杭州亚运会核心区域雷电特征分析和防御建议

任勇REN Yong；邢天放XING Tian-fang

（①杭州市气象局，杭州 310051；②浙江省气象安全技术中心，杭州 310051）

0 引言

根据雷电气候的差异，可以将我国雷电高发区大致划分为三个，分别是中东部地区、华南地区和四川盆地，因浙江省位于中东部地区，属于雷电高发区[1]。7－9 月份是浙江省雷电高发期，因雷击导致人员伤亡、设备损坏、信息传输中断的情况每年均有发生[2]。2022 年第19 届亚运会将在杭州举办，亚运会赛事规格高、涉及城市和场所多、参赛国家（地区）和人员多、影响力广泛，因此防雷安全工作极为重要。杭州地处长江三角洲南沿和钱塘江流域，地形复杂多样，西部属浙西丘陵区，主干山脉有天目山等，东部属浙北平原，地势低平，河网密布，湖泊密布，属于亚热带季风气候，具有明显的季节性特征，且年内有充足的降水。在下垫面和气候特征的共同作用下，对当地雷电发生发展规律产生了很大影响。亚运主场馆位于杭州市滨江区奥体中心体育场，位于钱塘江边，北面为开阔的江域，周边为高层、超高层建筑物密集的陆域。现阶段，人们研究的重点大都是局部地区雷电环境特征，而将雷电环境风险评估结果应用到重大活动保障服务及城市内的实物空间中的研究相对较少。下面将以杭州亚运会主场馆为例，运用区域雷电环境评价方法来解决此类问题。

1 数据及方法

本文研究资料主要包括有杭州1951~2013 年地面气象观测资料中的雷暴日数数据及2007~2020 浙江省气象部门通过闪电监测网观测到的杭州闪电监测数据信息。结合《地面气象观测规范》中的相关规定，若是一天中出现一次或多次雷声（包括云闪），可将其看做是1 个雷暴日；本文中的闪电资料大都是将非雷暴日数据及后续回击的修正值，这里将空间间隔在10km 以内且时间间隔控制在330ms 的所有回击看做是一次闪电。浙江省ADTD 闪电定位观测站共有11 个，包括杭州在内，几乎覆盖整个浙江省。在利用闪电定位系统进行定位时主要是将时差到达法与磁定向法进行结合的方式，数据参数主要有闪电时间、位置、强度、极性等信息，该系统的时钟同步精度在0.1s左右，而杭州的定位精度则在300m 左右[3-5]。

2 杭州雷电特征分析

2.1 雷暴日年际变化特征

结合杭州市区1951~2013 年雷暴日数资料，杭州市区平均年雷暴日数为36.8d，1963 年雷暴日数最多为63d，1978 年雷暴日数最少为20d，最大值是最小值的3.1 倍，说明杭州市雷暴日数年际变化波动幅度较大。从图1 中可以看出，近63 年杭州市区年雷暴日数整体呈现出下降的趋势，气候变化倾向率为-1.889d/10a，下降趋势较为显著。

图1 杭州市63a 雷暴日数变化趋势

2.2 闪电频数时间分布特征

从图2 中可以看出，杭州主城区年内闪电频数呈现出单峰型变化特征，1~7 月份闪电频数呈现出逐月增加的趋势，从5~7 月份增幅较大；从8 月份往后，闪电频数逐月下降，8~10 月份下降幅度较大，尤以7 月份闪电频数最高，其次是8 月份，12 月和1 月份几乎没有闪电天气出现。另外，通过对杭州主城区四季闪电频数进行分析，不难发现其季节性变化特征较为明显，年内闪电主要集中在6~8 月份，这段时间的闪电总数将近是全年的85%以上；其次是秋季和春季，冬季出现闪电的频率相对较低。

图2 杭州主城区闪电频数月变化图

杭州主城区闪电频数具有明显的日变化，总体呈现单峰型特征（图3），闪电频数主要集中在13~20 时，其中16时的闪电频数最高；从21 时往后，闪电频数则开始逐渐下降。由此不难看出，杭州主城区闪电活动大都出现在午后到傍晚这段时间内，此时恰好是杭州主城区对流天气出现频率较高，通常来说，对流天气容易在12 时后出现，在13时到20 时则是一天内对流最易发展成熟时期，闪电最为集中，而从23 时往后，不利于对流天气的发展成熟，相应的闪电活动也随之减少。

2.3 闪电空间分布特征

统计杭州主城区内2007~2020 年闪电次数年平均值和9 月平均值，除以杭州主城区总面积2000km2，杭州主城区年平均地闪密度为6.27fl·km-2·a-1，而萧山区及西湖区南部、滨江区西南部和余杭区西北部地区属于地闪密度高值区，如图4。杭州主城区9 月平均地闪密度为0.73fl·km-2·a-1，其高值区主要位于萧山区南部、余杭区西北部和中部，如图5。

图4 年平均地闪密度空间分布

图5 9 月平均地闪密度空间分布

3 奥体赛场核心区雷电特征分析

3.1 奥体赛场核心区闪电频数时间分布特征

以清江路、奔竞二路、庆春路、之江路范围内的面积7.7 平方公里作为亚运主场馆的核心区域，并裁剪卫星影响数据与雷电数据在gis 软件上进行配准，分析亚运会核心区雷电环境[6]。

2007 年1 月1 日~2020 年12 月31 日奥体赛场及奥体赛场周边7.7km 范围的核心区内共有88 天出现闪电，共观测到闪电275 次（图6）。核心区闪电频数月变化呈现明显的单峰特征，该区城每年闪电活动一般开始于2 月，6月到9 月期间较为活跃，占总闪的94%之多，其中峰值出现在7 月，闪电频数为107 次，占总闪的39%之多，1 月、10 月、12 月未发生过雷电（图7）。核心区闪电频数月变化也呈现明显的单峰特征，其中13 时~21 时时段较为活跃，不同于全市的闪电平均峰值时间，该区城16 时左右活动最为频繁（图8）。奥体赛场赛事举办时间为9 月，赛场各项赛事安排宜尽量考虑避开闪电较为活跃的时段，同时加强雷电防御措施。

图6 奥体赛场核心区7.7km2 范围内2007-2020 年的地闪落点分布

图7 奥体赛场核心区闪电频数月变化图

图8 奥体赛场核心区闪电频数小时变化图

3.2 核心区闪电空间分布特征

2007~2020 年奥体赛场及奥体赛场周边7.7km2范围内，其核心区的地闪密度平均值为2.6fl·km-2·a-1，将其与杭州主城区地闪密度进行比较，不难看出该区域年平均地闪密度偏低。

另外，在2007~2016 年这段时间内，核心区7.7km 范围内共有28 次闪电天气出现，平均雷电流强度在52.8kA左右，由于9 月中、下旬是杭州亚运会奥体赛场赛事举办的时间，通过对近19 年9 月10 日到9 月25 日高区域内的地闪分布情况进行统计（图9）。钱塘江沿江所在区域是奥体赛场主要位置，再加上赛会较为特殊，核心区内对雷电灾害产生影响的风险因子权重要比其它区域高。

图9 奥体赛场核心区7.7km2 范围内2007~2020 年9 月10~25 日的地闪落点分布

3.3 核心区雷电流强度与雷电流幅值概率分布

结合2007~2020 年核心区雷电强度，不难发现其呈现出单峰型分布特征，尤以负闪出现频率最高，将近是总闪的94.2%，说明负闪分布特征与总闪保持一致。对于0~35kA 之间的雷电强度来说，负闪占据的比重达到了52.5%，当雷电流强度在5~35kA 之间时则是负闪雷电流强度分布的峰值，其频率为48.1%；当雷电强度在50~200kA 之间时，负闪出现频率为20.4%，尤以负极性高幅值雷电流出现频率较高；正闪雷电流强度分布峰值出现在10~40kA 之间，约占50.0%。相较于负地闪来说，正地闪雷电流强度变化情况较为平稳。

通过雷电流幅值累积概率分布情况可以将雷电流活动强弱情况反映出来，在计算输电线路雷电绕击和反击以及设计防雷装置中具有一定的指示意义。通过统计分析杭州主城区2007~2020 年正闪和负闪雷电流幅值，可以选择比雷电流幅值高的闪电概率作为该雷电幅值累积概率，进而获取到实测雷电流幅值累积概率曲线（图10）。

图10 2007-2020 年雷电流幅值的累积概率分布

3.4 核心区雷电电磁环境分析

系统能否电磁兼容需要将雷电电磁场分析考虑进去，即便没有出现直接雷击，因雷电电磁脉冲产生的电磁场也会对电子或电气设备造成不同程度的损坏。结合GB/T 2887-2011《计算机场地通用规范》中的有关规定，应将电子计算机机房内磁场干扰强度控制在800A/m 以内，而大部分电子设备可以忍受±5V 以内的电压波动。根据美国通用研究公司R.D 希尔的建模仿真试验，在屏蔽措施不足的情况下，雷电电磁脉冲干扰计算机时产生的磁感应强度在0.07Gs（5.572A/m）时，则会有误动作出现，若是磁感应强度数值在2.4Gs（191.04A/m）时，则会出现永久性损坏。

因电子信息技术的快速发展，高频雷电电磁脉冲对当前设备的影响更为明显，雷击暂态电磁脉冲产生的电气和电子系统故障现象不断增多。通常情况下，雷击产生的最大磁场强度是首次雷击产生的，经过一系列计算，可以得出以奥体赛场所在区域为中心点的7.7km 范围内，年最大雷电流幅值的平均值为103.5kA，根据防雷分区LPZ0 区磁场强度计算公式[7]：

上式中，在缺少对应屏蔽时产生的无衰减磁场强度可以用H0表示，单位为A/m；最大雷电幅值用i0表示，单位为kA；雷击点与屏蔽空间的平均距离可以用Sa表示，单位为m；根据以上公式可以得到在奥体赛场附近存在雷击点，在无衰减情况下，建筑物所在区域的磁场强度值（表1）。实际上，建筑物介电常数与自由空间是两个不同的概念，相较于自由空间电磁场的计算，建筑物内电磁场的计算更为复杂，在条件允许的情况下，应根据建筑物实际进行针对性设计，以将磁场屏蔽的衰减情况计算出来。

表1 不同距离的雷击点在场馆处产生的无衰减磁场强度

4 结语

对于雷电灾害来说，其属于原发事故再来，除了自身产生危害外，还可以借助于链式、辐射、迁移等路径引发次生性灾害。虽然雷电灾害出现频率响度较低，但是因出现区域和发生时间具有不确定性，再加上危害性较大，一旦出现雷击事件，将会产生严重的后果。若是在雷电灾害出现前分析重要区域内的雷电环境，进而判断雷电灾害风险，并采取科学合理的监测预警手段，将会使雷电灾害造成的损失降到最低。

在设计奥体赛场及内部电子信息系统时，需要将核心区雷电环境特征、地理环境、人员流动等情况考虑进去，以保证最终的雷电防灾减灾方案具有科学合理性水平，同时结合区域内建筑物重要性、经济价值、使用性质内，严格按照“从严”、“就高”的雷电防护等级设计防雷方案。另外，因“后亚运会”时期大型公共建筑的防雷安全及后期维护，应将工程性与非工程性原则进行结合，确保整个防雷措施具有经济合理性和科学有效性水平。