本文關(guān)鍵詞：高建筑物對閃電活動及其特征的影響研究

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【摘要】：隨著大城市的發(fā)展,高建筑物越來越多且高度也越來越高,因此人們對高建筑物對閃電活動的影響以及高建筑物的雷電防護問題越來越關(guān)注。為了研究高建筑物對閃電活動及其特征的影響,我們在廣州地區(qū)開展了高建筑物雷電綜合觀測試驗,獲取了高建筑物自然閃電高時空分辨率光學及電磁場同步觀測資料,分析發(fā)現(xiàn)高建筑物的存在可導致其附近區(qū)域地閃活動增多,擊中高建筑物的雷電的回擊電磁場幅值以及電流上升時間均會增大,并觀測到激發(fā)自高建筑物上的上行先導長度可超過1km。在此基礎上,建立了包含上行連接先導效應的高建筑物雷電回擊模型和高建筑物雷電先導連接模型,模擬分析了高建筑物對雷電特征參數(shù)的影響,深化了對雷電放電物理過程的科學認識。獲得的主要成果如下：(1)建立了高建筑物雷電綜合觀測站,實現(xiàn)了雷電連接過程光學觀測系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)、電磁場觀測系統(tǒng)、雷聲探測系統(tǒng)同步觸發(fā)的全自動觀測。在廣州高建筑物雷電觀測站獲取了一批高質(zhì)量的自然閃電高時空分辨率聲、光、電、磁多參量同步觀測資料。基于這些資料并結(jié)合人工觸發(fā)閃電試驗觀測結(jié)果對廣東電網(wǎng)閃電定位系統(tǒng)性能進行了評估,發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)的閃電探測效率為94%,平均定位誤差為710 m,平均電流幅值反演相對誤差為16.3%。(2)分析了高度為600 m的廣州塔周圍1 km半徑區(qū)域內(nèi)閃電定位系統(tǒng)觀測資料,發(fā)現(xiàn)廣州塔建成后(2010-2012)該區(qū)域內(nèi)年均負地閃回擊次數(shù)和平均回擊電流幅值分別為建設之前(1999-2005)的2.5倍和2.2倍。同時,對比分析了廣州市內(nèi)的農(nóng)田和丘陵區(qū)域1km半徑區(qū)域內(nèi)同期的閃電定位資料,發(fā)現(xiàn)農(nóng)田區(qū)域(丘陵區(qū)域)2010-2012期間年均負地閃回擊次數(shù)和平均回擊電流幅值分別為1999-2005期間的1.9(1.5)倍和1.0(1.1)倍。這進一步證實了高建筑物的存在可導致其附近區(qū)域地閃活動頻次以及回擊電磁輻射場出現(xiàn)更明顯的增強變化。(3)分析了不同高度建筑物上發(fā)生的下行閃電的光電同步資料,發(fā)現(xiàn)接地點高度小于200 m的地閃回擊次數(shù)在1-14次之間,算術(shù)平均值(以下簡稱平均值)為3.7次,單回擊地閃發(fā)生概率為51%,地閃回擊間隔時間在4-392 ms范圍之間(平均值95 ms)；而接地點高度大于200 m的地閃回擊次數(shù)在1-8次之間(平均值2.6次),單回擊地閃發(fā)生概率為55%,回擊間隔時間在11-446 ms范圍之間(平均值為94 ms),兩類地閃的回擊次數(shù)和回擊間隔時間的差異不大,說明高建筑物對下行閃電的回擊次數(shù)和回擊間隔時間沒有明顯的影響。(4)接地點高度大于200 m的地閃的首次回擊電流幅值和繼后回擊電流幅值的平均值分別為接地點高度小于200 m地閃的1.8和1.5倍。接地點高度大于200 m的地閃的首次回擊光強脈沖10%-90%波前時間、首次回擊光強脈沖10%波前-50%波后半寬時間、繼后回擊光強脈沖10%-90%波前時間、繼后回擊光強脈沖10%波前-50%波后半寬時間均大于接地點高度小于200 m的地閃,前者的平均值分別為后者的7.4、3.1、4.3和2.4倍。揭示出更高的建筑物對閃電回擊電磁場幅值及波形特征有更明顯的影響,而且高建筑物對下行閃電首次回擊電磁場幅值及波形特征的影響比繼后回擊的更大。(5)建立了一個包含上行連接先導效應的高建筑物雷電回擊模型,根據(jù)高建筑物雷電首次回擊磁場實測波形對該模型進行了驗證,利用該模型對不同高度建筑物上雷電的首次回擊和繼后回擊時建筑物頂部電流以及距離建筑物100 km處的水平磁場進行了模擬計算,并和實際觀測統(tǒng)計結(jié)果進行了對比分析,發(fā)現(xiàn)相比于以往沒有考慮上行連接先導效應的高建筑物回擊模型,該模型對具有長上行連接先導的高建筑物下行閃電首次回擊特征參數(shù)的計算結(jié)果和實際觀測結(jié)果更為接近。模擬分析表明,高建筑物上長的上行連接先導一方面延長了回擊電流傳輸?shù)酱蟮夭⒎瓷浠亻W電通道所需的時間,造成了首次回擊時閃電回擊通道電流上升時間更大,另一方面上行連接先導中的微電流源參與回擊放電導致了首次回擊磁場幅值更大,這闡明了高、矮建筑物首次回擊特征參數(shù)的差異比繼后回擊更大的主要原因。(6)對發(fā)生在高度超過350 m的三棟高建筑物上的10次負極性下行自然閃電首次回擊前的連接過程進行了分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)：上行連接先導相對于首次回擊的平均提前起始時間在0.6-1.8 ms之間(平均值1.0 ms),二維發(fā)展長度在187-750 m之間(平均值455m)；二維發(fā)展速度在0.6-21.4×105m/s之間(平均值4.8×105m/s),下行先導與上行先導的平均二維發(fā)展速度比大約為0.8。建立了高建筑物頂部上、下行先導連接過程計算模型,對上行先導起始時間、發(fā)展速度變化以及發(fā)展長度的模擬計算結(jié)果與實際觀測結(jié)果比較接近。模擬分析表明更高的建筑物可導致上行先導起始時間更早和發(fā)展長度更大,但建筑物高度對上行先導平均發(fā)展速度的影響不明顯。
【關(guān)鍵詞】：高建筑物 下行閃電 回擊特征 回擊模式 先導 連接過程
【學位授予單位】：南京信息工程大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：P427.3
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 緒論12-26
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 相關(guān)研究進展13-22
• 1.3 本文主要研究內(nèi)容22-26
• 第2章 高建筑物雷電觀測試驗26-44
• 2.1 觀測場地26-28
• 2.2 觀測系統(tǒng)28-31
• 2.3 廣東電網(wǎng)閃電定位資料檢驗31-42
• 2.4 本章小結(jié)42-44
• 第3章 高建筑物負極性地閃回擊特征分析44-58
• 3.1 引言44
• 3.2 高建筑物區(qū)域與野外區(qū)域閃電定位資料對比分析44-47
• 3.3 不同高度建筑物上的下行地閃回擊特征分析47-54
• 3.4 分析和討論54-56
• 3.5 本章小結(jié)56-58
• 第4章 上行連接先導對高建筑物下行閃電首次回擊特征影響的模擬58-84
• 4.1 引言58-59
• 4.2 考慮上行連接先導的高建筑物下行閃電首次回擊工程模型59-67
• 4.3 個例模擬67-70
• 4.4 不同高度建筑物首次回擊和繼后回擊的模擬70-81
• 4.5 分析和討論81-82
• 4.6 本章小結(jié)82-84
• 第5章 高建筑物閃電連接過程的觀測和模擬84-108
• 5.1 引言84
• 5.2 個例分析84-96
• 5.3 特征參數(shù)分析96-99
• 5.4 高建筑物頂部連接過程模擬99-106
• 5.5 本章小結(jié)106-108
• 第6章 高建筑物頂部上行未連接先導特征分析108-122
• 6.1 引言108
• 6.2 資料108-115
• 6.3 上行未連接先導特征參數(shù)統(tǒng)計115-120
• 6.4 本章小結(jié)120-122
• 第7章 一次單通道下行雙極性自然閃電的特征分析122-136
• 7.1 引言122-123
• 7.2 觀測系統(tǒng)參數(shù)設置123-124
• 7.3 觀測結(jié)果124-133
• 7.4 本章小結(jié)133-136
• 第8章 結(jié)論與展望136-140
• 8.1 主要結(jié)論136-138
• 8.2 討論138
• 8.3 對未來工作的展望138-140
• 參考文獻140-146
• 致謝146-147
• 個人簡介147

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本文編號：725808