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基于LLS的重庆地区雷电活动规律及其风险评估研究

李家启  
【摘要】:雷电灾害是联合国“国际减灾十年”公布的最为严重的十种自然灾害之一,被中国电工委员会称为“电子时代的一大公害”。重庆地区是我国的多雷暴地区之一,每年造成至少上亿元的经济损失和数十人伤亡,雷电灾害防御工作已经显得极其迫切和重要,而雷电灾害的防御是建立在掌握雷电活动规律和雷电灾害风险情况下有针对性地开展的。为此,本文利用重庆地区闪电定位系统(Lightning Location System, LLS)监测资料(1999-2008)、重庆市34个气象观测站雷暴日资料(1951-2009)以及雷电灾害(1954-2008)等相关资料,采用IEEE和DL/T620推荐的雷电流幅值和雷电流波头陡度概率模式,以及数理统计、(旋转)经验正交函数、小波理论、对数正态分布等多种诊断与模拟方法,分别对重庆地区雷电活动规律,以及雷电灾害风险评估内容和方法进行了研究,得出以下主要结论: 1、重庆地区(1999-2008)负闪发生频次(2719964次,占94.6%)远高于正闪(155415次,占5.4%);而正闪雷电流幅值均值(56.49kA)却大于负地闪(39.74kA)。正闪雷电流幅值概率密度模式为F(x+)=(50.22/x+)e(x+-4.165)2/0.4431+(211.4/x+)e(x+-2.912)2/1.209(两个峰值分别为18.4kA和64.4kA),符合双对数正态分布叠加;负闪雷电流幅值概率密度模式为F(x-)=(6143/x-)e(x--3.079)2/0.9291(单峰值为21.73kA),符合对数正态分布。雷电流幅值累积概率IEEE模式比DL/T620模式更能客观反映地闪统计分布特征,在此基础上得到重庆地区正闪、负闪和总闪雷电流幅值累积概率模式(P+(IP)=1/[1+(IP/44.49)2.224]、P-(IP)=1/[1+(IP/32.62)2.728和P(IP)=1/[1+(IP/33.04)2.668)和雷电流波头陡度的累积概率理论模式(P+(α)=1/[1+(α/26.87)2.224], P-(α)=1/[1+(α/19.7)2.728]和P(α)=1/[1+(α/19.95)2.668])。 2、重庆地区全年都有闪电发生,主要集中在4-10月,其主要原因是汛期对流性天气旺盛,闪电频次相对较高;闪电日分布类型为夜间主导型(占60%以上),总体特征为双峰双谷状态,其中14:00-18:00和22:00-03:00是闪电高发时期,充分体现了“巴山夜雨”天气;在1999-2008年期间,闪电呈现增长趋势,以443次/月的气候倾向率递增,其中以春季和夏季增长较快,并存在着12个月、20个月、29个月左右较长周期和3个月、6个月较短周期的交替振荡。主要异常空间分布特征表现为全市一致型(多雷或少雷型)、渝西和渝东北反向型,其异常区域划分为4个区(渝西区、渝中部地区、渝东南区、渝东北区)。在综合闪电定位系统和人工观测雷电日基础上,建立了各区(县)行政区域的人工观测雷电日与雷击大地密度模式、系统和人工观测雷电日关系模式,以及客观反映雷击大地密度关系的雷电日模式;在此基础上对全市进行区划,得到丰都、垫江和彭水以西地区为高雷区,其余地区为中雷区。 3、揭示雷电参数随海拔高度、地理经纬度变化规律,并建立了相关模式。其中,雷电流幅值(总闪、正闪和负闪)随海拔高度变化模式为lg(Imean)=10-4H+1.5081、 lg(Imean)=10-4H+1.6492和lg(Imean)=9×1O-5H+1.5014;地闪密度(总闪、正闪和负闪)随海拔高度变化模式为NT=411.2H-0.716、NP=18.061H-0.69和NN=394.84H-0.718;正闪比例随海拔高度变化模式为y=2×10-8x2-5×10-5+0.0665;低幅值(0-100kA)闪电比例随海拔高度变化模式为α≤100=-4×10-5H+0.9905,高幅值(100-200kA)闪电比例随海拔高度变化模式为α≥100=3×10-5H+0.0091;雷电流幅值(总闪、正闪和负闪)随纬度变化模式为lg(Imean)=0.0313λ+0.6509、lg(Imean)=0.027λ2-1.7666λ+27.942和lg(Imean)=0.0287λ+0.7191,密度(总闪、正闪和负闪)随海拔高度变化模式为NT=0.2676λ3-24.598λ2+752.45λ-7656.2,NP=0.0148λ3-1.3611λ2+41.771λ-426.54,NN=0.2528λ3-23.23722+710.68λ-7229.7,正闪比例随海拔高度变化模式为α=0.0105λ-0.263;雷电流幅值(总闪、正闪和负闪)随经度变化的模式分别为lg(Imean)=0.0056ψ2-1.2154ψ+67.774lg(Imean)=-0.008ψ3+2.6023ψ2-282-38ψy+10214, lg(Imean)=0.0041ψ2-0.9025ψy+50.992,地闪密度(总闪、正闪和负闪)随经度变化模式为NT=-0.0603ψ4+26.153ψ3-4256.7ψ2+307896ψ-8×106,NP=-0.0087ψ4+3.7533ψ3-608.37ψ2+4382ψ-1×106和NN=-0.0516ψ4+22.4ψ3-3648.3ψ2+264072ψ-7×106,低幅值(0-100kA)闪电比例随经度变化模式为α≤100=0.0051Ψ+0.4137,高幅值(100-200kA)闪电比例随经度变化模式为α≥100=-0.005Ψ+0.5801。 4、重庆地区前期(1999-2003)和后期(2004-2008)闪电时空差异较大。闪电密度后期较前期增长221%,其中负闪增长更为明显(从前期的1.43次/km2.a增加到后期的4.80次/km2.a);地闪频次后期较前期在大部分时间点上均有显著的增加,其中11月正极性和负极性地闪频次增长比例最大,分别高达4726%和518%。东部地区正极性闪电密度较西部地区有较大的增长,而西部地区则变化不十分明显;负极性地闪密度在东西部地区均有明显的增长。后期正极性和负极性雷电流幅值均高于前期,正极性增长比例较大(38%);正负极性(除1月份外)雷电流幅值后期高于前期,正极性雷电流幅值日变化在前后期有较大的不同,前期为“一峰一谷”变化趋势,而后期则为“双峰双谷”。正极性雷电流幅值后期较前期的“东高西低”现象有所减缓,后期负极性雷电流幅值则在西部大部分区域均高于前期,而东部低于前期;正闪前(后)期高幅值比例从西往东呈现明显上升的趋势,而后期(忠县除外)高幅值比例较前期有所增加;负闪前期高幅值比例中西部地区较低而东部较高,而后期中西部地区呈现明显增加态势,而东部呈现减少趋势。 5、提出了基于闪电定位资料的雷电参数和模式在风险评估中有效应用方法,建立了雷电灾害风险分类评估的模式。(1)区域性风险评估与区划,提出了分为与建筑物是否安装防雷装置无关的区域性风险评估和各类建筑都按照规范安装防雷装置的区域风险评估与区划方法。(2)长跨度线路项目雷电风险评估,提出了采用线路走廊法进行风险的分析与区划,找到雷电的易闪段,并通过对比分析安装防雷装置前后效果,评估防雷减灾效益。(3)建筑(群)雷电灾害风险评估,建立了永久性建筑、临时建筑和高耸建筑对周边影响的风险评估模式和方法,对永久性建筑而言,除按照IEC62305提出评估内容外,提出了爆炸危险场所场所危害范围、雷电电磁脉冲影响区域、抗灾能力等方面的评估内容;对建筑施工和应急抢险救灾中使用的临时用房建立了雷电灾害风险评估的快速判别模式,为应急抢险指挥决策提供科学理论依据;对高耸建筑,建立了对其周边环境影响评估的方法和内容。在抗灾能力评估方面,文章重点采用库伦定律,对IEC提出的避雷针保护域内遭受雷电概率为0.1%的经验模式以及保护角法进行了机理分析,并对最大保护角的防雷效果(含雷电正击和侧击)进行理论分析,为IEC提出的保护角法提供科学理论依据。


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