几种闪电回击模型

介绍了 5种闪电回击模型 ,并在指定通道底部电流情况下对其进行了分析、比较。在这些模型的基础上 ,当设定底部电流波形时 ,可计算通道中的电流和电荷的分布以及由其产生的电磁场。

闪电回击工程模型的有效性研究

为了分析几种常用的闪电回击工程模型的有效性,将回击通道底部电流表示为击穿电流和电晕电流的叠加,利用脉冲函数描述回击通道底部电流波形,选择了一种比较典型的回击通道底部电流波形参数,分别对Bruce-Golde(BG)模型、运动电流源(TCS)模型、Diendorfer-Uman(DU)模型、传输线(TL)模型、电流指数衰减的传输线(MTLE)模型和电流线性衰减的传输线(MTLL)模型6种回击工程模型产生的不同场区回击电磁场进行了计算,并将计算结果与实际测量得到的不同场区回击电磁场特征进行了比较。结果表明基于MTLL回击模型计算得到的不同场区回击电磁场能够符合实际测量回击电磁场所具有的4个特征:(1)电场与磁场都有1个快速上升的初始峰值,当观测距离>1km时该峰值的数值与距离接近成反比;(2)几十km距离以内的电场在起始峰值之后有1个缓慢的上升沿,其持续时间可长达100μs;(3)几十km距离以内的磁场在起始峰值后有1个隆起,其最大值在10～40μs之间;(4)50～100km距离之间的电磁场在初始峰值后几十μs内都有过零点。依据另外5种回击工程模型计算得到的回击电磁场不能与实际测量闪电回击电磁场的特征完全相符。因此,MTLL回击模型具有相对更高的精确度和有效性。

闪电回击场多尺度分析

利用聚合经验模式分解(EEMD)方法对闪电负地闪回击电场波形进行了分析并得到一系列具有物理意义的内禀模态函数(IMF)。结果表明,IMF1是高频噪声项,趋势项R主要是静电场作用的结果。IMF2～IMF11表现出闪电通道的不同尺度放电特征。通过计算IMF分形维数,发现越高阶的IMF对应着越大的分形维数,表明越高阶的IMF对应着越曲折的闪电放电通道。相比于基于经验模式分解(EMD)的希尔伯特-黄变换(HHT)谱和小波谱,基于EEMD的HHT谱能改善模态混叠现象,EEMD更适合于观察像闪电这种非平稳非线性信号。

光谱法研究闪电回击放电通道的电阻及电流的热效应

闪电放电通道的电阻及电流产生的热效应对雷电灾害研究以及防护设计都具有重要意义,放电通道的热力学特性与其等离子体辐射光谱密切相关。利用无狭缝摄谱仪获得的两次云对地多回击闪电放电的等离子体辐射光谱,依据谱线波长、强度等信息,结合同步地面电场变化资料,应用空气等离子体传输理论,计算了闪电回击放电通道的电导率、峰值电流、核心通道半径,进而得到了闪电回击等离子体通道单位长度的电阻、峰值电流时的热功率及在回击初始前5μs内通道储存的热能。并与常规金属导体进行比较,分析了闪电回击放电在峰值电流时等离子体通道的热功率与电阻、电流平方之间的相关性关系。结果表明:利用光谱研究得到的闪电放电通道的电阻为0.04~8.41Ω·m^-1、峰值电流时的热功率为0.88×10^8~2.20×10^8 W·m^-1、回击初始前5μs内通道储存的热能为1.47×10^2~3.66×10^2 J·m^-1,以上结果与文献报道的利用其他方法得到的结果相比,在合理的范围内;与常规金属导体相比,闪电回击放电等离子体通道在峰值电流时的热功率与电阻成正比,但与电流的平方呈指数减小的关系;由于闪电等离子体通道的电阻与温度的3/2次方成反比,通常回击放电通道中峰值电流越大,通道温度越高,而电阻会迅速降低,因此热功率也会急剧减小。此结论进一步验证了采用欧姆加热方法加热等离子体的致命缺点。

依据不同波段光谱诊断闪电回击通道温度

利用高速无狭缝光栅摄谱仪捕获到的一次闪电光谱资料,结合等离子体光谱理论,选用不同波段的光谱信息估算了闪电回击通道温度.结果表明:用不同波段的谱线组—单电离氮原子(NII)、中性氧原子(OI)和中性氮原子(NI),基于玻尔兹曼图法估算的闪电回击通道平均温度分别为43270 K,17660 K和17730 K;同时用NII和NI两个谱线组,基于萨哈-玻尔兹曼图法估算得到的闪电回击通道平均温度为24770 K.依据闪电通道电晕鞘模型和光谱辐射理论推断,单独选用NII谱线组获得的温度应该是闪电回击通道核心的温度,单独选用NI或OI谱线组获得的温度应该是围绕在闪电回击通道核心周围电晕鞘的温度;同时选用NII和NI谱线组,获得的温度应该是在曝光时间内整个通道截面(包括通道核心和电晕鞘)的平均温度.

福建省多回击闪电特征参数的统计分析

选取福建省2013—2015年ADTD闪电定位资料,根据多回击闪电特征,借鉴多回击闪电判别指标,对闪电资料进行回击归并处理,重点统计分析同期福建多回击闪电的分布规律与特征参数。结果表明:福建省多回击闪电占比为30.58%,平均回击次数为1.49次,其中正、负极性闪电平均回击数为1.02次和1.52次,负极性多回击最多包含12次回击,而正极性多回击最多包含4次回击;正极性多回击闪电的首次回击和继后回击的平均电流强度分别为45.03 kA和26.81 kA,最大电流强度分别为163.13 kA和149.21 kA,负极性多回击闪电的首次回击和继后回击的平均电流强度分别为-11.52 kA和-9.23 kA,最大电流强度分别为-103.71 kA和-96.12 kA,首次回击的电流强度多数大于继后回击的电流强度;回击间隔时间呈准正态分布,其中间隔时间为60~90 ms的回击次数最多,其算术平均值为135.36 ms;正、负多回击次数的日峰值分别出现在17时和16时,5—9月为多回击闪电的高发期。

远距离地闪回击ELF/VLF电磁场传播特性的模拟分析

闪电放电产生的频谱范围从几赫兹到几十兆赫兹,但是多数电磁场能量集中在低频和甚低频区。建立了一种新的更简便的近似解析算法来计算中远距离闪电回击电磁场。该近似算法将电磁波沿不同性质复杂地表传播的衰减函数在频域上分化为电导率衰减和地表曲率衰减两个函数的卷积,这样衰减函数物理意义更为明确,避开了和原来复杂的高震荡艾里函数有关的微分方程求解过程,计算过程大幅简化。通过繁琐繁杂但高精度的牛顿迭代求解法验证,证明了本文近似算法能很好的计算中距离闪电回击辐射场的幅值、波头时间等参量,在地面电导率为4 S·m^(-1),0.01 S·m^(-1)和0.001 S·m^(-1)时近似算法的最大误差分别为0.2%,3.3%和8.7%。简化后使得计算效率大大提高,同时通过精度对比,发现提出的近似算法精度是比较理想的。因此,该研究结果更加方便有效地解决了远距离雷电电磁波传播和放电参量的反演。此外计算发现地球曲面对中距离电磁场的传播具有明显的影响。比如,在地球曲面的影响下1 500 km处闪电回击ELF/VLF辐射电磁场的幅值仅仅为平坦地表情况的30%~40%,500km处闪电回击ELF/VLF辐射电磁场的幅值仅仅为平坦地表情况的75%~80%。

地面建筑物(群)对地闪回击电磁环境的影响

为了研究地闪回击电磁辐射受周边建筑的影响,进而提高闪电探测效率,建立建筑、闪电通道空间一体化计算模型,基于TL雷电回击电流模式,采用时域有限差分法对单建筑和多建筑的情况进行数值计算。结果显示：对有无环境建筑存在磁场的变化不明显,而电场的变化十分显著;建筑的存在对建筑前后电场存在一定削弱作用,尤其是多建筑时,处于中间区域的电场减少的更为显著;无论单建筑还是多建筑建筑顶端的电场明显增大,并且当建筑高度一定时该增大比例在一个较为稳定的区间。

FDTD法计算地闪回击时地下水平电场

闪电放电过程中产生的电磁脉冲会危害地下通信、监控、电力、计算机等现代化系统,不利于地下空间活动的开展,甚至会威胁到人们的生命安全。主要研究了地闪发生时的地下水平电场。在MTLL闪电回击模型基础上,建立地下水平电场的二维柱坐标时域有限差分计算模型,对比分析距离闪电通道水平距离、深度、土壤电导率大小及其分布、回击电流等对地下水平电场特征的影响。

基于改进聚类分析与网格搜索优化的雷电定位算法研究

为了提高雷电定位精度与算法模型性能,在定位计算中引入了改进的聚类分析算法,评估了不同算法在国家雷电监测网中的性能。仿真结果表明,具有噪声的基于自适应密度的空间聚类(ADBSCAN)能根据实际定位结果间聚合程度自适应确定邻域参数,实际应用效果最好。最后提出了一套基于改进ADBSCAN聚类分析与网格搜索优化的雷电定位算法(ADGLLA)。在相同回击数量的条件下,ADG-LLA相较于国家雷电监测网得到了更多的定位结果,闪电回击数据利用率从42.78%提高至56.37%,且定位效果较好,精确度更高,平均定位误差也比国家雷电监测网降低了30.78%。文中设计的雷电定位算法能有效识别噪声数据,克服了传统迭代算法计算量大且易于陷入局部最优等缺点,可稳定并精确求解出雷击点。

广东省中部地区雷暴团特征的初步分析

基于DBSCAN聚类算法,利用2016—2018年的粤港澳闪电定位资料,综合考虑了雷暴团的面积、闪电频次、平均电流以及闪电的最大放电电流等指标,提出了一种雷暴强度指数定义及分级方法。

基于不同的参数设置研究雷击高塔地闪回击电磁辐射场特性

高塔作为频受雷击的群体,研究其周围的雷电电磁环境有助于优化其附近的防雷设施,因此可以更好的对其周围的电力,电子和通讯设备进行雷电防护。利用TL模型推导出来的新的表达式来计算电场和磁场的大小,通过设置不同的参数,在雷击高塔和雷击地面这两种情况下,对不同水平距离处的电场和磁场值进行了分析和对比。得出了以下结论:在高塔存在的理想情况下,高塔近距离处的电场与地面处的电场相比是减小的,这表明高塔对近距离处的电场有屏蔽作用,而其磁场则与雷击地面的情况是相同的。随着[ρtop],[ρbot]值的改变,在不同水平距离处的观察点的电场和磁场的峰值大小也在改变,当它们的值减小时,高塔远区的电场和磁场的值都会存在一个增强效应,即存在一个远区增强因子。