不同下墊面對云地放電位置的影響

常生文+王金泉+廖燕珍

摘 要：地表上的建構(gòu)筑物、灘土、巖石、山地、礦床、河面以及地表層土壤的含水量、含鹽量、濕度、溫度等不同下墊面的變化與該區(qū)域云地放電雷擊落雷點有著某種必然的聯(lián)系，研究這些規(guī)律對開展區(qū)域雷電風(fēng)險評估、氣候可行性論證，預(yù)防雷電災(zāi)害有很重要的意義。

關(guān)鍵詞：不同下墊面；云地放電；位置影響

0 引言

大氣的下墊面是指地球表面的海洋、陸地上的高原、山地、平原、森林、草原、建筑物、土壤和植被等，下墊面的性質(zhì)和形狀，是影響雷擊放電位置的重要因素之一。本文通過歷年雷電災(zāi)害的收集、閃電定位觀測資料，對云地閃電發(fā)生地在一定區(qū)域內(nèi)的地形、地貌、地面上建筑物、地表土壤電阻率等調(diào)查、測試，從中尋找出不同下墊面對云地放電位置影響的某種規(guī)律。

1 大氣電場的產(chǎn)生和演變

大氣中的分子受來自地殼、大氣、地球外空射線以及地面上森林火災(zāi)、工廠排放、火山爆發(fā)等等電離源的作用而電離產(chǎn)生大氣帶電粒子，形成大氣電場。

大氣電場可分為晴天電場和擾動天氣電場，電場強度隨時間、地點、天氣狀況和離地面的高度而變。當(dāng)存在激烈的天氣現(xiàn)象（如雷暴、雪暴、塵暴）時，大氣電場的數(shù)值和方向均有明顯的不規(guī)則變化。

就全球平均而言，電場強度在陸地上約為120V/m，在海洋上為130V/m，在工業(yè)集中區(qū)由于空氣中存在高濃度的氣溶膠，電場強度會增至每米數(shù)百伏。就雷電的日變化情況看，雷電多發(fā)生在午后到上半夜，主要集中在14時到21時，凌晨到早上較少。主要原因是：進(jìn)入盛夏期下墊面受熱溫度激增上下溫差大，熱力和動力兩者共同作用，動力抬升局部地區(qū)對流天氣增強， 造成雷電活動頻繁（圖1）。

2 云地放電的條件

雷雨云由一大團(tuán)翻騰、波動的水、冰晶和空氣組成。當(dāng)云團(tuán)里的冰晶在強烈氣流中上下運動時，空氣中的水分子在冰晶的表面逐漸凝結(jié)成一層冰，就形成冰雹。這些被強烈氣流反復(fù)翻騰、波動的冰晶和水滴充滿了靜電。其中重量較輕、帶正電的電荷堆積在云層上方；較重、帶負(fù)電的聚集在云層底部。當(dāng)電場強度達(dá)到可以擊穿空氣時，就會以閃電的形式把能量釋放出來。大氣中達(dá)到大氣擊穿電位梯度是雷電發(fā)生的必要條件。通常情況下，超過一半以上的閃電發(fā)生在雷雨云內(nèi)的正、負(fù)電荷中心區(qū)之間，稱作云內(nèi)閃電。另一類閃電發(fā)生于云體與地面之間的對地放電，稱為云地放電。

地表上有樹枝等尖端放電產(chǎn)生的電荷，有輸電線路電暈放電，有工廠排放的帶電離子等等。它們之間受到電場、重力、對流等因素的非對稱的作用，使得大氣中各處的正、負(fù)電荷分布不均勻，實際測量各處地面大氣電場強度會因時間、地點而不同。當(dāng)電場強度超過約400kV/m足以把空氣擊穿時，就會發(fā)生閃電放電。

把云層與大地之間形成的電場模擬為電容器時：

q=E0St0/ρ （1）

式中：q—電荷量；t0—時間；E0—電場強度；ρ—土壤電阻率

由（1）式可知：如果云層底部所帶負(fù)電荷Q≤q時，不會產(chǎn)生雷擊；當(dāng)Q>q時雷擊發(fā)生，雷擊是否會向大地發(fā)生閃擊，由兩種因素決定：其一是云層帶電荷量的多少，其二是模擬電容器內(nèi)的電場強度是否達(dá)到大氣擊穿的電位梯度。

3 雷雨云的運動軌跡

一般情況下，雷雨云大體上隨500hPa高度上的氣流方向運行，其速度平均為30～40km/h，移動速度春秋季大于夏季，夜間大于白天。地形對雷雨云移動有影響，一般是：雷雨云遇山地阻擋，由于迎風(fēng)面有上升氣流影響，雷雨云在山地的迎風(fēng)面停滯少動；當(dāng)雷雨云受山脈阻擋時，雷雨云即沿山脈走向移動，如山脈有缺口，則雷雨云順著山口移動。

4 不同下墊面對大氣電場的影響

4.1 地面建筑物對大氣電場的影響

目前，隨著我國雷電監(jiān)測預(yù)警業(yè)務(wù)的發(fā)展，全國氣象部門和科研院所利用大氣電場儀對雷雨云大氣電場進(jìn)行測量，并利用所測量的電場值進(jìn)行雷電預(yù)警，結(jié)果如下。

4.1.1 地面建筑物的存在對周圍大氣電場產(chǎn)生較大的影響

建筑物頂部的大氣電場明顯大于地面電場，且隨建筑物高度增加而增強。例如，建筑物屋面長、寬均為40m，高度分別是h=10、20、50和100m時，其樓頂?shù)拇髿怆妶龇謩e是地面（當(dāng)建筑物不存在時地面相同位置）處的1.4、1.7、2.8和4.5倍，其屋面轉(zhuǎn)角處的電場最大。

4.1.2 地面上建筑物對其周圍地表面電場有明顯的屏蔽作用

距離建筑物越近，其屏蔽作用越明顯，在地面上的影響范圍約為建筑物高度的3.5倍。

4.2 地表土壤電阻率對大氣電場的影響

4.2.1 土壤電阻率

表征土壤導(dǎo)電性能的參數(shù)，與土壤的含水量、溫度、含鹽量以及土壤中所含可溶性的電解質(zhì)有關(guān)。土壤含水量增加時，土壤電阻率下降；當(dāng)土壤含水量增加到20%～25%時，土壤電阻率保持相對穩(wěn)定。土壤電阻率也受溫度的影響，當(dāng)土壤溫度升高時，其電阻率下降，在0℃時土壤由于水份凍結(jié)而使電阻率迅速增加。由于土壤所含可溶性電解質(zhì)的變化，土壤電阻率的數(shù)值往往也差別很大。一年四季當(dāng)中，在同一地點氣溫和天氣的變化，土壤中含水量和溫度的不同，土壤電阻率也不斷在變化。

4.2.2 雷擊位置周圍土壤電阻率測試點的選取

以歷年調(diào)查收集到的雷擊事故接閃點位置為圓心測得ρ1，半徑500米范圍取4個方位測試土壤電阻率得平均值ρ2，測試點選點示意圖如圖3。通過測試發(fā)現(xiàn)，地形變化大的區(qū)域，周圍土壤電阻率變化非常明顯。

5 不同下墊面雷擊的選擇性

5.1 與地面上的建筑物情況有關(guān)

地面上的高層建筑、屋面上的各種金屬物體、尖端等有利于雷云與大地建立良好放電通道的地方容易造受雷擊。在曠野中，即使建筑物并不是很高，但由于它比較孤立、突出，也比較容易遭雷擊，這是影響雷擊選擇性的重要因素。

工廠煙囪排出的粉塵和煙氣中含有導(dǎo)電粒子和游離氣體，它們比一般空氣容易導(dǎo)電，相當(dāng)于加高了煙囪的高度，也導(dǎo)致了煙囪易于遭雷擊。

5.2 與建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)

建筑物結(jié)構(gòu)材料所能積蓄電荷量的多少直接影響建筑物接閃的頻率。當(dāng)建筑物結(jié)構(gòu)中，如墻、板、梁、柱和基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋較多時，容易積累大量的電荷。又如金屬屋頂、金屬構(gòu)架、電梯間和水箱等也是積累大量電荷的部位。此外，附屬在建筑物上的突出物，如旗桿、廣告牌、排氣煙囪、透氣管等金屬構(gòu)架也容易遭雷擊。

建筑物的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)備情況對雷電的發(fā)展也有關(guān)系，金屬結(jié)構(gòu)的建筑物、內(nèi)部有大量金屬物體的廠房或經(jīng)常潮濕的房屋，由于這些地方具有良好的導(dǎo)電性能，因此比較容易遭雷擊。

5.3 與地形和地物有關(guān)

從地形看，對靠山和臨水的地區(qū)，臨水一面的低洼潮濕地點和山口或風(fēng)口特殊地形易受雷擊。從地物看，鐵路集中的樞紐，長距離的高壓輸電線、大量金屬管道倉庫，由于容易產(chǎn)生大量感應(yīng)電荷，從而容易遭雷擊。

5.4 與地表土壤電阻率有關(guān)

大氣電場受土壤電阻率的影響較大，通過對比不同土壤電阻率情況下的水平電場，發(fā)現(xiàn)地表水平電場受地面導(dǎo)電率的影響非常明顯， 土壤電阻率對雷電輻射磁場的影響隨土壤電阻率的變化而變化。主要表現(xiàn)在振幅和極性上，土壤導(dǎo)電率越小，其負(fù)向幅值的衰減速度就越快。

從表1可以看出，雷擊落雷點區(qū)域下墊面土壤電阻率與周邊500米區(qū)域土壤電阻率相比較具有最小值或次最小值。土壤電阻率小由于其導(dǎo)電性良好，土壤中的先導(dǎo)電流沿著電阻率較小的路徑流動。在巖石與土壤交接處、山坡與稻田交界處，雷擊大多落于土壤和稻田處。在青山紙業(yè)—片仔癀—農(nóng)校；軍分區(qū)—芝山—小坑頭；九龍江沿岸一帶雷暴分布較周邊強烈的多。一份自1954—1984年的雷電調(diào)查統(tǒng)計揭示了雷擊的選擇性，該資料表明雷擊在靠近河、湖、池和潮濕地區(qū)的占23.5%，靠近大樹、高層建筑占15%，靠近煙囪、天線的占10%，此外，稻田和導(dǎo)電性良好的土壤交界地帶也占10%。

6 結(jié) 語

地面上高聳的建筑物、煙囪、工業(yè)集中的金屬屋面廠房、粉塵及氣體排放區(qū)、地表土壤電阻率較小的位置、土壤電阻率變化很大的地表交界處，能影響局部的大氣電場，使得在同一區(qū)域內(nèi)該位置云地放電次數(shù)明顯較多。這對防雷工程的設(shè)計具有重要的意義。它給我們提供了雷擊選擇性的一些思考。據(jù)此，我們可以決定哪些地區(qū)、哪些建筑物應(yīng)該重點安裝避雷裝置和設(shè)備應(yīng)有的良好接地裝置，而另一些地區(qū)、建筑物在防雷投資上可以少花一些或甚至不必花費投資。

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