周 俊，行鴻彥

（1.氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心南京信息工程大學，南京210044；2.中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室南京信息工程大學，南京210044；3.江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室,南京信息工程大學，南京210044）

不同建筑物對雷云電過程的影響分析

周 俊1，行鴻彥2,3

（1.氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心南京信息工程大學，南京210044；2.中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室南京信息工程大學，南京210044；3.江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室,南京信息工程大學，南京210044）

改變建筑物高度、寬度，利用時域有限差分法建立了閃電先導二維隨機模型，模擬了雷云電過程，分析了不同建筑物狀態(tài)下雷云放電過程中產(chǎn)生的上/下行先導長度、連接點位置和閃擊距長度等參數(shù)。仿真結果表明：寬度不變，當建筑物高度從200 m增加到300 m時，下行先導的長度變短，同時下/上行導連接點的空間位置隨之抬高，上行先導的長度基本不變；改變建筑物高度從200 m減小到100 m，下行先導長度增加并且連接點位置降低，上行先導長度基本保持不變；保持建筑物高度一樣，改變建筑物寬度不影響上/下行先導的長度以及連接點的空間位置；改變建筑物高度、寬度，閃擊距離長度保持在一定范圍內不發(fā)生明顯變化。

二維隨機模型；閃擊距離；建筑物狀態(tài)

0 引言

建筑物的雷電防護一直是雷電物理研究的重點問題之一。單獨的高大建筑物或建筑物群中較高的建筑物，易激發(fā)上行先導，因此其遭受雷擊的事故較多，造成嚴重的經(jīng)濟損失。近年來，由于信息化的不斷發(fā)展，建筑物內部配置結構越來越復雜，外部規(guī)模也越來越大，幾十米高的建筑物隨處可見，遭受雷擊的概率亦明顯增加，但同時，高大建筑物也會影響閃電的發(fā)展、連接過程。分析不同建筑物對雷云電過程的影響，建立閃電發(fā)展隨機模型，閃電先導發(fā)展過程的模擬研究，它不但能夠在模式建立的理論基礎上分析影響閃電發(fā)生過程中的各個物理參量，而且能夠應用到實際中，研究地面建筑物和雷電先導之間的相互作用，為地面構筑的雷電防護以及人工引雷技術提供參考。

目前，國內外對這方面的相關性研究均較多。閃電先導始發(fā)模式最初主要用來判斷長間隙放電實驗中的擊穿電壓，而基于長間隙放電實驗，在國外，提出兩個經(jīng)典模型。之后，基于流光區(qū)域的長度和地面凸起建筑對電場局部的加強，提出了用于判斷先導是否可以持續(xù)發(fā)展的電場強度臨界范圍。在這之后，國外先后各自提出了關于閃電先導發(fā)生發(fā)展的三個不同的數(shù)值模擬模型。因為他們進行簡化假設的階段、各自對模式的理以及各種參數(shù)設定的不同，因此，在流光轉化先導的基礎上，Becerra[1-4]等提出了一個自適應上行正先導發(fā)展模式。這個模型不但能夠將上行正先導從初始形成然后接著不斷發(fā)展的過程模擬出來，并且在計算過程中，克服了依賴假定輸入條件的問題，實現(xiàn)了對多個物理參量的計算。經(jīng)過模擬發(fā)現(xiàn)，存在很多因素會影響到上行正連接先導的發(fā)展，比如下行梯級先導速度，預期回擊電流、下行梯級先導水平位置以及瞬態(tài)電場等。此外，在國內也有較多的關于閃電先導發(fā)生發(fā)展的模擬模型。謝施君[5]等建立了閃電先導起始并發(fā)展的一維仿真體系，通過實驗室與自然雷電兩個條件下的上行先導發(fā)展情況，對模式進行了較好的驗證。而任曉毓等成功模擬了閃電先導通道發(fā)展路徑[6-7]以及先導發(fā)展路徑的分叉現(xiàn)象。國內雷擊建筑物方面的研究多數(shù)集中在雷擊時雷電流分布研究[8]以及雷擊建筑物保護范圍的數(shù)值模擬研究[9]。

筆者利用時域有限差分法建立閃電先導二維自持發(fā)展隨機模型，模擬在下行梯級先導隨機向下發(fā)展的情況下，閃電上行先導在二維空間內的發(fā)生發(fā)展過程，并且分析不同建筑物對閃電自持發(fā)展過程的影響。

1 先導的二維隨機模式及不同建筑物模擬試驗設計

1.1 二維先導隨機模式

數(shù)值模擬過程包括初步設定下行梯級先導，以及下行梯級先導向下不斷發(fā)展并接近地面。在不斷接近地面的過程中，使地面電場或者地面建筑物頂層表面電場產(chǎn)生畸變并且電場強度達到擊穿場強，使其產(chǎn)生一個或多個上行先導，向上發(fā)展。當上行先導和下行先導兩者不斷發(fā)展接近并最后連接時，那么則認為成功發(fā)生一次閃擊，一次模擬結束。在下行梯級通道發(fā)展過程中具有明顯的分叉現(xiàn)象，且越接近地面分叉的現(xiàn)象越明顯，與實際觀測研究[10-11]相符合，由此可見采用先導隨機模式進行模擬研究工作具有可行性。

選取模擬區(qū)域為800 m×800 m，采用分辨率為10 m×10 m的網(wǎng)格格點，將背景電場格點化進行計算。見圖1。

圖1 二維隨機模型空間結構示意圖Fig.1 schematic frame diagram of the 2-D random lightning leader model

根據(jù)實際觀測，表明在雷暴云下方，空間電場強度隨著高度的增加而增加，假定地面上方800 m范圍內的空間背景電場隨高度呈線性增加，取地面的背景電場為10 kV/m，地面以及地面導體建筑物的電勢為0 V，電場由地面往上以0.1 kV/m的增長系數(shù)增加，下行梯級先導的速度為105m/s[12-13]，并且下行梯級負先導初始電勢恒定。同時，下行先導、地面建筑物以及地面之間滿足Dirichlet邊界條件，空氣的邊界條件滿足第二類邊界條件，模擬區(qū)域內的空間電位均滿足泊松方程。

地面上建筑物初始高度寬度設定為200 m、40 m。由超松弛迭代法計算出模擬區(qū)域內各個格點上的電場值，也就是當下行先導不斷往下發(fā)展時背景電場強度的大小值。在先導隨機發(fā)展示意圖中所示，下行梯級先導已經(jīng)發(fā)展的空間格點用實心圓點表示，而下一步等待準備發(fā)展的點用空心圓點來表示。見圖2。

圖2 先導隨機發(fā)展示意圖Fig.2 Schematic of leader random propagation

下行梯級先導下一步等待準備發(fā)展的點采取概率隨機方法來選取，體現(xiàn)放電通道的隨機性，同時上行正先導的始發(fā)以及發(fā)展也采用概率隨機的方法選取下一步發(fā)展的格點。

先導通道判斷下一步發(fā)展點的概率公式為

式（1）中，Et為每一個等待準備發(fā)展點的電場值；Eth為下行先導以及上行正先導傳播開始時的電場值。

1.2 不同建筑物模擬試驗設計

設計不同高度寬度狀態(tài)的建筑物進行模擬實驗，如圖3所示。

圖3 初始狀態(tài)建筑物Fig.3 Buildings in initial state

假定地面建筑物的初始高度、寬度分別為200 m、40 m，設定為狀態(tài)1即為基本狀態(tài)，如圖3所示，進行模擬試驗，根據(jù)大量程序出圖，通過統(tǒng)計分析雷擊過程的上/下行先導長度、姿態(tài)以及連接點的位置和閃擊距離的長度，進行分析。

在初始建筑物狀態(tài)的基礎上，保持其寬度40 m不變，改變其高度，對其分別進行減小和增加，設定兩組不同的高度100 m和300 m，設定為狀態(tài)2、狀態(tài)3，其進行統(tǒng)計分析。保持高度200 m不變，減小和增加建筑物的寬度，設定兩組不同寬度20 m和60 m，分別設定為狀態(tài)4、狀態(tài)5繼續(xù)進行模擬試驗，根據(jù)程序大量模擬出圖進行統(tǒng)計分析，如圖4所示。

圖4 不同狀態(tài)建筑物Fig.4 Buildings in different states

2 模擬試驗結果

2.1 下、上行先導長度，下、上行先導連接點空間位置與建筑物的高度寬度之間的關系

在800 m*800 m的空間范圍內，對下行先導和上行先導的長度、連接點的空間位置與不同高度、寬度建筑物之間的關系情況進行模擬分析。

假定初始狀態(tài)建筑物高度為200 m，寬度為40 m，下行梯級先導向下隨機發(fā)展，地面建筑物產(chǎn)生上行先導向上發(fā)展，并與下行梯級先導進行連接，如圖5所示。

圖5 初始狀態(tài)雷擊圖Fig.5 The initial state lightning figure

分別選取100 m、40 m狀態(tài)2，300 m、40 m狀態(tài)3，200 m、20 m狀態(tài)4和200 m、60 m狀態(tài)5的建筑物模型情況進行模擬100次試驗并對其進行統(tǒng)計，各狀態(tài)建筑物雷電閃擊連接如圖6所示。仿真實驗顯示，當建筑物的高度增加時，下行先導的長度改變，隨著建筑物高度的增加而減短；而上行先導的長度基本不隨著建筑物高度的增加和減小產(chǎn)生明顯的改變，長度先導保持在一定的范圍內；如圖中6所示，隨著建筑物高度的增加，下/上行先導連接點的空間位置隨之抬高；在同樣的高度上，不同寬度的建筑物對上/下行先導的長度姿態(tài)以及連接點的空間位置不產(chǎn)生明顯影響。

圖6 不同狀態(tài)建筑物雷擊圖Fig.6 Different state building struck by lightning

2.2 閃擊距離與不同狀態(tài)建筑物的關系

閃電下行先導在主放電過程和雷擊對象之間的最小空間距離稱為“閃擊距離”，閃擊距離與雷電流的波形幅值和陡度有關，因為先導放電產(chǎn)生的雷電流具有很大的幅值和陡度，所以會有強度很大的電磁場出現(xiàn)在它周圍，根據(jù)電磁感應原理，將會對雷電場附近的金屬框架等物體產(chǎn)生很大的電動勢或電流，造成危害。

下行先導不斷向下梯級發(fā)展接近地面，與上行先導連接，對基本狀態(tài)以及改變建筑物高度和寬度后的狀態(tài)進行模擬實驗分析，并對其進行統(tǒng)計，結果見表1。

表1 各狀態(tài)建筑物雷擊閃擊距長度Table 1 The striking distance of different state buildings

如表1所示，閃擊距離長度保持在一定范圍內不受建筑物狀態(tài)影響，所得結果跟別人所得的結果類似。

3 結論

以不同寬度、高度的建筑物為研究對象，對其在處于800 m×800 m的空間內遭受到雷擊的情況進行了數(shù)值模擬分析。改變建筑物的高度會改變下行先導的長度，隨著建筑物高度的增加而減短，同時下/上行先導連接點的空間位置也隨之抬高；上行先導的長度基本不隨著建筑物高度的增加和減小產(chǎn)生明顯的改變，隨著建筑物高度的改變，雷電的姿態(tài)大致保持隨機發(fā)展模型，影響不大；當建筑物高度一樣，不同寬度的建筑物對上/下行先導的長度、連接點的空間位置不產(chǎn)生明顯影響；改變建筑物高度和寬度后的狀態(tài)進行模擬實驗，分別分析建筑物各狀態(tài)，得出結論，在建筑物高度和寬度發(fā)生改變時，閃擊距離的長度保持在一定范圍內不產(chǎn)生明顯變化。

采用二維數(shù)值模式對處于雷擊范圍內不同狀態(tài)的建筑物進行模擬，分析了建筑物的形態(tài)對雷擊過程的影響。還存在一些問題，進一步分析雷擊過程，分析影響雷云電過程的因素，充分考慮氣溶膠等影響因子并結合實際情況細化格點。

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Analysis of Impact of Different Buildings on the Thundercloud Electric Process

ZHOU Jun1，XING Hongyan2，3
（1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters，Nanjing University of Information Scienceamp;Technology，Nanjing 210044，China；2.Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration，Nanjing University of Information Scienceamp;Technology，Nanjing 210044，China；3.Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Information Processing，Nanjing University of Information Scienceamp;Technology，Nanjing 210044,China）

Through changing the building height,width,lightning pilot two-dimensional random model is established by using the finite difference time domain method,the thundercloud electricity pro?cess is simulated,the up/down link pilot length in the process of discharge,the location of the connection point and stroke length under different buildings are analyzed and compared with the actual thundercloud discharge process related data.The result shows:in case of the width unchanged,when the building height increased from 200 m to 300 m,the length of down link pilot became shorter,at the same time the connection point location has been raised,the length of the up link pilot basically remain unchanged;change the building height from 200 m to 100 m,down link pilot length increased and the connection point location reduced,the length of the up link pilot still remain unchanged;when the building height keeps still,the change of building width does not produce a significant impact on the up/down link pilot length and the connection point location;stroke length is not affected by building height and width change and keeps within a certain range.

two-dimensional random model；the stroke distance；building states

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.004

2016-05-27

周俊（1992—），男，碩士，主要研究方向為雷電防護設備與技術。

國家自然科學基金（編號：61072133）、江蘇省產(chǎn)學研聯(lián)合創(chuàng)新資金計劃（編號：BY2013007-02)；江蘇省高校自然科學研究重大項目計劃（編號：15KJA460008）；江蘇省“信息與通信工程”優(yōu)勢學科平臺和江蘇省“六大人才高峰”計劃資助的課題。