周筠珺,成鵬偉
(1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610225;2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇南京210044)
海洋分層介質(zhì)中雷電電流源的水平輻射電場(chǎng)傳播特征研究
周筠珺1,2,成鵬偉1
(1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610225;2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇南京210044)
隨著我國海洋戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn),海上各類固定及移動(dòng)的工作平臺(tái)均需進(jìn)行更加有效的雷電防護(hù)。海上防雷工作中深入了解雷電電流源水平輻射電場(chǎng)(Er),在海洋分層介質(zhì)中的傳播特性則是一項(xiàng)十分重要的工作。本文就能夠?qū)I显O(shè)施產(chǎn)生較大影響的地閃進(jìn)行研究,因此選取具有代表性的正地閃首次回?fù)綦娏髟矗≒S)及Nucci電流源(TLS),通過時(shí)域的方法對(duì)兩種雷電電流源的水平輻射電場(chǎng)在由空氣、海水及洋殼所組成的海洋分層介質(zhì)中的傳播特征進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明:(1)在海面及其以上的高度(h≥0 m),當(dāng)距雷電電流源水平距離r=0 m時(shí),兩種雷電電流源產(chǎn)生的Er均為正值;其中PS產(chǎn)生的Er是隨時(shí)間呈對(duì)數(shù)增加,而TLS的則隨時(shí)間呈單峰正偏態(tài)分布;當(dāng)r>0 m時(shí),兩種雷電電流源產(chǎn)生的Er與r=0 m時(shí)的基本呈反位相。(2)當(dāng)r=0 m,h介于0~50 m及100~500 m之間,PS于雷電發(fā)生后10 μs的Er值則分別介于3.273 3×106~1.177 1×107v/m及1.035 1×107~1.155 3×107v/m之間,而TLS的Er峰值則分別為9.274 7×105~2.887 6×106v/m及2.688 7×106~2.854 2×106v/m之間。(3)當(dāng)h=10 m,r介于50~500 m之間,PS于10 μs的Er值則介于-1.1216×104~-7.027 9 v/m之間,而TLS的Er峰值則介于-2.478 4×103~1.385 9 v/m之間;當(dāng)h=10 m,r=1 000 m時(shí),TLS的Er峰值為9.482 6 v/m。(4)在海面以下(h<0 m),r介于50~1 000 m之間,兩種雷電電流源的Er主要為正,且隨時(shí)間均呈單峰正偏態(tài)分布;當(dāng)h=-5 m及-10 m時(shí),PS與TLS的Er值于兩個(gè)深度的差分別介于5~53 v/m與2~28 v/m之間。
雷電電流源;PS;TLS;水平輻射電場(chǎng);海洋分層介質(zhì)
在全球大氣的對(duì)流層內(nèi)所發(fā)生的雷暴天氣過程中,常伴有強(qiáng)烈的雷電活動(dòng);雷電活動(dòng)按照其物理過程主要可分為云閃和地閃。盡管在全球范圍內(nèi)的雷暴天氣中,平均而言地閃所占的比率不超過10%,但是由于在其發(fā)生過程中有大量的電荷釋放到下墊面,可以對(duì)其所處的各類介質(zhì)產(chǎn)生極強(qiáng)的電磁輻射,因而倍受雷電物理學(xué)及雷電防護(hù)工程應(yīng)用研究領(lǐng)域研究者的重視。為了更好地了解地閃主要物理階段所產(chǎn)生的電磁輻射特征,準(zhǔn)確地估算地閃所產(chǎn)生的電磁輻射各分量,特別是對(duì)于估算傳輸介質(zhì)中的雷電電壓十分重要的輻射電場(chǎng)的水平分量,就顯得尤為必要(Masteretal,1981;Masteretal,1984;Zeddam et al,1987;Sarkar et al,2002)。
近年來學(xué)術(shù)界通過研究,已發(fā)展了一些較有針對(duì)性的基本算法(Kuo et al,1978;Parhami et al,1980;Delfino et al,2007);而其中影響較大的,如:Rubinstein在Cooray依據(jù)表面阻抗的概念發(fā)展的頻域表達(dá)式的基礎(chǔ)上,得到的雷電水平電場(chǎng)估算方法(即:C-R方程)得以在學(xué)術(shù)界被廣泛應(yīng)用。由于“C-R方程”是通過傅立葉變換來完成頻域內(nèi)電磁場(chǎng)計(jì)算的,因而在計(jì)算中會(huì)產(chǎn)生明顯的誤差。Barbosa等(2007)則發(fā)展了一個(gè)近似的時(shí)域方程(即:B-P方程)來研究雷電通道附近的電磁場(chǎng)特征?!癇-P方程”在計(jì)算中就“C-R方程”計(jì)算中產(chǎn)生的誤差有明顯的改善。就目前的研究而言,Barbosa利用時(shí)域的方法分析了距離雷電通道特定距離(300 m)的在給定非真實(shí)電導(dǎo)率(0.01與0.001 S/m)介質(zhì)中電磁輻射傳播的特征。而Zhang等(2014)則利用時(shí)域的方法研究了雷電產(chǎn)生的電磁輻射于50~1 000 m同樣的兩個(gè)非真實(shí)電導(dǎo)率介質(zhì)中傳播的特征,通過他們的研究已證實(shí)時(shí)域的方法與“B-P方程”結(jié)果是較為一致的。
事實(shí)上,研究雷電產(chǎn)生的電磁輻射在真實(shí)介質(zhì)中的傳播特征則更具有實(shí)際的意義,因?yàn)槠鋵?duì)于優(yōu)化通訊、電子和電器設(shè)備的防雷方法和措施等方面都是十分重要的(Sarkar et al,2008)。有鑒于此,本文則是在我國海洋戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)的大背景下,針對(duì)典型正地閃首次回?fù)綦娏髟矗≒S)及Nucci電流源(TLS)(Nucci et al,1989),所產(chǎn)生的水平輻射電場(chǎng)在由空氣、海水及洋殼組成的介質(zhì)中傳播特征進(jìn)行有針對(duì)性的對(duì)比研究。
在雷電電流源中,正地閃電流源(PS)通常比負(fù)地閃的回?fù)綦娏鞔螅槐M管其發(fā)生的比率較低,但是電流釋放于下墊面時(shí)其危害卻極大。而Nucci雷電電流源(TLS)則常作為標(biāo)準(zhǔn)電流源討論雷電的電場(chǎng)輻射問題。因此在本研究中將主要選取正地閃首次回?fù)綦娏髟醇癗ucci雷電電流源進(jìn)行對(duì)比研究它們于海洋分層介質(zhì)中的水平輻射電場(chǎng)特征。表1中給出了兩種雷電電流源的主要特征物理參量。
表1 兩種雷電電流源主要特征物理參量
研究中所用的計(jì)算地閃通道附近電磁場(chǎng)的時(shí)域方法為二維FDTD方法,其中計(jì)算的水平面的空間尺度為2 000 m×2 000 m,計(jì)算中空間分辨率為1 m,時(shí)間步長(zhǎng)為1.66 ns,利用一階Mur吸收邊界模擬無限空間。
計(jì)算中利用傳輸線回?fù)裟J?,回?fù)羲俣葹?50m/μs對(duì)于水平分層的空氣、海水及洋殼具體分布特征如圖1。其中H=7 000 m,h=150 m,d為觀測(cè)點(diǎn)距離雷電通道的距離。其中空氣、海水及洋殼的電導(dǎo)率分別為σ0、σ1、σ2,它們的介電常數(shù)則分別為ε0、ε1、ε2。
在海洋分層介質(zhì)中,海水表面的電場(chǎng)EL(0,t)可由下面的公式表示(Barbosa et al,2013)。
其中,EH(0,t)是均質(zhì)海水介質(zhì)中的電場(chǎng),EH(2hi,t)為在反射時(shí)間i到達(dá)海水表面的反射場(chǎng),u(t)為Heaviside方程,δ(t)為Dirac德爾塔方程,而k為反射參數(shù),可以用下式來表示。
圖1 雷電電流源水平電場(chǎng)于海水及洋殼分層介質(zhì)中的傳播
研究中針對(duì)地閃電流源擊中洋面,其輻射電場(chǎng)在空氣、海水及洋殼組成的分層介質(zhì)中傳播的特性進(jìn)行研究。海水及洋殼介質(zhì)的具體特征參數(shù)如表2所示。其中空氣的電導(dǎo)率σ0=0 S/m,介電常數(shù)ε0=8.85×10-12;海水的電導(dǎo)率σ1=3.2 S/m,海水的介電常數(shù)ε1=86;洋殼的電導(dǎo)率σ2=0.03 S/m,洋殼的介電常數(shù)ε2=10;空氣、海水及洋殼的磁導(dǎo)率相同,即μ0=μ1=μ2=4π×10-7H/m。
表2 介質(zhì)的主要特征參數(shù)(索利利等,2011)
本文針對(duì)兩種雷電電流源在由空氣、海水及洋殼組成的海洋分層介質(zhì)中產(chǎn)生的水平輻射電場(chǎng)特征進(jìn)行對(duì)比分析。
兩種電流源產(chǎn)生的水平輻射電場(chǎng)會(huì)在海水表面及其以上的空間于一定的范圍內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的影響。因此,研究中將針對(duì)距兩種雷電電流源通道水平距離為0 m(即:r=0 m)的不同高度處,及距兩種雷電電流源通道水平距離不為0 m(即:r>0 m)的相同高度處,兩種雷電電流源產(chǎn)生的水平輻射電場(chǎng)進(jìn)行分析。
圖2(a)與2(b)分別為距兩種雷電電流源通道水平距離r=0 m,高度h=50 m以下的5個(gè)高度(0、10、20、30和50 m)的水平輻射電場(chǎng)Er隨時(shí)間的分布特征。由圖可知,兩種雷電電流源中,當(dāng)高度h=0 m(即于海水表面時(shí)),Er的值是5個(gè)高度中最小的;其它4個(gè)高度的值則較大,且變化趨勢(shì)一致,而在4個(gè)高度上由10 m、20 m、30 m至50 m,Er值則依次減小。Er值在10 μs內(nèi),對(duì)于PS而言是隨著時(shí)間均呈對(duì)數(shù)增加趨勢(shì),其中特別是從1.8μs到4 μs增加得最快;于10 μs時(shí),由高度自低至高Er值分別為3.273 3×106v/m、1.177 1×107v/m、1.1756×107v/m、1.173 3×107v/m及1.168 3×107v/m。而對(duì)于TLS而言則于1 μs左右時(shí)均出現(xiàn)了峰值,Er的值隨時(shí)間呈單峰正偏態(tài)分布;由高度低至高的峰值出現(xiàn)時(shí)間略有延后,分別為0.76 μs的9.2747×105v/m、0.84 μs的2.887 8×106v/m、0.92 μs的2.886 6×106v/m、0.99 μs的2.8830×106v/m及1.15 μs的2.875 0×106v/m。
由此可見,10 μs內(nèi),于r=0 m,h≤50 m以下的高度,對(duì)于兩種電流源而言,Er值隨時(shí)間的變化特征有著相似之處,即:0 m的Er值均最小,其余4個(gè)高度的幅值則明顯較大,且隨高度的增加略有減小。兩者的差異在于,PS的Er值隨時(shí)間呈對(duì)數(shù)增加;而TLS的Er值則隨時(shí)間呈單峰正偏態(tài)分布。
圖2 兩種雷電電流源通道處海面之上50 m高度以下5個(gè)高度的水平輻射電場(chǎng)隨時(shí)間的分布
圖3(a)與3(b)分別為距兩種雷電電流源通道水平距離r=0 m,高度h=100 m以上5個(gè)高度(100、200、300、400和500 m)的水平輻射電場(chǎng)隨時(shí)間的分布特征。就PS而言,Er值在2~6 μm之間增大最快,于10 μs高度由低至高其值分別為1.155 3×107、1.128 4×107、1.099 8×107、1.068 9×107及1.035 1×107v/m。而就TLS而言,Er值出現(xiàn)峰值的時(shí)間隨高度的升高而依次延后,且逐漸減小,它們分別為1.53 μs時(shí)的2.854 2×106v/m、2.30 μs時(shí)的2.812 8×106v/m、3.07 μs時(shí)的2.771 4×106v/m、3.85 μs時(shí)的2.7298×106v/m及4.62μs時(shí)的2.6887×106v/m。
圖3 兩種雷電電流源通道處海面之上100 m高度以上5個(gè)高度水平輻射電場(chǎng)隨時(shí)間的分布
由此可知,與高度較低的50 m以下Er值,兩種雷電電流源于5個(gè)高度Er值隨時(shí)間的變化特征分別基本相同,且高度越高Er值則越??;PS的Er值隨時(shí)間亦呈對(duì)數(shù)增加;而TLS的Er值則隨時(shí)間亦呈單峰正偏態(tài)分布。
圖4(a)與4(b)則分別為距兩種雷電電流源通道5個(gè)水平距離(即r=50、100、200、500和1 000 m)在h=10 m高度的水平電場(chǎng)隨時(shí)間的分布。由圖可知,在距離兩種雷電電流源的5個(gè)水平距離10 m的高度上Er值主要為負(fù)值,且隨著距雷電電流源水平距離的增加Er的絕對(duì)值在減小。就PS而言,隨著時(shí)間的增加,各水平距離Er的絕對(duì)值主要呈增加趨勢(shì);于10μs時(shí)在5個(gè)水平距離上Er的絕對(duì)值分別為1.1216×104、2.3784×103、6.4408×102、7.695 1×10及7.027 9 v/m。而就TLS而言,10 μs內(nèi)除1 000 m的4個(gè)水平距離上均出現(xiàn)了一個(gè)負(fù)的峰值,距兩種雷電電流源通道水平距離由近及遠(yuǎn)分別為1.51 μs時(shí)的-2.478 4×103v/m、2.28 μs時(shí)的-5.6008×102v/m、3.26μs時(shí)的-1.1988×102v/m、6.31 μs時(shí)的-1.385 9×10 v/m,而1 000 m水平距離出現(xiàn)一個(gè)較小的正的峰值為3.86時(shí)的9.482 6 v/m。
因此,r>0 m及h=10 m時(shí)的兩種雷電電流源的Er值隨時(shí)間的變化特征與r=0 m的基本分別呈反位相。
圖4 距兩種雷電電流源通道5個(gè)水平海面之上高度為10 m的水平輻射電場(chǎng)隨時(shí)間的分布
兩種雷電電流源不僅在海平面以上的大氣中可以產(chǎn)生的水平輻射電場(chǎng),其于海平面以下也可以產(chǎn)生明顯的水平輻射電場(chǎng)。本文將主要針對(duì)海平面以下的5 m及10 m兩個(gè)高度進(jìn)行分析。
圖5為距兩種雷電電流源通道5個(gè)水平距離于海面之下5 m與10 m的水平電場(chǎng)隨時(shí)間的分布。由圖5a、5b、5c和5d可知,兩種雷電電流源Er隨時(shí)間的變化距雷電電流源不同的水平距離于海平面以下5 m及10 m處是分別較為相似的。對(duì)于PS而言,距雷電電流源水平距離r為50 m、100 m、200 m、500 m及1 000 m處Er在海面以下5 m深處出現(xiàn)的峰值分別為4.14 μs時(shí)的230.66 v/m、4.58 μs時(shí)的112.70 v/m、5.32 μs時(shí)的53.11 v/m、7.02時(shí)的18.21 v/m,及9.01時(shí)的7.63 v/m;在同樣的5個(gè)水平距離10 m深處出現(xiàn)的峰值分別為5.50時(shí)的156.93 v/m、6.39 μs時(shí)的79.11 v/m、7.21 μs時(shí)的37.96 v/m、9.15 μs時(shí)的13.47 v/m及10時(shí)的5.63 v/m。
對(duì)于TLS而言,Er的變化相對(duì)較為復(fù)雜,在各水平距離上出現(xiàn)峰值后均迅速減小,于距離雷電電流源水平距離r為50 m、100 m、200 m、500 m及1 000 m處Er海面以下5 m深處出現(xiàn)的峰值分別為1.34μs時(shí)的90.56 v/m、1.62μs時(shí)的40.17 v/m、2.03 μs時(shí)的16.97 v/m、2.83 μs時(shí)的5.45 v/m、4.39 μs時(shí)的2.50 v/m;而于同樣的5個(gè)水平距離10 m深處的峰值則分別為2.23 μs時(shí)的44.96 v/m、2.58 μs時(shí)的21.09 v/m、3.12μs時(shí)的9.39 v/m、4.22μs時(shí)的3.00 v/m、5.60 μs時(shí)的1.26 v/m。在距雷電電流源50 m的水平距離上Er于兩個(gè)深度出現(xiàn)峰值后迅速減小,時(shí)均低于-12v/m。
為了進(jìn)一步討論Er于兩個(gè)深度的差異,圖6則給出了距兩種雷電電流源通道5個(gè)水平距離海面之下5 m與10 m水平輻射電場(chǎng)之差隨時(shí)間的分布,由圖6(a)和6(b)可知,對(duì)于兩種雷電電流源(PS和TLS)而言,距兩個(gè)雷電電流源50 m的水平距離于兩個(gè)深度Er峰值的差最大,分別為112和69 v/m;而隨著水平距離的增加Er峰值的在兩個(gè)深度的差則迅速減小,當(dāng)水平距離為100、200、500、1000m時(shí),Er于兩個(gè)深度峰值的差則分別為53和28 v/m、24和13 v/m、8和5 v/m、5和2 v/m。
于海平面以下的兩個(gè)深度,兩種雷電電流源產(chǎn)生的Er在10 μs的范圍內(nèi)均存在正的峰值,且隨時(shí)間呈單峰正偏態(tài)分布,隨著距離雷電電流源水平距離的增大,一方面峰值的差快速減小,另一方面峰值出現(xiàn)的時(shí)間呈明顯的滯后。
圖5 距兩種雷電電流源通道5個(gè)水平距離海面之下5 m與10 m的水平輻射電場(chǎng)
圖6 距兩種雷電電流源通道5個(gè)水平距離海面之下5m與10m水平輻射電場(chǎng)之差隨時(shí)間的分布
在我國海洋戰(zhàn)略持續(xù)深入推進(jìn)的前提下,為了深入了解雷電電流源產(chǎn)生的水平輻射電場(chǎng)Er在由空氣、海水及洋殼所組成的海洋介質(zhì)中的傳播特征,本文針對(duì)正地閃首次回?fù)鬚S及Nucci的TLS雷電電流源,通過二維時(shí)域的方法對(duì)其于海洋分層介質(zhì)中的水平輻射電場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析。
在海面及其以上的高度,當(dāng)距雷電電流源水平距離r=0 m時(shí),兩種雷電電流源產(chǎn)生的Er均為正值;其中PS產(chǎn)生的Er是隨時(shí)間呈對(duì)數(shù)增加,而TLS的則隨時(shí)間呈單峰正偏態(tài)分布。當(dāng)距雷電電流源水平距離r>0 m時(shí),兩種雷電電流源產(chǎn)生的Er與前者的基本呈反位相。在海平面以下兩種雷電電流源產(chǎn)生的Er隨時(shí)間亦呈單峰正偏態(tài)分布。
在距雷電電流源通道水平距離為0 m時(shí),海平面之上50 m以下的高度,Er值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)分別較為相似;其中于海面的Er值最小,于10、20、30、50 m高度的Er值則較大,且隨高度的增加略有減?。籔S的Er值10 μs時(shí)在3.273 3×106與1.177 1×107v/m之間;TLS的Er的峰值在9.274 7×105與2.887 8×106v/m之間。在距雷電電流源通道水平距離為0 m時(shí),海平面之上100、200、300、400、500 m的高度Er值較為相似,且隨高度的增加略有減小。
距離兩種雷電電流源通道50、100、200、500、1 000 m的水平距離,于10 m的高度,Er值主要為負(fù);其中PS的Er值10μs時(shí)在-1.121 6×104與-7.027 9 v/m之間;TLS的Er于水平距離50、100、200、500 m的峰值在-2.478 4×103與-1.385 9×10 v/m之間,100 0 m水平距離出現(xiàn)一個(gè)較小的峰值為9.482 6 v/m。
于海平面以下5 m及10 m的深度,距離雷電電流源通道50、100、200、500、1 000 m水平距離,Er值主要為正;兩種雷電電流源的Er值于兩個(gè)深度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)分別較為相似,隨著水平距離的增加Er值于兩個(gè)深度的差值迅速減??;PS與TLS的Er值于兩個(gè)深度的差分別介于5~53 v/m與2~28 v/m之間。
通過本研究進(jìn)一步了解了雷電電流源產(chǎn)生的水平輻射電場(chǎng)于空氣、海水及洋殼組成的海洋分層介質(zhì)中傳播特征,這對(duì)于此介質(zhì)中的雷電防護(hù)工作將有著一定的指導(dǎo)意義。
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The study on the propagation characteristics of the horizontal radiated electric field of lightning in the marine layered medium
ZHOU Yun-jun1,2,CHENG Peng-wei1
(1.School of Atmospheric Sciences,Chengdu University of Information Technology,Plateau Atmospheric and Environment Key Laboratory of Sichuan Province,Chengdu 610225,China;2.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China)
With the continuously developmentof China's marine strategy,all kinds of fixed and mobile offshore platforms are required to carry out more effective lightning protection.It is very important to understand the horizontal radiated electric field(Er)of lightning current sources in the marine layered medium.The paper focuses on study of CG lightning flashes that can have a distinct impact on the marine facilities.The first return stroke of positive CG lightning current source(PS)and the Nucci current source(TLS)were selected to carry out comparative analysis of the propagation characteristics of horizontal radiated electric fields of two kinds of lightning current source in the stratified marine medium that is composed of air,sea water and oceanic crust.The results show as follows(1)At the heights of the sea level and above it(h≥0 m),when the horizontal distance from the lightning current source is 0m(r=0 m),values of Er produced by two kinds oflightning current sources are positive.Values of Er produced by PS are logarithmically increased with time,while ones of TLS show as the single peak of positive skewness distributions with time.Values of Er of two lightning current sources of r>0 m are inverse phase with ones of r=0 m.(2)When h is 0~50 m and 100~500 m at r=0 m,the value of Er of PS at 10 μs after the occurrence of lightning is 3.273 3×106~1.177 1×107v/m and 1.035 1×107~1.155 3×107v/m,respectively;while the peak value of Er of TLS is 9.274 7×105~2.887 8×106and 2.688 7×106~2.854 2×106v/m,respectively.(3)When r is 50~500 m at h=10 m,the value of Er of PS at 10 μs after the occurrence of lightning is-1.121 6×104~7.027 9 v/m,while the peak value of Er of TLS is-2.478 4×103~1.385 9×10 v/m.At h=10 m and r=1 000 m,the peak value of Er of TLS is 9.182 6 v/m.(4)At heights under the sea level(h<0 m),when r is 50~1 000 m,values of Er of two kinds of lightning current source are positive and the single peak of positive skewness distributions with time;the difference of Er of PS and TLS at h=-5 m and-10 m is 5~53 v/m and 2~28 v/m,respectively.
lightning current sources;PS;TLS;horizontal electric field;oceanic layered medium
P733.6
A
1001-6932(2017)06-0668-07
10.11840/j.issn.1001-6392.2017.06.009
2016-08-18;
2016-12-12
四川省教育廳項(xiàng)目(16CZ0021);北京市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(8141002)。
周筠珺(1968-),博士,教授,主要從事大氣電學(xué)的研究。電子郵箱:zhouyj@cuit.edu.cn。
袁澤軼)