本發(fā)明屬于氣象
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及一種地閃通道電流衰減及FDTD方法模擬輻射電場的方法。
背景技術(shù)：
：雷電具有復(fù)雜的物理過程，尤其是地閃，無論是正地閃還是負(fù)地閃，特別是其中的首次回?fù)艏袄^后回?fù)羲a(chǎn)生的強烈的電磁輻射，對于人類活動主要的地面及其以上的空間區(qū)域(即：大氣邊界層)內(nèi)的物體，尤其是各類與人類生產(chǎn)及生活密切相關(guān)的電氣設(shè)備，都能產(chǎn)生十分明顯的影響。因此，就地閃主要物理過程中的大電流所產(chǎn)生的強電磁輻射特征的研究，一直是學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點，并對此進行了大量的研究。一方面，目前學(xué)術(shù)界對于地閃回?fù)綦A段的電流有了較為深入的了解，通過研究已經(jīng)給出了各類的地閃回?fù)裟Ｐ汀＿@些回?fù)裟Ｐ椭饕校簹怏w動力模型、電磁模型、分布回路模型，以及工程模型。而在這些模型中，尤以工程模型被學(xué)術(shù)界廣為接受。另一方面，在這些模型的基礎(chǔ)上，對地閃電流的衰減也進行了分析，從而建立了各類衰減模型，它們分別是MTLL、MTLE、MTLT、MTLTQ、MTLCOS、DU、BG及TL。盡管如此，就地閃產(chǎn)生的輻射電場進行準(zhǔn)確的估算仍然是學(xué)術(shù)界所面臨的難題之一，人們對于大氣邊界層內(nèi)的地閃所產(chǎn)生的電磁輻射了解得尚不夠清晰。技術(shù)實現(xiàn)要素：為克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，本發(fā)明目的在于提供一種地閃通道電流衰減及FDTD方法模擬輻射電場的方法，在對地閃電流于大氣邊界層各高度衰減分析的基礎(chǔ)上，通過FDTD的方法模擬地閃通道的水平及垂直輻射電場，進而對其進行深入的分析。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：地閃通道電流衰減及FDTD方法模擬輻射電場的方法，包括以下步驟：(1)地閃通道的電流及其隨高度的衰減對于地閃的工程模型而言，利用公式(1)來描述地閃通道的電流的沿通道的時空分布，且可據(jù)此來計算地閃的輻射電磁場；i(z',t)＝u(t-z'/vf)P(z')i(0,t-z'/v)(1)其中，u(t)為Heaviside方程，P(z’)為依賴于高度的衰減因子，vf為回?fù)羲俣?，v電流的波形傳播速度；u(t-z′/vf)=0,t<z′/vf1,t≥z′/vf---(2)]]>i(0,t)=I01η(t/τ1)2(t/τ1)2+1exp(-t/τ2)+I02[exp(-t/τ3)-exp(-t/τ4)]---(3)]]>其中I01＝9.9kA,τ1＝0.072μs,τ2＝5μs,η＝0.845,I02＝7.5kA,τ3＝100μs,和τ4＝6μs,地閃通道底部電流不僅是時間的函數(shù)，同時也是高度的函數(shù)，通常而言其會隨著高度增加而出現(xiàn)衰減；(2)利用FDTD方法模擬地閃通道的輻射電場(2.1)地閃通道的水平輻射電場地閃通道由垂直的電流源陣列來表示，其中使用的FDTD方法為柱坐標(biāo)下的二維FDTD，二維FDTD的工作范圍2000m(x軸)×2700m(z軸),其中的格距為1m×1m，時間步長為1.66ns，計算中采用一階Mur吸收邊界以模擬無限空間；距地閃通道水平距離較近的20及50m，距地閃通道的水平距離越近，水平輻射電場極大幅值就會越大，而距離地面的高度更易影響水平電場極大幅值出現(xiàn)的時間，對幅值大小影響則較??；(2.2)地閃通道的垂直輻射電場決定垂直輻射電場極大值出現(xiàn)時間的主要因素是距地面的距離，而決定幅值絕對值的主要因素則是距地閃通道的水平距離；采用二維FDTD方法對于地閃通道產(chǎn)生的垂直輻射電場進行計算。本發(fā)明利用六種地閃通道底部電流衰減模型分析地閃通道電流隨高度衰減特性的基礎(chǔ)上，通過二維FDTD方法模擬了大氣邊界層內(nèi)距地閃通道四個不同距離的地閃通道的水平及垂直輻射電場隨時間的變化特征。主要結(jié)果如下：(1)在大氣邊界層內(nèi)于15、200、500及2500m的高度上，地閃通道電流衰減差異由大至小的模型分別為MTLTQ、MTLE、MTLT、MTLCOS、MTLL及TL；(2)地閃通道的水平輻射電場于地面在四個水平距離上10μs內(nèi)主要為負(fù)值，在兩個較遠水平距離的15m高度上同時出現(xiàn)了正與負(fù)的極大值，而于其余高度各水平距離均為正值，且幅值絕對值的量級均在0-104V/m之間；(3)地閃通道的垂直輻射電場于200及500m高度距地閃通道20及50m，以及于500m高度距地閃通道200m相對較為復(fù)雜；于2500m的特征最為簡單，在8.6μs或8.9μs后出現(xiàn)負(fù)的增大；除此之外均為單一極大值的正值變化。在地閃通道電流衰減模型中MTLL于各高度的衰減差異在各模式中適中，二維FDTD方法可以較好地模擬地閃通道在大氣邊界層內(nèi)的水平及垂直輻射電場。通過FDTD的方法模擬地閃通道的水平及垂直輻射電場，進而可以對其進行深入的分析。附圖說明圖1六種衰減模型下地閃通道底部電流于15、200、500、2500m四個高度，在大氣邊界層內(nèi)經(jīng)衰減后隨時間的分布特征圖2地閃輻射電磁場在大氣邊界層內(nèi)的傳播示意圖圖3地面及15m高度距離地閃通道20及50m水平輻射電場隨時間的分布圖圖4200及500m高度距離地閃通道20及50m水平輻射電場隨時間的分布圖圖5距離地閃通道200及500m于地面、15m、200m及500m高度水平輻射電場隨時間的分布圖圖62500m高度距離地閃通道20、50、200、500m水平輻射電場隨時間的分布圖圖7距離地閃通道20及50m于0、15、200及500m的高度垂直輻射電場隨時間的分布圖圖8距離地閃通道200與500m于0、15、200及500m高度垂直輻射電場隨時間的分布圖圖9距離地閃通道20、50、200與500m于2500m高度垂直輻射電場隨時間的分布圖具體實施方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面本發(fā)明中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。1地閃通道的電流及其隨高度的衰減對于地閃的工程模型而言，可以利用公式(1)來描述地閃通道的電流的沿通道的時空分布，且可據(jù)此來計算地閃的輻射電磁場。i(z',t)＝u(t-z'/vf)P(z')i(0,t-z'/v)(1)其中，u(t)為Heaviside方程，P(z’)為依賴于高度的衰減因子，vf為回?fù)羲俣龋瑅電流的波形傳播速度。u(t-z′/vf)=0,t<z′/vf1,t≥z′/vf---(2)]]>在地閃通道底部電流方程中，由于Nucci給出的方程(3)與Berger等的實驗結(jié)果較為一致，因而得到了較為廣泛的應(yīng)用。i(0,t)=I01η(t/τ1)2(t/τ1)2+1exp(-t/τ2)+I02[exp(-t/τ3)-exp(-t/τ4)]---(3)]]>其中I01＝9.9kA,τ1＝0.072μs,τ2＝5μs,η＝0.845,I02＝7.5kA,τ3＝100μs,andτ4＝6μs,地閃通道底部電流不僅是時間的函數(shù)，同時也是高度的函數(shù)，通常而言其會隨著高度增加而出現(xiàn)衰減。表1給出了六種地閃通道底部電流衰減模型及其公式。表1六種地閃通道底部電流衰減模型及其公式Tab.1SixkindsofattenuationmodelofCGlightningchannelbasecurrentandtheirequations為了了解地閃通道底部電流在大氣邊界層內(nèi)隨高度的衰減特征，本發(fā)明針對六種的衰減模型MTLT、MTLTQ、MTLCOS、MTLL、MTLE及TL，分析Nucci的地閃通道底部電流于大氣邊界層內(nèi)15、200、500、2500m四個高度上衰減后隨時間的分布特征。圖1六種衰減模型下地閃通道底部電流于大氣邊界層內(nèi)經(jīng)衰減后隨時間的分布(a：MTLT、b：MTLTQ、c：MTLCOS、d：MTLL、e：MTLE、f：TL)圖1分別給出了六種衰減模型下地閃通道底部電流于15、200、500、2500m四個高度，在大氣邊界層內(nèi)經(jīng)衰減后隨時間的分布特征。由圖1可知，在大氣邊界層內(nèi)的四個高度上地閃通道底部電流在MTLTQ衰減模型下，隨時間的分布差別最大，在15、200、500、2500m高度上的電流最大值分別為17.1、15.7、14.0、10.0kA；與MTLTQ模型下電流隨時間分布特征相近的是MTLE模型，其于四個對應(yīng)高度上的電流最大值則分別為17.0、16.1、14.9、10.1kA。除了以上兩個模式外，于四個高度差別較大的則是MTLT模型，其于四個對應(yīng)的高度電流最大值則分別為17.1、16.3、15.4、12.4kA。而衰減時間分布差別較小的是MTLCOS和MTLL模型；對于MTLCOS模型，四個對應(yīng)的高度上電流最大值則分別為17.1、16.4、15.3、14.0kA；對于MTLL模型，四個對應(yīng)的高度上電流最大值則分別為17.0、16.9、16.3、13.9kA；TL模型為無衰減模型。本發(fā)明中為了使得討論得較具有代表性，將選取電流衰減幅度介于中間的MTLL模型作為地閃通道電流源的衰減模型，進而討論其輻射電場的分布特征。2利用FDTD方法模擬地閃通道的輻射電場2.1地閃通道的水平輻射電場在本發(fā)明地閃通道產(chǎn)生的電場計算中，地閃通道由垂直的電流源陣列來表示，其中使用的FDTD方法(時域有限差分)為柱坐標(biāo)下的二維FDTD。時域內(nèi)不同位置的地閃回?fù)舢a(chǎn)生的電場波形由的二維FDTD的方法計算。二維FDTD的工作范圍2000m(x軸)×2700m(z軸),其中的格距為1m×1m，時間步長為1.66ns，計算中采用一階Mur吸收邊界以模擬無限空間，具體的地閃輻射電磁場在大氣邊界層內(nèi)的傳播示意如圖2。圖2地閃輻射電磁場在大氣邊界層內(nèi)的傳播，σ為電導(dǎo)率、ε為介電常數(shù)、μ為磁導(dǎo)率。計算中，地閃通道的高度H設(shè)置為7500m，電流源采用Nucci的設(shè)置，而衰減模型則采用在各高度上差別適中的MTLL模型。陸地的電導(dǎo)率σ1＝0.001S/m,陸地介電常數(shù)ε1＝10；空氣的介電常數(shù)ε0＝8.85×10－12，空氣與陸地的磁導(dǎo)率相同，即μ0＝μ1＝4π×10－7H/m。圖3地面及15m高度距離地閃通道20及50m水平輻射電場隨時間的分布圖a：h＝0m，b：h＝15m。圖3給出了地面及15m高度距離地閃通道20及50m水平輻射電場隨時間的分布。在地面上(圖3a)，10μs內(nèi)20及50m處水平輻射電場隨時間的分布變化都較快，特別是前2μs尤為如此。20m處水平輻射電場的極大值出現(xiàn)在0.5μs，其值為-4250V/m，10μs時下降為-610V/m；而50m處水平輻射電場的極大值則下降為0.4μs時的-1600V/m，10μs時則下降為-80V/m。在15m高度上(圖3b)，雖然也是前2μs變化較快，但20及50m水平輻射電場隨時間的分布與在地面上的分布特征完全不同，20m處水平輻射電場的極大值出現(xiàn)在0.5μs，其值為3.375×104V/m，10μs時下降為0.835×104V/m；50m處水平輻射電場的極大值出現(xiàn)在1μs，其值為0.625×104V/m，10μs時下降則為0.235×104V/m。圖4200及500m高度距離地閃通道20及50m水平輻射電場隨時間的分布圖，由圖4可知，距地閃通道水平距離20m于200m的高度，水平輻射電場從0.7μs開始迅速上升，在1.8μs時達到極大值5.76×104V/m，此后便呈下降趨勢，在10μs時已下降為1.75×104V/m；在同樣的水平距離于500m的高度，水平輻射電場則從2.7μs開始迅速上升，3.8μs時達到極大值5.53×104V/m；距地閃通道水平距離50m于200m的高度，水平輻射電場亦是從0.7μs開始迅速上升，在2μs時達到極大值2.20×104V/m，此后緩慢下降，在10μs時已下降為0.72×104V/m；距地閃通道水平距離50m于500m的高度，水平輻射電場則亦是從2.7μs開始迅速上升，在4μs時達到極大值2.18×104V/m，此后緩慢下降，在10μs時已下降為0.83×104V/m。由此可見距地閃通道水平距離較近的20及50m，距地閃通道的水平距離越近，水平輻射電場極大幅值就會越大，而距離地面的高度更易影響水平電場極大幅值出現(xiàn)的時間，對幅值大小影響則較小。圖5距離地閃通道200及500m于地面、15m、200m及500m高度水平輻射電場隨時間的分布a：r＝200m，b：r＝500m。由圖5a可知，距地閃通道200m的距離，于地面及15m的高度上水平輻射電場隨時間的變化較為接近，在0.7μs時開始發(fā)生變化，到0.92μs時分別出現(xiàn)極大值，分別為-280V/m及-95V/m；此后地面上的水平輻射電場逐漸減小到接近0V/m，而于15m的高度則出現(xiàn)了反向的增大，在2.2μs時達到了260V/m，然后逐漸減小到10μs時的130V/m。而于200及500m的高度上水平輻射電場隨時間的變化也較為相似，200、500m的高度水平輻射電場分別從0.94及1.8μs時開始迅速增大，而它們的極大值則分別為2.9μs時的3270V/m及4.8μs時的4000V/m，極大值出現(xiàn)后則均開始下降，在10μs時分別下降為1350V/m及2160V/m。由圖5b可知，距地閃通道500m的距離，在地面及15m的高度上水平輻射電場隨時間的變化同樣也較為接近，在1.8μs時開始發(fā)生變化，到2μs時均出現(xiàn)極大值，分別為-95V/m及-75V/m；此后地面上的水平輻射電場也逐漸減小到接近0V/m，而于15m高度的則出現(xiàn)了小幅的反向增大，最終穩(wěn)定于34V/m。而于200及500m的高度上水平輻射電場隨時間的變化也同樣較為相似，200、500m的高度水平輻射電場分別從1.8及2.4μs時開始迅速增大，而它們的極大值則分別為4.7μs時的530V/m及6μs時的980V/m，極大值出現(xiàn)后則均開始下降，在10μs時分別下降為350V/m及700V/m；由此可見，盡管距地閃通道的水平距離有較大的差異，但是在地面及靠近地面的15m高度上水平輻射電場隨時間的變化是較為接近的，而于200及500m的高度水平輻射電場隨時間的變化趨勢也是相似的，只是距地閃通道水平距離更近的幅值會明顯較大。圖62500m高度距離地閃通道20、50、200、500m水平輻射電場隨時間的分布圖。由圖6可知，在2500m的高度上，距離地閃通道20、50、200m水平輻射電場均從8.4μs開始隨時間增大，而500m水平輻射電場則從8.5μs開始增大，在10μs時4個高度上對應(yīng)的水平輻射電場的幅值分別則為2.5、5.8、22、47.5V/m。這一高度上于不同的距地閃通道的水平距離上的水平輻射電場明顯有別于其它高度的分布特征。采用二維FDTD方法對于地閃通道產(chǎn)生的水平輻射電場進行計算，其結(jié)果與Li等得到研究結(jié)果較為一致。2.2地閃通道的垂直輻射電場圖7距離地閃通道20及50m于0、15、200及500m的高度垂直輻射電場隨時間的分布圖，a：h＝0，15m；b：h＝200，500m。圖7a給出了距離地閃通道20及50m于0及15m高度的垂直輻射電場隨時間的分布，其中距離地閃通道20m的兩個高度上垂直輻射電場幅值10μs內(nèi)整體較大，0及15m高度的極大值分別為0.8μs的5.45×104V/m及1μs的4.32V/m；而距離地閃通道50m的兩個高度上垂直輻射電場幅值10μs內(nèi)較為接近且整體相對于20m兩個高度的較小，其極大值均出現(xiàn)在1.1μs分別為1.9×104V/m及1.8×104V/m；因此，距地面15m高度以內(nèi)在20及50m水平距離上垂直輻射電場隨時間的變化特征是較為相似的。圖7b為距離地閃通道20及50m而于200及500m高度的垂直輻射電場隨時間的分布。于200m高度的兩個水平距離上的垂直輻射電場隨時間的變化趨勢是一致的，即均在1.4μs出現(xiàn)負(fù)的極大值，分別為-1.96×104V/m及-0.6×104V/m；此后則迅速減小，在1.9μs時絕對值減小到0；在3μs時都出現(xiàn)了正的極大值，分別為0.42×104V/m及0.38×104V/m，此后則是緩慢的減小。于500m高度的兩個水平距離上的垂直輻射電場隨時間的變化趨勢同200m高度的基本相同，只是正負(fù)極大值出現(xiàn)的時間都有所滯后，負(fù)的極大值出現(xiàn)在3.4μs，其值分別為-2.25×104V/m及-0.78×104V/m；5.2μs時出現(xiàn)了正大極大值分別為0.23×104V/m及0.12×104V/m。由此可見200及500m的高度，決定垂直輻射電場極大值出現(xiàn)時間的主要因素是距地面的距離，而決定幅值絕對值的主要因素則是距地閃通道的水平距離。圖8距離地閃通道200與500m于0、15、200及500m高度垂直輻射電場隨時間的分布圖，a：h＝0，15m；b：h＝200，500m。圖8a與8b為距地閃通道水平距離200與500m于0m(地面)、15m、200m及500m高度垂直輻射電場隨時間的分布。由圖8a可知，距地閃通道水平距離200及500m于0m及15m兩個高度的垂直輻射電場變化趨勢基本一致，在10μs內(nèi)均為具單極值的正值分布；距地閃通道水平距離200m于兩個高度的極大值均出現(xiàn)在2.9μs，其值分別為3455V/m及3438V/m；而距地閃通道水平距離500m于兩個高度的極大值則出現(xiàn)在4.5μs，其值分別為978V/m及977V/m。由圖8b可知，除了距地閃通道200m于高度500m垂直電場隨時間的分布同時具有正、負(fù)的極大值，分別為3.5μs的-775V/m及7.8μs的944V/m，其余的三個垂直電場隨時間的分布均呈現(xiàn)為典型的“Hump”型，其中距地閃通道200m于高度200m的極大值為4.6μs的2120V/m，而距地閃通道500m于高度200m及500m的極大值則分別為5.7μs的845V/m及8.6μs的525V/m。圖9距離地閃通道20、50、200與500m于2500m高度垂直輻射電場隨時間的分布圖。圖9給出了距離地閃通道20、50、200與500m于2500m高度垂直電場隨時間的分布，它們的分布特征都是相似，除了500m距離的分布，其余的均在8.6μs開始垂直電場由0轉(zhuǎn)向負(fù)的增大，500m距離的分布先是正的增大，在8.9μs時達到2.98V/m，然后出現(xiàn)反向的增大。同樣該高度上于不同的距地閃通道的水平距離上的垂直輻射電場也明顯有別于其它高度的分布特征。采用二維FDTD方法對于地閃通道產(chǎn)生的垂直輻射電場進行計算，該結(jié)果與Jiang及Sorwar的結(jié)果較為一致。3結(jié)論本發(fā)明在利用六種地閃通道底部電流衰減模型，分析大氣邊界層內(nèi)四個高度上地閃通道電流隨時間變化的基礎(chǔ)上，利用Nucci的電流源及MTLL電流衰減模型，通過二維FDTD的方法對地閃通道產(chǎn)生的水平及垂直輻射電場進行分析，其結(jié)果與經(jīng)典的模擬較為一致，并得到以下主要結(jié)論。在六種地閃通道底部電流衰減模型中，在大氣邊界層內(nèi)四個高度上除了TL為無衰減模型以外，其余的模型衰減特征各異；其中MTLTQ于四個高度上的衰減差別最大，其次是MTLE與MTLT模型，而再其次則是MTLCOS與MTLL模型。于地面在距離地閃通道20、50、200、500m，Er隨時間的分布主要為負(fù)值，且其極大值的絕對值隨著距地閃通道距離增大而減?。挥?5m的高度在距地閃通道的四個水平距離上，Er隨時間的分布特征對較為復(fù)雜，其中距通道20與50m時為正值，而距通道200與500m時則同時出現(xiàn)了正及負(fù)的極大值，同樣距地閃通道越遠則Er幅值的絕對值越小；于200及500m的高度，Er隨時間的分布的幅值均為正，其中于200m的Er的極大值均比于500m高度在同樣水平距離出現(xiàn)的時間早，而于同樣的高度隨著距地閃通道水平距離的增加，Er極值出現(xiàn)的時間明顯延后。于2500m的高度四個水平距離上在8.4μs或8.5μs后Er開始增大，且水平距離越遠增大的幅度越大。距地閃通道較近20與50m水平距離的Ez隨時間的變化特征，于地面及15m的高度較為一致，其幅值均為正且量級相同；而于200及500m的高度則較為復(fù)雜，均同時存在正、負(fù)極大值。距地閃通道較遠的200與500m水平距離的Ez隨時間的變化特征，除了距地閃通道水平距離200m于500m高度同時具有正、負(fù)的極大值，及于2500m的高度較簡單外，其余的Ez均呈典型的“Hump”型。于2500m的高度Ez隨時間的變化特征，在四個距地閃通道的水平距離上差異不大，于8.6μs或8.9μs開始負(fù)的增大。最后應(yīng)說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3