高建筑物对闪电活动及其特征的影响研究

发布时间：2017-08-23 15:26

  本文关键词：高建筑物对闪电活动及其特征的影响研究

  更多相关文章： 高建筑物 下行闪电 回击特征 回击模式 先导 连接过程

【摘要】：随着大城市的发展,高建筑物越来越多且高度也越来越高,因此人们对高建筑物对闪电活动的影响以及高建筑物的雷电防护问题越来越关注。为了研究高建筑物对闪电活动及其特征的影响,我们在广州地区开展了高建筑物雷电综合观测试验,获取了高建筑物自然闪电高时空分辨率光学及电磁场同步观测资料,分析发现高建筑物的存在可导致其附近区域地闪活动增多,击中高建筑物的雷电的回击电磁场幅值以及电流上升时间均会增大,并观测到激发自高建筑物上的上行先导长度可超过1km。在此基础上,建立了包含上行连接先导效应的高建筑物雷电回击模型和高建筑物雷电先导连接模型,模拟分析了高建筑物对雷电特征参数的影响,深化了对雷电放电物理过程的科学认识。获得的主要成果如下：(1)建立了高建筑物雷电综合观测站,实现了雷电连接过程光学观测系统、高速摄像系统、电磁场观测系统、雷声探测系统同步触发的全自动观测。在广州高建筑物雷电观测站获取了一批高质量的自然闪电高时空分辨率声、光、电、磁多参量同步观测资料。基于这些资料并结合人工触发闪电试验观测结果对广东电网闪电定位系统性能进行了评估,发现该系统的闪电探测效率为94%,平均定位误差为710 m,平均电流幅值反演相对误差为16.3%。(2)分析了高度为600 m的广州塔周围1 km半径区域内闪电定位系统观测资料,发现广州塔建成后(2010-2012)该区域内年均负地闪回击次数和平均回击电流幅值分别为建设之前(1999-2005)的2.5倍和2.2倍。同时,对比分析了广州市内的农田和丘陵区域1km半径区域内同期的闪电定位资料,发现农田区域(丘陵区域)2010-2012期间年均负地闪回击次数和平均回击电流幅值分别为1999-2005期间的1.9(1.5)倍和1.0(1.1)倍。这进一步证实了高建筑物的存在可导致其附近区域地闪活动频次以及回击电磁辐射场出现更明显的增强变化。(3)分析了不同高度建筑物上发生的下行闪电的光电同步资料,发现接地点高度小于200 m的地闪回击次数在1-14次之间,算术平均值(以下简称平均值)为3.7次,单回击地闪发生概率为51%,地闪回击间隔时间在4-392 ms范围之间(平均值95 ms)；而接地点高度大于200 m的地闪回击次数在1-8次之间(平均值2.6次),单回击地闪发生概率为55%,回击间隔时间在11-446 ms范围之间(平均值为94 ms),两类地闪的回击次数和回击间隔时间的差异不大,说明高建筑物对下行闪电的回击次数和回击间隔时间没有明显的影响。(4)接地点高度大于200 m的地闪的首次回击电流幅值和继后回击电流幅值的平均值分别为接地点高度小于200 m地闪的1.8和1.5倍。接地点高度大于200 m的地闪的首次回击光强脉冲10%-90%波前时间、首次回击光强脉冲10%波前-50%波后半宽时间、继后回击光强脉冲10%-90%波前时间、继后回击光强脉冲10%波前-50%波后半宽时间均大于接地点高度小于200 m的地闪,前者的平均值分别为后者的7.4、3.1、4.3和2.4倍。揭示出更高的建筑物对闪电回击电磁场幅值及波形特征有更明显的影响,而且高建筑物对下行闪电首次回击电磁场幅值及波形特征的影响比继后回击的更大。(5)建立了一个包含上行连接先导效应的高建筑物雷电回击模型,根据高建筑物雷电首次回击磁场实测波形对该模型进行了验证,利用该模型对不同高度建筑物上雷电的首次回击和继后回击时建筑物顶部电流以及距离建筑物100 km处的水平磁场进行了模拟计算,并和实际观测统计结果进行了对比分析,发现相比于以往没有考虑上行连接先导效应的高建筑物回击模型,该模型对具有长上行连接先导的高建筑物下行闪电首次回击特征参数的计算结果和实际观测结果更为接近。模拟分析表明,高建筑物上长的上行连接先导一方面延长了回击电流传输到大地并反射回闪电通道所需的时间,造成了首次回击时闪电回击通道电流上升时间更大,另一方面上行连接先导中的微电流源参与回击放电导致了首次回击磁场幅值更大,这阐明了高、矮建筑物首次回击特征参数的差异比继后回击更大的主要原因。(6)对发生在高度超过350 m的三栋高建筑物上的10次负极性下行自然闪电首次回击前的连接过程进行了分析,结果发现：上行连接先导相对于首次回击的平均提前起始时间在0.6-1.8 ms之间(平均值1.0 ms),二维发展长度在187-750 m之间(平均值455m)；二维发展速度在0.6-21.4×105m/s之间(平均值4.8×105m/s),下行先导与上行先导的平均二维发展速度比大约为0.8。建立了高建筑物顶部上、下行先导连接过程计算模型,对上行先导起始时间、发展速度变化以及发展长度的模拟计算结果与实际观测结果比较接近。模拟分析表明更高的建筑物可导致上行先导起始时间更早和发展长度更大,但建筑物高度对上行先导平均发展速度的影响不明显。
【关键词】：高建筑物 下行闪电 回击特征 回击模式 先导 连接过程
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P427.3
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-26
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 相关研究进展13-22
• 1.3 本文主要研究内容22-26
• 第2章 高建筑物雷电观测试验26-44
• 2.1 观测场地26-28
• 2.2 观测系统28-31
• 2.3 广东电网闪电定位资料检验31-42
• 2.4 本章小结42-44
• 第3章 高建筑物负极性地闪回击特征分析44-58
• 3.1 引言44
• 3.2 高建筑物区域与野外区域闪电定位资料对比分析44-47
• 3.3 不同高度建筑物上的下行地闪回击特征分析47-54
• 3.4 分析和讨论54-56
• 3.5 本章小结56-58
• 第4章 上行连接先导对高建筑物下行闪电首次回击特征影响的模拟58-84
• 4.1 引言58-59
• 4.2 考虑上行连接先导的高建筑物下行闪电首次回击工程模型59-67
• 4.3 个例模拟67-70
• 4.4 不同高度建筑物首次回击和继后回击的模拟70-81
• 4.5 分析和讨论81-82
• 4.6 本章小结82-84
• 第5章 高建筑物闪电连接过程的观测和模拟84-108
• 5.1 引言84
• 5.2 个例分析84-96
• 5.3 特征参数分析96-99
• 5.4 高建筑物顶部连接过程模拟99-106
• 5.5 本章小结106-108
• 第6章 高建筑物顶部上行未连接先导特征分析108-122
• 6.1 引言108
• 6.2 资料108-115
• 6.3 上行未连接先导特征参数统计115-120
• 6.4 本章小结120-122
• 第7章 一次单通道下行双极性自然闪电的特征分析122-136
• 7.1 引言122-123
• 7.2 观测系统参数设置123-124
• 7.3 观测结果124-133
• 7.4 本章小结133-136
• 第8章 结论与展望136-140
• 8.1 主要结论136-138
• 8.2 讨论138
• 8.3 对未来工作的展望138-140
• 参考文献140-146
• 致谢146-147
• 个人简介147

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本文编号：725808