贵州地区地闪的分布特征及防护效率分析

丁 旻，李 强，吴安坤

(1.贵州省防雷减灾中心，贵州 贵阳 550002;2.浙江防雷中心，浙江 杭州 310017)

0 引言

雷电灾害是我国最严重的自然灾害之一。仅贵州地区2000年以来发生比较严重的雷电灾害就达上千起，人员伤亡达827人，造成经济损失数亿元。雷电灾害已成为“联合国国际减灾十年”公布的极严重的十大自然灾害，被 IEC称为“电子时代的一大公害”。闪电包括云闪和地闪，其中地闪与电力、通讯系统、交通运输等与国民经济关系较大的许多领域紧密相关，对人们的生命财产安全构成严重威胁。由地闪引发的雷击事故正逐渐引起人们的重视。近年来，随着闪电监测技术的发展，利用闪电资料分析闪电特征及其防护效率能够更加科学有效地指导防雷工作的开展。

1 资料来源及统计方法

贵州省闪电定位系统采用中国科学院与空间科学应用研究中心开发的ADTD闪电定位系统于2007年在贵州省建成并投入使用，由分布在贵州不同地理位置的12套闪电定位仪组成，主要探测地闪，实现了对全省闪电的实时、不间断地监测。每个闪电资料包括发生地的闪电经纬度、闪电时间、强度、陡度和正负极性等参数。

根据贵州地区2007—2011年 ADTD闪电定位系统监测到的2 631 725次地闪数据，统计分析正、负闪电次数及其概率;把闪电强度≤250 kA的闪电数据以每10 kA间隔分成25个闪电强度段，分别统计各闪电强度段内的地闪次数及其概率。取24时整点逐时段的地闪次数(如00∶00—01∶00，01∶00—02∶00，…，23∶00—00∶00)，采用这5年的平均数统计一年中每月地闪次数;某一地区的年平均闪电密度(次/(km2·a))根据每平方公里的年平均地闪次数求出。

2 结果与分析

2.1 地闪总体特性

通过统计2007—2011年的地闪资料表明，贵州地区年地闪次数在4×105～74×105次之间，年均地闪次数为526 345次。这5年共监测到地闪2 631 725次，其中正地闪 94 091次，负地闪2 537 634次，分别占总地闪数的3.6%、96.4%。主要原因是对流云体的下部主要为负电荷，云体的上部主要为正电荷，因此，负闪云更易发生在主体部分和地面之间。贵州地区正地闪占总地闪数的概率，与焦雪［1］等研究的江苏省2006—2009年正地闪占总地闪数的4.2%、王学良［2］等研究的2006—2007年湖北地区正地闪占总地闪数的3.8%基本一致，但与北京、山东［3－4］等地区的正地闪概率在12%左右有较大差别。平均地闪强度为38.0 kA，平均负地闪强度为37.4 kA，平均正地闪强度为54.2 kA，正地闪强度高于负闪，此监测结果与之前一些学者的结论一致［1］。根据云中电荷守恒的原理，负闪发生的次数多于正闪，单次正闪的强度就应比负闪强。

表1 地闪总体特征Table 1 The general characteristics of lightning

2.2 地闪次数日变化

从图1可以看出，贵州地区正地闪和负地闪的发生存在明显的日变化，呈单峰型。正地闪的高频发生时段主要在18时至次日05时，每小时的发生频次在4.5%～7.3%。负地闪集中出现在15时至次日02时，占全天的79.3%，每小时的发生频次在5.1% ～7.2%，说明贵州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。正地闪次数变化出现明显落后于负地闪次数变化的现象，落后3个小时，这一现象跟雷雨云的电结构有关，由于负电荷中心离地面近，正电荷中心离地面远，所以负地闪一般先于正地闪发生。

2.3 地闪次数月变化

图1 贵州地区正地闪(a)和负地闪(b)次数距平日变化Fig.1 The anomaly of the positive and negative lightning’s Daily variation in Guizhou.(‘a’stand for positive lighting，‘b’stand for negative lighting)

贵州地区地闪次数月变化呈单峰型，在6—8月达到峰值，约71.1%的地闪发生在这三个月(图2)，其中6月地闪最为频繁，占全年地闪总数的27.50%。从3月开始，地闪次数逐渐增加，这跟从该月起贵州地区气温上升，热力作用逐渐加强，对流活动逐步增多有关，6—8月空气中的水汽含量最为充足，对流旺盛，温暖潮湿的上升气流是雷暴产生的必要条件，正负电荷在云中不同部位的形成和累积，致使闪电次数显著增多［5］，几乎每天都有地闪，9月以后天气开始转凉，空气干燥，地闪次数迅速减小。全年每月基本是负闪明显多于正闪，其中，1月正负闪比最大达到0.8∶1;其次是12月、2月，正负闪比分别为 1∶2、1∶5;贵州地区冬季正地闪比例高。闪电最频繁的6、7、8 月正负闪比例分别为 1∶26、1∶30 和 1∶46。

图2 贵州地区正地闪(a)和负地闪(b)次数月变化Fig.2 The number of the positive and negative lightning’s monthly variation in Guizhou.(‘a’stand for positive lighting，‘b’stand for negative lighting)

2.4 地闪次数的区域分布特征

以贵州省各行政区域分布统计分析，地闪次数最高是毕节市，可达93 479次/a，其次为遵义市、黔西南州、黔南州、六盘水市，地闪次数均大于5×104次/a。若以各行政区域单位面积的地闪次数(即地闪密度)来看，六盘水市最高，达到5.3次/(a·km2);其次是安顺市、黔西南州、毕节市，均大于3次/(a·km2);再次是遵义市、贵阳市、铜仁市、黔南州，都在 2次/(a·km2)以上。地闪密度最少的地州是黔东南州仅1.4次/(a·km2)。

图3 贵州地区地闪次数、地闪密度区域分布Fig.3 The regional distribution of lightning number and the lighting density in Guizhou

2.5 雷电流幅值分布特征

贵州地区雷电流幅值主要分布在10～50 kA，占总地闪数的81.06%，其中20～30 kA的雷电流最为频繁发生，占总地闪数的29.56%;雷电流幅值小于10 kA的概率为0.45%;大电流地闪(雷电幅值大于100kA)的概率为2.10%。雷电流幅值的日分布呈单峰型，波峰时间发生在07至12时，平均幅值为42.76 kA。雷电流幅值的月分布同样呈单峰型，波峰时间发生在12月、1月，平均幅值为104.95 kA，其中12月雷电流幅值达108.84 kA，为平均幅值的2.89倍。

在发生的94 091次正闪中，平均雷电流幅值为54.2 kA，主要分布范围为15～72 kA，该幅值范围内的正闪次数占到全部正闪次数的71.0%，而幅值为44.4～44.5 kA的正闪频数最高，达到134次，占全部正闪次数的0.4%。正闪雷电流幅值分布虽然相对集中，但在强度的各个区间均有较大波动，即在大的分布特征下，呈现小的“波浪”型变化。2 537 634次负闪中，平均雷电流幅值为37.4 kA，主要分布范围是8～59 kA，该幅值范围内负闪次数占到全部负闪次数的84.9%，与正闪相比，负闪相对更集中。幅值为28.6～28.7 kA的负闪频次最高，达到4 784次，占全部负闪次数的0.5%。从总体情况看，雷电流幅值总体分布特征与负闪极其相似，雷电流幅值在20～40 kA范围内落雷密度比较大，而在40 kA以后呈现逐渐减少趋势。

3 雷电防护效率分析

3.1 绕击率分析

接闪器的保护作用在于引雷于自身，以保护物体免受直击雷击。但这种保护作用不是百分之百有效。屏蔽失效所占的比重，即绕过接闪器直击物体的次数与雷击总数之比，即为绕击率。GB50057—2010［6］提供的电气 －几何模型如下:

式中:hr为击距，也可规定为滚球半径;I是指hr相对应的最小保护雷电流幅值(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(1)可以计算出，第一、二、三类防雷建筑物所对应的最小保护雷电流幅值分别是5.4、10.1、15.8 kA，也就是说当雷电流幅值小于上述幅值时，处于接闪器保护范围内的物体，可能遭受直击雷危害。根据贵州地区闪电资料统计，雷电流幅值小于5.4、10.1、15.8 kA的概率分别是0.02%、0.47%和6.86%;则贵州地区第一、二、三类防雷建筑物直击雷防雷效率分别为99.98%、99.53%和93.14%。表3统计分析了贵州地区9个地州的雷电流幅值情况，可以看出9个地州的不同雷电流幅值的绕击率与反击率差异较大。其中，黔东南苗族侗族自治州雷电流幅值小于5.4 kA的概率最大，为0.09%，高于贵州地区4.5倍，说明该州第一类防雷建筑物最易遭受雷电绕击;雷电流幅值小于10.1、15.8 kA概率最大的地州为黔西南布依族苗族自治州，说明该州第二、三类防雷建筑物最易遭受雷电绕击。这两个地州在直击雷防护设计时，应减小滚球半径hr的值，以达到减小绕击率的目的。

3.2 反击率分析

处于地电位部件遭受雷击时电位升高到某一数值而引起的相对地绝缘或部件之间闪络次数与遭受雷击总次数之比，即为反击率。雷击电流通过防雷装置时所产生的高电位会使防雷装置与被保护物或与其有联系的金属物之间发生反击，所以应使防雷装置与这些物体之间保持一定的安全距离。安全距离由电阻电压降和电感电压降相加而得［6］。

表2 第一、二、三类防雷建筑物直击雷保护范围内的绕击率和反击率Table 2 the shielding failure rate and the counter-attack rate of the three-grade lightning Protection category

表3 各地州雷电流幅值的绕击率和反击率Table 3 The shielding failure rate and the counter-attack rate according to each region’s lightning current amplitude

地上部分的安全距离:

式中:Sa为地上部分安全距离(m);I为雷电流幅值(kA);Ri为接地装置的冲击接地电阻(Ω);ER为空气的电阻电压降击穿强度，取值为500 kV/m;L0为引下线或避雷针的单位长度电感，取值为1.5 μH/m;hx为被保护物或计算点的高度(m);dI/dt为雷电流陡度(kA/μs);EL为空气的电感压降击穿强度(kA/m)，其值为EL=600(1+1/T1)(kA/m)，T1为雷电流波形波头时间(μs)。

根据式(2)就可以推导出不同防雷类别建筑物的地上和地下的安全距离Sa和Se1(其中Se1=IRi/ER)，但是如果雷电流幅值大于200 kA、150 kA和100 kA时，贵州地区第一、二、三类防雷建筑物反击率分别为0.45%、1.08%和3.17%，因此，按照第一、二、三类防雷建筑物安全距离计算时，将分别会有0.45%、1.08%和3.17%左右的反击率发生。

4 结论

(1)贵州省的地闪较集中的发生在每年的6—8月，并且集中在15时至次日凌晨2时，应加强这些时段的雷电预警与防护工作，电器、电子设备与仪表应尽可能暂时停止运行，人员应尽可能避免外出、户外劳作等。

(2)贵州地区正地闪次数月分布与负地闪相比，存在着明显的差异，全年每月都是负地闪次数明显多于正地闪;正地闪和负地闪的次数分别占总地闪数的3.6%、96.4%。

(3)正地闪的高频发生时段主要在18时至次日05时，负地闪集中出现在15时至次日02时，出现正地闪频次日明显落后于负地闪日变化的现象，落后3个小时。

(4)以贵州省各行政区域分布统计分析，闪电频次最高是毕节市，可达93479次/a，地闪密度最高是六盘水市，达到5.3次/(a·km2)。

(5)贵州地区雷电流幅值主要分布在10～50 kA，占总地闪数的81.06%;大电流地闪(雷电幅值大于100kA)的概率为2.10%。雷电流幅值的日分布、月分布均呈单峰型，日分布的波峰时间发生在07至12时，平均幅值为42.76 kA。月分布波峰时间发生在 12月、1月，平均幅值为104.95kA。

(6)贵州地区雷电流幅值小于 5.4、10.1、15.8kA的概率分别为0.02%、0.47%和6.86%，因此，贵州地区第一、第二、第三类防雷建筑物直击雷防雷效率为99.98%、99.53%和 93.14%。雷电流幅值大于200 kA、150 kA和100 kA的概率分别为0.45%、1.08%和3.17%，因此，按照第一、二、三类防雷建筑物安全距离计算时，将会有0.45%、1.08%和3.17%的反击率发生。

［1］ 焦雪，冯民学，钟颖颖.2006—2009年江苏省地闪特征分析及应用［J］.气象科学，2011，31(2):205－210.

［2］ 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［J］.暴雨灾害，2008，27(4):359 －362.

［3］ 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.

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［5］ 张旭辉，高苹，许祥，等.江苏雷暴日发生规律及其大气环流预报模型的建立［J］.气象科技，2006，34(5):532－537.

［6］ 中国机械工业联合会.GB50057—2010.建筑物防雷设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2010.