wěn)。

通過雷電流幅值累積概率分布情況可以將雷電流活動(dòng)強(qiáng)弱情況反映出來，在計(jì)算輸電線路雷電繞擊和反擊以及設(shè)計(jì)防雷裝置中具有一定的指示意義。通過統(tǒng)計(jì)分析杭州主城區(qū)2007~2020 年正閃和負(fù)閃雷電流幅值，可以選擇比雷電流幅值高的閃電概率作為該雷電幅值累積概率，進(jìn)而獲取到實(shí)測(cè)雷電流幅值累積概率曲線（圖10）。

圖10 2007-2020 年雷電流幅值的累積概率分布

3.4 核心區(qū)雷電電磁環(huán)境分析

系統(tǒng)能否電磁兼容需要將雷電電磁場分析考慮進(jìn)去，即便沒有出現(xiàn)直接雷擊，因雷電電磁脈沖產(chǎn)生的電磁場也會(huì)對(duì)電子或電氣設(shè)備造成不同程度的損壞。結(jié)合GB/T 2887-2011《計(jì)算機(jī)場地通用規(guī)范》中的有關(guān)規(guī)定，應(yīng)將電子計(jì)算機(jī)機(jī)房內(nèi)磁場干擾強(qiáng)度控制在800A/m 以內(nèi)，而大部分電子設(shè)備可以忍受±5V 以內(nèi)的電壓波動(dòng)。根據(jù)美國通用研究公司R.D 希爾的建模仿真試驗(yàn)，在屏蔽措施不足的情況下，雷電電磁脈沖干擾計(jì)算機(jī)時(shí)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度在0.07Gs（5.572A/m）時(shí)，則會(huì)有誤動(dòng)作出現(xiàn)，若是磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)值在2.4Gs（191.04A/m）時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)永久性損壞。

因電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，高頻雷電電磁脈沖對(duì)當(dāng)前設(shè)備的影響更為明顯，雷擊暫態(tài)電磁脈沖產(chǎn)生的電氣和電子系統(tǒng)故障現(xiàn)象不斷增多。通常情況下，雷擊產(chǎn)生的最大磁場強(qiáng)度是首次雷擊產(chǎn)生的，經(jīng)過一系列計(jì)算，可以得出以奧體賽場所在區(qū)域?yàn)橹行狞c(diǎn)的7.7km 范圍內(nèi)，年最大雷電流幅值的平均值為103.5kA，根據(jù)防雷分區(qū)LPZ0 區(qū)磁場強(qiáng)度計(jì)算公式[7]：

上式中，在缺少對(duì)應(yīng)屏蔽時(shí)產(chǎn)生的無衰減磁場強(qiáng)度可以用H0表示，單位為A/m；最大雷電幅值用i0表示，單位為kA；雷擊點(diǎn)與屏蔽空間的平均距離可以用Sa表示，單位為m；根據(jù)以上公式可以得到在奧體賽場附近存在雷擊點(diǎn)，在無衰減情況下，建筑物所在區(qū)域的磁場強(qiáng)度值（表1）。實(shí)際上，建筑物介電常數(shù)與自由空間是兩個(gè)不同的概念，相較于自由空間電磁場的計(jì)算，建筑物內(nèi)電磁場的計(jì)算更為復(fù)雜，在條件允許的情況下，應(yīng)根據(jù)建筑物實(shí)際進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，以將磁場屏蔽的衰減情況計(jì)算出來。

表1 不同距離的雷擊點(diǎn)在場館處產(chǎn)生的無衰減磁場強(qiáng)度

4 結(jié)語

對(duì)于雷電災(zāi)害來說，其屬于原發(fā)事故再來，除了自身產(chǎn)生危害外，還可以借助于鏈?zhǔn)?、輻射、遷移等路徑引發(fā)次生性災(zāi)害。雖然雷電災(zāi)害出現(xiàn)頻率響度較低，但是因出現(xiàn)區(qū)域和發(fā)生時(shí)間具有不確定性，再加上危害性較大，一旦出現(xiàn)雷擊事件，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。若是在雷電災(zāi)害出現(xiàn)前分析重要區(qū)域內(nèi)的雷電環(huán)境，進(jìn)而判斷雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，并采取科學(xué)合理的監(jiān)測(cè)預(yù)警手段，將會(huì)使雷電災(zāi)害造成的損失降到最低。

在設(shè)計(jì)奧體賽場及內(nèi)部電子信息系統(tǒng)時(shí)，需要將核心區(qū)雷電環(huán)境特征、地理環(huán)境、人員流動(dòng)等情況考慮進(jìn)去，以保證最終的雷電防災(zāi)減災(zāi)方案具有科學(xué)合理性水平，同時(shí)結(jié)合區(qū)域內(nèi)建筑物重要性、經(jīng)濟(jì)價(jià)值、使用性質(zhì)內(nèi)，嚴(yán)格按照“從嚴(yán)”、“就高”的雷電防護(hù)等級(jí)設(shè)計(jì)防雷方案。另外，因“后亞運(yùn)會(huì)”時(shí)期大型公共建筑的防雷安全及后期維護(hù)，應(yīng)將工程性與非工程性原則進(jìn)行結(jié)合，確保整個(gè)防雷措施具有經(jīng)濟(jì)合理性和科學(xué)有效性水平。