0 引言

随着我国现代化的建设，雷击造成的损失越来越严重[1]。有研究资料表明，全球气候正发生着显著性的异常变化，而雷暴气候正属于全球气候中十分重要的一部分，极端的雷暴气候，造成了一系列的灾害性气候，对生态系统以及人类活动均带来了正面以及负面的影响，但是造成的负面影响尤为突出。因此，研究闪电先导发展机制成为了当前重要的课题。任晓毓等[2]主要利用了二维闪电先导发展模式，初步探讨了建筑物宽度对下行先导接地过程的影响，得出了接闪杆和建筑物拐角间存在竞争关系的结论。谭涌波等[3]主要根据先导随机放电参数方案，研究了不同地物结构对闪电放电参数的影响。韦念胜[4]同样根据二维放电参数方案，主要研究了接闪杆的高度以及先导发展初始点位对接闪杆性能的影响。廖义慧等[5]基于任晓毓等[2]建立的闪电先导二维随机模式，改变了上行先导的模拟方案，探讨了高建筑物水平尺度对雷击点位置概率的影响。汪志东等[6]建立了三维负极性先导发展模型并利用该模型评估了建筑物水平尺度及垂直高度和接闪杆高度对闪击距离的影响。

笔者主要采用三维先导自持放电模式，研究了雷击点的分布特征，从而探讨了随机参数、接闪杆高度对雷击点的影响。这样不仅能够使我们更加准确地了解三维环境中闪电发展的过程，而且在实际工程方面，对于接闪杆的安装以及其他雷电防护设计和技术的发展提供了一定的理论依据。

1 模式方案

1.1 模式设置

笔者采用的模拟域的空间范围尺寸为500 m×500 m×500 m，其相应的空间分辨率设置为5 m×5 m×5 m模拟区域。假设在初始环境中背景电场是均匀分布的，接闪杆位于模拟空间域的中间位置，建筑物与下边界的连接良好，电位为零。模拟域上边界、下行先导、建筑物以及地面均满足Dirichlet边界条件，模拟域侧边界满足Neumann边界条件[7-8]。在本文的研究中，认为闪电先导是随机从雷暴云中向下发展的，当先导发展至近地面时，通过近地面电场的变化从而对建筑物构成影响[9-11]。本文假设空间模拟域顶层的中心位置为闪电先导发展的初始位置，且初始先导的长度为20 m。闪电先导发展的电场阈值均为150 kV/m，同时上行先导的触发阈值为150 kV/m，上行先导与下行先导的连接阈值为500 kV/m。

以各因子的方差贡献率作为权重，计算12个海岛县经济发展水平的主成分得分。由旋转后累计方差贡献率可知，前3个主成分累计贡献率达到了96.403%，所以选取3个主成分。第一主成分得分计算公式为：

1.2 先导发展方案

闪电先导是以步进式的形式发展的，即闪电先导每次只有一个后续通道点发展。后续通道点的选取需要通过求解泊松方程计算所有通道点与其周围点之间的电场强度。完成这些点的电场强度计算后根据概率函数从满足给定阈值的点中随机选取一个作为后续通道点。每选定一个后续通道点后就对建筑物面与地面上是否产生上行先导进行判定，如果有满足触发上行先导的点存在，则从这些点中随机选取一个点作为触发上行先导的点。上行先导的发展方案与下行先导的方案类似，它们之间只有方向上的差异。模拟中先导每发展一步则对应产生一个格点。考虑到下行先导和上行先导的不断发展对空间电场产生的影响，在该数值模拟的过程中每发展一步闪电先导，则根据闪电先导的发展情况对三维空间内的电场分布进行重新计算，从而实现先导发展过程中模拟区域内的电场的变化，进而为下行先导和上行先导的下一步发展状况判断做准备。当上行先导和下行先导之间的电场强度达到连接阈值时，就会判定闪电连接。闪电先导连接过程发生后则判定本次闪电过程结束。

1.3 实施方案

建筑物选取的高度是45 m。在该建筑物高度下，此建筑物的拐角对大气电场畸变影响还是较大的。为了方便讨论，取A、B、C、D四个字母分别代表建筑物四个拐角，其对应空间坐标分别为（246，246）、（252，246）、（252，252）、（246，252）。由于实际中下行负地闪所占比例比较大，占全部地闪的90%以上[12-15]，所以笔者选取的下行先导都为下行负先导。在此基础上，将先导连接参数化方案植入该模式，通过改变随机参数、接闪杆的高度进行多次模拟试验，并统计闪电雷击点位置分布情况。

首先设下行负先导的初始点位为-5 MV，通过改变随机参数，对其进行10次模拟试验。然后在建筑物的顶面中心处安置一根接闪杆，考虑到模拟阈与分辨率的限制，设置接闪杆的高度变化范围为5～40 m，设定下行负先导的初始电位为-13 MV，通过不同接闪杆高度下的各10次模拟。最后选取接闪杆的高度恒为5 m，将其安置于建筑物的不同拐角处，设定下行负先导的初始电位为-13 MV，通过改变接闪杆的相对位置各进行10次模拟。

2 结果分析

2.1 随机参数对雷击点的影响

对于接闪杆高度的设置，结合了实际情况，同时考虑到本仿真试验的模拟域以及分辨率的限制，接闪杆的高度取值范围为5～40 m。下行负先导的初始电位设置成固定值-13 MV（在下行负先导的初始电位值为-13 MV时，此时闪电具有较高的概率击中建筑物的拐角，这样能更加方便讨论接闪杆与建筑物拐角间的竞争关系），建筑物的特性仍然保持不变。在不同的接闪杆高度下各进行10次闪电模拟，以实现不同接闪杆高度下对闪电先导连接发展的模拟，从而能探讨出接闪杆的高度对闪电雷击点位置的影响。

接闪杆高度的增加使接闪杆尖端处的初始电场畸变值也增大（接闪杆尖端处的初始电场畸变值指的是闪电先导发展第一步时该接闪杆尖端处的电场畸变值），见表1。而且随着接闪杆高度的增加接闪杆尖端处的电场畸变值得增长斜率也越来越高。这预示着接闪杆的高度越高，则接闪杆的尖端处的电场畸变值也越来越容易达到上行正先导的触发阈值150 kV。

由图4的不同高度接闪杆尖端处的初始电场畸变值与对应建筑物拐角处的初始电场畸变值对应变化关系曲线可知：接闪杆高度的增加不仅仅使接闪杆尖端处的初始电场畸变值稳定增加，同时还稳固减少了建筑物拐角处的初始电场畸变值。不过随着接闪杆高度的增加，接闪杆尖端处初始电场畸变值的增长斜率基本保持不变，但建筑物拐角处的初始电场畸变值的增长速率却也在不断减小。即最后建筑物拐角处的电场畸变值将趋于一个定值。

图3给出了接闪杆的高度在5～40 m的范围变化时，不同接闪杆的高度与不同位置雷击点出现次数之间的关系。由图3可以发现，随着接闪杆的高度增加，闪电雷击点落在建筑物拐角的次数减小，而闪电雷击点落在地面的次数在接闪杆的高度达到一定数值的时候也在降低，即闪电雷击点落在接闪杆的次数增加。说明接闪杆的高度过高时不但不能提高接闪杆的保护有效性，使得原本该击中地面的闪电也落在了接闪杆上，从而增加了整个建筑物遭受雷击的概率。

图1 不同接地点的连接形态 Fig.1 Connection of different grounding points

图2给出了雷击点位置落在不同地方时建筑物4个拐角A、B、C、D处电场畸变值与先导发展步数的变化关系曲线，其闪电的空间形态分别对应图1中（a）、（b）、（c）3图。对比图2（a）、图2（b）与图2（c）可以发现，建筑物4个拐角处的电场值随先导发展具有相似的变化趋势，下行负先导发展初始阶段建筑物4个尖端畸变电场值平稳增长（图2（a）的纵坐标数值较小，故而看着似乎变化挺大），当下行负先导临近建筑物时，建筑物拐角处的畸变电场值呈指数式增长，而图2（a）的下行负先导是远离建筑物发展的，故而建筑物拐角处的畸变电场值并没有后期的指数式增长。不过图2（c）中，当下行先导发展到临近建筑物时，建筑物尖端电场畸变值达到了上行先导的触发阈值，从而尖端拐角处产生上行先导与下行先导相连接；而图2（b）中建筑物拐角处电场的畸变值并未达到上行先导的触发阈值，从而下行负先导不断向下发展，下行先导距地面距离低于建筑物的高度时就会出现击中建筑物侧面的情况，从而使闪电的雷击点的位置落在建筑物的侧面。

图2 建筑物拐角处电场畸变值随先导发展步数的变化曲线 Fig.2 The variation curve of the electric field distortion value at the corner of the building with the step number of leader development

2.2 接闪杆的高度对雷击点的影响

笔者首先设置下行负先导初始电位为-5 MV，通过改变随机参数，对其进行10次模拟试验，成功实现了对不同雷击点位置的模拟。图1（a）—图1（c）模拟结果显示：闪电分别可以击中地面、建筑物侧面以及建筑物拐角这3种情形。由图1可以看出，由于随机参数的不同，闪电发展的空间形态也各不相同。

彩色合成变换是将G通道换为全色波段进行RGB合成，得到彩色合成融合结果。彩色合成能有效提高影像的光谱信息，突出反映地物在彩色影像上的差异，便于目视解译。QuickBird 4、3、2假彩色合成影像与融合结果见图1。在假彩色合成影像中，近红外植被高反射率部分被赋予深色，在影像上突出了植被的信息，影像内部不同地物的区分对比明显。当全色波段被融合进去后，影像的清晰度明显提高。

盖碗茶具，无论是加上盖还是添了托，从功能和形制的角度出发，重点还是在一个“碗”。可以分为四个阶段进行阐述：清代康熙年间创制碗、盖结合两件式盖碗茶具；在同治年官样中定名并形成定式；后至民国创新碗、盖、托结合的三件式；如今形制在传统中延续、功能有新发展。

图3 接闪杆高度与闪电雷击点位置的关系曲线 Fig.3 The relationship curves between the height of lightning rod and the position of lightning point

2.3.3 急性冠脉综合征出院>1年，新发房颤有抗凝治疗适应证：(1)对稳定型冠心病合并房颤，单用维生素K拮抗剂优于阿司匹林，无必要加用抗血小板药治疗；(2)可选用NOAC替代维生素K拮抗剂[10]。

按照“小总部、大产业”的思路推动集团本部改革，明确省农垦集团-产业集团及区域集团-子公司（含农场基地公司）各级企业的定位、职能和管理权限，建立适应市场经济要求、精简高效的集团运作架构。完善各级企业法人治理机构，建立健全权责对等、运转协调、有效制衡的决策执行监督机制和灵活高效的市场化经营机制，党组织的领导核心和政治核心作用、董事会的决策作用、监事会的监督作用、经理层的经营管理作用的职责划分明确，实现规范的公司治理。推动农场进一步树立企业经营理念，精简机构人员，增强经营能力。

表1 不同高度接闪杆尖端处对应的初始电场畸变值数据统计 Table 1 Different height at the tip of the lightning rod corresponding to the initial electric field distortion data statistics

接闪杆高度/m电场畸变初始值/（V·m-1）5 3 837 10 4 395 15 4 865 20 5 296 25 5 706 30 6 102 35 6 492 40 6 873

通过数值计算方法，笔者进行了10次模拟，统计出了不同雷击点位置的出现次数，闪电击中建筑物拐角的情况出现了4次，雷击点的位置落在建筑物的侧面出现了4次，雷击大地出现了2次。对于下行先导位于建筑物正上方的情况下，闪电大多会击中建筑物，但也会出现雷击点落于地面的少数情况。

将下行负先导的初始电位对雷击点影响的下行负先导的初始电位-13 MV的数据提出，与接闪杆高度为5 m且接闪杆被安置在建筑物顶面中心位置处情况下的模拟数据同列于表2中，将已得出的安装接闪杆的建筑物拐角处的电场畸变值数据与未安装接闪杆时的建筑物拐角处的初始电场畸变数值进行对比。

图4 不同高度的接闪杆尖端处初始电场畸变值与对应建筑物拐角处的初始电场畸变值的关系曲线 Fig.4 Curve of the relationship between the initial electric field distortion at the tip of the splitter rod at different heights and the initial electric field distortion at the corner of the corresponding building

表2 建筑物是否安置接闪杆雷击点分布状况数据 Table 2 Whether the building is equipped with lightning rod lightning point distribution status data

雷击点位置建筑物拐角地面接闪杆未安接闪杆各雷击点位置出现次数已安置接闪杆各雷击点位置出现次数9 1——7 3 0

由表2可得，虽然对于40 m高的建筑物而言，5 m高度接闪杆的防护效果并不明显，没有出现闪电击中接闪杆的情况，但是雷击点建筑物拐角的次数却也是实实在在地降低了，而雷击点落在地面的次数增加了。

通过有无接闪杆情况下，对建筑物拐角处的大气电场畸变值进行计算，并对比分析，虽然5 m的接闪杆对于40 m高的建筑物而言并不能起到良好的雷电防护作用，但是这5 m高度的接闪杆对建筑物拐角处的初始电场畸变值还是有影响的。5 m高的接闪杆还是降低了建筑物拐角处初始电场畸变值，从另一个角度来看，也是削弱了建筑物拐角处的引雷作用。所以雷击点位置落在地面的次数增加了。

接闪杆的防雷其实质是因为接闪杆对雷击点位置的影响，将原本落在建筑物拐角上的雷击点的位置改成落在自身尖端处，从而实现了接闪杆对建筑物的雷电防护。而且接闪杆的雷电防护效果也不仅仅是因为自身的引雷作用，同时还有降低建筑物拐角引雷作用的效果。

3 结论

本文进行了闪电数值仿真试验，通过改变接闪杆的高度及相对位置，分析了建筑物拐角和接闪杆尖端处的电场畸变值变化，探讨了下行先导初始电位和接闪杆高度及相对位置对闪电雷击点位置的影响。主要结论如下：雷击点的位置具有随机性，随机性中具有一定的必然性。同时接闪杆对建筑物拐角的初始电场畸变值存在着虚弱作用，降低了闪电击中建筑物拐角的概率。接闪杆的高度越高，则接闪杆尖端处的电场畸变值越高，雷击点位置落在接闪杆尖端处的概率也越大。而同时建筑物拐角处的初始电场畸变值一直在减少，不过建筑物拐角处的初始电场畸变值的减少速率也在降低，即最后接闪杆的高度增加对建筑物拐角的初始电场畸变值并无太大影响。此时继续增加接闪杆的高度不仅不会提高接闪杆的防雷保护有效性，反而只会增加接闪杆的引雷概率。

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