广州塔及其附近下行地闪的特征分析和模拟

论文摘要

本文首先利用2009~2014年广州高建筑物雷电观测站的光学观测资料,结合雷声和电磁场变化波形数据,对广州塔(高度为600 m)西北部60°扇形区域3 km范围内的119次下行地闪分布特征进行了统计分析。然后基于闪电先导二维随机模式模拟分析了单个高建筑物对附近建筑物的保护作用,并比较了珠江新城最高的4个建筑物——广州塔(600 m尖顶)、东塔(530 m平顶)、西塔(440 m平顶)和广晟国际大厦(360 m尖顶)对附近建筑物保护作用的大小。最后模拟分析了多个高建筑物对下行地闪分布的综合影响。具体结论如下:广州塔及其附近下行地闪分布特征的观测结果:1)43.7%(52/119)的下行地闪击中区域内的最高的4个建筑物。2)除了直接击中广州塔的20次下行地闪(16.8%),广州塔附近0~1 km的区域未观测到下行地闪。广州塔附近1~2 km的区域共观测到35次下行地闪(29.4%),其中每个高度低于300 m的建筑被下行地闪击中的次数不超过1次,距离广州塔最近的下行地闪发生在广州塔附近约1.2 km。广州塔附近2~3 km的区域共观测到64次下行地闪(53.8%),其中有些高度低于300 m的建筑物被下行地闪击中1次以上,最多达5次。3)广州塔对下行地闪的吸引作用使得其附近1 km左右的范围内未观测到下行地闪,且1~3 km范围内随着距离的增加下行地闪密度(扣除击中了其它高度不低于300 m的建筑物的下行地闪)有逐渐增加的趋势,说明高建筑物对下行地闪的吸引作用随着距离的增加而逐渐减弱。单个高建筑物对附近建筑物保护作用的模拟结果:1)下行先导从建筑物正上方始发时,建筑物的雷击概率随着建筑物高度的增高而增大直至达到100%。建筑物高度达到200 m时雷击概率开始超过90%,建筑物高度达到400 m时雷击概率达到100%。2)建筑物A附近存在另一更高的建筑物B时,建筑物B对建筑物A的保护作用随着建筑物B高度的增大、建筑物A高度或两建筑物距离的减小而增大直至A被B完全保护。3)珠江新城最高的4个建筑物对附近其他建筑物的雷击保护作用:广州塔最大,东塔次之,广晟国际大厦和西塔最小。虽然广晟国际大厦(尖顶)比西塔(平顶)矮,但其尖顶的特性使其与更高的西塔的保护作用大小相近。4)研究区域内共8座高度不低于300 m的建筑物,除了广州塔、东塔、西塔和广晟国际大厦以外,其余4座高度不低于300 m的高建筑物在近距离更高建筑物的影响下雷击概率仅为1%~25%。另外东塔建成后与西塔相距约270 m,东塔影响下的西塔雷击概率仅16%。多个高建筑物对下行地闪分布综合影响的模拟结果:1)东塔建成前后的两组多建筑物(广晟国际大厦、西塔和广州塔;广晟国际大厦、东塔和广州塔)的模拟结果均显示击中地面的下行地闪次数最少,击中广州塔的下行地闪次数最多。两组模拟结果对比发现,第二组击中东塔的下行地闪次数多于第一组击中西塔的下行地闪次数。两组模拟结果中下行地闪的分布特征与孤立建筑物对下行地闪的吸引能力对比发现西塔和东塔对下行地闪的吸引能力不低于广晟国际大厦而发生下行地闪次数却少于广晟国际大厦。2)将建筑物吸引的下行地闪始发点横坐标的范围定义为吸引范围,西塔和东塔在广州塔一侧的吸引范围长度明显地小于它们在广晟国际大厦一侧的吸引范围长度,因此广州塔对西塔和东塔附近下行地闪的吸引导致击中西塔和东塔的下行地闪次数反而少于广晟国际大厦。3)多个高建筑物同时存在的情况下或高建筑物孤立存在的情况下,广州塔和广晟国际大厦上触发的上行先导长度均比西塔和东塔上触发的上行先导长度更长。

论文目录

摘要

abstract

第一章引言

1.1 研究背景

1.2 国内外研究进展

1.2.1 高建筑物上的地闪次数与地闪类型特征

1.2.2 高建筑物附近区域的地闪密度特征

1.2.3 高建筑物上的地闪连接过程

1.2.4 闪电随机模式的发展

1.3 已有研究分析

1.4 研究内容

第二章观测资料和模拟方法

2.1 广州高建筑物雷电观测站和研究区域

2.2 观测设备

2.3 下行地闪接地点位置的确认方法

2.4 闪电先导二维随机模式介绍

2.5 雷击保护因子

第三章基于光学资料的广州塔附近下行地闪特征

3.1 下行地闪分布总体特征

3.2 下行地闪次数与建筑物高度的关系

3.3 下行地闪次数与距离的关系

3.4 地闪密度特征

3.5 单回击率和平均回击次数特征

3.6 小结

第四章单个高建筑物对附近建筑物保护作用的模拟分析

4.1 平顶高建筑物对附近建筑物的保护作用

4.1.1 试验设计

4.1.2 孤立建筑物雷击概率的特征

4.1.3 平顶高建筑物对附近建筑物雷击概率的影响

4.2 珠江新城最高的四个对附近建筑物的保护作用

4.3 珠江新城高度不低于300 m的高建筑物雷击概率

4.4 小结

第五章多个高建筑物对下行地闪分布综合影响的模拟

5.1 试验设计

5.2 下行地闪接地点位置分布特征

5.3 建筑物的吸引范围

5.4 上行先导长度特征

5.5 小结

第六章总结与展望

6.1 主要结论

6.2 创新点

6.3 不足与展望

参考文献

致谢

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 吴姗姗

导师: 吕伟涛

关键词: 高建筑物,下行地闪,闪电光学资料,先导随机模式,保护作用

来源: 中国气象科学研究院

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 气象学,建筑科学与工程

单位: 中国气象科学研究院

分类号: P427.3;TU976.55

总页数: 62

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广州塔及其附近下行地闪的特征分析和模拟

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