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。     

建筑物对大气电场畸变效应的数值模拟

利用有限差分法求解满足边界条件下的泊松方程,计算出建筑物以及大气电场仪周围电场空间分布情况,并求出大气电场修订因子。主要研究了建筑物的高度以及建筑物的数量对大气电场仪不同安放位置时大气电场畸变效应。结果表明：建筑物越高,对大气电场畸变越厉害,反之越弱。同一高度下的建筑物,当大气电场仪距离建筑物越近,大气电场畸变越厉害,对电场仪测量影响越大;大气电场仪周围建筑物越少,对大气电场仪的观测影响就越小。求出了大气电场修订因子,即大气电场测量值乘上修订因子接近于真实值。使用修订后的大气电场值能够提高在雷暴发生前电场仪作出相应的预警和预报准确性。     

地面建筑物（群）对雷暴云大气电场影响的模拟研究

利用有限差分方法分析了地面建筑物(群)对雷暴云大气电场分布的影响,结果表明:①建筑物(群)的存在对周围大气电场存在较大的影响,建筑物顶部的大气电场明显强于地面,且随建筑物高度增加而增强.如建筑物的长、宽均为40 m,高度h=10、20、50、100 m时,楼顶的大气电场分别是地面(当建筑物不存在时地面相同位置)处的1.4、1.7、2.8和4.5倍.②地面建筑物(群)对地面电场存在明显的屏蔽作用,影响范围约为建筑物高度的3.5倍以内.因此,对大气电场的测量需要考虑周围建筑物(群)的影响.     

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.     

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。     

孤立金属尖端的电晕触发阈值

为了得到金属尖端在发生电晕放电时尖端处的电场强度,该文首先采用实验室实验得到不同高度、不同形状、不同材质的金属尖端发生电晕放电时的环境电场阈值;再采用有限元法计算二维泊松方程,得到尖端处电晕触发阈值,由此得出以下结论:环境电场阈值随金属尖端高度的增大基本呈线性减小趋势,随着尖端越来越尖,环境电场阈值呈先减小后增大的变化趋势;高度、形状对金属物尖端处电晕触发阈值无影响,尖端处电晕阈值为定值;给出尖端处电晕触发阈值为158.75 kV·m-1与空间分辨率的拟合公式,可为今后电晕放电数值模拟中判断电晕放电的起始时刻提供参考。     

新疆天山北坡经济带持续低温指数变化特征

利用新疆天山北坡经济带12个国家气象站逐日最低气温和平均气温资料,研究该区域1965—2019年持续低温指数C_CDI的变化规律及其对气温变化的响应,结果表明：研究区的年、季平均气温均呈显著升高趋势,其中冬季升温幅度最大,夏季升温幅度最小;受气候变暖的影响,研究区C_CDI呈显著减少趋势,其中冬季减少幅度最大、夏季最小;研究区C_CDI和平均气温之间呈显著的反相关,年、季都经历了气温距平由负转正、同时对应C_CDI距平由正转负的过程;年、季C_CDI对平均气温的敏感系数均为负值,说明C_CDI值随着气温的升高而减少,敏感系数绝对值春、夏、秋三季均呈显著减小趋势,即C_CDI对气候变暖的响应在减弱,而冬季则呈显著增大趋势,即C_CDI对气候变暖的响应在增强。     

雷暴下闪电所致电场变化的电晕影响

本文用一个二维时变轴对称模式,研究雷暴下一次闪电后地面孤立金属尖端的电晕放电过程,讨论电晕放电对周围电场恢复的影响。计算结果表明,闪电后实测地面电场强度的指数型恢复是尖端电晕放电形成的空间电荷层的作用。闪电只能短时间地改变尖端附近空间电荷的极性,且这种影响随距离增加而很快衰减。     

昆明城市建筑物外墙壁面对庭院气温的影响

以低纬度高原城市昆明市为对象,利用冬季（1月）和夏季（7月）不同高度的建筑物外墙壁面表面温度、外墙壁面近旁气温和对应高度的庭院气温实测资料,分析了城市建筑物外墙壁面对庭院不同高度气温的影响。得出：建筑物外墙壁面对庭院气温垂直分布的形成有着不可忽视的热力效应,其效应随季节、昼夜以及壁面方位、高度的不同而各异。建筑物外墙壁面与庭院大气相互影响,昼间建筑物外墙壁面向庭院大气传热,呈现热源效应,随高度增加,热源效应减小;夜间建筑物外墙中、上部壁面从庭院大气吸收热量,呈现热汇效应,随高度增加,热汇效应增大。冬季各壁面的热力效应差异显著,昼间的热源效应南向壁面最为显著,北向壁面热源效应为负,夜间的热汇效应北向壁面最大;夏季各壁面的热力效应差异小于冬季,昼间的热源效应西向壁面较大,夜间的热汇效应东向壁面较明显。分析表明：城市建筑物外墙壁面的热力效应不可忽视,其对立体城市气候的形成有着重要的贡献。     

2016—2021年呼和浩特市大气臭氧浓度变化特征分析

随着城市的发展,大气O₃的污染不容忽视。文章以呼和浩特市2016—2021年大气O₃浓度为研究对象,结合同期气象数据,采用相关分析等数理统计方法,分析了呼和浩特市大气O₃浓度年际、季节以及月份动态特征规律,探讨大气O₃浓度与关键影响气象要素之间的关系。结果表明：呼和浩特市大气O₃作为空气首要污染物的天数在逐年增加;6年间O₃浓度年际变化呈下降趋势,以-0.02μg·m^-3的年均速率变化;O₃浓度季节变化明显,夏季最高,其次是春季、秋季、冬季;O₃月平均浓度呈倒“V”形单峰变化,主要在6—8月浓度较高,12月浓度最低,O₃浓度超标日主要集中在6、7月;O₃浓度与气象要素呈密切关系,在非采暖期,O₃-8 h浓度与日平均气温和日照时数具有正相关趋势,与日平均气压、日平均相对湿度以及平均风速具有负相关趋势,降水对大气O₃     

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。     

消雷器电晕电流的测量和理论分析

迄今为止,“消雷器”产生的电晕电流及其“消雷”机理尚有争论。本文利用一种“消雷器”实测电晕电流和电场强度,并根据一次闪电后地面电场恢复特征,从理论上估算了恢复时段内电晕电流密度。结果表明,即使在电场恢复到较为稳定的时刻,测量值仍比理论值约大一个量级,而理论值和地面自然尖端产生的电晕电流在量级上相当,“消雷器”产生的电晕电流不会高于自然尖端的作用。此外,“消雷器”结构（强局地表面电场、较大电晕有效面     

Corona processes and lightning attachment: The effect of wind during thunderstorms

A simple model of a glow corona occurring near the tip of a grounded electrode in a thundercloud electric field that can be enhanced by an approaching downward leader has been studied analytically and numerically with regard to the effect of wind. We obtained an approximate expression for corona current taking into account the (i) removal of space charge from the coronating point due to ion drift and wind and (ii) image of the charge in the ground. As the wind velocity decreases to zero, the expression tends to that obtained previously in the absence of wind. It was shown analytically and numerically that, in a thundercloud electric field, even moderate wind velocities lead to hundreds of percent increase in the corona current. This current decreases with time only slightly in a steady thundercloud electric field, as opposed to the current behavior in the absence of wind. However, even strong wind is not sufficient to affect the properties of a corona intensified in the electric field of an approaching downward leader. The occurrence of wind does not affect the conditions for initiation of an upward connecting leader from grounded objects and consequently the efficiency of lightning rods of ordinary height.     

地面电场仪测量数据的误差来源及分析处理

地面电场仪测量数据准确性和一致性会直接影响到其在研究区域大气电学和进行雷电预警工作的应用准确度。通过模拟理论计算和实际观测数据进行的统计对比分析,指出了电场仪自身高度和周围环境均会产生测量误差,不同高度上的电场测量值与地表处均呈现出一定的正相关性。在晴天和雷暴两种天气情况下,由于产生地面电场的电荷源不同,提出了分别利用统计和线性拟合对这两类测量数据进行修正的方法。     

利于上行负地闪始发的电荷区参数数值模拟

在经典偶极性电荷结构下,结合已有的闪电放电参数化方案及中国气象局雷电野外科学试验基地的广州高建筑物雷电观测站(Tall-Object Lightning Observatory in Guangzhou,TOLOG)观测分析结果,不断调整主负电荷区参数进行二维高分辨率闪电模拟试验,讨论自持型上行负地闪与云中闪电之间的相互竞争关系以及有利于自持型上行负地闪始发的云中电荷结构。数值模拟结果表明:自持型上行负地闪始发与电荷结构存在一定关系,在主负电荷区越高的情况下,始发自持型上行负地闪需要的主负区电荷密度与电荷分布范围越大。对于不同类型的闪电始发条件,推测存在自持型上行负地闪始发的主负电荷区高度阈值,当主负电荷区高度高于该值时,随着主负区电荷量的不断累积,会始发起始于云中的闪电而不是自持型上行负地闪,当主负电荷区高度低于该值时,电荷的不断积累会导致自持型上行负地闪始发。     

雷电过程中大气电场信号处理方法探究

基于天津市蓟州区大气电场探测数据和闪电定位数据，利用功率谱分析、小波降噪和快速傅里叶变换等信号处理方法，分析了雷电天气过程中地面大气电场变化特征。结果表明，雷电过程中大气电场能量主要集中在低频部分，利用sym5小波函数进行7层或8层分解，提取的低频信号能够反映大气电场的主要变化特征。在首次闪电发生前1小时，大气电场的频谱幅值起伏变化明显，且远高于非雷电天气电场频谱幅值。通过欧氏距离判别法，判断大气电场频谱特征更接近雷电天气还是非雷电天气，可为雷电预报预警提供参考。     

基于大气电场资料的雷电临近预警研究

通过分析深圳地区2012年6—9月17次雷暴过程的电场观测资料,并结合广东省闪电定位资料,发现当雷暴云移近电场仪测站时,在测站的防护区内(距测站10 km半径范围内),闪电发生前的电场幅值快速增加且伴随有快变抖动的现象,并且快变抖动和闪电的发生具有0-1化对应关系,即当有电场的快变抖动出现的情况下,电场达到一定阈值并维持一段时间后,防护区内发生闪电的可能性很大.因此根据大气电场的波形特征,提取出与闪电相关性较高的因子,利用多元回归技术建立一套预报方程,根据该预报方程得出最佳预警参数.结果表明:当大气电场阈值达到0.86 kV/m,且在10.73 min内电场能维持在阈值上,并伴随有电场的抖动时,在防护区内发生闪电的可能性很大,预警准确率达53%.