地表湿度引起的土壤电参数变化对雷电电磁场传播的影响

摘要

在雷电电磁场的数值计算中，电容率和电导率的变化对雷电电磁场辐射传播的影响较为重要，目前对大地相对电容率和电导率取定值的近似方法可能在一定程度存在缺陷，因为雷电的发生一般伴随有降雨过程，而早在上世纪初Smith 就做了大量的有关土壤电参数随频率变化的研究[1]，并在1970 由Fuller 和Ward 得出了不同土壤湿度下这两个电参数和频率之间有着不可忽视的相关性[2]。在实际情况下，土壤电参数在不同成分和结构的土壤中也有非常显著的区别，例如，不同的土壤含水量就是一种非常典型的情况，有干旱的岩石地质和含水量较高的湿地地质，这两种条件下的土壤相对电容率和电导率就有明显的区别。本文研究了地面和空中情况下，随频率变化的土壤电导率和电容率对雷电回击电场的影响。在土壤的模型建立上，基于Scott 提出的土壤电参数等效模型，采用一个土壤等效网络，网络中的各参数是通过实际测量并和实际情况有着很好的匹配，该模型可以得到各种类型下土壤的电导率和电容率，且只有含水量一个变量。理论计算利用了经典的Sommerfeld 积分近似算法，加入Wait 早期提出的衰减因子，分析计算地表湿度引起的土壤电参数变化对雷电回击电磁场传播的影响。在对雷电回击电场的模拟时，计算了地面1000 米处的水平电场和垂直电场，并分别计算了土壤湿度为0.2%、1%、2%、10%、30%五种情况下的电场，为了突出电导率和电容率变化对电场传播带来的影响，文中在各湿度条件下，又对电导率和电容率取了四种不同的情况，分别为：电导率和电容率都取某一固定值、电容率随频率变化而电导率取定值、电容率取某一固定值而电导率随频率变化、电导率和电容率都随频率变化。结果表明：当土壤湿度介于1%-30%时，地表湿度对雷电电磁场传播的影响不可忽视，对水平电场的影响比垂直电场大。对垂直电场的影响主要表现为随着湿度的增大上升沿时间也增大，但峰值大小变化不明显。水平场峰值与土壤湿度成反比，因为湿度越大土壤电导率越大。因此，由于雷暴天气时往往伴随降水，对雷电电磁辐射环境的研究应该考虑土壤湿度的影响。