一种考虑地表传播影响的雷电强度反演误差的修订方法与流程

1.本发明属于闪电灾害监测预警技术领域，具体涉及一种考虑地表传播影响的雷电强度反演误差的修订方法。


背景技术：

2.雷电放电产生的电磁脉冲(lightning-radiated electromagnetic pulse，lemp)可以在地球和电离层形成的腔体中传播。在研究非全球尺度电磁波传播问题时，该空间通常被称为地球-电离层波导(earth-ionosphere waveguide，eiwg)。在地球-电离层波导中，lemp既可以沿地表面以地波的形式传播，亦可以在地面和低电离层之间来回反射以天波的形式传播较远的距离。在距离放电通道几十至上百公里范围内观测到的雷电电磁波主要为地波，天波幅值较小且与地波之间有明显的时间间隔。地面有限电导率、起伏地表以及地球曲率为影响雷电lf频段地波传播的主要因素。而在几百至上千公里范围内，天波增强并与地波交叠，低电离层的参数成为影响雷电远场的主要因素。对于雷电放电产生的elf频段电磁波，其在地球-电离层波导中传播时已无法区分地波与天波成分，因此可认为elf频段电磁波以导行电磁波的形式在地球-电离层波导中传播。
3.近些年来，对雷电地闪回击产生的地波的研究主要集中在两个方面：复杂闪击情况下雷电电磁辐射研究，主要包括雷击高塔(或建筑物)对雷电电磁辐射的影响、雷击山体对雷电电磁辐射的影响等；复杂传播路径对雷电地波传播的影响，主要包括不均匀土壤电导率分布和土壤色散效应对地波传播的影响、粗糙地表对地波传播的影响、不规则复杂地形对地波传播的影响。
4.粗糙地表(包括自然地形和城市建筑群)之所以对地闪回击电磁场存在影响，是由于地表面的褶皱起伏增大了表面阻抗，相应地增大了对回击电磁场传播的影响。feinberg最早提出大地表面的不规则起伏可能会增大表面阻抗，但文中没有提及具体的计算方法。senior假定地表起伏具有周期性，得到了一组计算等效阻抗的方程，但其计算方法极为复杂。barrick利用leontovich边界条件和rayleigh-rice电磁散射理论，解决了粗糙地表的垂直极化波等效表面阻抗。hu等研究指出，对地闪回击电磁波而言，垂直极化波阻抗与水平极化波阻抗近似相同。1994年ming and cooray直接利用海浪高度密度谱newmann-pierson经验模型，分析计算了海浪的起伏对回击电磁场传播的影响。结果表明海浪起伏使得10mhz以上的电磁场在几十km的范围很快衰减；传播50km，如果海面平坦，电场变化率衰减10％；而如果起伏不平，则衰减超过30％。与海洋上的情况相比，陆地的电导率远远小于海水，陆地山体的连绵起伏可能对地闪回击电磁场传播的影响更大，但研究极少。仅有针对孤立山体和孤立建筑物的研究，如张明霞等和zhang等分别应用了矩量法和二维fdtd研究了孤立山体对雷电辐射磁场的影响，结果表明，山体越高和陡度越大，对磁场的影响越大。
5.soto等利用fdtd算法研究了雷击锥形山体对山体表面上以及山脚附近平地上的近距离电场和磁场的影响，结果表明，当雷击锥形山体时山体上的垂直电场和水平电场会增强。当考虑山脚下的平地后，模拟的场波形中可以看出电磁波的反射过程。随后，soto等
进一步采用基于agrawal耦合模型的“两步走”算法分析了雷击山体对耦合电压的影响。paknahad等则利用有限元法分析了雷击锥形山体对地面以上和地面以下雷电电磁场以及耦合电压的影响。
6.azadifar等利用瑞士东北部塔上测到的雷电流数据评估了欧洲雷电定位网(european cooperation for lightning detection，euclid)的探测性能。他们的研究结果发现，欧洲雷电定位网给出的雷电流峰值约为高塔上实测雷电流峰值的1.8倍。随后，li等在二维时域有限差分算法中加入了真实的地波传播路径上的不规则地形，利用santis塔上实测雷电流波形以及15km处的实测同步电场波形数据研究了真实地表对雷电电磁场的影响。其结果表明，考虑山周围真实地形后模拟得到的雷电垂直电场波形与实测波形十分吻合，且与雷击地面情况相比远场峰值大幅增强，与azadifar等中给出的结果一致。
7.总之，雷电电磁场沿地表面传播时，由于土壤电导率的有限性和山体等因素的影响，导致雷电电磁场逐渐衰减。因此，利用远距离雷电电磁场反演雷电流强度时，必须考虑地表传播带来的衰减。但在实际工作中，由于衰减因子不容易获取，通常假定地表面是光滑的理想导体面，从而使得反演的雷电流强度存在比较大的偏差。因此，很有必要研制一套能够实时检验和修订雷电流强度的算法，这对雷击灾害事故调查和灾害预警都具有很重要的实际应用价值。因为闪电致灾事故的鉴定首先需要搞清楚闪电的强度，雷电流度越大，其灾害的程度越明显。比如正地闪这种类型的闪电之所以造成的灾害比较大，是因为其雷电流强度大，通常可达几百ka左右，相应的能量和辐射功率也大，其对电力线路杆塔的雷击跳闸致灾、雷击火、石油化工安全等领域的灾害更加显著。
8.如何克服现有技术的不足是目前闪电灾害监测预警技术领域亟需解决的问题。


技术实现要素：

9.本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种考虑地表传播影响的雷电强度反演误差的修订方法。
10.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
11.一种考虑地表传播影响的雷电强度反演误差的修订方法，包括如下步骤：
12.步骤(1)，将研究区域进行格点化，按照0.01
°×
0.01
°
格点进行划分；
13.步骤(2)，利用全球数字高程模型和三维高度数据，采用二维时域有限差分方法，建立真实环境下的雷电电磁传输模型，计算每个格点到每个探测站的雷电电磁场传播规律，即得到真实环境下不同距离、不同方位的雷电电磁场峰值与理想情况下的比值，获得衰减因子a；衰减因子a＝真实值/理想值；
14.步骤(3)，建立每个0.01
°×
0.01
°
格点到达不同测站时衰减因子a的数据库；
15.步骤(4)，根据雷电定位系统给出的闪电发生位置所在的格点，从数据库中搜索，找出从闪电发生位置(以所在的格点为闪电位置)到不同探测站的衰减因子a(注：从闪电发生位置到不同测站的衰减因子a是不同的)；
16.步骤(5)，根据步骤(4)的结果，将已有的理想情况下的电磁场与电流峰值之间的关系进行修订；
17.步骤(6)，按照步骤(5)修订后的内容进行反演，将不同探测站反演的结果进行均
值处理，给出反演的雷电强度的均值和变化范围。
18.进一步，优选的是，三维高度数据为google earth三维高度数据。
19.进一步，优选的是，步骤(5)具体为：理想地表情况下，雷电流强度的反演公式为：
[0020][0021][0022]
其中，i
peak
为雷电流的峰值，d为观测距离，v为回击速度，c为光速，μ为磁导率，e
0peak
为理想情况下电场强度峰值，b
0peak
为理想情况下磁感应强度峰值；ε0为真空电容率；
[0023]
根据二维时域有限差分方法建立真实环境下的雷电电磁传输模型，计算得到所关注的地区的雷电电场传播衰减数据库，则上述理想情况下的计算公式修订为：
[0024][0025][0026]
其中，e
peak
为真实情况下电场强度峰值，b
0peak
为真实情况下磁感应强度峰值；a为步骤(2)得到的衰减因子。
[0027]
考虑到现有的雷电定位数据偏差为1km左右，所以本发明将研究区域格点化后，按照0.01
°×
0.01
°
格点进行划分。
[0028]
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
[0029]
利用本发明的技术手段，可以更加准确地通过遥测的获取雷电流强度，这对深入认知闪电放电过程及其致灾机制是非常重要的。因为闪电致灾事故的鉴定首先需要搞清楚闪电的强度，雷电流度越大，其灾害的程度越明显。比如正地闪这种类型的闪电之所以造成的灾害比较大，是因为其雷电流强度大，通常可达几百ka左右，相应的能量和辐射功率也大，其对电力线路杆塔的雷击跳闸致灾、雷击火、石油化工安全等领域的灾害更加显著。
[0030]
因此，本发明有效地提高了雷电强度的反演精度，这对多灾种气象灾害领域的预防具有比较重要的价值，因为气象防灾减灾是目前国家各行各业必须关注的一个重要领域，本发明为灾害事故鉴定评价以及监测预警等业务需求提供了技术支撑。
附图说明
[0031]
图1为云南地区的复杂地形图其中，s1-s8表示8个探测站位置，rs1-rs5表示不同方位的闪电发生点；
[0032]
图2为闪击点到达不同测站的地形垂直剖面图(地形高程起伏)；
[0033]
图3为考虑复杂地形地貌的2d fdtd计算方法；
[0034]
图4为介质共形网格电磁参数等效；
[0035]
图5为真实地形对雷电电场传播的影响示意图(真实地形和理想的平坦地形)；
[0036]
图6为采用移动计算域技术后fdtd计算效率提高率随窗口宽度(lw)以及模拟域宽度(l)的变化结果图。
具体实施方式
[0037]
下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
[0038]
本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
[0039]
第一步：利用全球数字高程模型global digital elevation model version 2(gdem v2)和google earth三维高度数据，利用共形网格剖分解决复杂边界问题。
[0040]
真实地形地貌的山体是限复杂的，因此，本发明采取共形网格技术进行数值计算。如图4所示给出了介质共形网格中电磁参数的等效示意，设山体介质1和空气介质2的电磁参数分别为ε1、σ1、μ1、σm1和ε2、σ2、μ2、σm2，字母a和b代表水平电场节点，c和d代表垂直电场节点，f为水平磁场节点。当锥形山体为有限电导率介质时，对于该边界上的共形网格，则需要在相应的电磁场节点处重新引入等效介质参数。
[0041]
第二步：雷电电磁场计算模型的建立
[0042]
如图3所示，在计算雷电回击电磁场时，本发明采用电流指数衰减的传输线模型(the modified transmission linemodel with exponential current decay with height，mtle)，假定回击电流幅值随通道高度以指数形式衰减，衰减因子λ为2000m；回击速度v为1.5
×
108m/s。通道底部的基电流波形采用双heidler函数模型。
[0043]
二维柱坐标下的fdtd模型，整个计算域的高度为11km，水平和垂直方向上的空间网格大小为δr＝δz＝10m，时间步长δt为16.67ns，满足current稳定性条件。模拟域的上边界和右边界，采用cpml吸收边界。地表以下土壤厚度取为500m，地面电导率和土壤电导率σ都取0.001s/m，相对介电常数εr取10。
[0044]
本发明利用2d fdtd算法进行真实环境下的雷电电磁场计算，需要并行计算改变计算时效，本发明主要采取的是移动计算域的方法，能够大大缩短计算时间。
[0045]
图6中给出了采用移动计算域技术后fdtd计算效率提高率随窗口宽度(lw)以及模拟域宽度(l)的变化。窗口宽度是fdtd算法中的网格大小，模拟宽度是整个计算域的大小。从图上可以看出，随着模拟域宽度的增加，采用移动计算域技术后fdtd模拟效率的提升率逐渐增大。换言之，fdtd模拟域的空间尺度越大，移动计算域对fdtd的模拟效率提升越大。例如，在移动窗口的宽度为6km情况下，当模拟的空间尺度大于150km时，采用移动计算域后的fdtd模拟时间仅为未采用移动计算域时的1/5。
[0046]
第三步，计算所关注的地区的雷电电场传播衰减规律：计算出不同距离、不同传播传播路径的电磁场衰减因子a。具体步骤如下：
[0047]
1)建立每个0.01
°×
0.01
°
格点到达不同测站时衰减因子a的数据库；
[0048]
2)根据雷电定位系统给出的闪电发生位置所在的格点，从数据库中搜索，找出从闪电发生位置(以所在的格点为闪电位置)到不同探测站的衰减因子a(注：从闪电发生位置到不同测站的衰减因子a是不同的)；
[0049]
3)将已有的理想情况下的电磁场与电流峰值之间的关系进行修订；
[0050]
4)将不同探测站反演的结果进行均值处理，给出反演的雷电强度的均值和变化范围。
[0051]
采用本发明方法对图1所示的云南地区的复杂地形进行研究，该地形中包括s
1-s
8 8个探测站位置、5个闪电发生点rs
1-rs5。5个闪击点到达不同测站的地形垂直剖面图(地形
高程起伏)如图2所示。获得如图5所示真实地形对雷电电场传播的影响示意图(真实地形和理想的平坦地形)。
[0052]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。