多上行先导模型先导传播速率比优化及模拟研究

下行先导与上行先导的相对速率比可能是闪电连接过程的关键因子之一,随机闪电连接模式中先导相对传播速率比不能准确描述下行与上行先导的相对传播距离比值。考虑到光学观测事实及雷暴电场环境,在已有多上行先导三维随机参数化方案的基础上对下行负地闪开展模拟,改进背景电场模块设置,并植入下行负先导与上行正先导相对传播速率模块,以先导传播距离为依据设置先导相对传播速率。将改进后的模型应用于平顶单建筑物触发多上行先导现象的模拟,与改进前相比,该模型的闪击距、上行先导长度等参数与自然闪电一致性更好;在此基础上对发生在广州珠江新城高建筑物群上的地闪连接过程进行模拟,改进后的模型能够较好还原复杂建筑物群的闪电发生规律。城市建筑物群的雷击特征参量主要由各个建筑物的形状特征、相对位置以及相对高度等因素所决定,但仍有特殊事件发生,当下行先导的某一分支与建筑物空间距离临近时,会在建筑物顶部起始上行先导并连接。

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12~709m,起始高度为360~600m,距连接点水平距离为255~1026m,距下行先导最近分支的距离为326~589m,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。

高矮建筑物多上行先导连接过程的数值模拟

运用改进后的三维多先导模型,允许高矮建筑物上均可以始发上行先导,对多次地闪的连接过程进行模拟。结果表明:矮建筑物始发上行先导和被击中的概率较小,高建筑物对矮建筑物上行先导的始发具有较明确影响。建筑物间的高度差是影响上述连接过程的主要因子,当建筑物间高度差较小时,高建筑物对矮建筑物的屏蔽效应不明显,下行先导通道的相对位置对矮建筑物是否优先始发上行先导存在影响;随着建筑物间高度差的增加,矮建筑物难以优先始发上行先导,只在下行先导通道明显偏向矮建筑物时,矮建筑物才可能始发上行先导,并有一定概率与下行先导连接形成回击;当建筑物间高度差超过某阈值后,矮建筑物既不会始发上行先导,更不会被击中。

地闪三维随机模型的改进及多上行先导的数值模拟研究

为了探讨地闪连接过程中多上行先导的起始与发展,考虑到光学观测事实及雷暴电场环境,本研究在已有多上行先导三维随机参数化方案的基础上,植入背景电场模块并改进上、下行先导模块。基于新模型开展大量敏感性试验,结果如下:(1)新模型模拟的下行先导形态多样、分支数大幅度减少,能更好地再现多样的地闪连接过程。(2)在孤立建筑物情况下,上行先导长度、闪击距离以及触发多上行先导的次数与建筑物高度成正相关。(3)随着建筑物增高,同一次地闪中首个始发的上行先导与后续始发的上行先导间的起始时间差整体呈现上升趋势。初步研究表明:建筑物高度对触发多上行先导的影响显著。此外,受到建筑物高度及正、负先导发展情况的影响,低矮建筑物触发的多上行先导几乎同时起始,而高建筑物上允许首个始发的上行先导优先发展一定长度后再始发后续上行先导。

基于三维多上行先导模型的高建筑物年雷击次数分析

为提高建筑物安全性,更准确评估建筑物雷击风险,利用三维多上行先导模型模拟雷击建筑物,计算出建筑物的年雷击次数。首先,通过改变模型中建筑物高度,闪电始发位置和闪电强度进行大量模拟,计算出闪电从不同位置始发时建筑物的雷击概率;然后,对建筑物上空一定范围内始发闪电进行总体分析,计算出不同高度建筑物的年雷击次数;最后得出一个利用建筑物高度和闪电强度计算的经验公式。结果表明:模拟得出的结果与观测结果相近,相较于《建筑物防雷设计规范》(GB 50057—2010)以及一些利用二维模型得出的经验公式,在一定程度上更精确的计算了建筑物的年雷击次数。

高建筑物对矮建筑物保护作用的三维数值模拟

运用三维高分辨率随机多先导连接模型,设置高矮两座建筑物并改变其中矮建筑物的高度以及高矮两座建筑物水平距离,同时设置孤立矮建筑物进行对照,探究多先导模式下高建筑物对矮建筑物的保护作用。结果表明:高矮建筑物距离较近时,下行先导的发展完全受高建筑影响;随着建筑物水平距离增加,高建筑物对先导主通道仍然存在明显吸引效应。当矮建筑物雷击概率的增长趋势出现明显减缓的分界点,此时与孤立矮建筑物的雷击概率仅相差3.6%,但单次闪电的连接过程仍存在显著差异。通过对比不同建筑物水平距离与孤立建筑物的雷击结果,高矮建筑物水平距离由400 m增至600 m,差异则从44.5%降低至22.7%。在相同高建筑物影响下,不同高度矮建筑物的雷击概率变化趋势亦存在该特征,高度为50,100,150 m和200 m的矮建筑物对应的雷击增长速率分界点的水平距离为300,450,550 m和600 m。