不同下垫面对云地放电位置的影响

摘 要：地表上的建构筑物、滩土、岩石、山地、矿床、河面以及地表层土壤的含水量、含盐量、湿度、温度等不同下垫面的变化与该区域云地放电雷击落雷点有着某种必然的联系，研究这些规律对开展区域雷电风险评估、气候可行性论证，预防雷电灾害有很重要的意义。

关键词：不同下垫面；云地放电；位置影响

0 引言

大气的下垫面是指地球表面的海洋、陆地上的高原、山地、平原、森林、草原、建筑物、土壤和植被等，下垫面的性质和形状，是影响雷击放电位置的重要因素之一。本文通过历年雷电灾害的收集、闪电定位观测资料，对云地闪电发生地在一定区域内的地形、地貌、地面上建筑物、地表土壤电阻率等调查、测试，从中寻找出不同下垫面对云地放电位置影响的某种规律。

1 大气电场的产生和演变

大气中的分子受来自地壳、大气、地球外空射线以及地面上森林火灾、工厂排放、火山爆发等等电离源的作用而电离产生大气带电粒子，形成大气电场。

大气电场可分为晴天电场和扰动天气电场，电场强度随时间、地点、天气状况和离地面的高度而变。当存在激烈的天气现象（如雷暴、雪暴、尘暴）时，大气电场的数值和方向均有明显的不规则变化。

就全球平均而言，电场强度在陆地上约为120V/m，在海洋上为130V/m，在工业集中区由于空气中存在高浓度的气溶胶，电场强度会增至每米数百伏。就雷电的日变化情况看，雷电多发生在午后到上半夜，主要集中在14时到21时，凌晨到早上较少。主要原因是：进入盛夏期下垫面受热温度激增上下温差大，热力和动力两者共同作用，动力抬升局部地区对流天气增强， 造成雷电活动频繁（图1）。

2 云地放电的条件

雷雨云由一大团翻腾、波动的水、冰晶和空气组成。当云团里的冰晶在强烈气流中上下运动时，空气中的水分子在冰晶的表面逐渐凝结成一层冰，就形成冰雹。这些被强烈气流反复翻腾、波动的冰晶和水滴充满了静电。其中重量较轻、带正电的电荷堆积在云层上方；较重、带负电的聚集在云层底部。当电场强度达到可以击穿空气时，就会以闪电的形式把能量释放出来。大气中达到大气击穿电位梯度是雷电发生的必要条件。通常情况下，超过一半以上的闪电发生在雷雨云内的正、负电荷中心区之间，称作云内闪电。另一类闪电发生于云体与地面之间的对地放电，称为云地放电。

地表上有树枝等尖端放电产生的电荷，有输电线路电晕放电，有工厂排放的带电离子等等。它们之间受到电场、重力、对流等因素的非对称的作用，使得大气中各处的正、负电荷分布不均匀，实际测量各处地面大气电场强度会因时间、地点而不同。当电场强度超过约400kV/m足以把空气击穿时，就会发生闪电放电。

把云层与大地之间形成的电场模拟为电容器时：

q=E0St0/ρ （1）

式中：q―电荷量；t0―时间；E0―电场强度；ρ―土壤电阻率

由（1）式可知：如果云层底部所带负电荷Q≤q时，不会产生雷击；当Q>q时雷击发生，雷击是否会向大地发生闪击，由两种因素决定：其一是云层带电荷量的多少，其二是模拟电容器内的电场强度是否达到大气击穿的电位梯度。

3 雷雨云的运动轨迹

一般情况下，雷雨云大体上随500hPa高度上的气流方向运行，其速度平均为30～40km/h，移动速度春秋季大于夏季，夜间大于白天。地形对雷雨云移动有影响，一般是：雷雨云遇山地阻挡，由于迎风面有上升气流影响，雷雨云在山地的迎风面停滞少动；当雷雨云受山脉阻挡时，雷雨云即沿山脉走向移动，如山脉有缺口，则雷雨云顺着山口移动。

4 不同下垫面对大气电场的影响

4.1 地面建筑物对大气电场的影响

目前，随着我国雷电监测预警业务的发展，全国气象部门和科研院所利用大气电场仪对雷雨云大气电场进行测量，并利用所测量的电场值进行雷电预警，结果如下。

4.1.1 地面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电场，且随建筑物高度增加而增强。例如，建筑物屋面长、宽均为40m，高度分别是h=10、20、50和100m时，其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，其屋面转角处的电场最大。

4.1.2 地面上建筑物对其周围地表面电场有明显的屏蔽作用

距离建筑物越近，其屏蔽作用越明显，在地面上的影响范围约为建筑物高度的3.5倍。

4.2 地表土壤电阻率对大气电场的影响

4.2.1 土壤电阻率

表征土壤导电性能的参数，与土壤的含水量、温度、含盐量以及土壤中所含可溶性的电解质有关。土壤含水量增加时，土壤电阻率下降；当土壤含水量增加到20%～25%时，土壤电阻率保持相对稳定。土壤电阻率也受温度的影响，当土壤温度升高时，其电阻率下降，在0℃时土壤由于水份冻结而使电阻率迅速增加。由于土壤所含可溶性电解质的变化，土壤电阻率的数值往往也差别很大。一年四季当中，在同一地点气温和天气的变化，土壤中含水量和囟鹊牟煌，土壤电阻率也不断在变化。

4.2.2 雷击位置周围土壤电阻率测试点的选取

以历年调查收集到的雷击事故接闪点位置为圆心测得ρ1，半径500米范围取4个方位测试土壤电阻率得平均值ρ2，测试点选点示意图如图3。通过测试发现，地形变化大的区域，周围土壤电阻率变化非常明显。

5 不同下垫面雷击的选择性

5.1 与地面上的建筑物情况有关

地面上的高层建筑、屋面上的各种金属物体、尖端等有利于雷云与大地建立良好放电通道的地方容易造受雷击。在旷野中，即使建筑物并不是很高，但由于它比较孤立、突出，也比较容易遭雷击，这是影响雷击选择性的重要因素。

工厂烟囱排出的粉尘和烟气中含有导电粒子和游离气体，它们比一般空气容易导电，相当于加高了烟囱的高度，也导致了烟囱易于遭雷击。

5.2 与建筑物内部结构有关

建筑物结构材料所能积蓄电荷量的多少直接影响建筑物接闪的频率。当建筑物结构中，如墙、板、梁、柱和基础内的钢筋较多时，容易积累大量的电荷。又如金属屋顶、金属构架、电梯间和水箱等也是积累大量电荷的部位。此外，附属在建筑物上的突出物，如旗杆、广告牌、排气烟囱、透气管等金属构架也容易遭雷击。

建筑物的结构，内部设备情况对雷电的发展也有关系，金属结构的建筑物、内部有大量金属物体的厂房或经常潮湿的房屋，由于这些地方具有良好的导电性能，因此比较容易遭雷击。

5.3 与地形和地物有关

从地形看，对靠山和临水的地区，临水一面的低洼潮湿地点和山口或风口特殊地形易受雷击。从地物看，铁路集中的枢纽，长距离的高压输电线、大量金属管道仓库，由于容易产生大量感应电荷，从而容易遭雷击。

5.4 与地表土壤电阻率有关

大气电场受土壤电阻率的影响较大，通过对比不同土壤电阻率情况下的水平电场，发现地表水平电场受地面导电率的影响非常明显， 土壤电阻率对雷电辐射磁场的影响随土壤电阻率的变化而变化。主要表现在振幅和极性上，土壤导电率越小，其负向幅值的衰减速度就越快。

从表1可以看出，雷击落雷点区域下垫面土壤电阻率与周边500米区域土壤电阻率相比较具有最小值或次最小值。土壤电阻率小由于其导电性良好，土壤中的先导电流沿着电阻率较小的路径流动。在岩石与土壤交接处、山坡与稻田交界处，雷击大多落于土壤和稻田处。在青山纸业―片仔癀―农校；军分区―芝山―小坑头；九龙江沿岸一带雷暴分布较周边强烈的多。一份自1954―1984年的雷电调查统计揭示了雷击的选择性，该资料表明雷击在靠近河、湖、池和潮湿地区的占23.5%，靠近大树、高层建筑占15%，靠近烟囱、天线的占10%，此外，稻田和导电性良好的土壤交界地带也占10%。

6 结 语

地面上高耸的建筑物、烟囱、工业集中的金属屋面厂房、粉尘及气体排放区、地表土壤电阻率较小的位置、土壤电阻率变化很大的地表交界处，能影响局部的大气电场，使得在同一区域内该位置云地放电次数明显较多。这对防雷工程的设计具有重要的意义。它给我们提供了雷击选择性的一些思考。据此，我们可以决定哪些地区、哪些建筑物应该重点安装避雷装置和设备应有的良好接地装置，而另一些地区、建筑物在防雷投资上可以少花一些或甚至不必花费投资。

参考文献

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