不同建筑物对雷云电过程的影响分析

周 俊，行鸿彦

（1.气象灾害预报预警与评估协同创新中心南京信息工程大学，南京210044；2.中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室南京信息工程大学，南京210044；3.江苏省气象探测与信息处理重点实验室,南京信息工程大学，南京210044）

不同建筑物对雷云电过程的影响分析

周 俊1，行鸿彦2,3

（1.气象灾害预报预警与评估协同创新中心南京信息工程大学，南京210044；2.中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室南京信息工程大学，南京210044；3.江苏省气象探测与信息处理重点实验室,南京信息工程大学，南京210044）

改变建筑物高度、宽度，利用时域有限差分法建立了闪电先导二维随机模型，模拟了雷云电过程，分析了不同建筑物状态下雷云放电过程中产生的上/下行先导长度、连接点位置和闪击距长度等参数。仿真结果表明：宽度不变，当建筑物高度从200 m增加到300 m时，下行先导的长度变短，同时下/上行导连接点的空间位置随之抬高，上行先导的长度基本不变；改变建筑物高度从200 m减小到100 m，下行先导长度增加并且连接点位置降低，上行先导长度基本保持不变；保持建筑物高度一样，改变建筑物宽度不影响上/下行先导的长度以及连接点的空间位置；改变建筑物高度、宽度，闪击距离长度保持在一定范围内不发生明显变化。

二维随机模型；闪击距离；建筑物状态

0 引言

建筑物的雷电防护一直是雷电物理研究的重点问题之一。单独的高大建筑物或建筑物群中较高的建筑物，易激发上行先导，因此其遭受雷击的事故较多，造成严重的经济损失。近年来，由于信息化的不断发展，建筑物内部配置结构越来越复杂，外部规模也越来越大，几十米高的建筑物随处可见，遭受雷击的概率亦明显增加，但同时，高大建筑物也会影响闪电的发展、连接过程。分析不同建筑物对雷云电过程的影响，建立闪电发展随机模型，闪电先导发展过程的模拟研究，它不但能够在模式建立的理论基础上分析影响闪电发生过程中的各个物理参量，而且能够应用到实际中，研究地面建筑物和雷电先导之间的相互作用，为地面构筑的雷电防护以及人工引雷技术提供参考。

目前，国内外对这方面的相关性研究均较多。闪电先导始发模式最初主要用来判断长间隙放电实验中的击穿电压，而基于长间隙放电实验，在国外，提出两个经典模型。之后，基于流光区域的长度和地面凸起建筑对电场局部的加强，提出了用于判断先导是否可以持续发展的电场强度临界范围。在这之后，国外先后各自提出了关于闪电先导发生发展的三个不同的数值模拟模型。因为他们进行简化假设的阶段、各自对模式的理以及各种参数设定的不同，因此，在流光转化先导的基础上，Becerra[1-4]等提出了一个自适应上行正先导发展模式。这个模型不但能够将上行正先导从初始形成然后接着不断发展的过程模拟出来，并且在计算过程中，克服了依赖假定输入条件的问题，实现了对多个物理参量的计算。经过模拟发现，存在很多因素会影响到上行正连接先导的发展，比如下行梯级先导速度，预期回击电流、下行梯级先导水平位置以及瞬态电场等。此外，在国内也有较多的关于闪电先导发生发展的模拟模型。谢施君[5]等建立了闪电先导起始并发展的一维仿真体系，通过实验室与自然雷电两个条件下的上行先导发展情况，对模式进行了较好的验证。而任晓毓等成功模拟了闪电先导通道发展路径[6-7]以及先导发展路径的分叉现象。国内雷击建筑物方面的研究多数集中在雷击时雷电流分布研究[8]以及雷击建筑物保护范围的数值模拟研究[9]。

笔者利用时域有限差分法建立闪电先导二维自持发展随机模型，模拟在下行梯级先导随机向下发展的情况下，闪电上行先导在二维空间内的发生发展过程，并且分析不同建筑物对闪电自持发展过程的影响。

1 先导的二维随机模式及不同建筑物模拟试验设计

1.1 二维先导随机模式

数值模拟过程包括初步设定下行梯级先导，以及下行梯级先导向下不断发展并接近地面。在不断接近地面的过程中，使地面电场或者地面建筑物顶层表面电场产生畸变并且电场强度达到击穿场强，使其产生一个或多个上行先导，向上发展。当上行先导和下行先导两者不断发展接近并最后连接时，那么则认为成功发生一次闪击，一次模拟结束。在下行梯级通道发展过程中具有明显的分叉现象，且越接近地面分叉的现象越明显，与实际观测研究[10-11]相符合，由此可见采用先导随机模式进行模拟研究工作具有可行性。

选取模拟区域为800 m×800 m，采用分辨率为10 m×10 m的网格格点，将背景电场格点化进行计算。见图1。

图1 二维随机模型空间结构示意图Fig.1 schematic frame diagram of the 2-D random lightning leader model

根据实际观测，表明在雷暴云下方，空间电场强度随着高度的增加而增加，假定地面上方800 m范围内的空间背景电场随高度呈线性增加，取地面的背景电场为10 kV/m，地面以及地面导体建筑物的电势为0 V，电场由地面往上以0.1 kV/m的增长系数增加，下行梯级先导的速度为105m/s[12-13]，并且下行梯级负先导初始电势恒定。同时，下行先导、地面建筑物以及地面之间满足Dirichlet边界条件，空气的边界条件满足第二类边界条件，模拟区域内的空间电位均满足泊松方程。

地面上建筑物初始高度宽度设定为200 m、40 m。由超松弛迭代法计算出模拟区域内各个格点上的电场值，也就是当下行先导不断往下发展时背景电场强度的大小值。在先导随机发展示意图中所示，下行梯级先导已经发展的空间格点用实心圆点表示，而下一步等待准备发展的点用空心圆点来表示。见图2。

图2 先导随机发展示意图Fig.2 Schematic of leader random propagation

下行梯级先导下一步等待准备发展的点采取概率随机方法来选取，体现放电通道的随机性，同时上行正先导的始发以及发展也采用概率随机的方法选取下一步发展的格点。

先导通道判断下一步发展点的概率公式为

式（1）中，Et为每一个等待准备发展点的电场值；Eth为下行先导以及上行正先导传播开始时的电场值。

1.2 不同建筑物模拟试验设计

设计不同高度宽度状态的建筑物进行模拟实验，如图3所示。

图3 初始状态建筑物Fig.3 Buildings in initial state

假定地面建筑物的初始高度、宽度分别为200 m、40 m，设定为状态1即为基本状态，如图3所示，进行模拟试验，根据大量程序出图，通过统计分析雷击过程的上/下行先导长度、姿态以及连接点的位置和闪击距离的长度，进行分析。

在初始建筑物状态的基础上，保持其宽度40 m不变，改变其高度，对其分别进行减小和增加，设定两组不同的高度100 m和300 m，设定为状态2、状态3，其进行统计分析。保持高度200 m不变，减小和增加建筑物的宽度，设定两组不同宽度20 m和60 m，分别设定为状态4、状态5继续进行模拟试验，根据程序大量模拟出图进行统计分析，如图4所示。

图4 不同状态建筑物Fig.4 Buildings in different states

2 模拟试验结果

2.1 下、上行先导长度，下、上行先导连接点空间位置与建筑物的高度宽度之间的关系

在800 m*800 m的空间范围内，对下行先导和上行先导的长度、连接点的空间位置与不同高度、宽度建筑物之间的关系情况进行模拟分析。

假定初始状态建筑物高度为200 m，宽度为40 m，下行梯级先导向下随机发展，地面建筑物产生上行先导向上发展，并与下行梯级先导进行连接，如图5所示。

图5 初始状态雷击图Fig.5 The initial state lightning figure

分别选取100 m、40 m状态2，300 m、40 m状态3，200 m、20 m状态4和200 m、60 m状态5的建筑物模型情况进行模拟100次试验并对其进行统计，各状态建筑物雷电闪击连接如图6所示。仿真实验显示，当建筑物的高度增加时，下行先导的长度改变，随着建筑物高度的增加而减短；而上行先导的长度基本不随着建筑物高度的增加和减小产生明显的改变，长度先导保持在一定的范围内；如图中6所示，随着建筑物高度的增加，下/上行先导连接点的空间位置随之抬高；在同样的高度上，不同宽度的建筑物对上/下行先导的长度姿态以及连接点的空间位置不产生明显影响。

图6 不同状态建筑物雷击图Fig.6 Different state building struck by lightning

2.2 闪击距离与不同状态建筑物的关系

闪电下行先导在主放电过程和雷击对象之间的最小空间距离称为“闪击距离”，闪击距离与雷电流的波形幅值和陡度有关，因为先导放电产生的雷电流具有很大的幅值和陡度，所以会有强度很大的电磁场出现在它周围，根据电磁感应原理，将会对雷电场附近的金属框架等物体产生很大的电动势或电流，造成危害。

下行先导不断向下梯级发展接近地面，与上行先导连接，对基本状态以及改变建筑物高度和宽度后的状态进行模拟实验分析，并对其进行统计，结果见表1。

表1 各状态建筑物雷击闪击距长度Table 1 The striking distance of different state buildings

如表1所示，闪击距离长度保持在一定范围内不受建筑物状态影响，所得结果跟别人所得的结果类似。

3 结论

以不同宽度、高度的建筑物为研究对象，对其在处于800 m×800 m的空间内遭受到雷击的情况进行了数值模拟分析。改变建筑物的高度会改变下行先导的长度，随着建筑物高度的增加而减短，同时下/上行先导连接点的空间位置也随之抬高；上行先导的长度基本不随着建筑物高度的增加和减小产生明显的改变，随着建筑物高度的改变，雷电的姿态大致保持随机发展模型，影响不大；当建筑物高度一样，不同宽度的建筑物对上/下行先导的长度、连接点的空间位置不产生明显影响；改变建筑物高度和宽度后的状态进行模拟实验，分别分析建筑物各状态，得出结论，在建筑物高度和宽度发生改变时，闪击距离的长度保持在一定范围内不产生明显变化。

采用二维数值模式对处于雷击范围内不同状态的建筑物进行模拟，分析了建筑物的形态对雷击过程的影响。还存在一些问题，进一步分析雷击过程，分析影响雷云电过程的因素，充分考虑气溶胶等影响因子并结合实际情况细化格点。

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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，硕士，主要研究方向为雷电防护设备与技术。

国家自然科学基金（编号：61072133）、江苏省产学研联合创新资金计划（编号：BY2013007-02)；江苏省高校自然科学研究重大项目计划（编号：15KJA460008）；江苏省“信息与通信工程”优势学科平台和江苏省“六大人才高峰”计划资助的课题。