齊 奇 呂偉濤 武 斌 馬 穎 陳綠文 姜睿嬌

1)(中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室/雷電物理和防護工程實驗室， 北京 100081)

2)(中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院， 北京 100049)

3)(中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所， 廣州 510080)

引 言

地閃的連接過程是閃電從先導(dǎo)階段向回擊階段的瞬間轉(zhuǎn)變過程[1]，它直接與雷擊的物理機制相聯(lián)系，是輸電線、風(fēng)力發(fā)電機和建筑物等雷電防護設(shè)計中重點關(guān)注的物理過程。該過程一般被認(rèn)為包括兩個階段：第1階段為一個或多個上行先導(dǎo)從接地物體起始并朝下行先導(dǎo)發(fā)展,第2階段為上行和下行先導(dǎo)最后瞬間的擊穿階段(最后一跳)[2]。閃擊距離是雷電連接過程中一個重要的特征參量，已發(fā)表的文獻中有兩種定義：一些學(xué)者將閃擊距離定義為上行連接先導(dǎo)從被雷擊物體上激發(fā)出來的瞬間，被雷擊物體和下行先導(dǎo)頭部之間的距離[3]，通常認(rèn)為在這一瞬間雷擊目標(biāo)被確定；也有學(xué)者將閃擊距離定義為在先導(dǎo)之間的最后擊穿時,下行先導(dǎo)頭部到雷擊物體之間的距離[4]。

光學(xué)觀測是研究閃擊距離最直觀的手段。許多學(xué)者已經(jīng)通過光學(xué)觀測對地閃連接過程進行了研究[5-17]，但針對閃擊距離這一參量的研究鮮見報道。Wang等[10]結(jié)合閃電連接過程光學(xué)觀測系統(tǒng)(Lightning Attachment Process Observation System,LAPOS)記錄的光學(xué)數(shù)據(jù)和回擊峰值電流數(shù)據(jù)，估算了一次人工觸發(fā)閃電7次回擊過程對應(yīng)的閃擊距離(觸發(fā)閃電無首次回擊，均為繼后回擊)。Saba等[14]基于時間分辨率分別為10000 幀/s和20000 幀/s的高速攝像機對3次發(fā)生在兩座高度不超過60 m的建筑上自然閃電的閃擊距離進行了研究。Visacro等[15]利用時間分辨率為20000 幀/s的高速攝像機對發(fā)生在一座60 m高鐵塔上的首次和繼后回擊中的閃擊距離進行研究。雖然利用光學(xué)數(shù)據(jù)研究閃擊距離具有較好的直觀性，但也存在客觀上的不足。由于上行先導(dǎo)初始亮度較弱，往往難以被攝像機捕獲，能分辨時其可能已經(jīng)發(fā)展了數(shù)米甚至百米。此外，天氣條件(如云、雨和霧等)對閃擊距離的光學(xué)觀測影響也很大。因此，積累到足夠的適合分析閃擊距離的閃電光學(xué)數(shù)據(jù)并不容易。

本文利用2012—2018年在廣州高建筑物雷電觀測站觀測到的廣州珠江新城地區(qū)兩座建筑物(頂部形狀相似，均為尖頂型建筑)上發(fā)生的21次地閃連接過程的光學(xué)數(shù)據(jù)，分析閃擊距離與建筑物高度、回擊峰值電流強度的相關(guān)性，并探討影響閃擊距離的關(guān)鍵因子。

1 觀測與數(shù)據(jù)

廣州高建筑物雷電觀測站(Tall-Object Lightning Observatory in Guangzhou，TOLOG)作為中國氣象局雷電野外科學(xué)試驗基地(CMA_FEBLS)的重要組成部分，連續(xù)多年對廣州珠江新城地區(qū)高建筑物上的閃電過程進行觀測[7,23-29]，經(jīng)過10年不斷的建設(shè)發(fā)展，目前共包含6個觀測點。本研究所用數(shù)據(jù)由架設(shè)在TOLOG主觀測站的兩臺Photron FASTCAM高速攝像機(編號分別為HC-1和HC-2)獲取。表1為攝像機的具體參數(shù)。利用閃電連接過程光學(xué)觀測系統(tǒng)[30-31]的一個通道作為所有觀測設(shè)備的觸發(fā)源，每個觸發(fā)事件由高精度GPS時鐘授時，時間精度為30 ns。此外，地閃定位數(shù)據(jù)由廣東電網(wǎng)閃電定位系統(tǒng)獲取，提供了地閃回擊的時間、位置、極性和峰值電流等信息[32]。Chen等[33]對2007—2011年從化人工觸發(fā)閃電以及2009—2011年廣州高建筑物雷電觀測試驗數(shù)據(jù)與廣東電網(wǎng)閃電定位系統(tǒng)探測結(jié)果對比分析表明：定位系統(tǒng)反演的回擊電流幅值的相對偏差為0.4%～42%，相對偏差的算術(shù)平均值和幾何中值分別為16.3%和19.1%。

表1 高速攝像機參數(shù)

圖1為TOLOG與廣州塔(600 m高)、廣晟國際大廈(360 m高)的相對位置，觀測站到兩座建筑物的水平距離分別約為3.30 km和2.07 km。2012—2018年在這兩座建筑物上觀測到的能夠分析建筑物閃擊距離的地閃次數(shù)分別為12次和9次。觀測站的高速攝像機在這兩座建筑物距離上所拍攝圖像的空間分辨率見表1。

圖1 TOLOG與廣州塔和廣晟國際大廈的相對位置示意圖

2 兩座高建筑雷電閃擊距離統(tǒng)計

基于架設(shè)在TOLOG的高速攝像機拍攝的21次閃電光學(xué)數(shù)據(jù)，分析了2個高度不同的尖頂建筑物(見圖1)的閃擊距離。需要指出的是，本研究基于閃電圖像估算建筑物二維閃擊距離，一定程度上會造成對閃擊距離的低估。Gao等[9]通過比對6次高建筑物雷電中上行連接先導(dǎo)的三維速率(長度)和二維速率(長度)發(fā)現(xiàn)，前者平均約是后者的1.3倍。

圖2展示的是利用幀率達到10000 幀/s的高速攝像機HC-1拍攝的一次廣晟國際大廈上的閃電連接過程。文中將閃電回擊開始時刻定義為零時刻。圖2c是該次閃電首次回擊發(fā)生0.5 ms后回擊通道圖像。圖2b是在回擊發(fā)生前0.1 ms的閃電圖像，可以看到下行先導(dǎo)的分叉眾多，上行連接先導(dǎo)發(fā)展的長度已經(jīng)很長。圖2a是高速攝像機觀測到上行連接先導(dǎo)發(fā)展時的首幀圖像，此時上行連接先導(dǎo)已經(jīng)發(fā)展了3 m，閃擊距離為650 m。

通常，上行連接先導(dǎo)在能被高速攝像機觀測到的首幀圖像中，往往已經(jīng)發(fā)展到一定長度，若使用這一幀圖像中下行先導(dǎo)頭部到被激發(fā)上行連接先導(dǎo)建筑物的距離估算閃擊距離，會造成一定程度低估。Tran等[12]提出了一種反推估算方法(reverse propagation)，該方法基于先導(dǎo)已經(jīng)發(fā)展的長度和速率推算先導(dǎo)發(fā)展時間。Visacro等[15]利用該方法對閃擊距離進行了估算，并指出僅僅使用首幀觀測到上行先導(dǎo)的圖像來估算閃擊距離，能夠產(chǎn)生高至36%的低估，而利用反推估算方法，能夠更精確地估算閃擊距離。在圖2a中，上行連接先導(dǎo)的長度為3 m，對應(yīng)的發(fā)展速率為1.3×105m·s-1，因此推測它起始于回擊前2.22 ms；此時下行先導(dǎo)的發(fā)展速率約為2.2×105m·s-1，根據(jù)該速率值以及推測的上行先導(dǎo)起始時間，重新估算的閃擊距離約為654 m。

圖2中，由于首幀觀測到上行連接先導(dǎo)的圖像中(圖2a)上行先導(dǎo)的長度較短(僅為3 m)，因此，利用反推估算方法重新估算的閃擊距離與僅從首幀觀測到上行連接先導(dǎo)的圖像中估算的閃擊距離差別不大，但在21次閃電樣本首幀觀測到上行連接先導(dǎo)的圖像中，上行先導(dǎo)長度范圍為3～121 m，平均長度約為30 m，總體上反推估算方法對閃擊距離的估算能夠起到很好的訂正作用，因此，文中21次閃電過程中閃擊距離估算均采用該方法。結(jié)果顯示：如果僅從能夠觀測到上行連接先導(dǎo)的首幀圖像來估算閃擊距離，其平均值為672 m，而利用了反推估算方法后，閃擊距離的平均值為772 m，提高了15%左右。

圖2 高速攝像HC-1(10000 幀/s)拍攝的一次廣晟國際大廈上發(fā)生的閃電過程圖像

圖3為廣州塔(600 m高)和廣晟國際大廈(360 m 高)這兩座高度不同、形狀相似的建筑物上閃擊距離的箱型圖。廣州塔的閃擊距離范圍是103～2225 m，中值為981 m。廣晟國際大廈的閃擊距離范圍是237～771 m，中值為508 m。可以看到，廣州塔閃擊距離的中位數(shù)要明顯高于廣晟國際大廈。這說明閃擊距離在統(tǒng)計上有隨著建筑高度的增高而增大的趨勢。

圖3 廣州塔和廣晟國際大廈的閃擊距離

圖4 閃擊距離與回擊峰值電流關(guān)系

圖5 廣州塔和廣晟國際大廈閃擊距離與上行連接先導(dǎo)起始時間的關(guān)系

圖6給出了21次閃電中上行先導(dǎo)與下行先導(dǎo)的二維平均速率統(tǒng)計結(jié)果。圖6a為上行連接先導(dǎo)在回擊前0.1 ms內(nèi)的二維平均速率分布，可以看到，約80%的樣本小于1.0×106m·s-1。圖6b為上行連接先導(dǎo)在回擊前0.5 ms內(nèi)的二維平均速率分布，速率超過1.0×106m·s-1的樣本僅占6%。圖6c為下行先導(dǎo)在回擊前0.1 ms內(nèi)的二維平均速率分布，約90%的樣本速率小于7.5×105m·s-1。圖6d為下行先導(dǎo)在回擊前0.5 ms內(nèi)的二維平均速率分布，所有樣本的速率均在0～7.5×105m·s-1區(qū)間，且63%的樣本速率集中在2.5×105～5×105m·s-1這一范圍。

圖6 上行先導(dǎo)與下行先導(dǎo)的二維平均速率統(tǒng)計

在建筑物防雷設(shè)計和先導(dǎo)模式中，下行先導(dǎo)與上行先導(dǎo)速率之比是一個重要參數(shù)，它決定了建筑物的吸引半徑[18]。Eriksson[34-35]和Rizk[36-37]假設(shè)下行先導(dǎo)速率與上行連接先導(dǎo)的速率之比等于1，Mazur等[38]假設(shè)該比率等于2，Dellera等[39-40]假設(shè)在連接過程中該比率從4變?yōu)?，Saba等[14]對3次個例的分析發(fā)現(xiàn)在最后一跳前該比率近似為常數(shù)，分別約為2.3，3.1和4.8。圖7給出了回擊過程發(fā)生前0.1 ms內(nèi)下行先導(dǎo)速率與上行連接先導(dǎo)速率的比值。由圖7可以看到，在回擊前0.1 ms內(nèi)，這一比值小于4。其中，速率比值小于1的樣本最多，約占總樣本量的65%，且樣本量呈隨比例降低而減少趨勢。

圖7 回擊過程發(fā)生前0.1 ms內(nèi)下行先導(dǎo)速率(Vd)與上行連接先導(dǎo)速率(Vu)的比值

3 結(jié)論與討論

本文利用高速攝像機提供的閃電光學(xué)數(shù)據(jù)，結(jié)合地閃定位數(shù)據(jù)的回擊峰值電流信息，統(tǒng)計分析了廣州塔(600 m高)和廣晟國際大廈(360 m高)這兩座尖頂建筑物上的閃擊距離與建筑物高度、回擊峰值電流強度和上行先導(dǎo)起始時間之間的關(guān)系，研究了連接過程中下行先導(dǎo)與上行連接先導(dǎo)的速率范圍及其比值分布，具體結(jié)論如下：

1) 統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明:更高的建筑物上閃擊距離更長。600 m高的廣州塔閃擊距離中值約為1 km，360 m高的廣晟國際大廈閃擊距離中值約為500 m。廣州塔閃擊距離的中位數(shù)明顯高于廣晟國際大廈，前者約為后者的2倍。

2) 對于同一高建筑物上的雷電，總體上其回擊峰值電流越大，閃擊距離越長。對于不同高度建筑物上的雷電，總體上建筑物越高，記錄到的回擊峰值電流越強。廣州塔上的回擊峰值電流要明顯強于廣晟國際大廈，前者約是后者的1.7倍。

3) 在連接過程中，下行先導(dǎo)與上行連接先導(dǎo)的二維平均速率比值在回擊前0.1 ms內(nèi)小于4。其中，速率比值小于1的樣本最多，約占總樣本量的65%。

需要注意的是，研究中所用回擊峰值電流是閃電定位系統(tǒng)反演結(jié)果，而建筑物的高度對閃電定位系統(tǒng)反演得到的回擊峰值電流強度有重要影響[41-43]。Lafkovici等[43]對比加拿大CN塔(553 m 高)上21次回擊電流幅值的直接測量結(jié)果和北美閃電定位系統(tǒng)(NALDN)的反演結(jié)果，指出NALDN的反演值大約為直接測量值的2.6倍。因此，在利用閃電定位數(shù)據(jù)獲取閃電電流強度時，需充分考慮建筑物高度的影響。對于高度一定的建筑物，可近似認(rèn)為其對定位系統(tǒng)獲得的雷電流峰值反演結(jié)果影響大致相同。

除了上述討論的閃電樣本，還觀測到1次側(cè)擊廣州塔的閃電，這次閃電的閃擊距離僅為52 m。廖義慧等[44]利用隨機模式模擬了一座高度為440 m 的建筑物上閃電的連接情況，模擬結(jié)果表明：側(cè)擊過程中，在建筑物側(cè)面起始的上行連接先導(dǎo)長度與地面上起始的長度相近，根據(jù)下行先導(dǎo)起始點距離建筑物的遠近，其平均值為16～21 m；而在建筑物頂部起始的上行連接先導(dǎo)的長度平均值為187～317 m，遠大于側(cè)擊時的數(shù)值。雖然目前觀測的側(cè)擊樣本還很有限，但結(jié)合模擬分析可以確定在高建筑物側(cè)擊發(fā)生時，閃擊距離會遠小于擊中建筑物頂部的情況。

影響建筑物閃擊距離的因素很多，除了建筑物的高度、回擊峰值電流強度外，還包括建筑物的形狀、材料和建筑物之間的相互影響等。此外，本文研究的是建筑物的二維閃擊距離，從圖像估算閃擊距離時，會造成一定程度的低估。目前TOLOG在廣州擁有6個觀測站點，能夠?qū)χ榻鲁菂^(qū)域高建筑物上發(fā)生的閃電放電過程進行三維的觀測研究，積累更多發(fā)生在不同高度建筑上的多站閃電樣本，有助于全面深入分析高建筑物雷電的閃擊距離特征，特別是三維發(fā)展特征。