， ，

(1.南京信息工程大學(xué)中國(guó)氣象局氣溶膠-云-降水重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，南京 210044； 2.中國(guó)氣象科學(xué)研究院 災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/雷電物理和防護(hù)工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100081； 3.上海市航空 航天器電磁環(huán)境效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200438)

0 引言

當(dāng)前，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，城市地區(qū)的高建筑物逐年增多并形成了具有一定規(guī)模的建筑物群。由于高建筑物誘發(fā)閃電的能力較強(qiáng)，一次雷暴過(guò)境時(shí)，區(qū)域內(nèi)單個(gè)或多個(gè)高建筑物可能會(huì)遭受多次雷擊，從而導(dǎo)致城市區(qū)域內(nèi)雷電電磁環(huán)境十分惡劣。為了研究城市地區(qū)的雷電電磁環(huán)境，國(guó)外一些科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展了城市地區(qū)的雷電電磁場(chǎng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。然而由于城市地區(qū)觀測(cè)場(chǎng)地的限制，城市區(qū)域內(nèi)的雷電電磁場(chǎng)觀測(cè)設(shè)備一般放置于建筑物的頂部，而地閃回?fù)舢a(chǎn)生的電磁輻射在空間傳播時(shí)會(huì)受到地面構(gòu)筑物的影響，這使得設(shè)備接收到的雷電電磁信號(hào)會(huì)受到所處建筑物的影響而發(fā)生畸變。為了更好地探究和解釋這一情況，就需要進(jìn)一步了解建筑物對(duì)雷電電磁場(chǎng)傳播的影響程度。

國(guó)外一些學(xué)者[1-4]主要通過(guò)電磁仿真等方式對(duì)雷擊平坦大地情況下的雷電電磁場(chǎng)進(jìn)行了研究，比較了觀測(cè)點(diǎn)(場(chǎng)點(diǎn))位于建筑物頂部時(shí)的電磁場(chǎng)和場(chǎng)點(diǎn)位于地面處的電磁場(chǎng)。他們發(fā)現(xiàn)：當(dāng)場(chǎng)點(diǎn)位于建筑物頂部時(shí)，雷電電磁場(chǎng)均會(huì)產(chǎn)生不同程度的畸變，而垂直電場(chǎng)的畸變更為顯著。并且，他們采用了增強(qiáng)因子(建筑物頂部電場(chǎng)與地面電場(chǎng)的比值)來(lái)描述建筑物對(duì)雷電垂直電場(chǎng)的影響程度。此外，還有一些學(xué)者[5-10]研究了雷擊高塔電磁場(chǎng)沿平坦大地的傳播規(guī)律。然而，國(guó)內(nèi)外關(guān)于雷擊高塔電磁場(chǎng)在建筑物頂部時(shí)的畸變效應(yīng)研究較少，尤其是對(duì)其波形特征的影響。

筆者采用電磁場(chǎng)時(shí)域有限差分?jǐn)?shù)值算法(3D-FDTD)對(duì)雷擊高塔情況下的地閃回?fù)綦姶艌?chǎng)進(jìn)行了仿真，并在場(chǎng)點(diǎn)加入了建筑物，探究了場(chǎng)點(diǎn)處建筑物對(duì)雷擊高塔電磁場(chǎng)波形特征的影響。

1 數(shù)值算法和回?fù)裟Ｐ?/h2>

在三維FDTD[11]中，電場(chǎng)和磁場(chǎng)均涉及到三個(gè)方向的分量，迭代公式如下：

式中：

式中：

仿真過(guò)程中，筆者采用二階Liao[12]吸收邊界條件來(lái)吸收仿真空間邊界處的反射波。雷擊高塔回?fù)裟Ｐ筒捎肂aba和Rakov提出的集總電壓源模型[13-14]，雷電通道與高塔之間的雷電電流源采用Nucci等人提出的電流模型[15]，相關(guān)表達(dá)式如下：

上式為雷電流沿著高塔(0≤z′≤h)情況；

上式為雷電流沿著雷電通道(z′≥h)情況。

雷電電流源波形表達(dá)式如下：

式中：I1=9.9 kA，η=0.845，τ1=0.072 μs，τ2=5 μs，I2=7.5 kA，τ3=100 μs，τ4=6 μs.

為了驗(yàn)證本文所開(kāi)發(fā)的3D-FDTD算法的有效性，這里與文獻(xiàn)[1]中雷擊高塔電磁場(chǎng)位于地面時(shí)的仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。仿真中高塔的高度為100 m，場(chǎng)點(diǎn)位于地面且距離通道50 m，如圖1所示，從中可以看到本文的仿真結(jié)果與文獻(xiàn)中的結(jié)果一致性良好。

圖1 本文算法有效性檢驗(yàn)Fig.1 Validation of the method used in this paper

2 仿真模型配置

仿真工作空間為x×y×z=1 300 m×800 m×1 300 m，全空間離散為10 m×10 m×10 m的立方體網(wǎng)格。雷電通道與觀測(cè)點(diǎn)所處建筑物之間的距離為d，如圖2所示，觀測(cè)點(diǎn)位于建筑物頂部中心位置點(diǎn)P。筆者主要研究了d=100，300，500 m時(shí)，建筑物高度hb=0，50，100，150 m情況下對(duì)其頂部雷電電磁場(chǎng)波形特征的影響，其中hb=0 m表示觀測(cè)點(diǎn)處沒(méi)有建筑物且觀測(cè)點(diǎn)位于地面，建筑物的長(zhǎng)和寬均為40 m。高塔位于雷電通道所在位置，高度為100 m。大地厚度設(shè)置為300 m，雷電通道長(zhǎng)度為900 m。建筑物和大地的電導(dǎo)率[16]均為1 mS/m，相對(duì)介電常數(shù)為10，相對(duì)磁導(dǎo)率為1。

圖2 仿真模型俯視圖Fig.2 Plan view of simulation model

3 仿真結(jié)果與分析

圖3為不同高度建筑物頂部雷電垂直電場(chǎng)波形示意圖，圖3(a)、3(b)、3(c)依次為距離d=100、300和500 m的情況。圖4為不同高度建筑物頂部雷電角向磁場(chǎng)波形示意圖，圖4(a)、4(b)、4(c)依次為距離d=100、300和500 m的情況。

從圖3中可以看到，當(dāng)hb=0 m時(shí)，即場(chǎng)點(diǎn)位于地面，雷擊高塔垂直電場(chǎng)的波形在d=100、300和500 m距離處均呈現(xiàn)出多峰特征。當(dāng)建筑物高度hb=50 m時(shí)，建筑物頂部垂直電場(chǎng)多峰特征依然很明顯，只是電場(chǎng)強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，大約為hb=0 m情況下的兩倍。但當(dāng)建筑物高度hb=100 m時(shí)，建筑物頂部垂直電場(chǎng)不僅在強(qiáng)度上增加，而且波形特征也發(fā)生明顯改變，其多峰特征變得不顯著，如圖3(a)、3(b)和3(c)所示。當(dāng)建筑物高度hb=150 m時(shí)，建筑物頂部雷電垂直電場(chǎng)波形的多峰特征基本消失，尤其對(duì)于d=100 m情況時(shí)，建筑物引起的畸變效應(yīng)最為顯著。

由圖4可以看出，建筑物對(duì)雷擊高塔角向磁場(chǎng)波形的多峰特征幾乎沒(méi)有影響。在磁場(chǎng)強(qiáng)度方面，當(dāng)距離d大于300 m時(shí)，建筑物僅對(duì)磁場(chǎng)波形的峰值有微弱影響。然而當(dāng)距離d小于100 m時(shí)，建筑物對(duì)磁場(chǎng)峰值的影響較為顯著，并且從圖4(a)中可以明顯地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)建筑物高度增大時(shí)，建筑物頂部的角向磁場(chǎng)峰值反而會(huì)減小，這與垂直電場(chǎng)峰值隨建筑物高度變化的規(guī)律恰恰相反。

(a)d=100 m

(b)d=300 m

(c)d=500 m

(a)d=100 m

(b)d=300 m

(c)d=500 m

4 結(jié)語(yǔ)

在城市地區(qū)，由于地面建筑物的存在，雷電電磁場(chǎng)沿地表的傳播規(guī)律十分復(fù)雜。研究城市地區(qū)的雷電電磁環(huán)境對(duì)于雷電探測(cè)以及雷電防護(hù)方法的優(yōu)化具有積極意義。本文主要探究了城市地區(qū)建筑物頂部位置雷電電磁場(chǎng)的傳播規(guī)律，后續(xù)將開(kāi)展城市地區(qū)建筑物附近地上和地下空間雷電電磁環(huán)境等相關(guān)研究工作，為城市地區(qū)架空輸電線路以及埋地電纜的雷電防護(hù)提供理論依據(jù)。