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闪电先导随机模式的建立与应用

任晓毓 张义军 吕伟涛 陶善昌

任晓毓, 张义军, 吕伟涛, 等. 闪电先导随机模式的建立与应用. 应用气象学报, 2011, 22(2): 194-202..
引用本文: 任晓毓, 张义军, 吕伟涛, 等. 闪电先导随机模式的建立与应用. 应用气象学报, 2011, 22(2): 194-202.
Ren Xiaoyu, Zhang Yijun, Lü Weitao, et al. Establishment and application of random lightning leader model. J Appl Meteor Sci, 2011, 22(2): 194-202.
Citation: Ren Xiaoyu, Zhang Yijun, Lü Weitao, et al. Establishment and application of random lightning leader model. J Appl Meteor Sci, 2011, 22(2): 194-202.

闪电先导随机模式的建立与应用

资助项目: 

国家自然科学基金项目 41075003

国家自然科学基金项目 40875003

公益性行业 (气象) 科研专项 GYHY (QX)200706022

详细信息
    通信作者:

    任晓毓, E-mail: renxy@cams.cma.gov.cn

Establishment and Application of Random Lightning Leader Model

  • 摘要: 根据地闪先导发展特征,建立了一个闪电先导的二维随机模式,并模拟研究了下行先导与避雷针或地面的连接过程。模拟得到下行先导感应电荷的数量级为10-4 C/m;下行先导出现明显的分叉,且先导接近地面时分叉逐渐增多;模拟的连接过程形态呈现多样性的特点;建筑物上的避雷针在绝大多数情况下可以有效拦截闪电下行先导,但避雷针正上方的下行先导并不是百分之百击中避雷针,远离避雷针的下行先导仍有很大概率被避雷针拦截;在下行先导与避雷针水平距离一定的条件下,建筑物越宽越矮,避雷针有效拦截闪电先导的概率就越小。
  • 图  1  先导发展示意图

    Fig. 1  Schematic of leader propagation

    图  2  一次模拟的模拟结

    Fig. 2  Simulation results for one simulation

    图  3  下行先导感应电荷的模拟结果

    Fig. 3  Simulation results of induced charge of downward leader

    图  4  先导二维随机模式16种不同情况的模拟结果

    Fig. 4  Simulation results of 16 different conditions of 2D random lightning leader model

    图  5  2009年8月24日19:08:04(北京时) 广州市1次地闪高速摄像记录

    Fig. 5  High-speed video recording of CG lightning at 19:08:04 24 August 2009 in Guangzhou

    表  1  先导二维随机模式16种模拟结果的说明

    Table  1  Description of 16 simulation results of 2D random lightning leader model

    序号 产生上行先导的位置 下行先导的连接位置
    避雷针 建筑表面 地面 避雷针产生
    的上行先导
    建筑表面产生
    的上行先导
    地面产生
    的上行先导
    地面 建筑表面
    情况1
    情况2
    情况3
    情况4
    情况5
    情况6
    情况7
    情况8
    情况9
    情况10
    情况11
    情况12
    情况13
    情况14
    情况15
    情况16
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    表  2  先导二维随机模式16种模拟结果的次数统计表

    Table  2  Numbers of 16 simulation results of 2D random lightning leader model

    下行先导
    与避雷针
    水平距离/m
    建筑尺寸
    (宽×高)
    情况
    1
    情况
    2
    情况
    3
    情况
    4
    情况
    5
    情况
    6
    情况
    7
    情况
    8
    情况
    9
    情况
    10
    情况
    11
    情况
    12
    情况
    13
    情况
    14
    情况
    15
    情况
    16
    0 40 m×30 m 76 0 17 2 0 0 0 0 0 0 0 0 2 1 1 1
    40 m×60 m 90 0 3 2 1 2 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0
    80 m×30 m 65 0 8 8 1 8 0 0 0 0 0 5 2 2 0 1
    50 40 m×30 m 76 0 12 7 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1
    40 m×60 m 92 0 3 3 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0
    80 m×30 m 68 0 12 6 2 6 0 1 0 0 0 3 0 1 0 1
    100 40 m×30 m 81 0 11 3 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0
    40 m×60 m 97 0 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
    80 m×30 m 69 0 10 5 3 6 0 0 0 0 0 5 1 1 0 0
    150 40 m×30 m 73 0 21 3 2 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
    40 m×60 m 90 0 7 0 0 2 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0
    80 m×30 m 73 0 10 6 0 4 0 0 1 1 1 2 2 0 0 0
    200 40 m×30 m 68 0 22 7 2 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0
    40 m×60 m 91 0 4 3 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0
    80 m×30 m 62 0 15 3 3 6 1 1 0 2 0 5 1 1 0 0
    250 40 m×30 m 56 2 25 13 2 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0
    40 m×60 m 75 0 14 7 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1
    80 m×30 m 46 1 14 11 1 4 1 0 2 7 0 8 3 2 0 0
    总计 1348 3 211 89 20 43 4 2 3 10 1 33 14 12 2 5
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    表  3  先导二维随机模式3种类型模拟结果的次数统计表

    Table  3  Numbers of three type simulation results of 2D random lightning leader model

    下行先导与避
    雷针水平距离/m
    建筑尺寸
    (宽×高)
    类型一
    (连接位置:避雷针
    产生的上行先导)
    类型二
    (连接位置:建筑或
    建筑产生的上行先导)
    类型三
    (连接位置:地面或地面
    产生的上行先导)
    0 40 m×30 m 93 3 4
    40 m×60 m 95 2 3
    80 m×30 m 86 3 11
    50 40 m×30 m 90 1 9
    40 m×60 m 96 1 3
    80 m×30 m 89 2 9
    100 40 m×30 m 93 1 6
    40 m×60 m 100 0 0
    80 m×30 m 90 1 9
    150 40 m×30 m 95 0 5
    40 m×60 m 99 1 0
    80 m×30 m 89 3 8
    200 40 m×30 m 90 0 10
    40 m×60 m 97 0 3
    80 m×30 m 88 3 9
    250 40 m×30 m 82 0 18
    40 m×60 m 91 1 8
    80 m×30 m 82 6 22
    总计 1645 28 137
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  • [1] 张义军, 周秀骥.雷电研究的回顾和进展.应用气象学报, 2006, 17(6): 829-834. http://qikan.camscma.cn/jams/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=200606130&flag=1
    [2] 马明, 吕伟涛, 张义军, 等. 1997—2006年我国雷电灾情特征.应用气象学报, 2008, 19(4): 393-400. http://qikan.camscma.cn/jams/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20080402&flag=1
    [3] 郭虎, 熊亚军.北京市雷电灾害易损性分析、评估及易损度区划.应用气象学报, 2008, 19(1): 35-40. http://qikan.camscma.cn/jams/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20080107&flag=1
    [4] 张义军, 孟青, 马明, 等.闪电探测技术发展和资料应用.应用气象学报, 2006, 17(5): 611-620. http://qikan.camscma.cn/jams/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=200605104&flag=1
    [5] Mazur V, Ruhnke L H, Bondiou-Clcgcric A, et al. Computer simulation of a downward negative stepped leader and its interaction with a ground structure. J Geophys Res, 2000, 105(D17): 22361-22369. doi:  10.1029/2000JD900278
    [6] Becerra Marley, Cooray Vernon. A simplified physical model to determine the lightning upward connecting leader inception. IEEE Transactions on Power Delivery, 2006, 21(2): 897-908. doi:  10.1109/TPWRD.2005.859290
    [7] 任晓毓, 张义军, 吕伟涛, 等.雷击建筑物的先导连接过程模拟.应用气象学报, 2010, 21(4): 450-457. http://qikan.camscma.cn/jams/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20100408&flag=1
    [8] Wiesmann H J, Zeller H R. A fractal model of dielectric breakdown and prebreakdown in solid dielectrics. J Appl Phys, 1986, 60(5): 1770-1773. doi:  10.1063/1.337219
    [9] Femia N, Niemeyer L, Tucci V. Fractal characteristics of electrical discharges: Experiments and simulation. J Phys D Appl Phys, 1993, 24(6): 615-622. doi:  10.1088/0022-3727/26/4/014/meta
    [10] 贺恒鑫, 何俊佳, 钱冠军, 等.棒-板长间隙正极性流注生长概率模型及应用.高电压技术, 2008, 34(10): 2047-2053. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GDYJ200810006.htm
    [11] 林家齐, 雷宇, 雷清泉.电介质中放电图形的计算机模拟.电工技术学报, 1997, 12(2): 53-56. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DGJS702.010.htm
    [12] Mansell E R, MacGorman D R, Ziegler C L, et al. Simulated three-dimensional branched lightning in a numerical thunderstorm model. Journal of Geophysical Research (Atmospheres), 2002, 107(D9): ACL2-1-12. doi:  10.1029/2000JD000244/full
    [13] Tan Yongbo, Tao Shanchang, Zhu Baoyou. Fine-resolution simulation of the channel structures and propagation features of intracloud lightning. Geophys Res Lett, 2006, 33(L09809): 1-4. doi:  10.1029/2005GL025523/full
    [14] Riousset J A, Pasko V P, Krehbiel P R, et al. Three-dimensional fractal modeling of intracloud lightning discharge in a New Mexico thunderstorm and comparison with lightning mapping observations. J Geophys Res, 2007, 112(D15203): 1-17. doi:  10.1029/2006JD007621/full
    [15] Tao Shanchang, Tan Yongbo, Zhu Baoyou, et al. Fine-resolution simulation of cloud-to-ground lightning and thundercloud charge transfer. Atmospheric Research, 2009, 91: 360-370. doi:  10.1016/j.atmosres.2008.05.012
    [16] He Jinliang, Zhang Xuewei, Dong Lin, et al. Fractal model of lightning channel for simulating lightning strikes to transmission lines. Science in China (Series E), 2009, 52(11): 3135-3141. doi:  10.1007/s11431-009-0259-1
    [17] 郄秀书, 刘欣生, 余晔, 等.地面电晕离子对空中引雷始发过程的影响.高原气象, 1998, 17(1): 84-94. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GYQX801.008.htm
    [18] 郄秀书, 言穆弘.雷暴下近地面电特性及其对人工引雷的影响.高原气象, 1996, 15(3): 293-302. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GYQX603.004.htm
    [19] 郄秀书, Soula S, Chauzy S.雷暴下地面自然尖端电晕放电离子时空演化的数值模拟.地球物理学报, 1996, 39(增刊): 43-51. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWX6S1.005.htm
    [20] 王道洪, 郄秀书, 郭昌明.雷电与人工引雷.上海:上海交通大学出版社, 2000: 58-66.
    [21] Mazur V, Rhunke L H. Evaluation of the Lightning Protection System at the WSR-88D Radar Sites. National Oceanic and Atmospheric Administration Final Report, 2001: 1-53. http://www.arab-eng.org/vb/engr180533
    [22] Popov N A. Spatial structure of the branching streamer channel in a corona discharge. Plasma Physics Reports, 2002, 28(7): 615-622. doi:  10.1134/1.1494061
    [23] 张义军, 吕伟涛, 郑栋, 等.负地闪先导-回击过程的光学观测和分析.高电压技术, 2008, 34(10): 2022-2029. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GDYJ200810002.htm
    [24] Alessandro F D, Gumley J R. A "Collection Volume Method" for the placement of air terminals for the protection of structures against lightning. Journal of Electrostatics, 2001, 50: 279-302. doi:  10.1016/S0304-3886(00)00044-9
    [25] 余晔, 郄秀书.地闪先导通道中电荷分布的数值模拟.自然科学进展, 2001, 11(7): 710-714. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZKJZ200107005.htm
    [26] 郑栋, 张义军, 吕伟涛, 等.先导-回击模型与人工触发闪电特征参数计算.中国电机工程学报, 2006, 26(23): 151-157. doi:  10.3321/j.issn:0258-8013.2006.23.027
    [27] McEachron K B. Lightning to Empire state building. J Franklin Inst, 1939, 227: 175-203. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016003239903972
    [28] Lü Weitao, Zhang Yang, Chen Luwen, et al. Attachment Processes of Two Natural Downward Lightning Flashes Striking on High Structures. Proceedings of 30th International Conference on Lightning Protection (ICLP), 2010.
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出版历程
  • 收稿日期:  2010-05-20
  • 修回日期:  2010-11-24
  • 刊出日期:  2011-04-30

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