閃電回擊過程中高層建筑物頂部感應(yīng)電流電荷特征分析

蔡然 羅欣 高彥 杜其江 莊紅波 彭筱虹 傅春華

（1 深圳市氣象服務(wù)中心，深圳 518000；2 香港理工大學(xué)，香港；3 廣東省東莞市氣象局，東莞 523086）

0 引言

隨著我國城市化進程的加快推進，在全國范圍內(nèi)出現(xiàn)了越來越多的高層建筑物，其中廣泛分布著各種種類、各種型號的電子產(chǎn)品。在高建筑物受到直接雷擊時，不但高層建筑物自身結(jié)構(gòu)會遭到破壞，放置于建筑物內(nèi)的某些精密電子產(chǎn)品也有很大可能受到雷電流的干擾甚至被損壞。因此，為了保護高建筑物本身及其中的電子設(shè)備，需要對高建筑物（高塔）閃電進行一些特性分析和研究。

近年來，大量的科學(xué)工作者[1-2]對雷電進行了深入的研究。當(dāng)一個下行先導(dǎo)（downward leader）接近地面時，在地面上凸起的物體上（例如高塔和高建筑物）會激發(fā)上行先導(dǎo)（upward leader），當(dāng)這個上行先導(dǎo)最終和下行先導(dǎo)連接時，就形成了閃電回擊過程。目前，國內(nèi)外針對高層建筑物（高塔）閃電特性進行了一些研究和分析[3-6]。一些研究[7-9]以廣州塔（高600 m）為參考對象，分析資料得到一系列關(guān)于廣州塔對于附近區(qū)域雷電發(fā)生密度、回擊峰值電流、閃電極性和回擊次數(shù)產(chǎn)生影響的結(jié)論。同時，國外一些專家學(xué)者也針對高塔閃電進行了一些觀測和研究。

然而，目前有關(guān)高層建筑物對自然閃電電荷特性的影響僅局限于觀測結(jié)果的分析，缺乏具體的理論基礎(chǔ)和模擬結(jié)果對實際工作中高層建筑物雷電防護進行幫助和指導(dǎo)。通過合理的技術(shù)仿真及數(shù)值運算，分析量化回擊過程中高層建筑對其頂部所產(chǎn)生的感應(yīng)電流和感應(yīng)電荷變化的影響特征，研究一套從高層建筑物雷電基礎(chǔ)參數(shù)出發(fā)，針對高層建筑的高效、合理的綜合防雷體系，指導(dǎo)城市高層建筑防雷理論建設(shè)，進而更好地為深圳城市高層建筑提供科學(xué)合理的防雷技術(shù)指導(dǎo)和依據(jù)，對今后指導(dǎo)高層建筑防雷設(shè)計、提升雷電防護效果等方面有著極其重要的意義。

1 資料與方法

深圳市氣象觀測梯度塔位于深圳市寶安區(qū)石巖氣象觀測基地內(nèi)，集邊界層氣象垂直探測、大氣環(huán)境監(jiān)測、雷電防御科學(xué)研究、氣象災(zāi)害實景監(jiān)視于一體，梯度塔為桅桿結(jié)構(gòu)，桅桿高度為356 m，塔身為2.5 m×2.5 m，采用PHC管樁基礎(chǔ)和5層（65、130、195、260、325 m）纖繩固定（圖1）。高塔雷電觀測平臺于2016年建成，開展了雷電流、快慢電場、高速攝像等多種觀測試驗[10]。

圖1 深圳市氣象觀測梯度塔實景圖 Fig. 1 Shenzhen meteorological gradient tower

為了研究自然閃電的起始過程和連接過程，利用其觀測數(shù)據(jù)進行分析研究。該閃電光學(xué)觀測站建立在一棟三層樓房的房頂，觀測站距離梯度塔的水平距離約為440 m，直線距離約為560 m。在觀測站中放置了兩臺不同配置的Photron Fastcam高速攝像機（HC-1和HC-2）用來觀測和記錄梯度塔塔頂上發(fā)生的閃電發(fā)展通道。HC-1鏡頭的焦距為20 mm，像素大小為20 μs，其對應(yīng)的空間分辨率為0.56 m。拍攝時HC-1設(shè)置的幀數(shù)為20,000 FPS，每幀的曝光時間為10 μs。每個閃電過程的記錄時間為50 ms，其中回擊前的預(yù)觸發(fā)時間占到總記錄時間的20%。HC-2鏡頭的焦距為14 mm，像素大小為20 μs，其對應(yīng)的空間分辨率為0.8 m。拍攝時HC-2設(shè)置的幀數(shù)為370000 FPS，每幀的曝光時間為2 μs。每個閃電過程的記錄時間為50 ms，其中回擊前的預(yù)觸發(fā)時間占到總記錄時間的12%。

通過高速攝像機觀測并拍攝到發(fā)生在梯度塔上的兩次上行閃電過程，從圖像中得到先導(dǎo)的發(fā)展通道和通道長度。通過每幀圖像之間的時間間隔，求得兩次上行先導(dǎo)過程的平均速度分別為2.2×105和1.1×105m/s?；谝陨侠纂娪^測影像資料，建立接近自然閃電的模擬通道，對高塔周圍環(huán)境和觀測到的實際閃電通道進行建模，最終研究得到梯度塔對自然閃電發(fā)展過程中塔頂產(chǎn)生的電荷密度分布和電流分布的影響。同時，為了便于比較分析，選取以深圳地王——京基建筑群為代表的高層建筑物群和以深圳平安大廈為代表的超高層建筑物，利用COMSOL仿真軟件模擬自然閃電過程，并對上述三種不同類型高層建筑物上感應(yīng)的電流與電荷進行仿真計算。

2 電荷密度發(fā)展特征研究

在建筑物上方發(fā)生的自然閃電中攜帶的電荷越多，在下方建筑物上所產(chǎn)生的感應(yīng)電荷也越多，相應(yīng)建筑物上感應(yīng)電荷的能量密度也越大。根據(jù)現(xiàn)有條件，不能在模式中直接求出自然閃電傳播過程中攜帶的電荷量的大小，所以選用高層建筑物屋頂上感應(yīng)電荷的能量密度的大小，與相同條件下沒有建筑物時所產(chǎn)生的感應(yīng)電荷能量密度的大小做比較，來求得建筑物對實際閃電電荷的影響。將有高層建筑物時建筑物屋頂上感應(yīng)電荷的能量密度與無建筑物時所產(chǎn)生的感應(yīng)電荷能量密度之間的比值定義為擴大系數(shù)，并量化該系數(shù)。研究對象示意圖見圖2。

圖2 研究對象示意圖 Fig. 2 Sketch map of the subjects in the study

2.1 建筑物高度對擴大系數(shù)的影響

根據(jù)上文介紹的方法，仿真模擬并對模擬數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析（圖3），其中5條曲線分別代表建筑物頂部平臺面積分別為6.25（邊長為2.5 m）、100、3500、10000和25000 m2時，建筑物高度和擴大系數(shù)的關(guān)系。

根據(jù)圖3可以看出，在5條曲線中，系數(shù)都隨建筑物高度的增加而增加，系數(shù)的變化范圍為2.0～4.5。高層建筑對其上感應(yīng)電荷的影響強度隨著建筑物自身高度增加而增加，同時建筑物頂部平臺面積越小，對感應(yīng)電荷影響越大，但不論頂部平臺面積擴大或縮小，在600 m高度的時候變化率均趨于緩和。

圖3 建筑物高度和擴大系數(shù)的關(guān)系 Fig. 3 The relationship between enlargement coefficient and height of building

2.2 建筑物頂部平臺大小對擴大系數(shù)的影響

圖4為建筑物頂部平臺面積和擴大系數(shù)的關(guān)系。圖中不同顏色曲線分別代表普通建筑物（高度為50 m）、高層建筑物（高度為100 m）、深圳氣象梯度觀測塔（356 m）和平安大廈（600 m）這4種情況。從圖4中可以明顯看出，4種不同高度的建筑物的擴大系數(shù)都隨其頂部平臺面積的增大而減小，系數(shù)的變化范圍為2.3～4.5。另外隨著建筑物高度越高，建筑物對地面感應(yīng)電荷的影響也越高，與2.1節(jié)分析的結(jié)論一致。在建筑物不同高度和頂部面積的情況下，有無建筑物所造成的頂部感應(yīng)電荷的擴大系數(shù)分布見表1所示。

圖4 建筑物頂部平臺面積和擴大系數(shù)的關(guān)系 Fig. 4 The relationship between enlargement coefficient and area of roofs

2.3 建筑群對擴大系數(shù)的影響

選取深圳市內(nèi)京基100大廈和地王大廈作為一個建筑物群，來開展對建筑物頂部感應(yīng)電荷擴大系數(shù)的研究。京基100的高度為441 m、頂部面積為4900 m2；地王大廈的高度為383 m、頂部面積為2500 m2。兩棟大樓的水平距離為400 m。

表1 建筑物造成的電荷擴大系數(shù) Table 1 Enlargement coefficient data by building

當(dāng)京基100大樓單獨存在時，其頂部平臺在閃電通道下所產(chǎn)生的感應(yīng)電荷的擴大系數(shù)為3.8；如果兩棟高建筑物同時存在，京基100頂部平臺感應(yīng)電荷的擴大系數(shù)為3.9。另一方面，當(dāng)?shù)赝醮髲B單獨存在時，其頂部平臺在閃電通道下所產(chǎn)生的感應(yīng)電荷系數(shù)為3.7；如果兩棟高建筑物同時存在，其頂部系數(shù)不變，具體數(shù)據(jù)如表2所述。當(dāng)閃電通道在京基100樓頂時，地王大廈頂部產(chǎn)生的感應(yīng)電荷為京基100樓頂上所產(chǎn)生的感應(yīng)電荷的1.8%；當(dāng)閃電通道在地王大廈頂部時，京基100樓頂?shù)母袘?yīng)電荷為地王大廈頂部的4.4%。

表2 兩個相鄰高建筑物對建筑物頂部感應(yīng)電荷擴大系數(shù)的影響 Table 2 Induced charge expansion coefficient for two adjacent buildings

進一步把建筑物C（高度500 m，頂部平臺面積900 m2）納入研究范圍，研究三個建筑物構(gòu)成的超高建筑物群在閃電發(fā)生時的相互影響作用。三個超高建筑物所對應(yīng)的分布如圖5所示。三個建筑物之間互相影響的結(jié)果如表3所示。當(dāng)閃電通道在京基100樓頂時，地王大廈頂部產(chǎn)生的感應(yīng)電荷為京基100樓頂上所產(chǎn)生的感應(yīng)電荷的1.8%，建筑物C上的感應(yīng)電荷為京基100上的0.8%；當(dāng)閃電通道在地王大廈頂部時，京基100樓頂?shù)母袘?yīng)電荷為地王大廈頂部的4.3%，建筑物C上的感應(yīng)電荷為地王大廈的2%；而當(dāng)閃電通道在建筑物C頭頂時，地王大廈的感應(yīng)電荷和京基100的感應(yīng)電荷均為建筑物C的2.2%。

圖5 建筑物群示意圖 Fig. 5 Sketch map of the buildings

表3 三個相鄰高建筑物對建筑物頂部感應(yīng)電荷系數(shù)的影響 Table 3 Induced charge expansion coefficient for three adjacent buildings

建筑物A為京基100大廈；建筑物B為地王大廈；建筑物C高度為500 m，頂部平臺面積為900 m2。

根據(jù)對這一建筑物群的研究，可以發(fā)現(xiàn)：

1）有無相鄰建筑物對建筑物頂部感應(yīng)電荷的擴大系數(shù)影響很?。?/p>

2）閃電通道在復(fù)雜地面上所產(chǎn)生的感應(yīng)電荷，主要集中于正下方建筑物平面上。隨著閃電通道離地面越來越近，其他建筑物頂部產(chǎn)生的感應(yīng)電荷與通道正下方建筑物頂部產(chǎn)生的感應(yīng)電荷的比率越來越小。

3 電流發(fā)展特征影響

選取深圳氣象梯度塔為研究對象，固定塔高為356 m，研究塔頂平臺面積不同時，感應(yīng)電流系數(shù)的變化（圖6）。當(dāng)塔頂平臺面積為6.25 m2時，高塔對閃電所引起的感應(yīng)電流的擴大系數(shù)為4.3，而當(dāng)平臺面積增大至10000 m2時，其擴大系數(shù)下降至3.4，這與表1的數(shù)據(jù)結(jié)論一致。這說明高層建筑對閃電通道內(nèi)電流的影響趨勢與對電荷的影響趨勢一致。

圖6 電流擴大系數(shù)分布 Fig. 6 The current enlargement coefficient

另外，根據(jù)電流與電荷的關(guān)系公式I=ρ×V，當(dāng)感應(yīng)電荷密度ρ一定時，感應(yīng)電流I的大小與傳播速度V成正比。以深圳塔觀測到的兩個自然閃電個例為例：個例一發(fā)生于2016年7月30日15時35分38秒，先導(dǎo)傳播時拍攝到的高速攝像照片如圖7a所示。根據(jù)對應(yīng)的高速攝像資料，得到這一個例傳播過程中的速度為2.2×105m/s。個例二發(fā)生于同一日的15時42分03秒，拍攝到的高速攝像照片如圖7b所示，其對應(yīng)的二維速度為1.1×105m/s。

圖7 2016年7月30日深圳塔上發(fā)生的兩次自然閃電過程（a）15時35分38秒；（b）15時42分03秒 Fig. 7 Two processes occurred on Shenzhen Meteorological Gradient Tower: (a) 15:35:38, (b) 15:42:03

根據(jù)電流公式，這兩次過程中電流和電荷的對應(yīng)關(guān)系如圖8所示。從圖8中可知，不同自然閃電過程中，先導(dǎo)的傳播速度不同，對最終感應(yīng)電流的大小也有很大影響。

圖8 感應(yīng)電荷密度和感應(yīng)電流大小的關(guān)系 Fig. 8 The relationship between induced charge and induced current

4 結(jié)論

通過上述分析，得到以下結(jié)論：

1）高層建筑感應(yīng)電流的影響趨勢與對感應(yīng)電荷的影響趨勢一致，其影響程度與建筑物自身高度呈正比，同時與建筑物頂部平臺面積成反比，對絕大多數(shù)情況而言，其擴大系數(shù)在2.0～4.5；

2）有無相鄰建筑物對建筑物頂部感應(yīng)電荷的擴大系數(shù)影響很?。?/p>

3）閃電通道在復(fù)雜地面上所產(chǎn)生的感應(yīng)電荷，主要集中于正下方建筑物平面上。隨著閃電通道離地面越來越近，其他建筑物頂部產(chǎn)生的感應(yīng)電荷與通道正下方建筑物頂部產(chǎn)生的感應(yīng)電荷的比率越來越小。由于先導(dǎo)的傳播速度不同，對最終感應(yīng)電流的大小也有很大影響。

目前對深圳市內(nèi)高塔和高建筑物上發(fā)生的自然閃電的觀測資料有限，本文中所使用的仿真資料主要局限于自然閃電的光學(xué)圖像資料，利用這些資料進行仿真計算并給出一些初步的結(jié)論。未來計劃逐步完善深圳氣象局石巖觀測基地的高塔閃電綜合觀測站，對發(fā)生在深圳氣象梯度塔上的閃電過程進行快慢電場、電流、磁場和光學(xué)等各方面的綜合觀測。利用綜合觀測資料，針對例如高層建筑物對自然閃電的傳播速度是否會有影響，進而影響閃電通道內(nèi)的電流擴大系數(shù)等問題進行深入的研究和分析。