闪电先导随机模式的建立与应用

根据地闪先导发展特征,建立了一个闪电先导的二维随机模式,并模拟研究了下行先导与避雷针或地面的连接过程。模拟得到下行先导感应电荷的数量级为10-4 C/m;下行先导出现明显的分叉,且先导接近地面时分叉逐渐增多;模拟的连接过程形态呈现多样性的特点;建筑物上的避雷针在绝大多数情况下可以有效拦截闪电下行先导,但避雷针正上方的下行先导并不是百分之百击中避雷针,远离避雷针的下行先导仍有很大概率被避雷针拦截;在下行先导与避雷针水平距离一定的条件下,建筑物越宽越矮,避雷针有效拦截闪电先导的概率就越小。     

地闪近地面形态特征的数值模拟

该文在已有闪电随机放电参数化方案的基础上,截取近地面区域,保持闪电其他基本参数不变,通过改变闪电的空间形态,对同一背景下的闪电进行多次模拟,研究闪电近地面空间形态的差异对闪电击地点位置、上行先导长度、上行先导触发时下行先导的尖端位置及连接过程形态等参数的影响,并探索闪电参数之间的相关性。结果显示:闪电近地面空间形态会使上行先导长度在77~609 m区间内变化,大部分集中在100~200 m,也会使上行先导触发时下行先导的尖端位置分布在建筑物上空的一个椭球形空间内。同时,闪电近地面空间形态的差异也会使地闪连接形态呈多样性。另外,近地面闪电下行先导长度与上行先导长度有一定的线性相关性,而其他闪电参数相互之间的相关性较弱。这不仅可以加深对闪电空间形态不确定性的理解,同时也对以后的模式建立有一定借鉴意义。     

闪电先导三维自持发展模式的建立

为研究上行先导发生发展的特征及其与地面构筑物间的相互作用,该文建立了闪电先导三维自持发展模式。该模式能够在给定雷暴云下空间电场初始分布情况、下行梯级先导始发位置及地面构筑物几何形状等参量时,进行自持发展模拟,计算出上行正先导随时间在三维空间内的头部位置、速度、电流强度、线电荷密度等物理特征量的变化。模拟发现上行正先导始发及发展过程中,其速度呈逐渐增加趋势,临近最后一跳发生前,上行正先导速度增加明显,整个过程中先导速度的变化范围为104~106 m·s-1量级,电流强度随时间也具有逐渐增加趋势,该变化趋势与光学观测得到的先导头部亮度的变化趋势相一致。该闪电先导三维自持模拟模型能够为进一步研究雷击地面构筑物特点提供参考。     

建筑物群中多上行先导三维模型的建立

为实现对地闪过程中多上行先导现象的模拟,在已有三维随机放电参数化方案基础上,植入多先导始发与发展模块以建立高建筑群多上行先导模型,利用电场并行计算技术提高模拟效率。将新模型应用于实际地闪模拟并就统计数据与先导形态特征同观测数据进行对比。结果表明:上行未连接先导长度为12~709 m,起始高度为360~600 m,距连接点水平距离为255~1026 m,距下行先导最近分支的距离为326~589 m,与观测统计结果具有较高的一致性;形态上再现了实际地闪个例F1215中上行未连接先导始发时间早,通道笔直的特点,也能够模拟下行先导与单上行先导头部、单上行先导侧面、多上行先导中连接先导头部、多上行先导中连接先导侧面4种已有观测记录的连接情况,为后续研究提供基础模型。分析模拟结果初步得出结论:最高的广州塔能够对附近一定范围建筑起保护作用且能吸引较远处的下行先导分支;多先导的始发与最后一跳的连接受地面高建筑物群分布、高度以及下行先导位置综合影响。     

基于闪电先导随机模式对不同连接形态的模拟

考虑到下行负极性地闪过程中大多上行正先导发展时不分叉的观测事实,基于已有的闪电先导二维随机模式,改变上行正先导的模拟方案,使其发展时不产生分叉,并对雷击高建筑物过程中下行先导与上行连接先导 (upward connecting leader,UCL) 之间头部-头部连接和头部-侧面连接 (侧击) 的两种形态进行模拟。以高度为440 m的建筑物为例,通过改变下行先导始发点 (高度为1000 m) 与高建筑物的水平距离,模拟高建筑物上雷击过程中先导之间的连接过程,结果表明:当下行先导始发点与高建筑物的水平距离从0增加到700 m时,UCL的长度呈持续增大趋势,UCL受侧击的概率总体上呈先增大后减小的趋势 (在距离为500 m时达到最大值58%),侧击时UCL连接点以上的部分占整个UCL长度的比例总体呈持续增大趋势 (13%~49%)。     

超高建筑物雷电先导-连接过程数值模拟

为了更好地分析超高建筑物雷击物理过程,基于雷电通道分形模型,对超高建筑物雷电先导-连接过程建立了空间分辨率为1 m×1 m的精细化数值模拟模型.将数值模拟结果与超高建筑物自然闪电光学观测记录进行了对比分析,发现超高建筑物闪电的上、下行先导发展特征模拟结果与真实情况较为一致.并对超高建筑物上部周围的电场强度分布情况进行了...     

建筑物上避雷针对接闪效果影响的数值模拟

结合随机击穿原理,建立了闪电先导随机发展二维模式,模拟研究了建筑物上避雷针对接闪的影响。结果表明:(1)先导位于建筑物正上方,单根避雷针接闪频数约占总模拟次数的90%,5%的闪电仍然能击中建筑物;(2)改变先导初始位置,先导与建筑物相对水平距离越近,避雷针接闪次数越多,雷击点分布趋向先导初始位置一侧;(3)建筑物顶部均匀布置3根避雷针,接闪总次数比实验2高3%,中间避雷针接闪次数比实验2减少57%,左右两侧避雷针接闪次数随先导位置而变化。安装多根避雷针可有效降低建筑物拐角处遭受直接雷的风险。     

广州高建筑物雷电观测与研究10年进展

作为中国气象局雷电野外科学试验基地(CMA_FEBLS)的重要组成部分,广州高建筑物雷电观测站(TOLOG)始建于2009年,迄今已积累数百次高建筑物雷电资料。对于雷电连接过程,高建筑物会起到“放大镜”的作用:TOLOG的观测在国际上首次发现了连接过程中负-正先导之间“头部-侧面”连接的现象,给出了先导连接行为的两种基本形态;揭示了负先导梯级发展过程的精细化结构,给出了下行先导和上行先导的二维/三维发展特征;估算了不同高度建筑物上雷电的闪击距离。高建筑物对雷电电磁场具有“放大器”的作用,且建筑物越高增强效应越显著。高建筑物是下行和上行闪电的“汇集点”:对下行闪电的吸引作用可保护高建筑物附近的其他物体免遭雷击;正地闪的回击、延续电流和云内放电过程均可在高建筑物上触发负极性上行闪电。另外,高建筑物区域可作为闪电监测系统的“标校场”,TOLOG的观测资料在地闪定位系统探测效率和定位精度的评估方面也得到了应用。     

风力发电机叶片姿态与雷击概率关系模拟分析

利用闪电先导二维随机模式对风力发电机遭受雷击情况进行模拟,分析表明:随着下行先导初始位置相对风力发电机水平偏移距离不断增加,雷击风力发电机概率不断减小,偏右500 m时减至4%,且雷击部位多为叶片,叶片姿态不同,雷击特点存在一定差异。当风力发电机1号扇叶转动45°时,扇叶上产生的上行先导长度达221 m,高于平均值10.3%,且各个扇叶间的竞争关系较明显。对风力发电机叶片姿态不同、偏移下行先导不同距离时的雷击概率进行模拟,得出下行梯级先导相对于风力发电机水平偏右300 m以及偏左300 m以内时,扇叶处于15°~45°之间遭受的雷击概率略高,而偏右500 m时其雷击概率明显偏高。由整体随机性分析可知,当风力发电机处于15°~45°时,遭受雷击危害的概率相对较大。     

基于有限差分法的高层建筑物雷电连接过程模拟研究

为研究雷电与高层建筑物的相互作用,该文构建了一个雷电连接过程有限差分计算模型。运用Matlab编写程序,设置网格大小,确定吸收边界,引入松弛因子,对离散化后的线性方程组进行求解,计算得到空间分布的电势值,实现对闪电通道底部二维电场的数值模拟,研究建筑物高度、闪电先导起始位置对高层建筑物雷电连接过程的影响,模拟得到闪电路径图和电势等高线分布图,并将模拟得到的结果与实例进行了比对。结果表明,所构建的模型能很好地模拟出下行先导主通道向下发展特征,突出的下垫面因素会对雷电电场传播产生影响,高层建筑物对雷电存在一定的"吸引"作用,要加强高层建筑物及空旷场地孤立建筑物的雷电防护能力,防范于未然,降低雷灾风险。     

高建筑对周围建筑雷击保护距离的模拟

在已有先导连接参数化方案的基础上,选取近地面层为研究区域,保持方案中其他基本参量不变,通过改变闪电的空间形态,在同一建筑分布的背景下进行多次闪电模拟。研究多个建筑之间的屏蔽作用以及建筑雷击保护距离与建筑相关特征参数之间的关系,结果表明:高建筑对矮建筑具有屏蔽作用,并存在一个临界保护距离,当高、矮建筑高度分别为190 m和165 m,宽度均为20 m时,建筑之间的距离在12 m以内,矮建筑受高建筑完全保护不遭受雷击;建筑之间的距离超过12 m,矮建筑遭雷击次数明显增多。     

空中触发闪电的下行先导及其接地行为

１９９６年夏季在江西南昌附进行的人工触发闪电野外实验中,用新开发的不接地的火箭－导线技术成功地在雷暴云下的负环境电场中触发了云对地产偿电。我们用一套成像率为１０００幅／秒的高速数字化摄像系统对下行负先导进行了观测。     

建筑物上侧击雷电的三维数值模拟

基于三维近地面闪电先导发展随机模式,通过改变先导初始电位和建筑物几何特性,分析各种情况下的侧击雷电发生概率,探讨侧击雷电产生原因及影响因素。结果发现:建筑物尖端电场畸变值是影响侧击雷电产生的重要参量,当下行先导靠近建筑物且传播位置低于建筑物的高度时,建筑侧面电场畸变值达到触发阈值,侧击雷电易产生;下行先导的初始电位以及建筑物几何特性（高度和宽度）是影响侧击雷电发生概率的重要因素,当下行先导初始电位在-9~-3 MV范围内,侧击雷电发生概率呈先增加后降低的趋势,当初始电位为-4.5 MV时,侧击雷电的发生概率达到峰值;当建筑物高度在50~150 m范围内,侧击雷电发生概率随着高度增加呈先增加后减少的趋势;当建筑物高度为100 m时,侧击雷电发生概率达到峰值;当建筑物宽度在30~70 m范围内,侧击雷电发生概率随建筑物宽度呈递减趋势;当建筑物宽度为30 m时,侧击雷电的发生概率达到峰值。     

A review of advances in lightning observations during the past decade in Guangdong,China

This paper reviews recent advances in understanding the physical processes of artificially triggered lightning and natural lightning as well as the progress in testing lightning protection technologies, based on a series of lightning field campaigns jointly conducted by the Chinese Academy of Meteorological Sciences and Guangdong Meteorological Bureau since 2006. During the decade-long series of lightning field experiments, the technology of rocket-wire artificially triggered lightning has been improved, and has successfully triggered 94 lightning flashes. Through direct lightning current waveform measurements, an average return stroke peak current of 16 kA was obtained. The phenomenon that the downward leader connects to the lateral surface of the upward leader in the attachment process was discovered, and the speed of the upward leader during the connection process being significantly greater than that of the downward leader was revealed. The characteristics of several return strokes in cloud-to-ground lighting have also been unveiled, and the mechanism causing damage to lightning protection devices (i.e., ground potential rise within the rated current) was established. The performance of three lightning monitoring systems in Guangdong Province has also been quantitatively assessed.     

A Review of Advances in Lightning Observations during the Past Decade in Guangdong,China

This paper reviews recent advances in understanding the physical processes of artificially triggered lightning and natural lightning as well as the progress in testing lightning protection technologies, based on a series of lightning field campaigns jointly conducted by the Chinese Academy of Meteorological Sciences and Guangdong Meteorological Bureau since 2006. During the decade-long series of lightning field experiments, the technology of rocket-wire artificially triggered lightning has been improved, and has successfully triggered 94 lightning flashes. Through direct lightning current waveform measurements, an average return stroke peak current of 16 k A was obtained. The phenomenon that the downward leader connects to the lateral surface of the upward leader in the attachment process was discovered, and the speed of the upward leader during the connection process being significantly greater than that of the downward leader was revealed. The characteristics of several return strokes in cloud-to-ground lighting have also been unveiled, and the mechanism causing damage to lightning protection devices(i.e., ground potential rise within the rated current) was established. The performance of three lightning monitoring systems in Guangdong Province has also been quantitatively assessed.