建筑物高度对地闪回击电磁场影响的模拟

基于三维时域有限差分数值算法（3D-FDTD）建立了雷击高建筑物电磁场传播模型,研究了负地闪击中不同高度建筑物时回击垂直电场、角向磁场以及水平电场沿地表的传播规律。模拟结果表明:建筑物的高度对雷电电场峰值的影响显著,如当建筑物高度从100 m增加至600 m时,在距离d=100 m位置的垂直电场峰值减小了63%,水平电场正极性峰值的增加比例为84%、负极性峰值的绝对值增加比例高达130%;观测位置不变时,角向磁场峰值和水平电场正极性峰值均会随着建筑物高度的增加而增大;对于距离d=100 m,300 m时,垂直电场的峰值随着建筑物高度的增加而减小,而d=500 m时,垂直电场峰值随着建筑物高度的增加呈现出先增大后减小的趋势;此外,建筑物高度会影响垂直电场峰值对距离的敏感程度,建筑物越低（高）,相应的垂直电场峰值随着观测距离增大衰减越快（慢）。该文研究结果能够为现代化城市中高建筑物附近线缆、室外设备等的雷电防护方案设计提供参考。     

地闪回击电磁场对架空线路耦合过电压的数值模拟

为了研究地闪回击通道周围的电磁场对架空线路的耦合过电压,首先采用指数衰减传输线型工程回击模式(MTLE)模拟分析了回击通道周围电磁场的分布特征,然后运用以Agrawal模型为基础的场—线耦合程序对架空线路感应过电压进行了数值计算,并将模拟计算结果与人工引雷实验结果进行比较,所得线路过电压的计算结果与实验数据基本相符。模拟结果表明,地闪回击电场的垂直分量和水平分量都应考虑到场—线耦合机制中;回击通道基电流波形的陡度同时影响到架空线路感应过电压的幅值和陡度,而电流幅值只影响感应过电压的幅值;当观测距离较近(50 m)时,架空线路上感应过电压幅值与电流回击速度呈反相关;随着观测距离的增加,架空线路上感应过电压波形上升沿时间增加、幅值减小;此外,架空线路感应过电压幅值随线路高度和接地电阻的增加而增大,与线路长度和直径的变化无关。     

地闪回击通道几何结构对VLF/VHF辐射场特征的影响

云地闪电回击通道分叉或者曲折引起的电流传播方向改变可以在回击辐射波形上面引入一系列次峰结构乃至影响其VHF辐射特征。本文用回击传输线模式探讨了回击通道几何结构对回击VLF／VHF辐射场的影响，结果显示：(1)VLF信号波形次峰幅度与通道片断的尺度以及取向有关，尺度为100m量级且具有较大的垂直分量的电流变化过程可以在回击波形下降沿上面引入与回击幅度相当的次峰结构，而小尺度(1m量级或者更小)的通道曲折在回击波形上面引入的次峰幅度只有回击主峰幅度的10％以下。水平方向的电流传播过程几乎不在回击波形上面产生可以辨别的次峰结构。曲折通道的所有曲折片段的平均长度是描述曲折通道的一个重要参数，次峰时间间隔与幅度均与平均曲折尺度成正相关。(2)曲折通道能够明显增加回击高频辐射分量的能量，出现最大辐射能量增加的频率相当．于波长等于曲折尺度的电磁波频率的1／8。小尺度的曲折或者分叉结构能够使得回击高频分量的强度提升一个数量级，但是这一强度的增加仍比我们实际测量的VHF辐射强度小一个数量级，说明通道曲折和分叉很可能不是回击过程VHF辐射产生的主要原因。     

哈尔滨市地闪回击特征分析

雷电是对流性天气造成的主要灾害之一。利用统计和地理分析的方法,对哈尔滨市2010年7月雷暴日地闪的回击特征进行分析,为提高该市雷电预警预报的准确程度提供参考。结果表明：哈尔滨市地闪回击次数可达1—7次,只有1次回击的地闪所占比例为91．37％;在2次以上回击的地闪中,有28．03％的地闪至少有一个继后回击的电场值大于首...     

地闪回击电流测量综述

地闪回击电流是雷电的一个重要特征参数。其测量数据的积累对于雷电防护技术的提高具有重要意义。目前国内外的雷电研究人员通过矮塔、高塔直接观测,人工引雷观测和电场电流关系反衍的方法对地闪回击电流进行了大量的观测研究,并取得了丰富的观测资料。观测表明,负地闪首次回击电流平均为30kA,继后回击电流平均12kA。正地闪回击电流平均为35kA,有时可达几百kA。不同地区地闪回击电流平均值略有不同。高塔测量是主要的雷电流参量直接测量方法,但不同高度测量的地闪回击电流无论峰值还是波形都存在一定的差异。人工引发闪电和自然闪电继后回击雷电流的测量结果较为一致。间接估测雷电流参数的方法随着地闪回击模式的发展将成为主要的方法之一。     

大兴安岭地区地闪回击辐射场特征

利用慢电场变化测量仪所获取的观测资料详细分析了大兴安岭地区地闪回击辐射场特征。结果表明,35次正地闪首次回击的慢前沿、10%～90%平均上升时间分别为7.8μs、4.5μs,其中11次正地闪首次回击的过零时间、负反冲深度平均值分别为34μs、23%。76次负地闪首次回击的慢前沿、10%～90%平均上升时间分别为3.5μs、1.9μs,继后回击的慢前沿为1.4μs,其中15次负地闪首次回击的过零时间、负反冲深度平均值分别为51μs、52%。另外,正地闪首次回击的半峰值宽度大于负地闪首次回击,平均值分别为13.6μs、5.6μs。与国内外已有结果的进一步对比发现,大兴安岭地区的地闪回击辐射场特征与瑞典、美国弗罗里达的地闪回击辐射场特征有较好的一致性,但与我国内陆高原的地闪辐射场特征有明显差异。     

中高层（60-120km）大气电参数非线性效应对地闪回击电磁场传播的影响

基于麦克斯韦方程组,通过综合考虑电子热效应和电离、吸附效应的非线性变化,利用二维时域有限差分算法(2D FDTD),建立了对流层-中高层大气电动力耦合模式,分析了中高层大气电参数的非线性效应对地闪回击电磁场传播的影响。结果表明,对微秒量级的地闪回击辐射场而言,在60 km以下,由于弛豫时间为毫秒量级,不需要考虑电参数的非线性效应。而在60 km以上的空间,由于弛豫时间快速减小至小于微秒量级,必须考虑电参数非线性效应带来的影响。如果考虑中高层大气电参数非线性效应,距地面90 km高度处地闪回击辐射场峰值明显减小,其中,垂直电场受影响最明显,场峰值最大可减小75%左右,而水平电场受影响相对较小。因为垂直电场脉冲持续时间为几百微秒,而水平电场脉冲持续时间仅为几十微秒,电磁场脉冲持续时间越长,受微秒量级中高层大气电介质弛豫时间的影响越大。     

近10年咸宁地闪回击特征分析

以咸宁2007—2017年的雷电定位系统(ADTD)数据为基础,利用数理统计等方法分析了咸宁六个县市区地闪回击次数、回击密度、回击强度的时间和空间变化特征。结果表明,咸宁地闪回击以负极性居多,占总地闪的90%以上。3—9月是雷电集中高发期,午后至傍晚是雷电活动最活跃时段;北部平原地闪回击密度较南部山区高,平均电流强度低于山区;南部山区总地闪回击次数较北部多,通山县年平均回击次数达到8873次。咸宁地闪回击密度的地区差异性分布可能与地形和局地小气候有关。     

传输线模式与地闪回击电流速度

本文通过分析闪电通道中电离气体的宏观特性，提出闪电回击通道中电流的传输速度近似地等于光速的观点。认为回击锋面只是电流通过后被加速离子间的碰撞所引起的发光及电子雪崩区域的前沿，用光学方法测量的回击速度是其前沿的推进速度。由此出发，并考虑到镜像法的局限性，对闪电回击模式进行了某些改进。由新模型所计算的电场波形及峰值更接近于实际测量结果；其高频段的近似公式可以很好说明Fieux（1978），Djebari（1981）在法国及Weidman（1986）在美国所进行的人工触发闪电实验中测到的电场峰值与电流峰值的关系。     

北京地区负地闪回击转移的电荷量

负地闪是闪电危害的主要来源,其对地转移电荷源特征和电荷量不仅对闪电放电机理的研究有重要意义,而且对雷电防护也具有重要的实际应用价值。为了研究具有典型城市下垫面环境的北京地区的闪电活动特征和放电强度,利用北京地区2011年两次雷暴过程的多站GPS(Global Position System)同步闪电地面电场变化定量观测资料,在考虑消除场地和环境因素对电场变化观测资料影响的基础上,基于蒙特卡洛数据处理方法和非线性最小二乘法拟合反演算法,定量研究了负地闪回击中和的电荷源位置和电荷量,并对回击特征与回击转移电荷源之间的关系进行了讨论,得到如下结果:(1)单次回击中和的电荷量为1.1~27.6 C,平均为8.6±5.2 C,不同序数回击转移电荷量的最小值基本不随回击序数的上升而变化,最大值和均值随回击序数的上升而减小;一次负地闪中和的总电荷量随着回击数的增加而增加。(2)负地闪回击数和回击时间间隔都呈对数正态分布,其中负地闪总数70.4%的多回击负地闪其回击间隔平均为99±95 ms,不同序数回击的时间间隔最小值随回击序数的上升基本不变,时间间隔最大值和均值随回击序数的上升而减小。(3)回击转移电荷量的均值随回击间隔的增加呈波动形式的逐渐上升;相邻回击转移电荷源的空间距离均值随回击间隔的增加而增大。     

不同高度建筑物上的下行地闪回击特征

为了研究不同高度建筑物上发生的下行地闪回击特征差异,对2009—2012年广州高建筑物雷电观测试验中获取的能确认接地点高度的58次下行负极性地闪的综合同步观测资料进行对比分析。结果表明：接地点高度小于等于200m和接地点高度大于200m两类地闪的回击次数和回击间隔时间的差异不明显,但接地点高度大于200m的地闪的首次回击电流幅值、继后回击电流幅值、首次回击光强脉冲的10%~90%波前时间及10%波前~50%波后半宽时间、继后回击光强脉冲的10%~90%波前时间及10%波前~50%波后半宽时间的算术平均值 (几何平均值) 分别为接地点高度小于等于200 m地闪的1.8(2.1),1.5(1.4),7.4(7.4),3.1(3.4),4.6(4.3) 和2.4(3.6) 倍。     

浙江省沿海陆域与舟山海域地闪回击特征分析

采用2016-2020年浙江省闪电定位资料,利用Access和MATLAB对浙江省陆域、舟山海域地闪回击特征进行分析.结果显示:浙江省陆域年平均地闪回击密度为1.97次·km-2·a-1,正地闪回击密度为0.10次·km-2·a-1,正地闪回击占总地闪回击的5.1％,正地闪回击平均电流强度为42.49 kA,负地闪为3...     

地闪回击辐射场波形的重构及地闪放电参量的估算

根据地闪回击传输线电流模式重新确立了地闪回击辐射场与电流之间的关系式,并在观测实验的基础上,重构了不同距离范围内(15～50km,50～100km,100～150km)的地闪回击辐射场波形,重构波形与实测波形之间有很好的一致性。同时在合理的假定下,将回击辐射电场与电流之间的关系进一步推广到先导过程,并估算了地闪先导放电过程中的三个参量。发现首次回击前最后一个先导脉冲电流为2.7kA,通道的电荷密度为(0.135～1.35)×10-3C·m-1,负地闪回击过程中和电荷量为2.06C。     

地面建筑物对地闪回击通道附近电磁辐射环境的影响

采用有限电导率下的时域有限差分（FDTD）方法,分析了建筑物对地闪回击电磁环境的影响.结果发现建筑物对回击电场的影响较为明显,对磁场影响较小,建筑物高度h_b=50 m时对磁场的影响不大于10%.建筑物顶部电场受自身高度的影响较大,屋顶中部的垂直电场随建筑物高度的增加而增大,水平电场随建筑物高度的增加而减小.建筑物高度为20、50和100 m时,屋顶中部的垂直电场分别约为地面处的1.3、1.7和2倍,水平电场约为地面处的0.9、0.8和0.7.电导率分别取0.001和0.1 s/m时对比发现,地表处的水平电场受电导率的影响较大,电导率越大,地表处水平电场的幅值越小,此时建筑物的存在对其影响不明显.地表以上一定高度处的水平电场则受观测点位置和建筑物的影响更加明显.     

基于高时间分辨率快电场变化资料的北京地区地闪回击统计特征

利用2014年北京闪电网观测到的4站及以上同步高时间分辨率闪电快电场变化资料,对北京地区5次雷暴过程中304次正地闪和1467次负地闪的回击特征进行了统计分析,主要包括:回击次数、10%~90%上升时间、下降时间、半峰值宽度、回击间隔、回击峰值电场强度、回击间隔和回击序数的关系等。结果表明,正、负地闪中单回击地闪所占比例分别为91.1%和24.2%,单次负地闪的平均回击次数为3.8次,观测到的最大回击数可达20次。304次正地闪首次回击的10%~90%上升时间、下降时间和半峰值宽度的算术平均值分别为4.2μs、14.5μs和6.2μs;29次正地闪继后回击对应值分别为3.6μs、12.6μs和5.7μs;1467次负首次回击的对应值分别为2.4μs、23.9μs和5.3μs;4109次负继后回击的对应值分别为1.7μs、19.5μs和3.4μs。正、负地闪回击间隔的几何平均值分别为106 ms和59 ms。负地闪回击间隔呈对数正态分布,平均回击间隔随着回击序数的增加有逐渐减小的趋势。最后,还对70次正回击、421次负首次回击和789次负继后回击峰值电场进行了统计,将其归一化到100 km的平均值分别为11.2 V/m、7.2 V/m和5.0 V/m。平均来看,负地闪首次回击峰值电场比继后回击峰值电场大1.4倍,但是有23.5%的继后回击峰值电场大于其对应的首次回击。     

用VLF/VHF信号大容量采集系统观测云地闪电放电过程

简述了一种高分辨、大容量闪电VLF/VHF信号记录系统,报道了一次包含12次对地回击、平均回击间隔70ms、持续时间超过800 ms的地闪放电过程的VLF/VHF辐射波形全景以及分析结果.这一个典型事例揭示了一些有趣的现象:(1)这次过程的头5 ms出现了强烈的VLF双极性大脉冲序列,标志着云内初始击穿过程启动;对应于一系列VLF辐射事件出现了强烈的VHF辐射爆发,总体上看,前380 ms期间VHF辐射异常强烈,呈现为间歇式准连续辐射,之后强烈VHF辐射则更多地表现为分立脉冲式爆发特征.(2)与回击主电流峰期间VHF辐射较弱不同,地闪最强的VHF辐射来自初始击穿过程和回击后云内放电通道扩展或者新通道形成过程;在初始击穿阶段和回击间歇期,出现了不止一次强烈的VHF辐射爆发并不伴随明显的VLF辐射.(3)回击间歇期间一类云中放电过程产生一系列半宽为3～4μs左右、出现频率约105Hz的VLF快脉冲串,整个脉冲串持续时间约1ms,频谱峰值区域在60～90 kHz,并伴随较强的VHF辐射,这些特征都与直窜先导特征一致.很可能这是一种云内K事件.(4)还给出了江淮地区地闪过程回击VLF/VHF辐射波形的统计特征,统计还显示当相继两次回击间隔小于40 ms时后面回击幅度倾向于比前面回击弱,当回击间隔时间大于100 ms时,后面回击比前面回击强的可能性大.     

地闪和云闪初始击穿VHF/VLF辐射特征观测和比较

分析了合肥地区负地闪和云闪初始击穿过程产生的VLF大双极性脉冲序列及其同步的VHF爆发特征。地闪初始击穿大脉冲序列极性通常与后面的回击极性相同，相邻大脉冲之间的平均间隔为160μs，大脉冲序列持续时间平均为2．2ms。云闪初始击穿的大双极性脉冲序列由正极性大脉冲开始，相邻脉冲间隔时间平均为1．3ms，平均持续时间为11．5ms，明显区别于地闪中的情况。显著的VHF爆发几乎在大双极性脉冲序列出现的同时启动，它与VLF大脉冲一起是初始击穿过程中一种最强烈的特征性事件，在合肥地区出现频率极高。地闪初始击穿期间VHF包络(观测系统带宽100kHz)呈现淮连续特征，而云闪初始击穿期间VHF包络则呈现分立特征，显示两者VHF辐射爆发的特征有所不同。初始击穿期间VLF大脉冲辐射与VHF爆发之间是相关的，但是二者强度之间不存在唯一的大小对应关系。同时分析了合肥地区地闪初始击穿大脉冲序列活动相对于地闪回击的一些特征，序列中最大脉冲幅度与随后的首次回击幅度之比平均为0．43，有94％的初始击穿在首次回击启动前40ms内出现第一个可以辨别的VLF脉冲(105例的平均结果是21．5ms)。     

广西VLF/LF和ADTD闪电定位系统对比分析

利用广西2016-2019年VLF/LF和ADTD两套闪电定位系统的地闪资料进行对比分析,并利用典型雷灾事故数据进行评估。结果表明,两套系统的监测结果均以负地闪为主,VLF/LF探测效率约是ADTD的2.6倍,尤其是正地闪以及弱地闪探测效率明显提高,VLF/LF地闪平均雷电流幅值较ADTD偏小且两者差异较大;在地闪频次及雷电流幅值的年变化和日变化上,两套系统的监测结果较为一致,月变化差异较大;在空间分布上,两套系统的地闪密度分布较为一致,雷电流幅值分布差异较大;雷灾事故评估表明VLF/LF定位的准确性和可靠性优于ADTD。     

下击暴流的数值模拟研究

下击暴流是危害飞行安全的一种重要天气现象，特别是尺度为１—４ｋｍ的微下击暴流。为了了解下击暴流的发展过程，以及大气环境条件和云－降水微物理结构对下击暴流发生演变的影响，利用我们设计发展的非静力全弹性中尺度－γ模式，以一次发生了下击暴流的大气的温、湿、风实测资料为算例进行了数值模拟研究。计算结果给出了下击暴流发生发展的过程，以及在发展过程中各种物理量的变化，得出一些大气环境条件及水凝物粒子微结构对下击暴流发展的影响机理，有助于台站预报员掌握这种天气现象的出现和演变。     

微下击暴流的数值模拟

建立了一个具有极高分辨率的二维面对称微下击暴流数值模式，对干、湿两类微下击暴流线在云下的生成和演变过程进行了模拟试验，取得较理想结果。模拟湿微下击暴流线的各种主要结构和演变特征与实测结果吻合较好。干型微下击暴流由冰晶降水元在干绝热气层中下落时的蒸发致冷驱动，只产生了很小的地面降水和降温。 几百米厚的弱稳定层对干微下击暴流有明显阻挡和削弱作用。