昆明地区山体地形对雷电电磁波传播及定位误差的影响

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地闪回击可以产生宽频的电磁场,但该电磁波在传播时会受到地面电导率和不平坦地形的影响,使得波形的峰值和上升沿时间发生改变。而现有的雷电定位和雷电流参数反演算法大部分都是假设雷电电磁波沿光滑理想地表传播,在一些复杂的地形条件下,雷电定位和电流参数反演都会出现一定的误差。论文先是建立了简易二维柱坐标系下的FDTD山体模型,讨论了在传播路径上不同位置的山体对雷电电磁波的影响。并根据在云南昆明布置的闪电定位网,把2°×2°的研究区域等分划成100个网格点,在格点中心分别模拟了一次闪电,进一步建立了真实地形下的二维FDTD模型。基于模拟结果,分析多山地形对垂直电场峰值的影响,并研究了不同步长的地形包络法对闪电定位误差的修正效果。主要结论如下:(1)传播路径上不同位置处的孤立山体对雷电电磁波的影响不同。雷击山顶时,电磁场波形峰值相比平地会增强,在坡面宽度不变的情况下,随着山体倾角的增大,增量也逐渐增大,但增速逐渐减小。而把测站安装在山顶同样可以引起电磁波信号峰值的增强,随着山体倾角的增大,增量也逐渐增大,但增速逐渐减小。另外,处在雷击点和测站之间的山体则会引起测站接收到的雷电电磁波峰值的衰减。距雷击点或测站5km处的山体对雷电电磁波的衰减作用近似,且要大于在路径中心的山体引起的衰减,在坡面宽度不变的情况下,山体倾角越大,衰减越强。(3)多山地形对雷电垂直电场波形峰值大小的影响非常复杂,根据不同位置处山体对电场峰值的不同影响,本文提出了跟山体位置和山体高度相关的峰值影响因子,并给出了雷电电磁波在昆明多山地形传播时垂直电场与平地传播时垂直电场峰值比值的近似表达式。用模拟得到的257个传播距离在100km至200km之间的垂直电场波形进行拟合,给出了影响因子的最优解,峰值比值误差均值为0.0131,标准差为0.0995。(3)不同的波形时间到达算法产生的闪电定位误差结果不同,其中10%峰值法相对于波形互相关法和逐峰法的定位效果更好。而不同步长的地形包络法对雷电定位误差有一定的修正效果,其中全局包络法效果最好。用全局包络法修正三种波形时间到达算法下的区域雷电定位误差,结果都有接近三分之二数量的雷电被成功修正。另外,将全局包络法的包络线长度除以光速的值与10%峰值法得到的波形到达时间非常接近,因此本文提出可通过全局包络法快速得到测站在区域的雷电定位精度。
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