地面建筑物对雷暴云大气电场影响的模拟研究
摘要
目前,为了学术研究以及雷电监测预警业务的发展,许多气象部门和科研院所利用大气电场仪对雷暴云大气电场进行测量[1-5],并利用所测量的电场值进行雷电预警[6-7]。但由于观测场地的限制,大气电场仪往往安装在楼顶或者楼群周围,其测量结果可能或大或小地受到周围建筑物的影响。为了对测量数据进行误差分析和标定,除了实验手段[8-9]之外,就是数值模拟[10]。大气中的静电场问题可归结为在给定电荷分布和边界条件下求解泊松方程[11],常用的数值解法包括模拟电荷法、有限元法以及有限差分方法等。本文就利用有限差分方法计算大气电场的畸变进行了较为详细的阐述,采用七点差分格式[12] 建立三维空间内电场的差分方程组,并介绍了超松弛迭代法求解差分方程组的方法。为了对算法进行检验,将模拟的结果与电磁场有限元分析软件Ansoft Maxwell[13]的结果进行了对比,二者的一致性较好。模型中选用的雷暴云电荷结构为较为典型的正偶极子结构,即主正电荷区位于主负电荷区之上,并且在其底部还存在一个小的正电荷堆[14]。文中模拟了几种建筑物及建筑群周围大气电场的分布情况,并且对孤立建筑物的情况进行了进一步的分析,结果表明:1)建筑物的存在对周围大气电场产生较大的影响,建筑物顶部的大气电场明显大于地面,且随建筑物高度增加而增强。如建筑物的长、宽均为40m,高度h=10、20、50 和100m 时,楼顶的大气电场分别是地面(当建筑物不存在时地面相同位置)处的1.4、1.7、2.8 和4.5 倍。且其转角处的电场最大。2)地面建筑物对地面电场存在明显的屏蔽作用,距离建筑物越近,其屏蔽作用越明显,相应的地面电场就越小,影响范围约为建筑物高度的3.5 倍以内。因此,对大气电场的测量需要考虑周围建筑物的影响。不过,由于实际的雷暴电荷结构非常复杂,而且实际中的建筑物形状和结构也会更为复杂,今后还需要在这些方面进行更加深入的研究和探讨。