雷电基本理论

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Ⅰ．雷电概述 　　人们通过模拟地球原始大气在密室中进行放电的实验，结果由无机物合成了11种氨基酸。这些物质的出现，是生命起源的基础，因此，一些生命起源学说认为，是雷电孕育了地球上的生命。同理，地球上空有一层电离层，它是由带正电荷的粒子组成，该电离层起着防止太阳和宇宙空间各种有杀害生命作用的射线进入地面，保护地球上的生命，如果没有这电离层，即使地球上本来已经有的生命，也会被来自太空的各种射线杀死，地球不可能出现现在的繁荣和文明。但是电离层的正电荷以平均约1800A的电流强度向大地放电，可想而知，如果得不到补充，电离层的电荷恨快便会放尽。由于雷电不断补充电离层放电失去的电荷，保持电离层总电荷量大体平衡，使这层生命的保护屏障得以保存，使地球上的生命不致被宇宙射线灭绝。因此，可以说，是雷电促使地球成为文明的星球。从这个角度来讲，人类有今天的文明应该感谢雷电。 由于雷击会给人类带来灾害，因此，人类很早就与雷害进行斗争。其中取得卓越成就的有18世纪中叶著名科学家富兰克林(Franklin)M·B·罗蒙诺索夫(JIOMOHOCOB),L·B·黎赫曼(PHXMAH)。他们通过大量实验建立了雷电学说，认为雷击是云层中大量阴电荷和阳电荷迅速中和而产生的现象；并且创立了避雷理论，发明了避雷针。他们取得的这些科学成就，已为人类作出了重大的贡献。 我国古籍中，有关雷电理论和避雷实践的记载十分丰富。例如东周时《庄子》上记述：“阴阳分争故为电，阳阴交争故为雷，阴阳错行，天地大骇，于是有雷、有霆。”这些学说与现代的雷电学说是如此相似，不过它比现代雷电学说要早2000多年。在古籍中关于建筑工程中避雷的记载也十分丰富。南北朝的孟奥《北征记》中有如下记述：“凌云台南角一百步，有白石室，名避雷室。”又有盛弦之《荆州记》中记述：“湖阳县春秋蓼国，樊重之邑了，重母畏雷，为立石室，以避之，悉之文石为阶砌，至今犹存。”书中谈及的白石、文石，据分析应该属于绝缘性能较好的石块。至于宋、元、明、清代的建筑物多用“雷公柱”（宋代称枨杆）等措施以避雷。 　　在古籍中有关雷击的事故的记述就更多了，例如： 　　《续晋阳春秋》：“太元五年，霹雳含殿四柱，杀内侍二人。” 　　《晋安帝记》：“义熙三年六月，震太庙鸱尾，彻壁柱，若有文字。” 　　《晋中兴书征祥说》："元兴三年，永安王皇后至住巴防，将设威仪入宫，天大雷震，人马多死。" 　　《沈括·梦溪笔谈》：“内侍李舜举家为暴所震，其堂之西屋雷火自窗间出，赫然出檐。人以为堂屋已焚，皆出避之。及雷止，其舍宛然，墙壁窗纸皆默。有一木格，其中杂贮诸器，其漆器银铝者，银悉容流在地，漆器不燃灼。有一宝刀，极坚刚，就刀室中容为汁。而室亦俨然。人必谓：当先焚草木，然后流金石，今乃金石皆烁而草木无一毁者，非人情所测。 　　《齐书·五行志》：“永元三年正月，豫章郡，天火烧三千余家。”该天火，到底是一般雷击，还是球形雷？未加考证。 以上只是我国古籍关于雷记载中的点滴摘录，当然它与现代雷电理论和避雷技术相比还有差距，但是从历史观点来看，我们的祖先能够在那么早的年代里就创造出那样完整的雷电理论，并且在技术上得到应用，这是我们民族光辉灿烂文化历史的一页。 Ⅱ．雷电成因 　　通常所谓雷击是指一部分带电的云层与另一部分带异种电荷的云层，或者是带电的云层对大地之间迅猛的放电。这种迅猛的放电过程产生强烈的闪电并伴随巨大的声音。当然，云层之间的放电主要对飞行器有危害，对地面上的建筑物和人、畜没有很大影响。然而，云层对大地的放电，则对建筑物、电子电气设备和人、畜危害甚大，这是我们研究的主要对象。 　　通常雷击有三种主要形式：其一是带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象，叫做“直击雷”。其二是带电云层由于静电感应作用，使地面某一范围带上异种电荷。当直击雷发生以后，云层带电迅速消失，而地面某些范围由于散流电阻大，以致出现局部高电压，或者由于直击雷放电过程中，强大的脉冲电流对周围的导线或金属物产生电磁感应发生高电压以致发生闪击的现象，叫做“二次雷”或称“感应雷”。其三是“球形雷”，将在后面另详细说明。 (1) 雷云的形成 　　不管是直击雷还是感应雷都与带电的云层存在分不开，带电的云层称为雷云。有关雷云形成的假说很多，但至今尚未有一种被公认为无懈可击的完整学说，这里我们介绍其中被认为比较完善并经常被推荐的假说。 　　根据大量科学测试可知，地球本身就是一个电容器，通常带了稳定地带负电荷50万库仑左右，而地球上空存在一个带正电的电离层，这两者之间便形成一个已充电的电容器，它们之间的电压为300KV左右，并且场强为上正下负。 　　当地面含水蒸气的空气受到炽热的地面烘烤受热而上升，或者较温暖的潮湿空气与冷空气相遇而被垫高都会产生向上的气流。这些含水蒸气的上升时温度逐渐下降形成雨滴、冰雹（称为水成物），这些水成物在地球静电场的作用下被极化。 　 　　负电荷在上，正电荷在下，它们在重力作用下落下的速度比云滴和冰晶（这二者称为云粒子）要大，因此极化水成物在下落过程中要与云粒子发生碰撞。碰撞的结果是其中一部分云粒子被水成物所捕获，增大了水成物的体积，另一部分未被捕获的被反弹回去。而反弹回去的云粒子带走水成物前端的部分正电荷，使水成物带上负电荷。由于水成物下降的速度快，而云粒子下降的速度慢，因此带正、负两种电荷的微粒逐渐分离（这叫重力分离作用），如果遇到上升气流，云粒子不断上升，分离的作用更加明显。最后形成带正电的云粒子在云的上部，而带负电的水成物在云的下部，或者带负电的水成物以雨或雹的形式下降到地面。当下面所讲的带电云层一经形成，就形成雷云空间电场，空间电场的方向和地面与电离层之间的电场方向是一致的，都是上正下负，因而加强了大气的电场强度，使大气中水成物的极化更厉害，在上升气流存在在情况下更加剧重力分离作用，使雷云发展得更快。 　　从上面的分析，好像雷云总是上层带正电荷，下层带负电荷。实际上气流并不单是只有上下移动，而比这种运动更为复杂。因此雷云电荷的分布也比上面讲的要复杂得多。 　　科学工作者的测试结果表明，大地被雷击时，多数是负电荷从雷云向大地放电，少数是雷云上的正电荷向大地放电；在一块雷云发生的多次雷击中，最后一次雷击往往是雷云上的正电荷向大地放电。从观测证明，发生正电荷向大地放电的雷击显得特别猛烈。 　　上面的假说首先是由威尔逊(Wilson)提出的，通常把它叫做威尔逊假说。另外，广州有位唐山樵先生对雷云的形成提出了如下的假说： 雷电的出现是与气流、风速密切相关的，而且与地球磁场也有一定的联系。雷雨云内部的不停运动和相互磨擦而使雷雨云产生大量的正、负电荷的小微粒，即所谓的摩擦生电。这样，庞大的雷雨云就相当于一块带有大量正、负电荷的云块，而这些正、负电荷不断地产生，同时也在不断地的复合，当这些云块在水平方向向东或向西迅速移动时（最大风速可达40m/s），它与地球磁场磁力线产生切割，这就好像导体切割磁力线产生电流一样，云中的正、负电荷将产生定向移动，其移动的方向可按右手定则来判断。若云块是由西向东移动，而地磁场磁力线则是由地球南极指向地球的北极，因此大量正电荷向上移动，负电荷向下移动，这样云的下部将积聚越来越多的负电，而云的上部积聚大量的正电，当电场强度达到足够高（25～30KV/cm）时将引起雷云间强烈放电，或是雷云中的内部放电，或是雷云对地放电，即所谓的雷电。 　　综上所述，雷电的成因仍为摩擦生电及云块切割磁力线，把不同电荷进一步分离。由此可见，雷电的成因或者说主要能源来自于大气的运动，没有这些运动，是不会有雷电的。这也说明了为什么雷电总伴随着狂风骤雨而出现。 （2）电离层与地面间的电荷平衡 　　上面说过，地球是一个表面带负电荷的球体，并且它所带的负电荷量长期稳定在5×105C水平，而在地球上空的电离层上则带有相等的正电荷，使电离层与地面之间的电压约300KV。因而在电离层与地面之间存在一个电场，晴天时在地面附件的电场强度为120V/m。即使在晴天时，大气中总有一些空气分子被电离。 　　在电场的作用下造成放电电流。根据观测和计算的结果表明，全地球该放电电流强度为1800A，如果长期如此，电离层与地面之间的电荷将很快放电完毕；然而事实上，它们之间大致长期保持恒定的电量和电压，这主要由于雷暴的形成和雷击，把正电荷从大地送回到电离层，起到对电离的正电荷充电的作用。根据卫星观测资料及电学观测资料估计，在任何一时刻全地球表面上连续发生着大约1000个雷暴，从而使电离层与大地之间的电场保持稳定。 (3)尖端放电与雷击 　　由物理学可知，通常物体内部的正电荷和负电荷是相等的，所以从整体来看不显示带电现象，当某一物体所具有的正、负电荷不相等时，这个物体就显示带电的特性，当物体内部的正电荷多于负电荷，物体带正电，反之带负电。由于电荷都有异性相吸、同性相斥的特性，所以带电物体中的同性电荷总是受到互相排斥的电场力作用。以一个如图1。4那样的带尖锋的金属球为例，假如金属球带上负电（同理也可以解释带上正电），由于电荷同性相斥的作用，电子总是分布到金属球的最外层表面，并且有“逃离”金属球表面的趋势。球带尖锋部分的电子受到同性电荷往外排斥力最强，故最容易被排斥离开金属球，这就是通常说的“尖端放电”。此外当带电物体周围的空气越潮湿或带有与带电体相反电荷的离子时，带电体也越易放电。 　　当天空中有雷云的时候，因雷云带有大量电荷，由于静电感应作用，雷云下方的地面和地面上的物体都带上与雷云相反的电荷。雷云与其下方的地面就成为一个已充电的电容器，当雷云与地面之间的电压高到一定的时候，地面上突出的物体比较明显地放电。同时，天空带电的雷云在电场的作用下，少数带电的云粒（或水成物）也向地面靠拢，这些少数带电微粒的靠拢，叫做先驱注流，又叫电流先导。先驱注流的延续将形成电离的微弱导通，这一阶段称为先驱放电。 　　开始产生的先驱放电是不连续的，是一个一个脉冲地相继向前发展。它发展的平均速度为105～106m/s各脉冲间隔约30～90μs，每阶段推进约50 m。先驱放电常常表现为分枝状，这是由于放电是沿着空气电离最强、最容易导电的路径发展的。这些分枝状的先驱放电通常只有一条放电分支达到大地。 当先驱放电到达大地，或与大地放电迎面会合以后，就开始主放阶段，这就是雷击。在主放电中雷云与大地之间所聚集的大量电荷，通过先驱放电所开辟的狭小电离通道发生猛烈的电荷中和，放出能量，以至发出强烈的闪光和震耳的轰鸣。在雷击中，雷击点有巨大的电流流过。大多数雷电流峰值为几十KA，也有少数上百KA以至几百KA的。雷电流峰值的大小与土壤电阻率的大小成减函数关系，即土壤电阻率高，则雷电流峰值小；土壤电阻率低，、则雷电流峰值大。 　　雷电流大多数是重复的，通常一次雷电包括3～4次放电。重复放电都是沿着第一次放电通路发展的。雷电之所以重复发生，是由于雷云非常之大，它各部分密度不完相同，导电性能也不一样，所以它所包含的电荷不能一次放完，第一次放电是由雷云最低层发出的，随后放电是从较高云层、或相邻区发出的。一次放电全部时间可达十分之几秒。 Ⅲ、雷电特性 （1）雷电流的特性 　　雷电破坏作用与峰值电流及其波形有最密切的关系。雷击的发生、雷电流大小与许多因数有关，其中主要的有地理位置、地质条件、季节和气象。其中气象情况有很大的随机性，因此研究雷电流大多数采取大量观测记录，用统计的方法寻找出它的概率分布的方法。根据资料表明，各次雷击闪电电流大小和波形差别很大。尤其是不同种类放电差别更大。为此有必要作如下说明。 　　由典型的雷雨云电荷分布可知，雷雨云下部带负电，而上部带正电。根据云层带电极性来定义雷电流的极性时，云层带正电荷对地放电称为正闪电，而云层带负电荷对地放电称为负闪电。正闪电时正电荷由云到地，为正值，负闪电时负电荷由云到地，故为负值。云层对地是否发生闪电，取决于云体的电荷量及对地高度或者说云地间的电场强度。 　　云地间放电形成的先导是从云层内的电荷中心伸向地面。这叫做向下先导。其最大电场强度出现在云体的下边缘或地上高耸的物体顶端。雷电先导也可能是从接地体向云层推进的向上先导。因此，可以把闪分成四类，只沿着先导方向发生电荷中和的闪电叫无回击闪电。当发生先导放电之后还出现逆先导方向放电的现象，称为有回击闪电。 　　上面讲到一次雷击大多数分成3～4次放电，一般是第一次放电的电流最大，正闪电的电流比负闪电的电流大。这可以从图1-2典型的雷雨云中的电荷分布得到理解。 　　电流上升率数据对避雷保护问题极其重要，最大电流上升率出现在紧靠峰值电流之前。习惯上用电流波形起始时刻至幅值下降为半幅值的时间间隔来表征雷电流脉冲部分的波长。雷电流的大小与许多因素有关，各地区有很大区别，一般平原地区比山地雷电流大，正闪电比负闪电大，第一闪击比随后闪击大。 (2)闪电的电荷量 　　闪电电荷是指一次闪电中正电荷与负电荷中和的数量。这个数量直接反映一次闪电放出的能量，也就是一次闪电的破坏力。闪电电荷的多少是由雷云带电情况决定的，所以它又与地理条件和气象情况有关，也存在很大的随机性。从大量观测数据表明，一次闪电放电电荷Q可从零点几库仑到1000多库仑。然而在一次雷击中，在同一地区它们的数量分布符合概率的正态分布。第一次负闪击的放电量在10多库仑者居多。 　　一朵雷云是否会向大地发生闪击，由几个基本因素决定，其一是云层带电荷多少，其二是把云层与大地之间形成的电容模拟为平板电容时，它对大地的电容是多少。当然这个模拟电容两极之间的电压就是由电容和带电量决定的。当这个模拟电容内的电位梯度du/dl达到闪击值时就会发生闪击。当闪击一旦发生，云地之间即发生急剧的电荷中和。 　　雷电之所以破坏性很强，主要是因为它把雷云蕴藏的能量在短短的几十μｓ放出来，从瞬间功率来讲，它是巨大的。但据有关资料计算，每次闪击发出的能量只相当燃烧几千克石油所放出的能量而已。 (3)雷电波的频谱分析 　　雷电波频谱是研究避雷的重要依据。从雷电波频谱结构可以获悉雷电波电压、电流的能量在各频段的分布，根据这些数据可以估算通信系统频带范围内雷电冲击的幅度和能量大小，进而确定避雷措施；在电力系统中，了解雷电波频谱分析在避雷工程中，也可以根据其分析结果，用最小的投资，达到足够安全的效果。 　　虽然各种雷电波总体的轮廓相似，但是每一次雷电闪击的电流(电压)波形仍存在很大的随机性。 　　雷云向大地或雷云之间剧烈放电的现象称为闪击（这里以讨论前者为主），带负电荷的雷云向大地放电为负闪击，带正电荷的雷云向大地放电为正闪击，雷云对大地放电多为负闪击，其电流峰值以20~50KA居多。正闪击比负闪击猛烈，其电流幅值往往在100KA以上，我国黑龙江省近年曾发生过300KA正电荷闪击记录（通常200KA以上属少见）。 Ⅳ、雷电活动及雷击的选择性 (1)雷电活动及雷电活动日 　　雷电活动从季节来讲以夏季最活跃，冬季最少，从地区分布来讲是赤道附近最活跃，随纬度升高而减少，极地最少。 　　评价某一地区雷电活动的强弱，通常用两种方法。其中一种是习惯使用的“雷电日” ，即以一年当中该地区有多少天发生耳朵能听到雷鸣来表示该地区的雷电活动强弱，雷电日的天数越多，表示该地区雷电活动越强，反之则越弱。我国平均雷电日的分布，大致可以划分为四个区域，西北地区一般15日以下；长江以北大部分地区（包括东北）平均雷电日在15?0日之间；长江以南地区平均雷电日达40日以上；北纬23°以南地区平均雷电日达80日。广东的雷州半岛地区及海南省，是我国雷电活动最剧烈的地区，年平均雷电日高达120--130日。总的来说，我国是雷电活动很强的国家。 　　因为人们耳朵能听到的雷声，一般距离只能在15km左右，更远的雷声一般就听不到了，所以雷电日只能反映局部地区雷电活动情况。 　　还有一些科学家认为用雷电日表征一个地区雷电活动不够准确，因为一天当中听到一次雷声就算一个雷电日，而一次当中听到1000次雷声也算一个雷电日，并且认为测试地区以1000k㎡范围内发生的闪击次数来统计，这样就得出一种新的评价雷电活动的方法，叫雷闪频数。也就是说雷闪频数是1000k㎡内一年共发生的闪击数（也可以用每1k㎡一年内雷击次数为单位）。显然以1000k㎡作为一个地区单位来评价雷电活动的情况，对航空、航海、气象、通信等现代技术更为适合。然而它的测试方法只能借助于无线电，用耳朵来听是无能为力的。而对于建筑行业防雷，用雷电日单位己足够准确，并且大量观测统计资料表明，一个地区的雷闪频数与雷电话动日成线性关系，所以两种统计方法是没有矛盾的。 (2)雷击的选择 　　年平均雷电日这一数字只能给人们提供概略的情况。事实上，即使在同一地区内，雷电活动也有所不同，有些局部地区，雷击要比邻近地区多得多。如广州的沙河，北京的十三陵等地。我们称这些地方为该地区的“雷击区” 。 　　雷击区与地质结构有关。苏联H·C·斯捷柯里尼科夫（CTehojhkob）曾用模拟试验的研究方法证明，如果地面土壤电阻率的分布不均匀，则在电阻率特别小的地区，雷击的几率较大。这就是在同一区域内雷击分布还是不均匀的原因。 　　这种现象我们称之为“雷击选择性”。试验结果证明，雷击位置经常在土壤电阻率较小的土壤上，而电阻率较大的多岩石土壤被击中的机会很小。这是因为在雷电先驱放电阶段中，地中的电导电流主要是沿着电阻率较小的路径流通，使地面电阻率较小的区域被感应而积累了大量与雷云相反的异性电荷，雷电自然就朝这些地区发展。 　　根据H。那林达（Norinder）·O·沙卡(Salka)和上面提到的H·C·斯捷柯尼科夫的试验结果和实际调查资料证明： 　　壤电阻率较大的山区和平原，雷电选择性都比较明显；雷击经常发生在有金属矿床的地区、河岸、地下水出口处、山坡与稻田接壤的地上和具有不同电阻率土壤的交界地段。 　　在湖沼、低洼地区和地下水位高的地方也容易遭受雷击。此外地面上的设施情况，也是影响雷击选择性的重要因素。 　　当放电通道发展到离地面不远的空中时，电场受地面物体影响而发生畸变。如果地面上有一座较高的尖顶建筑物，例如一座很高的铁塔，由于这些建筑物的尖顶具有较大的电场强度，雷电先驱自然会被吸引向这些建筑物，这就是高耸突出的建筑物容易遭受雷击的缘故。 　　在旷野，即使建筑物并不高，但是由于它是比较孤立、突出，因此也比较容易遭受雷击。调查结果表明，在田野里供休息的凉亭、草棚、水车棚等遭受雷击的事故是很多的。 　　从烟囱冒出的热气柱和烟囱常含有大量导电微粒和游离分子气团，它们比一般空气易于导电，这就等于加高了烟囱的高度，这也是烟囱易于遭受雷击的原因之一。因此，在一支较高的烟囱附近，如果有一支较低的烟囱，在高烟囱不冒烟而低烟囱冒烟的情况下，雷电往往直接击在低烟囱上。所以在高低两条烟囱并排时，即使低烟囱在高烟囱雷电保护范围之内，但仍然要求两条烟囱都要装避雷装置。 　　建筑的结构、内部设备情况和状态，对雷击选择性都有很大关系。金属结构的建筑物、内部有大型金属体的厂房，或者内部经常潮湿的房屋，如牲畜棚等，由于具有很好的导电性，都比较容易遭受雷击。 　　上面所谈到的这些雷电选择性，仅仅是一些常见的例子，很不全面，但它已经给我们提供了雷击选择性的资料，因而对防雷工作有重要的意义。据此我们可以决定哪些地区、哪些建筑物应该加避雷装置，而另一些地区、建筑物在防雷投资上可以少花一些或甚至不必花费投资。 　　在同一区域内雷击分布不均匀的现象，我们称之为“雷击选择性”。 雷灾事故的历史资料统计和实验研究证明，雷击的地点以及遭受雷击的部位是有一定规律的，因此掌握这些规律对预防雷击有很重要的意义。同一区域容易遭受雷击的地点和部位有： A．易遭雷击的地点： 　　1．土壤电阻率较小的地方，如有金属矿床的地区、河岸、地下水出口处、湖沼、低洼地区和地下水位高的地方； 　　2．山坡与稻田接壤处； 　　3．具有不同电阻率土壤的交界地段。 B．易遭受雷击的建（构）筑物： 　　1．高耸突出的建筑物，如水塔、电视塔、高楼等； 　　2．排出导电尘埃、废气热气柱的厂房、管道等； 　　3．内部有大量金属设备的厂房； 　　4．地下水位高或有金属矿床等地区的建（构）筑物； 　　5．孤立、突出在旷野的建（构）筑物。 C．同一建（构）筑物易遭受雷击的部位： 　　1．平屋面和坡度≤1/10的屋面，檐角、女儿墙和屋檐； 　　2．坡屋度＞1/10且＜1/2的屋面；屋角、屋脊、檐角和屋檐； 　　3．坡度＞1/2的屋面、屋角、屋脊和檐角； 　　4．建（构）筑物屋面突出部位，如烟囱、管道、广告牌等。 （3）雷电的破坏作用 　　当人类社会进入电子信息时代后，雷灾出现特点与以往有极大的不同，可以概括为： 　　（1）受灾面大大扩大，从电力、建筑这两个传统领域扩展到几乎所有行业，特点是与高新技术关系最密切的领域，如航天、航空、国防邮电通信、计算机、电子工业、石油化工、金融证券等； 　　（2）从二维空间入侵变为三维空间入侵。从闪电直击和过电压波沿线传输变为空间闪电的脉冲电磁场从三维空间入侵到任何角落，无空不入地造成灾害，因而防雷工程已从防直击雷、感应雷进入防雷电电磁脉冲（LEMP）。前面是指雷电的受灾行业面扩大了，这儿指雷电灾害的空间范围扩大了。例如二000年七月二十五日14点40分左右，一次闪电造成漕宝路桂菁路附近二家单位同时受到雷灾，而不是以往的一次闪电只是一个建筑物受损。 　　（3）雷灾的经济损失和危害程度大大增加了，它袭击的对象本身的直接经济损失有时并不太大，而由此产生的间接经济损失和影响就难以估计。例如一九九九年八月二十七日凌晨2点，某寻呼台遭受雷击，导致该台中断寻呼数小时，其直接损失是有限的，但间接损失将大大超过直接损失。 　　（4）产生上述特点的根本原因，也就是关键性的特点是雷灾的主要对象已集中在微电子器件设备上。雷电的本身并没有变，而是科学技术的发展，使得人类社会的生产生活状况变了。微电子技术的应用渗透到各种生产和生活领域，微电子器件极端灵敏，这一特点很容易受到无孔不入的LEMP的作用，造成微电子设备的失控或者损坏。 　　为此，当今时代的防雷工作的重要性、迫切性、复杂性大大增加了，雷电的防御已从直击雷防护到系统防护，我们必须站到历史时代的新高度来认识和研究现代防雷技术，提高人类对雷灾防御的综合能力。