云—地闪电地面水平电场在不同回击速度和地电参数时的波形特性

doi:10.12263/DZXB.20200277

摘要/Abstract

摘要：

针对地闪电磁脉冲计算在广域和高精度方面存在的难题，采用非均匀网格划分技术对均匀网格时域有限差分法进行改进，所提出的非均匀网格时域有限差分法适合广域地闪电磁脉冲计算.计算了100 km以内的地闪地面水平电场（E_r），揭示了E_r随回击距离变化所体现的波形变化规律.同时分析了大地电导率（σ）和回击速度（v）对该距离内E_r的影响.结果表明：E_r在2km内呈单极性脉冲，500m内在首次脉冲后出现过零现象且距离越远该现象越明显，50~100km内呈双极性连续脉冲；E_r的脉冲幅值、半峰值宽度、脉冲宽度、过零幅度均随σ增大而减小，σ≤2.5×10^-3 S/m时尤为明显；v对E_r的影响随距离增大明显增强，100m以外的脉冲幅值和10km以外的过零幅度随v增大有明显提高.

关键词: 雷电电磁脉冲, 地闪, 非均匀网格时域有限差分, 地面水平电场, 大地电导率, 回击速度

Abstract:

Aim to difference limitations such as low computational accuracy and weak computational performance for wide-area lightning electromagnetic pulse (LEMP), a new non-uniform grid finite difference time domain (FDTD) algorithm is proposed for large space distant conditions based on traditional uniform grid FDTD algorithm. The ground horizontal electric fields (E_r) generated by cloud-to-ground lightning were calculated, and the distance between the observation point and the return-stroke channel (r) within 100km. This work revealed the typical waveform variation laws of E_r generated by cloud-to-ground lightning changed along the return-stroke distance. Meanwhile, the effect of the earth conductivity (σ) and return-stroke velocity (v) on E_r in this range was studied by using the non-uniform grid FDTD method. Results show that the waveforms of E_r present in single pulse when r<2km. There emerged zero-crossing phenomenon when r<500m, and the farther distance the more obvious. The waveforms of E_r present in bipolar pulse when r in the range of 50~100km. The pulse amplitude, half peak width, pulse width and the zero-crossing amplitude of E_r attenuate with the increase of σ, especially in the range of σ≤2.5×10^-3 S/m. The influence of v on E_r increase significantly as return-stroke distance increases. The pulse amplitude of E_r increase significantly with the increase of v when r >100m, and the effect of v on the zero-crossing amplitude of E_r reflects the similar law when r >10km.

Key words: LEMP（Lightning Electromagnetic Pulse）, cloud-to-ground lightning, non-uniform grid FDTD（Finite Difference Time Domain）, ground horizontal electric field, earth conductivity, return-stroke velocity

中图分类号:

TM86

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图/表 6

图1 回击通道及二维FDTD网格图

图2 非均匀网格FDTD法程序流程图

图3 实测与模拟计算20 km地面垂直电场

图4 实测与模拟计算100 km地面垂直电场

图5 不同σ时Er 的时域波形

图6 不同v时Er 的时域波形

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