摘要：現(xiàn)有的文獻和標(biāo)準(zhǔn)均未對艦船的雷電環(huán)境進行明確的分析和描述，導(dǎo)致進行防護設(shè)計和制訂標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范時缺少支撐和依據(jù)。本文基于自然雷電現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，對海洋雷電相關(guān)的文獻資料進行研究，對比陸地 雷電和海洋雷電的差異，分析艦船所處的海洋雷電環(huán)境特點及艦船自身對雷電的影響，總結(jié)出艦船雷電環(huán)境的特征，可作為艦船雷電效應(yīng)分析、防護設(shè)計及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定的參考依據(jù)。

01 引言

當(dāng)艦船在海平面上航行或者停靠在港口時，可能受到雷電襲擊。現(xiàn)代艦船的艦載設(shè)備中有大量了電子通訊導(dǎo)航設(shè)備及精密儀器儀表，而這些設(shè)備的瞬態(tài)沖擊耐受能力比較弱，一旦遭到雷擊，將會損壞，造成系統(tǒng)癱瘓，給艦船安全航行及任務(wù)執(zhí)行帶來極大影響。因此有必要對艦船進行雷電防護設(shè)計。

由于艦船所處的海洋雷電環(huán)境與地面建筑及飛行器的雷電環(huán)境存在差異，因此在進行雷電防護設(shè)計及制訂相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范時，應(yīng)該考慮到這些差異，明確艦船雷電環(huán)境的特點，保證防護設(shè)計的針對性和實際效果。

02 自然雷電現(xiàn)象

雷電放電是由帶電云團中分布于不同區(qū)域的正負極性電荷產(chǎn)生的，云團內(nèi)電荷分布結(jié)構(gòu)有多種，最典型的是為三極模型（如圖1所示），雷云最上層為正電荷，中間為負電荷，最下面為正電荷，一般情況下，最下方的正電荷數(shù)量較少，因此也可以簡化成下負上正的兩極模型，正負電荷的總數(shù)基本相等。

圖1 帶電云團三極模型

自然界雷電現(xiàn)象包括了三種情況：

1）云對地放電或者地對云放電（云地放電）；

2）不同云團之間的放電（云間放電）；

3）同一個云團內(nèi)不同極性區(qū)域之間的放電（云內(nèi)放電）。

50%以上的雷擊是云內(nèi)放電。地面建筑和其他物體遭遇的雷電均為云地放電，云地放電也可分為兩類：

1）云團下行先導(dǎo)對地放電（正負極性），如圖2a)和圖2b)所示；

2) 地面上行先導(dǎo)對云團放電（正負極性）如圖2c)和圖2d)所示。

圖2 云地放電的類型

從圖2可以看出，雷云的下部為負電荷，離地面近，與大地間的放電相對容易，所以在下行先導(dǎo)對地放電中，負極性放電的次數(shù)多；而正的電荷中心離地面源，放電要困難些，因此正極性放電的次數(shù)少，但一旦放電，會輸送更多的電荷量。正極性放電的比例約為10%。表1為下行先導(dǎo)放電主要參數(shù)，從表中可以看出，除了上升率之外，其余參數(shù)都是正極性比負極性要大得多。

表1 下行先導(dǎo)放電參數(shù)

上行先導(dǎo)放電的發(fā)生概率隨地面突起物的高度增加而增加，其放電強度也小于正極性下行先導(dǎo)放電。因此防雷標(biāo)準(zhǔn)在確定直接效應(yīng)的設(shè)計與考核指標(biāo)時，主要基于正極性放電參數(shù)。

03 海洋雷電分布及特點

3.1   全球雷電分布

1995年4月以來，美國國家航天局（NASA）成功在Microlab-1和TRMM兩個衛(wèi)星上裝載了近紅外雷電探測系統(tǒng)，分別為光學(xué)瞬態(tài)探測儀（OTD）和雷電成像儀（LIS），可以全天候探測全球大部分地區(qū)所發(fā)生的云閃和地閃。

基于18年（1995年5月至2012年2月）LIS/OTD資料得到的全球雷電活動分布如圖3所示。

圖3 全球雷電活動分布圖

從圖上可以看出，陸地 雷電密度遠大于海洋。陸地和海洋的雷電密度之比約為9.6:1。而在海洋雷電中，近海海域面積占海洋面積的26.6%，卻貢獻了68.8%的海洋雷電。近海海域和遠海海域雷電密度比為6.08:1，在海洋地區(qū)的雷電數(shù)量中占有重要的比重，陸地、海洋、近海海域、遠海海域的雷電密度fl/(a·㎞2)分別為8.29、0.86、2.22、0.37。

3.2 中國海洋雷電分布

中國地處溫帶和亞熱帶地區(qū)，夏季雷暴活動十分頻繁，由于幅員遼闊，地形地貌復(fù)雜多樣，各地的雷電活動氣候特征差異很大。中國陸地年平均雷電密度為4.22 fl/(a·㎞2)，廣州附近、廣東茂名附近及海南島中部地區(qū)是中國雷電活動最頻繁的三個地區(qū)，雷電密度均超過20fl/(a·㎞2)，最強處甚至達到了30fl/(a·㎞2)。中國的近海位于北太平洋的西部邊緣，包括渤海、黃海、東海、南海四個近海。中國近海的雷電密度平均值遠大于同緯度的全球海洋平均值，是全球海洋的一個雷電密度相對高值區(qū)。四個近海中以渤海與南海的雷電活動最為頻繁，而黃海和東海較弱。另外還有一個特點就是在臺灣島東北端至日本九州島有一條寬約150~200km的帶狀高雷電密度帶，平均值可達3.34fl/(a·㎞2)。

基于18年（1995年5月至2012年2月）LIS/OTD資料得到的中國雷電活動分布如圖4所示。

圖4 中國雷電活動分布

中國氣象局每年發(fā)布了全國主要港口的雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括年雷暴日、雷電密度分布及雷電強度值，這些值是以港口為中心，以30千米為半徑統(tǒng)計該范圍內(nèi)的年雷暴日和雷電密度的平均值。表2 為2014年部分港口的雷電統(tǒng)計數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，我國南北方港口的雷電密度差異很大，南方的廣州港是雷電密度最高的港口。

表2 2014年部分港口的雷電統(tǒng)計數(shù)據(jù)

渤海、東海和黃海的日最大雷電密度經(jīng)常出現(xiàn)在凌晨時段，這與絕大多數(shù)的海洋雷電活動相一致。而南海因周圍環(huán)繞著陸地和島嶼，大部分海域（中部除外）日最大雷電密度出現(xiàn)在午后（12:00~20:00），相對于其他海域是比較獨特的。

3.3   海洋雷電特點分析

海洋上雖然雷電活動頻次少，但已有的研究和觀測表明海洋雷電放電強度要比陸地 雷電放電大得多。

Vernon Cooray等多位學(xué)者根據(jù)對實測數(shù)據(jù)的研究分析，明確首次回擊電流峰值與第一個100us內(nèi)傳遞的電荷量之間存在明確的聯(lián)系，Cooray提出的近似關(guān)系如下：

其中單位為kA，Q的單位為C。由上面的關(guān)系進而推出峰值電流與背景電場的關(guān)系：

其中E的單位為kV/m。上式只適用于電荷中心距離地面4km的情況，當(dāng)距離變大時，相應(yīng)的峰值電流也會變大，距離為4km、5km和6km時，首次回擊峰值電流與背景電場的關(guān)系如圖5所示。

圖5 首次回擊峰值電流與背景電場的關(guān)系

Marshall等人獲得的試驗數(shù)據(jù)表明，雷云內(nèi)的最大電場強度約為150kV/m（云團大范圍的平均值，不是局部極值），而文獻報導(dǎo)的在地面測得的最大電場為130kV/m，這個場強是在一個湖的水面上測得的。

基于上述結(jié)論，若雷云電場強度達到150kV/m，當(dāng)高度為4km時，首次回擊最大電流可達到300kA左右；當(dāng)高度為6km時，首次回擊最大電流可達到450~500kA。

有兩個因素會降低云團下的背景電場。一是地面物體的電暈放電，當(dāng)接近地面的電場強度超過5-10kV/m時，樹木、灌木及其他的突起物會產(chǎn)生電暈放電，形成大量的空間電荷，這些電荷可以降低背景電場強度，減小首次回擊電流峰值；另一個因素是地面較高物體的向上先導(dǎo)，Becerra和Cooray]究的結(jié)果表明100kV/m的電場強度就可以在10m高的導(dǎo)電體上產(chǎn)生上行先導(dǎo)，使得背景電場強度不需要累積到很高即可產(chǎn)生放電，從而降低首次回擊電流的峰值（如圖6所示）。

圖6 降低背景電場強度的因素（海洋和陸地對比）

對于陸地上的雷云，上述兩個因素作用明顯，使得雷電流峰值一般不超過200kA，而對于海洋環(huán)境，水面不存在可以產(chǎn)生電暈和上行先導(dǎo)的突起物，使得背景電場強度可能累積到比陸地更高的值，因此海洋雷電的峰值要遠高于陸地上的雷電峰值。

導(dǎo)致海洋雷電峰值更高的原因可能還有一些。根據(jù)前文所述的三極電荷分布模型，最下面的正電荷的存在可能起到觸發(fā)地閃的作用。有兩個物理機制可以增加底部的正電荷。一是云內(nèi)冰晶與霰粒的碰撞會使它們各自帶上相反的電荷，霰粒較重會下沉到底部，當(dāng)溫度高于-20℃或者-10℃時，霰粒會帶正電；另一個機制是地面電暈產(chǎn)生的正電荷會隨著上升氣流遷移到雷云底部。根據(jù)Jayaratne等人的試驗數(shù)據(jù)，微量NaCl的存在會使得霰粒在碰撞中總是帶負電荷，同時由于海面因電暈產(chǎn)生的正電荷很少，使得海上雷云底部的正電荷不容易累積而觸發(fā)雷電，導(dǎo)致中部電荷形成的電場強度累積到更高時才會發(fā)生雷擊，這也導(dǎo)致了更高的回擊電流幅度。

由于溫帶地區(qū)雷云高度一般在4km以內(nèi)，而熱帶地區(qū)雷云的高度可達到6km，溫帶地區(qū)海洋雷電的最大峰值可達到300kA左右，而熱帶地區(qū)海洋雷電的最大峰值可達到450kA~500kA，遠大于陸地觀測到的雷電峰值。

EduardShulzhenko等人對北海德國海域、北海英國海域、波羅的海的13個海上風(fēng)電場（距離陸地7km~100km）進行了8~10年的雷電監(jiān)測，并與50個陸地風(fēng)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果表明：監(jiān)測的海上風(fēng)電場雷電的強度遠高于陸地風(fēng)電場雷電強度，海上雷電的首次回擊電流的最大峰值接近300kA，電荷傳遞量超過300C。另外還有一些觀測結(jié)果也表明海上雷電的強度高于陸地 雷電。

04 艦船雷電環(huán)境分析

水面艦船尤其是大型艦船，其雷電環(huán)境與陸地建筑物有一些差異，具體分析如下：

1） 由于艦船活動的區(qū)域包括港口、近海和遠海，因此需要綜合考慮這三種區(qū)域的雷電環(huán)境。我國一些南部港口雷電頻次很高，艦船在港口停泊時，遭遇雷擊的概率高，但雷擊強度超過標(biāo)準(zhǔn)幅值（200kA）的概率極低。而在近?；蜻h海區(qū)域，雷電頻次降低，但雷擊強度大大超過港口的雷擊強度，首次回擊幅值可能達到甚至超過300kA。

2）當(dāng)艦船在海面航行時，艦船本身對雷電的發(fā)生會有一定的影響。由于海面沒有其他突起物，當(dāng)艦船上方存在雷云時，艦船成為地平面上唯一可產(chǎn)生電暈及上行先導(dǎo)的物體。一般認為，低于100m的建筑物通常假設(shè)值遭受下行雷擊，但對于海面上的艦船，考慮到突起的唯一性，對于最大高度達到20m~50m的艦船，其產(chǎn)生上行先導(dǎo)的概率要高于陸地同等高度的建筑。另外，由于艦船船體到最高位置的避雷針都是金屬良導(dǎo)體，更有利于上行先導(dǎo)的產(chǎn)生。因此，海面艦船的存在，會增加雷擊發(fā)生的概率。上文提及的Eduard Shulzhenko等人對海上風(fēng)電場雷電監(jiān)測的文獻中還有一個結(jié)論：海上風(fēng)電場建成后，雷電頻次和最大首次回擊電流都比建成前要高（增加幅度均超過100%），這也驗證了海上 突起物對雷電頻次和強度的增強效應(yīng)。艦船的高度雖然沒有風(fēng)機高，但其對雷電頻次和強度的增強效應(yīng)同樣也會存在。

3)對于艦船年雷擊次數(shù)的估算可按照IEC 62305-2 “Protection against lightning - Part 2: Risk  Management” 中的如下公式進行：

                           

其中，為年雷擊次數(shù)，為所在區(qū)域的年雷擊平均密度，為截收雷電的等效面積，為環(huán)境因數(shù)。對于陸地上的建筑物，最大為2，而海上物體，則應(yīng)取3~5，以體現(xiàn)突起物對雷擊頻次明顯的增強效應(yīng)。

對于最大高度為30m的艦船，若只考慮最高位置避雷針的接閃等效面積，則等效面積為：

南海近海區(qū)域年雷擊次數(shù)

局部最高年雷擊次數(shù)（如廣州港）可達到

計算結(jié)果表明，在高雷暴區(qū)域內(nèi)的艦船的年平均雷擊次數(shù)可達到0.3~1次左右，必須重視雷擊可能造成的影響。

05 結(jié)論

基于上述分析，艦船雷電環(huán)境的主要特征包括：

1）港口、近海及遠海的雷電頻次及強度不同，海上雷電的強度高于陸地 雷電，三個區(qū)域的環(huán)境在設(shè)計時均需考慮；

2）艦船本身對雷電頻次和強度有增強效應(yīng)；

3）我國海域內(nèi)，大型艦船的年平均雷擊次數(shù)最大可達到1次左右。

本文分析的艦船外部雷電環(huán)境主要包括雷電頻次和雷擊強度。當(dāng)艦船遭遇雷擊時，艦船內(nèi)外的電磁場特性及雷電感應(yīng)特性等直接關(guān)系到設(shè)備損傷的因素，還有待進一步分析。