楊雅綺，劉銀萍，劉非凡，張乃康，劉國(guó)進(jìn)，翟浩源，祝寶友

（1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥340100；2.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，江蘇南京210044）

1 引言

閃電，是發(fā)生在強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程中的一類放電現(xiàn)象，其放電過(guò)程往往伴隨著大電流和強(qiáng)電磁脈沖，在傳播過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁輻射效應(yīng)，對(duì)地面的建構(gòu)筑物和人類的生命財(cái)產(chǎn)安全等具有極大的潛在破壞性，因此揭示雷電電磁場(chǎng)輻射傳播效應(yīng)對(duì)公共安全以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定等方面具有重要意義。閃電的能量主要集中在低頻和甚低頻段，傳播距離可達(dá)幾百公里，由于在傳播過(guò)程中受到地面不同電導(dǎo)率介質(zhì)的影響，會(huì)導(dǎo)致其波形的幅值和相位發(fā)生偏移，在計(jì)算雷擊點(diǎn)位置和估算峰值電流時(shí)造成較大誤差。因此如何準(zhǔn)確地評(píng)估和量化地表不同電導(dǎo)率對(duì)閃電電磁脈沖傳播的影響，對(duì)優(yōu)化站網(wǎng)定位和計(jì)算放電參量等問(wèn)題具有重要的科學(xué)意義。

二十世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多研究學(xué)者對(duì)雷電電磁場(chǎng)沿地表傳播特性進(jìn)行了深入研究。Cooray[1]首次提出使用有限地表阻抗表達(dá)式的方法來(lái)計(jì)算雷電回?fù)舢a(chǎn)生的水平電場(chǎng)，但該方法只適用于計(jì)算距雷擊點(diǎn)200 m內(nèi)產(chǎn)生的水平電場(chǎng)。Rubinstrin[2]在Cooray方法基礎(chǔ)上，提供了一個(gè)適用于計(jì)算距閃電更遠(yuǎn)處水平電場(chǎng)的近似算法(Cooray-Rubinstein算法，簡(jiǎn)稱C-R算法)。Shoory等[3]提出了在頻域中計(jì)算雷電電磁場(chǎng)的天線理論方法，并得出大地電導(dǎo)率的變化會(huì)對(duì)水平電場(chǎng)產(chǎn)生較大影響，電導(dǎo)率越大，水平電場(chǎng)越小。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，時(shí)域有限差分法(FDTD)因其可計(jì)算時(shí)間和空間中任意一點(diǎn)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，而不需要近似項(xiàng)，近來(lái)被廣泛應(yīng)用于雷電電磁場(chǎng)模擬計(jì)算中。Baba等[4]利用3D-FDTD研究得出平坦有損地表上建筑物存在與否對(duì)磁場(chǎng)影響不大，但對(duì)垂直電場(chǎng)影響顯著。Baba等[5]利用2D-FDTD計(jì)算閃電擊中160 m和553 m高的建筑所產(chǎn)生的垂直電場(chǎng)、水平電場(chǎng)和磁場(chǎng)，結(jié)果表明相比于水平電場(chǎng)和磁場(chǎng)，雷擊物存在與否對(duì)垂直電場(chǎng)影響較大。Zhang等[6-7]通過(guò)2D-FDTD計(jì)算距閃電通道100～200 m處土壤垂直分層情況下的水平電場(chǎng)，和距閃電通道60～200 m處土壤水平分層情況下的水平電場(chǎng)，得出土壤分層對(duì)水平電場(chǎng)有一定影響。Khosravi-Farsani等[8]用3D-FDTD計(jì)算距閃電通道100 m～2 km處水平電場(chǎng)，并與用C-R算法和Norton近似公式計(jì)算得出的結(jié)果進(jìn)行比較。Li等[9]建立3D-FDTD模型研究粗糙地表對(duì)雷電電磁場(chǎng)傳播影響，模擬計(jì)算出距離閃電通道100 m內(nèi)的電場(chǎng)。Aoki等[10]采用FDTD研究閃電電磁脈沖在光滑有損地表傳播5～200 km范圍內(nèi)，回?fù)羲俣?、電流上升沿時(shí)間和土壤電導(dǎo)率等參量對(duì)水平電場(chǎng)、垂直電場(chǎng)和磁場(chǎng)的影響。Yu等[11]研究了閃電通道長(zhǎng)度h、回?fù)羲俣葀、地面相對(duì)介電常數(shù)ε和電導(dǎo)率σ對(duì)水平電場(chǎng)的影響，結(jié)果表明與σ和v相比較之下，ε和h對(duì)水平電場(chǎng)的影響可忽略不計(jì)。

以上研究學(xué)者在考慮建筑物、不規(guī)則地表、土壤分層和土壤相關(guān)電氣參數(shù)等因素對(duì)閃電電磁脈沖傳播影響的研究中取得了令人可喜的進(jìn)展。但由于閃電活動(dòng)過(guò)程中常伴隨著降雨，影響當(dāng)?shù)氐耐寥罎穸?，這引發(fā)了眾多研究學(xué)者對(duì)土壤濕度影響閃電電磁脈沖傳播方面的研究。Scott[12]在頻率102～106Hz范圍之間，對(duì)水分含量不同的樣品土壤的電導(dǎo)率和介電常數(shù)進(jìn)行測(cè)量，建立了不同濕度條件下，土壤電導(dǎo)率和介電常數(shù)與頻率之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系參量。Longmire等[13]基于Scott的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系參量，建立了土壤電參數(shù)等效模型(L-S模型)，并且提出在不同土壤濕度下，大地電導(dǎo)率和相對(duì)電容率是隨頻率變化而變化。歐陽(yáng)雙等[14]和張?jiān)丛吹萚15]先后利用L-S模型，綜合考慮土壤濕度和地表起伏，分析土壤濕度對(duì)不規(guī)則起伏地表上地閃回?fù)綦姶艌?chǎng)傳播的影響，研究得出在一定范圍內(nèi)土壤濕度對(duì)雷電電磁場(chǎng)傳播有較大影響。Li等[16]利用改進(jìn)的L-S模型，研究土壤水平分層、土壤含水量和頻變相關(guān)參數(shù)對(duì)閃電首次回?fù)艉屠^后回?fù)粼诮?、中和遠(yuǎn)場(chǎng)處產(chǎn)生的水平電場(chǎng)、垂直電場(chǎng)和磁場(chǎng)的影響。

由此可見(jiàn)，在影響閃電電磁脈沖傳播的參數(shù)中，土壤的電特性是重要的參數(shù)之一，但之前的學(xué)者主要基于土壤濕度與電導(dǎo)率的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系進(jìn)行研究討論。本文首次將工程勘察領(lǐng)域研究得出的不同土壤類型及濕度和電導(dǎo)率計(jì)算關(guān)系式應(yīng)用到雷電電磁場(chǎng)的模擬計(jì)算中，建立2D-FDTD模型計(jì)算水平電場(chǎng)、垂直電場(chǎng)和磁場(chǎng)，可更準(zhǔn)確地研究不同土壤類型及濕度對(duì)雷電電磁場(chǎng)沿地表傳播的影響。結(jié)果表明，在粘土、粉土和砂土這三種具有代表性的土壤類型中，雷電電磁場(chǎng)的水平電場(chǎng)分量沿粘土地表傳播過(guò)程中更容易受土壤濕度影響，特別是在土壤濕度較低時(shí)，輕微的濕度變化就會(huì)對(duì)其產(chǎn)生顯著的影響，因此土壤類型及濕度的差異對(duì)雷電電磁場(chǎng)沿地表傳播的影響不容忽視。

2 電磁場(chǎng)計(jì)算方法

2.1 電流模型的選取

目前常用的雷電電流模型有雙指數(shù)函數(shù)和Heidler函數(shù)模型兩種，其中雙指數(shù)函數(shù)模型表達(dá)式為：

式中I0為通道底部電流峰值，α和β為時(shí)間常數(shù)。由于雙指數(shù)函數(shù)在t=0時(shí)沒(méi)有連續(xù)的一階導(dǎo)數(shù)，這與實(shí)際觀測(cè)到的閃電回?fù)綦娏鞑ㄐ尾环?。因此，?guó)際電工委員會(huì)(IEC)推薦使用的雷電流函數(shù)為Heidler函數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中i01、i02是回?fù)綦娏鞣?，?1、τ21為雷電流波形的上升沿時(shí)間常數(shù)，τ12、τ22為雷電流波形的下降沿時(shí)間常數(shù)，Rachidi等[17]對(duì)這些參數(shù)的取值如表1所示，電流波形如圖1所示。

圖1 閃電通道底部基電流波形[14]

表1 繼后回?fù)舾麟娏鲄?shù)取值

Heidler函數(shù)在t=0時(shí)對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)為0，這與實(shí)際觀測(cè)到的首次回?fù)綦娏鞑ㄐ我恢耓18]，此外，模型中雷電流的各個(gè)特征值都能明顯地在表達(dá)式和波形圖中表現(xiàn)出來(lái)。

2.2 回?fù)裟Ｐ偷倪x取

雷電流回?fù)裟Ｐ褪菍?duì)閃電通道中電流和基電流之間的關(guān)系進(jìn)行數(shù)學(xué)描述的回?fù)粢?guī)律模型，現(xiàn)有的回?fù)裟Ｐ头譃槲锢砟Ｐ?、分布電路模型、電磁模型和工程模型這四種類型，其中工程模型運(yùn)用廣泛[19]。在綜合考慮計(jì)算簡(jiǎn)便性和重現(xiàn)電磁場(chǎng)特性兩個(gè)方面，工程模型中的MTLL(the modified transmissionline model with linear current dacay with height)模型是研究雷電電磁場(chǎng)的最優(yōu)模型[20]。本文采用MTLL模型，其特點(diǎn)是閃電通道中的電流隨通道高度增加呈線性衰減趨勢(shì)，但波形形狀不變；并且通道頂端回?fù)綦娏鳛榱?，這樣計(jì)算電磁場(chǎng)就忽略電流不連續(xù)性的影響。其表達(dá)式為：

其中，i(z',t)為回?fù)綦娏餮鼗負(fù)敉ǖ赖姆植肌?/p>

2.3 計(jì)算模型

本文采用的雷電電磁場(chǎng)計(jì)算模型是時(shí)域有限差分算法，其主要原理是對(duì)Maxwell方程在時(shí)間和空間上進(jìn)行離散，即把電場(chǎng)和磁場(chǎng)在時(shí)間和空間中交錯(cuò)排列，將安培定律和法拉第定律中所有導(dǎo)數(shù)用差分形式表示，然后推導(dǎo)差分方程組獲得遞推方程組，最后遞推方程組用已知場(chǎng)表示未知場(chǎng)，即計(jì)算第一個(gè)步驟的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，使它們變?yōu)橐阎獔?chǎng)，再求下一步未知的電場(chǎng)和磁場(chǎng)使之成為已知場(chǎng)，以此類推，直到獲得在理想時(shí)間段的電磁場(chǎng)。

下文公式推導(dǎo)中Δt代表時(shí)間步長(zhǎng)，Δr、Δz分別代表在r軸和z軸的網(wǎng)格時(shí)空步長(zhǎng)，σ0代表電導(dǎo)率，ε0代表電容率，μ0代表磁導(dǎo)率。在二維柱坐標(biāo)系中，Yee元細(xì)胞中雷電電磁場(chǎng)三個(gè)分量Hφ、Er、Ez在時(shí)間和空間上交替取樣的間隔為Δt/2(表2)。

表2 電磁場(chǎng)分量節(jié)點(diǎn)

所以水平電場(chǎng)E r表示為(i+1/2,j)，垂直電場(chǎng)E z表示為(i,j+1/2)，磁 場(chǎng)Hφ表 示 為(i+1/2,j+1/2)，其中上標(biāo)n表示第n個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)。由波動(dòng)方程組可得：

整理式(5)和(6)可得：

對(duì)式(7)差分并整理得：

對(duì)式(8)差分并整理得：

對(duì)式(9)差分并整理得：

2.4 電磁場(chǎng)傳播模型

圖2為雷電電磁場(chǎng)沿地表傳播的計(jì)算模型，ε0和ε1分別代表空氣和大地的電容率，μ0和μ1分別代表空氣和大地的磁導(dǎo)率，σ1代表大地的電導(dǎo)率，其計(jì)算空間為5000 m×5000 m的一柱切面，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)Δt=1.66 ns，吸收邊界采用Mur一階邊界條件[21]。假設(shè)大地為均勻有損土壤，閃電通道高度設(shè)為H=8 km，觀測(cè)點(diǎn)的高度設(shè)為h=10 m，雷電回?fù)羲俣葀設(shè)為光速c的一半，即v=c2=1．5×108 m/s[11]。d為觀測(cè)點(diǎn)與閃電通道距離，為探究不同距離處雷電電磁場(chǎng)的變化，本文取4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，分別為50 m、100 m、200 m和1 km。

圖2 電磁場(chǎng)計(jì)算模型

2.5 土壤電氣參數(shù)變化模型

孫旭等[22]基于多孔介質(zhì)模型分析土壤的導(dǎo)電機(jī)制，根據(jù)控制變量的研究思想，采用強(qiáng)迫電流法，通過(guò)構(gòu)建土壤導(dǎo)電機(jī)制模型研究土壤電導(dǎo)率與濕度的關(guān)系。為了使測(cè)量結(jié)果具有普遍性，他們根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《土的分類標(biāo)準(zhǔn)》采集了三種具有代表性的土壤，分別為粘土、粉土和砂土，并將土壤烘干擊碎磨細(xì)后，用孔徑0.5 mm的篩子過(guò)篩，選取顆粒較小的土樣按照式(13)進(jìn)行不同濕度土樣的配置：

式中m w為土樣所需的加水量，m為土樣質(zhì)量，w0為風(fēng)干含水率，w'為制備土樣要求的含水率。為保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每種濕度土樣備制3個(gè)模型，每個(gè)模型測(cè)試5次以上，用最小二乘法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從圖3可以看出，在土壤濕度低于30%的情況下的擬合效果顯著。

圖3 土壤電導(dǎo)率擬合曲線[23]

孫旭等[22]鑒于以上分析，對(duì)低含水率的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)單獨(dú)進(jìn)行線性擬合，得到粘土、粉土和砂土的土壤濕度與電導(dǎo)率之間的線性擬合公式如下：

上式中p為土壤濕度，σ表示土壤電導(dǎo)率，下標(biāo)表示不同類型的土壤。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

3.1 不同土壤類型下的水平電場(chǎng)

我國(guó)地區(qū)土壤濕度主要集中在5%～25%之間[23]，通過(guò)2.5節(jié)中土壤濕度與電導(dǎo)率的計(jì)算公式，表3給出了粘土、粉土和砂土在各濕度下所對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)率值。為研究水平電場(chǎng)沿這三種類型土壤地表傳播的特性，圖4和圖5給出了觀測(cè)點(diǎn)在200 m處，土壤濕度分別為5%、6%、10%、15%和25%時(shí)水平電場(chǎng)變化趨勢(shì)圖。

表3 各土壤濕度對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)率

從圖4中可以看出，這三種土壤的水平電場(chǎng)強(qiáng)度幅值隨著土壤濕度的增大而減小，因?yàn)闈穸仍酱?，電?dǎo)率越大，電場(chǎng)的高頻分量在增加[24]。相比于粉土和砂土，粘土?xí)r的水平電場(chǎng)受土壤濕度影響更為顯著，其強(qiáng)度幅值在土壤濕度從5%到25%的變化過(guò)程中波動(dòng)最明顯，幅值衰減最大。在土壤濕度較低時(shí)，輕微的濕度變化就會(huì)對(duì)粘土的水平電場(chǎng)產(chǎn)生顯著的影響。從圖5中可以看出，土壤類型為粘土?xí)r，水平電場(chǎng)強(qiáng)度幅值在土壤濕度從5%到6%變化過(guò)程中躍變到小于砂土的水平電場(chǎng)強(qiáng)度幅值，當(dāng)濕度增大到15%時(shí)躍變到小于粉土的水平電場(chǎng)強(qiáng)度幅值。由此可見(jiàn)，土壤類型的不同對(duì)水平電場(chǎng)的影響較為顯著，因?yàn)橥寥赖碾娞匦灾饕Q于土壤濕度、土壤顆粒表面的吸附特性及其相互連結(jié)作用，其中土壤濕度是影響土壤電導(dǎo)率的最主要因素。土壤屬于多孔介質(zhì)，其濕度取決于當(dāng)?shù)厮臈l件，以及土壤孔隙溶液中離子含量與礦物質(zhì)在土壤中溶解度和電離特性有關(guān)[25]。粘土含沙量比砂土和粉土少，其滲水速度慢，保水性的能力好，并且粘土中土壤與土壤之間孔隙比較多，當(dāng)發(fā)生降雨時(shí)，土壤中水分增多，溶液會(huì)慢慢地填滿土壤中各個(gè)孔隙，形成電通路，土壤的導(dǎo)電能力增強(qiáng)，電導(dǎo)率變大，電場(chǎng)的高頻分量就會(huì)增加[24]。

圖4 觀測(cè)點(diǎn)200 m處，粘土(a)、粉土(b)和砂土(c)在各濕度下的水平電場(chǎng)

圖5 觀測(cè)點(diǎn)200 m處，各濕度下粘土、粉土和砂土的水平電場(chǎng)

表4、表5和表6給出了這三種土壤在各濕度變化區(qū)間內(nèi)土壤濕度每增加百分之一，水平電場(chǎng)峰值減小的幅度，其中Δp表示各土壤濕度區(qū)間的差值，Δ表示這4個(gè)濕度區(qū)間中土壤濕度每增加百分之一水平電場(chǎng)峰值所減小的幅度。從表格中Δp和Δ可以看出，在土壤濕度較低時(shí)，輕微的濕度變化就會(huì)對(duì)水平電場(chǎng)強(qiáng)度幅值產(chǎn)生顯著影響，特別是在土壤類型為粘土?xí)r，土壤濕度從5%到6%變化過(guò)程中，水平電場(chǎng)峰值的波動(dòng)幅度達(dá)到39.86%。隨著土壤濕度的增大，粘土、粉土和砂土的Δ值越來(lái)越小，這是因?yàn)楫?dāng)土壤水分持續(xù)增加時(shí)，土壤中可以填滿的孔隙逐漸達(dá)到飽和，隨之形成的導(dǎo)電通路也逐漸飽和，土壤電導(dǎo)率的上升趨勢(shì)減緩[26]，此時(shí)土壤濕度的改變就對(duì)水平電場(chǎng)強(qiáng)度幅值的影響減弱了。

表4 粘土的水平電場(chǎng)峰值與土壤濕度關(guān)系

表5 粉土的水平電場(chǎng)峰值與土壤濕度關(guān)系

表6 砂土的水平電場(chǎng)峰值與土壤濕度關(guān)系

3.2 土壤濕度對(duì)各場(chǎng)分量的影響

由3.1節(jié)分析得出土壤類型為粘土?xí)r，水平電場(chǎng)受土壤濕度影響較為顯著，所以本節(jié)計(jì)算分析土壤類型為粘土?xí)r，土壤濕度對(duì)各觀測(cè)點(diǎn)處雷電電磁場(chǎng)磁場(chǎng)分量H?，垂直電場(chǎng)分量Ez和水平電場(chǎng)分量Er的影響。從圖6、圖7和圖8中可以看出，在同一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，土壤濕度的改變對(duì)水平電場(chǎng)有顯著的影響，其幅值隨著土壤濕度的增加而顯著減小，對(duì)磁場(chǎng)和垂直電場(chǎng)的影響基本可以忽略，磁場(chǎng)和垂直電場(chǎng)強(qiáng)度幅值隨時(shí)間變化的趨勢(shì)幾乎相同[10]。隨著觀測(cè)距離的增加，磁場(chǎng)、垂直電場(chǎng)和水平電場(chǎng)的強(qiáng)度幅值顯著減小，波頭上升沿時(shí)間顯著變慢。這是因?yàn)殡姶艌?chǎng)在傳播過(guò)程中，低頻分量不容易衰減可以傳播到很遠(yuǎn)的距離，而高頻分量衰減迅速，所以時(shí)域場(chǎng)峰值減小、波形上升沿時(shí)間增大。

圖6 各觀測(cè)點(diǎn)處，土壤濕度5%、15%和25%時(shí)磁場(chǎng)

圖7 各觀測(cè)點(diǎn)處，土壤濕度5%、15%和25%時(shí)垂直的電場(chǎng)

圖8 各觀測(cè)點(diǎn)處，土壤濕度5%、15%和25%時(shí)的水平電場(chǎng)

為得出土壤濕度的改變對(duì)磁場(chǎng)和垂直電場(chǎng)影響的程度等級(jí)，量化磁場(chǎng)和垂直電場(chǎng)峰值數(shù)據(jù)（表7），其中ΔEz1和ΔH1分別代表土壤濕度為5%和15%時(shí)垂直電場(chǎng)峰值的差值和磁場(chǎng)峰值的差值，ΔEz2和ΔH2分別代表土壤濕度為15%和25%時(shí)垂直電場(chǎng)峰值的差值和磁場(chǎng)峰值的差值。從表中數(shù)據(jù)可以看出，ΔE z1和ΔEz2隨土壤濕度的增加而減小，ΔH1和ΔH2值卻近似相等，所以相比于磁場(chǎng)，垂直電場(chǎng)更容易受土壤濕度改變的影響。

表7 垂直電場(chǎng)和磁場(chǎng)峰值差(V/m)

為更直觀地看出土壤濕度對(duì)水平電場(chǎng)波頭上升沿時(shí)間的影響，表8列出了水平電場(chǎng)在土壤濕度為5%、15%和25%，觀測(cè)點(diǎn)為50 m、100 m、200 m和1 km處，場(chǎng)峰值所對(duì)應(yīng)的上升沿時(shí)間。對(duì)比表中數(shù)據(jù)可以得出，隨著土壤濕度的增大，水平電場(chǎng)波頭上升沿時(shí)間變慢。不同土壤濕度對(duì)雷電電磁場(chǎng)的水平電場(chǎng)分量有顯著的影響，對(duì)垂直電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量影響較小[10]。這是因?yàn)橥寥离妼?dǎo)率隨著土壤濕度的改變而改變，由于土壤電導(dǎo)率對(duì)雷電電磁脈沖高頻信號(hào)有衰減作用，不同的電導(dǎo)率對(duì)雷電電磁脈沖衰減作用不同，導(dǎo)致雷電電磁場(chǎng)各分量幅值的差異[26]。雷擊電磁場(chǎng)主要分為靜電場(chǎng)、感應(yīng)場(chǎng)和輻射場(chǎng)，垂直電場(chǎng)在近場(chǎng)主要表現(xiàn)為靜電場(chǎng)，輻射場(chǎng)很小，磁場(chǎng)在近場(chǎng)主要表現(xiàn)為感應(yīng)場(chǎng)，而土壤電導(dǎo)率對(duì)輻射場(chǎng)有所衰減，所以土壤濕度的改變對(duì)近場(chǎng)處的垂直電場(chǎng)和磁場(chǎng)影響非常小。

表8 各土壤濕度對(duì)應(yīng)的水平電場(chǎng)峰值(V/m)和波頭上升沿時(shí)間(μs)

4 討論和總結(jié)

不同土壤類型中土壤顆粒組成比例不同，其滲水和保水能力差異等因素會(huì)導(dǎo)致土壤的電特性不同，因此土壤是影響閃電電磁脈沖沿地表傳播特性的重要參數(shù)之一[16]。閃電發(fā)生時(shí)常伴隨著降雨，這使土壤電氣特性有所改變，其中土壤電導(dǎo)率的改變對(duì)雷電電磁場(chǎng)影響尤為顯著[9]。閃電定位系統(tǒng)利用到達(dá)時(shí)間差法(Time of arrival algorithm，簡(jiǎn)稱TOA)來(lái)計(jì)算閃電的位置，其原理是根據(jù)閃電輻射的電磁波到達(dá)系統(tǒng)中各個(gè)測(cè)站的絕對(duì)時(shí)間差來(lái)確定閃電的位置。然而，閃電電磁脈沖在空間傳播過(guò)程中往往受到大氣折射、地形和土壤電氣特性等因素影響，造成波形相位和幅值的偏移，這會(huì)對(duì)計(jì)算雷擊點(diǎn)位置和估算峰值電流造成較大誤差。

本文首次將工程勘察領(lǐng)域研究得出的土壤濕度和電導(dǎo)率計(jì)算關(guān)系式應(yīng)用到雷電電磁場(chǎng)模擬中，基于Heidler雷電通道基電流函數(shù)模型和MTLL回?fù)裟Ｐ?，在Mur一階邊界條件下，利用2D-FDTD模擬粘土、粉土和砂土這三種土壤在不同濕度條件下的水平電場(chǎng)，并計(jì)算土壤類型為粘土?xí)r，觀測(cè)點(diǎn)在50 m、100 m、200 m和1 km處，土壤濕度為5%、15%和25%條件下的水平電場(chǎng)Er、垂直電場(chǎng)Ez和磁場(chǎng)H?。

(1)在粘土、粉土和砂土這三種土壤中，粘土的水平電場(chǎng)受土壤濕度影響最為明顯，即土壤濕度增大，場(chǎng)強(qiáng)度幅值減小，波頭上升沿時(shí)間變慢。特別是土壤濕度較低時(shí)，輕微的濕度變化就會(huì)對(duì)其強(qiáng)度幅值產(chǎn)生大幅度波動(dòng)，即土壤濕度從5%到6%變化過(guò)程中，水平電場(chǎng)峰值的波動(dòng)幅度達(dá)到39.86%。

(2)當(dāng)土壤水分增加到一定值時(shí)，土壤電導(dǎo)率的上升趨勢(shì)減緩，此時(shí)土壤濕度的改變對(duì)水平電場(chǎng)的影響減弱。

(3)土壤濕度對(duì)雷電電磁場(chǎng)三個(gè)分量影響的程度等級(jí)為Er＞Ez＞Hφ，即水平電場(chǎng)受土壤濕度影響顯著，垂直電場(chǎng)和磁場(chǎng)受土壤濕度的影響可基本忽略。

(4)土壤濕度不變時(shí)，隨著觀測(cè)點(diǎn)與閃電通道距離的增大，沿地表傳播的電磁場(chǎng)強(qiáng)度幅值顯著減小，波頭上升沿時(shí)間顯著變慢。

本文研究結(jié)果表明，土壤類型和濕度不同，一定程度上會(huì)影響閃電電磁脈沖沿地表的傳播特性，主要表現(xiàn)為場(chǎng)幅值衰減和波頭上升沿時(shí)間變慢兩個(gè)方面，而TOA閃電定位是對(duì)接收到的閃電電磁脈沖參量進(jìn)行放電參數(shù)的反演和閃電定位的估算，所以在對(duì)放電參數(shù)進(jìn)行反演計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮電磁場(chǎng)峰值衰減引起的誤差，在估算閃電始發(fā)位置時(shí)，要剔除因各地區(qū)之間土壤類型的差異和土壤濕度的改變引起的上升沿時(shí)間誤差，這對(duì)優(yōu)化閃電站網(wǎng)定位和計(jì)算放電參量具有重要的科學(xué)意義。未來(lái)，我們將進(jìn)一步探討一定傾角入射的云閃脈沖衰減特征與土壤濕度之間的關(guān)系。