不同建筑物對(duì)雷云電過程的影響分析

周 俊，行鴻彥

（1.氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心南京信息工程大學(xué)，南京210044；2.中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室南京信息工程大學(xué)，南京210044；3.江蘇省氣象探測(cè)與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京信息工程大學(xué)，南京210044）

不同建筑物對(duì)雷云電過程的影響分析

周 俊1，行鴻彥2,3

（1.氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心南京信息工程大學(xué)，南京210044；2.中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室南京信息工程大學(xué)，南京210044；3.江蘇省氣象探測(cè)與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京信息工程大學(xué)，南京210044）

改變建筑物高度、寬度，利用時(shí)域有限差分法建立了閃電先導(dǎo)二維隨機(jī)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(dǎo)長(zhǎng)度、連接點(diǎn)位置和閃擊距長(zhǎng)度等參數(shù)。仿真結(jié)果表明：寬度不變，當(dāng)建筑物高度從200 m增加到300 m時(shí)，下行先導(dǎo)的長(zhǎng)度變短，同時(shí)下/上行導(dǎo)連接點(diǎn)的空間位置隨之抬高，上行先導(dǎo)的長(zhǎng)度基本不變；改變建筑物高度從200 m減小到100 m，下行先導(dǎo)長(zhǎng)度增加并且連接點(diǎn)位置降低，上行先導(dǎo)長(zhǎng)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(dǎo)的長(zhǎng)度以及連接點(diǎn)的空間位置；改變建筑物高度、寬度，閃擊距離長(zhǎng)度保持在一定范圍內(nèi)不發(fā)生明顯變化。

二維隨機(jī)模型；閃擊距離；建筑物狀態(tài)

0 引言

建筑物的雷電防護(hù)一直是雷電物理研究的重點(diǎn)問題之一。單獨(dú)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(dǎo)，因此其遭受雷擊的事故較多，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。近年來，由于信息化的不斷發(fā)展，建筑物內(nèi)部配置結(jié)構(gòu)越來越復(fù)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(shí)，高大建筑物也會(huì)影響閃電的發(fā)展、連接過程。分析不同建筑物對(duì)雷云電過程的影響，建立閃電發(fā)展隨機(jī)模型，閃電先導(dǎo)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(chǔ)上分析影響閃電發(fā)生過程中的各個(gè)物理參量，而且能夠應(yīng)用到實(shí)際中，研究地面建筑物和雷電先導(dǎo)之間的相互作用，為地面構(gòu)筑的雷電防護(hù)以及人工引雷技術(shù)提供參考。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)這方面的相關(guān)性研究均較多。閃電先導(dǎo)始發(fā)模式最初主要用來判斷長(zhǎng)間隙放電實(shí)驗(yàn)中的擊穿電壓，而基于長(zhǎng)間隙放電實(shí)驗(yàn)，在國(guó)外，提出兩個(gè)經(jīng)典模型。之后，基于流光區(qū)域的長(zhǎng)度和地面凸起建筑對(duì)電場(chǎng)局部的加強(qiáng)，提出了用于判斷先導(dǎo)是否可以持續(xù)發(fā)展的電場(chǎng)強(qiáng)度臨界范圍。在這之后，國(guó)外先后各自提出了關(guān)于閃電先導(dǎo)發(fā)生發(fā)展的三個(gè)不同的數(shù)值模擬模型。因?yàn)樗麄冞M(jìn)行簡(jiǎn)化假設(shè)的階段、各自對(duì)模式的理以及各種參數(shù)設(shè)定的不同，因此，在流光轉(zhuǎn)化先導(dǎo)的基礎(chǔ)上，Becerra[1-4]等提出了一個(gè)自適應(yīng)上行正先導(dǎo)發(fā)展模式。這個(gè)模型不但能夠?qū)⑸闲姓葘?dǎo)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(jì)算過程中，克服了依賴假定輸入條件的問題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)物理參量的計(jì)算。經(jīng)過模擬發(fā)現(xiàn)，存在很多因素會(huì)影響到上行正連接先導(dǎo)的發(fā)展，比如下行梯級(jí)先導(dǎo)速度，預(yù)期回?fù)綦娏?、下行梯?jí)先導(dǎo)水平位置以及瞬態(tài)電場(chǎng)等。此外，在國(guó)內(nèi)也有較多的關(guān)于閃電先導(dǎo)發(fā)生發(fā)展的模擬模型。謝施君[5]等建立了閃電先導(dǎo)起始并發(fā)展的一維仿真體系，通過實(shí)驗(yàn)室與自然雷電兩個(gè)條件下的上行先導(dǎo)發(fā)展情況，對(duì)模式進(jìn)行了較好的驗(yàn)證。而任曉毓等成功模擬了閃電先導(dǎo)通道發(fā)展路徑[6-7]以及先導(dǎo)發(fā)展路徑的分叉現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)雷擊建筑物方面的研究多數(shù)集中在雷擊時(shí)雷電流分布研究[8]以及雷擊建筑物保護(hù)范圍的數(shù)值模擬研究[9]。

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

1 先導(dǎo)的二維隨機(jī)模式及不同建筑物模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 二維先導(dǎo)隨機(jī)模式

數(shù)值模擬過程包括初步設(shè)定下行梯級(jí)先導(dǎo)，以及下行梯級(jí)先導(dǎo)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(chǎng)或者地面建筑物頂層表面電場(chǎng)產(chǎn)生畸變并且電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到擊穿場(chǎng)強(qiáng)，使其產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)上行先導(dǎo)，向上發(fā)展。當(dāng)上行先導(dǎo)和下行先導(dǎo)兩者不斷發(fā)展接近并最后連接時(shí)，那么則認(rèn)為成功發(fā)生一次閃擊，一次模擬結(jié)束。在下行梯級(jí)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(shí)際觀測(cè)研究[10-11]相符合，由此可見采用先導(dǎo)隨機(jī)模式進(jìn)行模擬研究工作具有可行性。

選取模擬區(qū)域?yàn)?00 m×800 m，采用分辨率為10 m×10 m的網(wǎng)格格點(diǎn)，將背景電場(chǎng)格點(diǎn)化進(jìn)行計(jì)算。見圖1。

圖1 二維隨機(jī)模型空間結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 schematic frame diagram of the 2-D random lightning leader model

根據(jù)實(shí)際觀測(cè)，表明在雷暴云下方，空間電場(chǎng)強(qiáng)度隨著高度的增加而增加，假定地面上方800 m范圍內(nèi)的空間背景電場(chǎng)隨高度呈線性增加，取地面的背景電場(chǎng)為10 kV/m，地面以及地面導(dǎo)體建筑物的電勢(shì)為0 V，電場(chǎng)由地面往上以0.1 kV/m的增長(zhǎng)系數(shù)增加，下行梯級(jí)先導(dǎo)的速度為105m/s[12-13]，并且下行梯級(jí)負(fù)先導(dǎo)初始電勢(shì)恒定。同時(shí)，下行先導(dǎo)、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(nèi)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(shè)定為200 m、40 m。由超松弛迭代法計(jì)算出模擬區(qū)域內(nèi)各個(gè)格點(diǎn)上的電場(chǎng)值，也就是當(dāng)下行先導(dǎo)不斷往下發(fā)展時(shí)背景電場(chǎng)強(qiáng)度的大小值。在先導(dǎo)隨機(jī)發(fā)展示意圖中所示，下行梯級(jí)先導(dǎo)已經(jīng)發(fā)展的空間格點(diǎn)用實(shí)心圓點(diǎn)表示，而下一步等待準(zhǔn)備發(fā)展的點(diǎn)用空心圓點(diǎn)來表示。見圖2。

圖2 先導(dǎo)隨機(jī)發(fā)展示意圖Fig.2 Schematic of leader random propagation

下行梯級(jí)先導(dǎo)下一步等待準(zhǔn)備發(fā)展的點(diǎn)采取概率隨機(jī)方法來選取，體現(xiàn)放電通道的隨機(jī)性，同時(shí)上行正先導(dǎo)的始發(fā)以及發(fā)展也采用概率隨機(jī)的方法選取下一步發(fā)展的格點(diǎn)。

先導(dǎo)通道判斷下一步發(fā)展點(diǎn)的概率公式為

式（1）中，Et為每一個(gè)等待準(zhǔn)備發(fā)展點(diǎn)的電場(chǎng)值；Eth為下行先導(dǎo)以及上行正先導(dǎo)傳播開始時(shí)的電場(chǎng)值。

1.2 不同建筑物模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)不同高度寬度狀態(tài)的建筑物進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，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(shè)定為狀態(tài)1即為基本狀態(tài)，如圖3所示，進(jìn)行模擬試驗(yàn)，根據(jù)大量程序出圖，通過統(tǒng)計(jì)分析雷擊過程的上/下行先導(dǎo)長(zhǎng)度、姿態(tài)以及連接點(diǎn)的位置和閃擊距離的長(zhǎng)度，進(jìn)行分析。

在初始建筑物狀態(tài)的基礎(chǔ)上，保持其寬度40 m不變，改變其高度，對(duì)其分別進(jìn)行減小和增加，設(shè)定兩組不同的高度100 m和300 m，設(shè)定為狀態(tài)2、狀態(tài)3，其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。保持高度200 m不變，減小和增加建筑物的寬度，設(shè)定兩組不同寬度20 m和60 m，分別設(shè)定為狀態(tài)4、狀態(tài)5繼續(xù)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，根據(jù)程序大量模擬出圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(yàn)結(jié)果

2.1 下、上行先導(dǎo)長(zhǎng)度，下、上行先導(dǎo)連接點(diǎn)空間位置與建筑物的高度寬度之間的關(guān)系

在800 m*800 m的空間范圍內(nèi)，對(duì)下行先導(dǎo)和上行先導(dǎo)的長(zhǎng)度、連接點(diǎn)的空間位置與不同高度、寬度建筑物之間的關(guān)系情況進(jìn)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(jí)先導(dǎo)向下隨機(jī)發(fā)展，地面建筑物產(chǎn)生上行先導(dǎo)向上發(fā)展，并與下行梯級(jí)先導(dǎo)進(jìn)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(jìn)行模擬100次試驗(yàn)并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，各狀態(tài)建筑物雷電閃擊連接如圖6所示。仿真實(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)建筑物的高度增加時(shí)，下行先導(dǎo)的長(zhǎng)度改變，隨著建筑物高度的增加而減短；而上行先導(dǎo)的長(zhǎng)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(zhǎng)度先導(dǎo)保持在一定的范圍內(nèi)；如圖中6所示，隨著建筑物高度的增加，下/上行先導(dǎo)連接點(diǎn)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(duì)上/下行先導(dǎo)的長(zhǎng)度姿態(tài)以及連接點(diǎn)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(guān)系

閃電下行先導(dǎo)在主放電過程和雷擊對(duì)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(guān)，因?yàn)橄葘?dǎo)放電產(chǎn)生的雷電流具有很大的幅值和陡度，所以會(huì)有強(qiáng)度很大的電磁場(chǎng)出現(xiàn)在它周圍，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，將會(huì)對(duì)雷電場(chǎng)附近的金屬框架等物體產(chǎn)生很大的電動(dòng)勢(shì)或電流，造成危害。

下行先導(dǎo)不斷向下梯級(jí)發(fā)展接近地面，與上行先導(dǎo)連接，對(duì)基本狀態(tài)以及改變建筑物高度和寬度后的狀態(tài)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)分析，并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1。

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

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

3 結(jié)論

以不同寬度、高度的建筑物為研究對(duì)象，對(duì)其在處于800 m×800 m的空間內(nèi)遭受到雷擊的情況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。改變建筑物的高度會(huì)改變下行先導(dǎo)的長(zhǎng)度，隨著建筑物高度的增加而減短，同時(shí)下/上行先導(dǎo)連接點(diǎn)的空間位置也隨之抬高；上行先導(dǎo)的長(zhǎng)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(jī)發(fā)展模型，影響不大；當(dāng)建筑物高度一樣，不同寬度的建筑物對(duì)上/下行先導(dǎo)的長(zhǎng)度、連接點(diǎn)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(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，分別分析建筑物各狀態(tài)，得出結(jié)論，在建筑物高度和寬度發(fā)生改變時(shí)，閃擊距離的長(zhǎng)度保持在一定范圍內(nèi)不產(chǎn)生明顯變化。

采用二維數(shù)值模式對(duì)處于雷擊范圍內(nèi)不同狀態(tài)的建筑物進(jìn)行模擬，分析了建筑物的形態(tài)對(duì)雷擊過程的影響。還存在一些問題，進(jìn)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(jié)合實(shí)際情況細(xì)化格點(diǎn)。

[1]BECERRA M.COORAY V.Dynamic Modeling of the Light?ning Upward Connecting Leader Inception[C].28th ICLP，2006:543-548.

[2]BECERRA M，COORAY V.A simplified physical model to determine the lightning upward connecting leader incep?tion[J].IEEE Transaction on Power Delivery，2006，21（2）:897-908.

[3]BECERRA M，COORAY V.On the interaction of lightning upward connecting positive leaders with humans[J].IEEE on Electromagnetic Compatibility，2009，51（4）:1001-1008.

[4]BECERRA M，COORAY V.A self-consistent upward lead?er propagation model[J].Journal of Physics D.Applied Phys?ics，2006，39:3708-3715.

[5]謝施君，何俊佳，陳維江，等.避雷針迎面先導(dǎo)發(fā)展物理過程仿真研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（10）：32-40.XIE S J，HE J J，CHEN W J，etal.Research on physical process simulation of lightning rod head development[J].Proceedings of the CSEE，2012，32（10）：32-40.

[6]任曉毓，張義軍，呂偉濤，等.閃電先導(dǎo)隨機(jī)模式的建立與應(yīng)用[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2011，22（2）：194-202.REN X Y，ZHANG Y J，LV W T，etal.Establishment and application of random model of lightning leader[J].Journal of Applied Meteorological Science，2011，22（2）：194-202.

[7]任曉毓，張義軍，呂偉濤，等.雷擊建筑物的先導(dǎo)連接過程模擬[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2010，21（4）：450-457.REN X Y，ZHANG Y J，LV W T，etal.Simulation of lead connection process of lightning strike building[J].Journal of Applied Meteorological Science，2010，21（4）：450-457.

[8]林福昌，蔣政龍.雷擊建筑物時(shí)電流分布的計(jì)算[J].高電壓技術(shù)，1998，24（1）：56-58，61．LIN F C，JIANG Z L.Calculation of current distribution of lightning strike building[J].High Voltage Engineering，1998，24（1）：56-58.61．

[9]譚涌波，陳之祿，張冬冬.雷擊建筑物保護(hù)范圍的數(shù)值模擬研究[C].中國(guó)氣象年會(huì)S20防雷減災(zāi)論壇，2015.TAN Y B，CHEN Z L，ZHANG D D.Numerical simulation of lightning protection for buildings.China Meteorological annual conference S20 lightning protection and mitigation Forum，2015．

[10]張義軍，呂偉濤，鄭棟，等.負(fù)地閃先導(dǎo)-回?fù)暨^程的光學(xué)觀測(cè)和分析.高電壓技術(shù)，2008，34（10）：2022-2029.ZHANG Y J，LV W T，ZHEN D，etal.Optical observation and analysis of the negative ground lightning return strok.High Voltage Engineering，2008，34（10）：2022-2029.

[11]李俊，張義軍，呂偉濤，等.一次多回?fù)糇匀婚W電的高速攝像觀測(cè)[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2008，19（4）：401-411.LI J，ZHANG Y J，LV W T，etal.High speed imaging obser?vation of natural lightning with multiple return stroke[J].Journal of Applied Meteorological Science，2008，19（4）：401-411.

[12]李俊，呂偉濤，張義軍，等.一次多分叉接地的空中觸發(fā)閃電過程.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2010，21（2）：95-100.LI J，LV W T，ZHANG Y J，etal.A multi fork grounding of the air triggered lightning process.Journal of Applied Mete?orological Science，2010，21（2）：95-100.

[13]張義軍，周秀驥.雷電研究的回顧和進(jìn)展[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2006，17（6）：829-834.ZHANG Y J，ZHOU X J.Review and development of light?ning research[J].Journal of Applied Meteorological Sci?ence，2006，17（6）：829-834.

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?。?992—），男，碩士，主要研究方向?yàn)槔纂姺雷o(hù)設(shè)備與技術(shù)。

國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：61072133）、江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金計(jì)劃（編號(hào)：BY2013007-02)；江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目計(jì)劃（編號(hào)：15KJA460008）；江蘇省“信息與通信工程”優(yōu)勢(shì)學(xué)科平臺(tái)和江蘇省“六大人才高峰”計(jì)劃資助的課題。