一次正地闪触发两个并发上行闪电的光电观测

武 斌 吕伟涛* 齐 奇 马 颖 陈绿文 宿志国 吴姗姗

1)(中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室/雷电物理与防护工程实验室， 北京 100081)2)(中国气象局广州热带海洋气象研究所， 广州 510080)

引 言

上行闪电是在雷暴环境下从高建筑物顶端激发先导并向上传输，以初始连续电流开始，一般持续约几百毫秒。当先导入云发展至云内电荷区时，可能会发生直窜先导-继后回击过程。近年来，针对上行闪电的研究越来越深入[1-5]，主要是依靠云外发光通道图像、地面电场变化数据、雷达回波资料以及建立先导模型等，研究上行闪电传输特征和触发机制[6-10]。上行闪电分为两类：一类是始发前附近无放电活动、自发型上行闪电，另一类是由附近放电活动诱导激发的触发型上行闪电[11]。云闪、负地闪和正地闪都可能会触发上行闪电[12-14]，但目前报道的大多数上行闪电与正地闪活动相关。Warner等[15]和Saba等[16]利用高速摄像观测均发现，触发上行闪电的放电活动主要是正地闪。相对于平坦区域，高建筑物(包括高塔、大厦、摩天大楼等)更容易激发上行闪电，有时强正地闪发生时会引发大范围环境电场发生变化，使分布在城市不同区域的多个高建筑物上同时激发上行闪电，这种现象越来越受到人们的关注。Miyake等[17]观测到一次闪电发生后从多个高建筑物顶均有上行先导始发。Jiang等[4]基于高速摄像图像和雷达回波强度数据，分析了两座距离3420 m高塔上同时始发的上行闪电的特征。War- ner[18]利用高速摄像观测到一次正地闪回击后，在水平距离横跨2.9 km、高度121～191 m的4座塔上相继有上行闪电始发现象。这些研究揭示了上行闪电始发的重要特征，但对多个并发上行闪电的物理机制目前还不是非常清楚，其原因主要是这种现象发生的随机性很大，观测难度大，有效捕获到的个例较少。

本文利用高速摄像、普通摄像和电场变化同步资料，配合闪电定位数据，分析了一次单回击峰值电流达+141 kA的正地闪触发的两个高建筑物上行闪电的光电特征，并讨论了正地闪触发上行闪电的物理机制。

1 观测与数据

广州高建筑物雷电观测站(Tall-Object Lightning Observatory in Guangzhou，TOLOG[19-20])主要针对高建筑物闪电开展观测，包含两个站点(站点1和站点2)。光电同步观测设备包括多台高速摄像系统、全视野闪电通道成像系统(total-sky lightning channel imager, TLCI[21])、快、慢电场变化天线、宽带磁场测量仪、大气平均电场仪和闪电连接过程光学观测系统(Lightning Attachment Process Observation System, LAPOS[22])。采用数字示波记录仪采集LAPOS和电磁场变化信号，利用LAPOS(8通道)的1个通道作为所有观测设备的触发源。每个触发事件由高精度GPS时钟授时，时间精度为30 ns。本文光电资料由以下设备获取：

①站点1的3台Photron FASTCAM高速摄像系统和1台数码单反相机：1台SAZ摄像机(编号：HC-1)，帧率为20000 fps(frames per second)，镜头焦距14 mm，像素为1024×1024；1台SA3摄像机(编号：HC-3)，帧率为1000 fps，镜头焦距8 mm，像素为1024×1024；1台SA5摄像机(编号：HC-2)，帧率为50000 fps，镜头焦距20 mm，像素为512×272；单反相机型号为Nikon D7000，镜头焦距20 mm，像素为4928×3264，曝光时间1 s。

②站点2的1台闪电通道成像仪(lightning channel imager, 编号：LCI-03，普通摄像)，镜头焦距5 mm，像素为780×582；帧率为50 fps。

③站点1的1套快、慢天线(FA和SA)，时间常数分别为1 ms和6 s，采样率为10 MHz，记录时间长度为1 s。

此外，还采用了广东电网闪电定位系统(Guangdong Lightning Location System, GDLLS)获取的闪电定位资料，能提供闪电回击的时间、位置、极性和峰值电流等信息，Chen等[23]对GDLLS的探测性能进行了评估，结果表明：该系统闪电的探测效率为94%。回击的探测效率为60%，定位精度约710 m，回击电流峰值偏差16%。

本文正地闪触发两个并发上行闪电的个例发生于2017年6月16日11：13(世界时)。为便于分析，将正地闪回击开始时刻定义为零时刻。站点2的LCI-03获取图像的时间依据高速摄像图像的时间进行了校正。依据大气电学符号的规定，向下电场为正。正极性的电场变化对应正电荷向上传输，或者等效为负电荷向下传输。负地闪回击对应正极性的电场变化[24]。

2 结果分析

图1为站点1单反相机拍摄的图像，可以看到，1 s的曝光时间内出现3个发光通道。结合高速摄像和电场变化资料(本文后面将给出)可确定，3个闪电通道中，中间是一次下行正地闪，左右两个为两个上行闪电，分别发生在高530 m东塔上和高600 m 广州塔(附近区域最高的两个建筑物)。正地闪云外通道起始于O点附近，包含4个分叉(图中分叉1～4)。分叉1和分叉4向图像的左侧发展，分叉2向图像的右侧发展，分叉3先向上发展一段后转为向地面发展并最终接地产生回击。

图1 单反相机拍摄的闪电发光通道静止照片(曝光时间为1 s)Fig.1 The still image of lightning channel obtained using a digital SLR camera with an exposure time of 1 s

图2为两个站点、正地闪接地点和两个上行闪电起始点的相对位置。圆点为闪电定位数据给出的正地闪的接地点位置。由图2可知，广州塔、东塔和正地闪均位于站点1的东南方向。下行正地闪接地点位于两个上行闪电的东南方向，距离分别约为3.9 km 和4.1 km。

站点1的1000 fps高速摄像(HC-3)记录到正地闪和两个上行闪电的放电过程。图3为HC-3拍摄的4幅不连续图像，其时间为曝光结束时间。正地闪发光通道首次可见于回击前73 ms，之后通道出现5个分叉(图1和图3a，因分叉5持续时间较短图1中未捕获其通道)。分叉1向图像左侧伸展，横向发展时通道内有反冲先导发生。分叉2则向图像右侧发展，向前传输中通道内发生多次反冲先导。分叉3的传输方向由向上转为横向，之后逐渐发展为朝地面向下发展(图3b)，并最终接地引发回击(图3c)。分叉4和分叉5向前伸展一段距离后暗淡消失。分叉3最终伸展至地面并产生正回击，因此，在回击前分叉3的极性必为正。分叉1和分叉2近似水平向前伸展且在它们通道内发生多次反冲先导向分叉点回退现象，推测这两个分叉也为正极性[25-26]。

图2 站点1、站点2及上行闪电和正地闪接地点相对位置Fig.2 The position of Station-1,Station-2,the initial position of upward flashes and the ground termination point of positive cloud-to-ground flash

值得注意的是，在分叉3通道中发生了一次β2型先导事件[27]，先导从初始位置沿分叉3通道快速向下发展至原先导头部，使整个通道明显增亮，此后先导以比之前大得多的速率向地面传输并引发回击。正地闪回击后，两个上行闪电分别从广州塔和东塔上始发后向上传输(图3d)。

图4为50000 fps高速摄像(HC-2)拍摄的图像，其时间为曝光结束时间，时间分辨率为20 μs。由于正地闪回击时通道亮度过高，造成回击后的35帧图像过曝，约700 μs的时间内无法识别上行先导通道，因此，不能确定两个上行闪电的始发时间。最早能观测到东塔和广州塔上行正先导的时间分别为回击后720 μs和800 μs(图4c和4d)，此时两个通道已分别向上方伸展约45 m和155 m。因此，广州塔和东塔上行闪电始发于正地闪回击后约0.8 ms内。

图3 站点1的高速摄像(HC-3，1000 fps)拍摄的4幅不连续图像(图像进行了反相和对比度增强处理)(a)-44 ms，(b)-1 ms，(c)1 ms，(d)19 msFig.3 Four(not all consecutive) images obtained using the high-speed video camera(HC-3,1000 fps) installed at Station-1(images are inverted and contrast-enhanced)(a)-44 ms，(b)-1 ms，(c)1 ms，(d)19 ms

图5为图像亮度(图像上所有像素点灰度值总和)与快、慢电场变化同步波形。从慢电场变化波形(图5c)上看，正地闪云内过程起始于约-74 ms(如图5中竖线所示)，与HC-3连续帧图像上首个发光点出现的时间(-73 ms)仅相差约1 ms，表明图像上的首个发光点接近正地闪的始发位置。

综合光学和电场变化同步数据，正地闪触发上行闪电的过程可能如图6所示。正地闪始发后先导双向传输，正先导在云内负电荷区传输，负先导向塔高方向发展并中和正电荷(可能受云层遮挡光学系统未观测到负先导通道，图6中虚线所示)，减弱云内正电荷区对高塔顶部局部电场的作用。正先导出云后向地面伸展，而负先导继续向高塔方向靠近，塔顶局部区域的负电场得到加强。正先导接地引发回击，中和大量正电荷(如图6中①)，大大减弱正电荷区对塔顶附近环境电场的影响，使云内负电荷区对塔顶局部区域的电场的作用进一步凸显，同时云内负先导可能进一步向高塔方向靠近(如图6中②)，造成塔顶附近的电场快速负向变化，积累到足够多的正电荷后塔尖端发生空气击穿后上行闪电始发(如图6中③)。正地闪回击通道逐渐冷却，当上行闪电的正先导向上传输至云内负电荷区后，负电荷沿原正先导回退至塔顶并引发回击。

图4 站点1高速摄像(HC-2，50000 fps)拍摄的4幅不连续图像(图4a进行反相处理，图4c和图4d进行对比度增强处理)(a)0 μs，(b)20 μs，(c)720 μs，(d) 800 μsFig.4 Four(not all consecutive) images obtained using the high-speed camera 2(HC-2, 50000 fps) installed at Station-1(Fig.4a is inverted，Fig.4c andFig.4d are contrast-enhanced) (a)0 μs，(b)20 μs，(c)720 μs，(d) 800 μs

图5 图像亮度(a)、快电场(FA)(b)和慢电场(SA)(c)同步变化波形(竖线表示正地闪始发时间(约-74 ms)，R+CG为正地闪回击，RET表示东塔上行闪电的回击过程， R1～R6为广州塔上行闪电6次回击过程，LET和LCT分别为东塔和广州塔上行闪电中的企图先导)Fig.5 Waveforms of changes in channel brightness(a),fast electric field(FA)(b) and slow electric field(SA)(c)(the vertical line denotes the initial time of the positive cloud-to-ground(CG) flash(approximately -74 ms)，R+CG denotes the return stroke of positive cloud-to-ground flash，RET denotes the upward flash of the East Tower，R1-R6 denote six strokes on the Canton Tower,LET and LCT are attempted leaders of upward flashes on the East Tower and the Canton Tower)

图6 正地闪和上行闪电放电过程示意图(“+”代表正电荷，“-”代表负电荷;箭头表示通道的传输方向;▲为由闪电定位系统获取的正地闪接地点位置;带圈数字代表不同放电过程的先后顺序)Fig.6 Possible scenario of the initiation of two upward flashes(“+” denotes positive charge, and “-” denotes negative charge;arrows denote directions of channels extension,▲ denotes ground termination point of positive cloud-to-ground flash A reported by the GDLLS;circled numbers denote the sequence of different discharge processes)

塔顶附近区域的环境电场发生突变是上行闪电始发的机制。Schumann等[28]通过分析上行闪电的闪电成像陈列(lightning mapping array，LMA)和光学观测数据后认为，回击、连续电流中先导和回击前云内先导都能触发上行闪电。本例中正地闪回击前没有上行闪电从高建筑物上始发，表明回击前的云内放电过程引起的电场变化不足以在广州塔和东塔上激发上行闪电。两个上行闪电均在回击后很短时间内(不超过800 μs)始发，证实了正地闪回击对上行闪电的激发作用。同时，在回击后可能有云内负先导向高塔方向进一步快速伸展，这对塔顶局部区域的电场发生突变可能也具有重要的作用。

结合站点1的HC-3图像、站点2的LCI-03图像和同步电场变化波形，发现东塔上行闪电在正地闪回击后91 ms，发生了1次回击，之后在直窜先导/继后回击通道内又发生4次企图先导(图5中LET)。广州塔上行闪电包含6次直窜先导/继后回击序列，仅有的1次企图先导过程(图5中LCT)发生在第4次和第5次直窜先导/继后回击间。表1为两个上行闪电回击特征参数。由表1可知，东塔上行闪电单回击的峰值电流约为-7.3 kA。广州塔上行闪电6次回击峰值电流的平均值约为-21.4 kA，回击间时间间隔的平均值为46.3 ms。广州塔上行闪电的回击次数远大于东塔，且回击峰值电流平均值近乎东塔回击峰值电流的3倍。

Williams等[29]认为小单体中闪电单回击特征往往对应云内有限负电荷区。因此，推测广州塔上行闪电通道可能比东塔上行闪电通道伸展至分布范围更广、电荷量(或电荷密度)更大的负电荷区。值得注意的是，东塔上行闪电的1次回击和全部4次企图先导发生后(图5中RET和LET)，广州塔上行闪电的首次回击才发生，这可能与两塔上部的云内电荷结构有关。

表1 上行负闪回击特征参数Table 1 Parameters of two negative upward flashes

基于HC-1拍摄的连续图像可分别获得69和67个东塔和广州塔上行先导二维局部速度计算样本。图7是两个上行先导的二维速率随高度变化。由图7可见，东塔上行先导二维速率变化范围约为1.1×105～1.5×106m·s-1，平均值约为7.1×105m·s-1。广州塔上行先导二维速率变化范围约为9.4×104～1.8×106m·s-1，平均值约为6.6×105m·s-1。两个上行先导速率均随着上升高度先增大后减小。两个上行先导速率的变化范围和趋势相差不多。值得注意的是，同样高度下，两个先导的速率也较为接近，且速率的最大值均出现在1.6 km的高度上。由光学图像(图1和图3)可见，两个上行闪电的通道形态在相近高度上也比较相似。这可能是两个上行闪电始发建筑物高度相差不多，且二者分别距正地闪的距离也相近，在相同高度上的电场环境比较相似的原因。

图7 两个上行闪电正先导二维速率随高度变化Fig.7 Changes of 2D speed with height of positive leaders of two upward flashes

3 结论与讨论

本文利用高速摄像、普通摄像和电场变化同步数据，配合闪电定位数据，分析了一次单回击正地闪触发两个超500 m高建筑物上行闪电过程的光电特征，讨论了正地闪触发上行闪电的物理机制。结论如下：

1) 1次峰值电流达+141 kA的下行正地闪回击触发了广州塔(高600 m)和东塔(高530 m)上两次并发上行闪电。两次上行闪电在回击后约0.8 ms 内始发，分别距正地闪接地点约3.9和4.1 km。正地闪回击中和大量正电荷、可能有云内负先导向高塔方向伸展引发塔顶局部区域的电场发生突变是两次上行闪电的触发机制。

2) 两次上行闪电中正先导二维速率均先增大后减小。东塔上行闪电正先导速率变化范围为1.1×105～1.5×106m·s-1，平均值为7.1×105m·s-1。广州塔上行闪电正先导速率变化范围9.4×104～1.8×106m·s-1，平均值为6.6×105m·s-1。两个先导在相同高度上的速率接近，速率最大值均出现在1.6 km的高度。

3) 两次上行闪电在353 ms内发生了7次回击。其中，6次发生在广州塔上，仅1次发生在东塔上，且广州塔上行闪电的回击峰值电流平均值(-21.4 kA)约为东塔上行闪电回击峰值电流(-7.3 kA)的3倍，表明广州塔上行闪电通道可能比东塔上行闪电通道伸展至分布范围更广、电荷量(或电荷密度)更大的负电荷区。

由于回击时图像严重过曝，无法辨别两次上行闪电是否在同一时刻始发，但它们始发时间的间隔较短(不超过1 ms)。一般地，触发型上行闪电的始发特征与建筑物高度、距正地闪的距离和建筑物上方云内电荷结构相关。广州塔和东塔的建筑高度和它们距正地闪接地点的距离均比较接近，同时两个高建筑物仅相距约1.3 km，可认为它们上方的云内电荷结构相似，这可能是两个上行闪电的始发时间间隔较短的原因。

当上行正先导进入云内负电荷区后，负电荷可能会沿先导通道从云内被输送至高建筑物顶引发回击过程，被称为直窜先导/继后回击过程。闪电多回击特征通常与高建筑物上部的云内电荷结构相关[30-33]。本例中仅353 ms内两个上行闪电就发生7次回击，可能是高建筑物上部云内负电荷区的水平分布范围广的原因。两个上行闪电的直窜先导/继后回击序列先后顺序出现不交替发生的原因目前还不清楚，值得进一步分析高塔上方的云内电荷结构特征。利用闪电多站辐射源定位系统获取上行闪电云内、外放电通道三维时空传输特征和云内电荷结构信息，深入探讨上行闪电回击的机理，是今后工作的重点。