閃電回擊過程中高層建筑物頂部感應電流電荷特征分析

蔡然 羅欣 高彥 杜其江 莊紅波 彭筱虹 傅春華

（1 深圳市氣象服務中心，深圳 518000；2 香港理工大學，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，在全國范圍內出現了越來越多的高層建筑物，其中廣泛分布著各種種類、各種型號的電子產品。在高建筑物受到直接雷擊時，不但高層建筑物自身結構會遭到破壞，放置于建筑物內的某些精密電子產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，大量的科學工作者[1-2]對雷電進行了深入的研究。當一個下行先導（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）會激發上行先導（upward leader），當這個上行先導最終和下行先導連接時，就形成了閃電回擊過程。目前，國內外針對高層建筑物（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于廣州塔對于附近區域雷電發生密度、回擊峰值電流、閃電極性和回擊次數產生影響的結論。同時，國外一些專家學者也針對高塔閃電進行了一些觀測和研究。

然而，目前有關高層建筑物對自然閃電電荷特性的影響僅局限于觀測結果的分析，缺乏具體的理論基礎和模擬結果對實際工作中高層建筑物雷電防護進行幫助和指導。通過合理的技術仿真及數值運算，分析量化回擊過程中高層建筑對其頂部所產生的感應電流和感應電荷變化的影響特征，研究一套從高層建筑物雷電基礎參數出發，針對高層建筑的高效、合理的綜合防雷體系，指導城市高層建筑防雷理論建設，進而更好地為深圳城市高層建筑提供科學合理的防雷技術指導和依據，對今后指導高層建筑防雷設計、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石巖氣象觀測基地內，集邊界層氣象垂直探測、大氣環境監測、雷電防御科學研究、氣象災害實景監視于一體，梯度塔為桅桿結構，桅桿高度為356 m，塔身為2.5 m×2.5 m，采用PHC管樁基礎和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，利用其觀測數據進行分析研究。該閃電光學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生的閃電發展通道。HC-1鏡頭的焦距為20 mm，像素大小為20 μs，其對應的空間分辨率為0.56 m。拍攝時HC-1設置的幀數為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，其中回擊前的預觸發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，其對應的空間分辨率為0.8 m。拍攝時HC-2設置的幀數為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，其中回擊前的預觸發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生在梯度塔上的兩次上行閃電過程，從圖像中得到先導的發展通道和通道長度。通過每幀圖像之間的時間間隔，求得兩次上行先導過程的平均速度分別為2.2×105和1.1×105m/s。基于以上雷電觀測影像資料，建立接近自然閃電的模擬通道，對高塔周圍環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展過程中塔頂產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的電流與電荷進行仿真計算。

2 電荷密度發展特征研究

在建筑物上方發生的自然閃電中攜帶的電荷越多，在下方建筑物上所產生的感應電荷也越多，相應建筑物上感應電荷的能量密度也越大。根據現有條件，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電荷的能量密度的大小，與相同條件下沒有建筑物時所產生的感應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電荷的能量密度與無建筑物時所產生的感應電荷能量密度之間的比值定義為擴大系數，并量化該系數。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的影響

根據上文介紹的方法，仿真模擬并對模擬數據進行統計分析（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的關系。

根據圖3可以看出，在5條曲線中，系數都隨建筑物高度的增加而增加，系數的變化范圍為2.0～4.5。高層建筑對其上感應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的關系 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的影響

圖4為建筑物頂部平臺面積和擴大系數的關系。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都隨其頂部平臺面積的增大而減小，系數的變化范圍為2.3～4.5。另外隨著建筑物高度越高，建筑物對地面感應電荷的影響也越高，與2.1節分析的結論一致。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電荷的擴大系數分布見表1所示。

圖4 建筑物頂部平臺面積和擴大系數的關系 Fig. 4 The relationship between enlargement coefficient and area of roofs

2.3 建筑群對擴大系數的影響

選取深圳市內京基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電荷擴大系數的研究。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 Table 1 Enlargement coefficient data by building

當京基100大樓單獨存在時，其頂部平臺在閃電通道下所產生的感應電荷的擴大系數為3.8；如果兩棟高建筑物同時存在，京基100頂部平臺感應電荷的擴大系數為3.9。另一方面，當地王大廈單獨存在時，其頂部平臺在閃電通道下所產生的感應電荷系數為3.7；如果兩棟高建筑物同時存在，其頂部系數不變，具體數據如表2所述。當閃電通道在京基100樓頂時，地王大廈頂部產生的感應電荷為京基100樓頂上所產生的感應電荷的1.8%；當閃電通道在地王大廈頂部時，京基100樓頂的感應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電荷擴大系數的影響 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，研究三個建筑物構成的超高建筑物群在閃電發生時的相互影響作用。三個超高建筑物所對應的分布如圖5所示。三個建筑物之間互相影響的結果如表3所示。當閃電通道在京基100樓頂時，地王大廈頂部產生的感應電荷為京基100樓頂上所產生的感應電荷的1.8%，建筑物C上的感應電荷為京基100上的0.8%；當閃電通道在地王大廈頂部時，京基100樓頂的感應電荷為地王大廈頂部的4.3%，建筑物C上的感應電荷為地王大廈的2%；而當閃電通道在建筑物C頭頂時，地王大廈的感應電荷和京基100的感應電荷均為建筑物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電荷系數的影響 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。

根據對這一建筑物群的研究，可以發現：

1）有無相鄰建筑物對建筑物頂部感應電荷的擴大系數影響很小；

2）閃電通道在復雜地面上所產生的感應電荷，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，其他建筑物頂部產生的感應電荷與通道正下方建筑物頂部產生的感應電荷的比率越來越小。

3 電流發展特征影響

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，感應電流系數的變化（圖6）。當塔頂平臺面積為6.25 m2時，高塔對閃電所引起的感應電流的擴大系數為4.3，而當平臺面積增大至10000 m2時，其擴大系數下降至3.4，這與表1的數據結論一致。這說明高層建筑對閃電通道內電流的影響趨勢與對電荷的影響趨勢一致。

圖6 電流擴大系數分布 Fig. 6 The current enlargement coefficient

另外，根據電流與電荷的關系公式I=ρ×V，當感應電荷密度ρ一定時，感應電流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：個例一發生于2016年7月30日15時35分38秒，先導傳播時拍攝到的高速攝像照片如圖7a所示。根據對應的高速攝像資料，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，其對應的二維速度為1.1×105m/s。

圖7 2016年7月30日深圳塔上發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

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

圖8 感應電荷密度和感應電流大小的關系 Fig. 8 The relationship between induced charge and induced current

4 結論

通過上述分析，得到以下結論：

1）高層建筑感應電流的影響趨勢與對感應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，對絕大多數情況而言，其擴大系數在2.0～4.5；

2）有無相鄰建筑物對建筑物頂部感應電荷的擴大系數影響很小；

3）閃電通道在復雜地面上所產生的感應電荷，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，其他建筑物頂部產生的感應電荷與通道正下方建筑物頂部產生的感應電荷的比率越來越小。由于先導的傳播速度不同，對最終感應電流的大小也有很大影響。

目前對深圳市內高塔和高建筑物上發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的電流擴大系數等問題進行深入的研究和分析。