广州高建筑物雷电观测与研究10年进展

吕伟涛 陈绿文 马 颖 齐 奇 武 斌 姜睿娇

1)(中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室/雷电物理和防护工程实验室， 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

当雷暴天气发生时，相对于地面或低矮物体，高耸物体(自然或人造的，如高大树木、高压线塔、通信基站、高楼大厦等)顶部因电场畸变增强的作用而更容易达到先导始发的阈值[1-2]，导致其不仅易被下行闪电击中，还可能激发上行闪电。随着社会经济的发展，人类活动对建筑物的数量和高度的需求越来越大。现代化城市中高建筑物越来越多，高度也越来越高，甚至形成了密集的高建筑物群，使得高建筑物上的雷电(以下简称高建筑物雷电)现象越来越频繁地进入大众视野。同时，高建筑物上相对较高的雷电发生概率使其成为开展雷电观测和研究的一个重要平台。

20世纪30年代以来，世界上许多国家都针对高建筑物雷电开展了观测和研究[2-4]，曾被用于雷电观测的高建筑物包括美国帝国大厦、加拿大国家电视塔(CN塔)、俄罗斯莫斯科电视塔、德国Peissenberg塔、奥地利Gaisberg塔、瑞士San Salvatore山上的试验塔和南非的CSIR Research Mast等等，高度从40 m到553 m不等。观测和统计分析结果表明[2-3]：对于100～500 m的高度范围，建筑物越高，其上发生的雷电中上行闪电所占比例越高;高度低于100 m的建筑物上很少发生上行闪电;而高度超过500 m建筑物上发生的雷电绝大多数为上行闪电。

近些年国内学者也针对高建筑物雷电开展了观测和研究，如中国气象科学研究院和中国气象局广州热带海洋气象研究所的雷电科研团队联合共建了中国气象局雷电野外科学试验基地(Field Experiment Base on Lightning Sciences,China Meteorological Administration，CMA_FEBLS)，自2006年起持续开展广东野外雷电综合观测试验[5]，并于2009年建立了广州高建筑物雷电观测站(Tall-Object Lightning Observatory in Guangzhou，TOLOG)，利用多种先进的雷电探测设备对发生在广州珠江新城区域的高建筑物雷电开展了综合观测，获取了丰富的观测资料，发表了一系列成果[6-36]；中国科学院大气物理研究所从2012年开始，以325 m高的气象铁塔为平台，在北京开展了高塔闪电综合观测试验[37-42]；广东省深圳市气象局和香港理工大学从2016年开始，对击中356 m高的深圳气象梯度塔的雷电开展了观测与研究[43-45]。

本文将系统介绍TOLOG的观测站点、设备和资料情况，综述TOLOG建站10年(2009—2018年)的主要研究进展。

1 TOLOG观测点和设备情况

广州珠江新城区域发展非常迅速，高度超过300 m的建筑物在2009年只有广州塔(610 m高，2009年以后降为600 m)和广州国际金融中心(也称广州西塔，本文简称西塔，440 m高)，到2014年已增加至8个，高度在100 m以及200 m以上的建筑物更是难以细数。众多的高建筑物为雷电的观测和研究提供了非常好的条件。TOLOG始建于2009年，从最初的1个观测点逐步扩展到目前的6个观测点。TOLOG主观测点(观测点1)位于广东省气象局一栋高约100 m的建筑物的顶部(图1)，其东南方向视野范围内有8座高度超过300 m的建筑物，本文按照从高到低将它们依次编号为A～H(高度相同时按建成时间先后编号)，具体信息见表1。

TOLOG主观测点架设了包括高速摄像机、闪电连接过程观测系统(Lightning Attachment Process Observation System，LAPOS)[46]、闪电通道成像仪(Lightning Channel Imager，LCI，http:∥www.lcimager.com/lci_hs.htm)[47]、全视野闪电通道成像仪(Total-sky Lightning Channel Imager，TLCI，http:∥www.lcimager.com/tlci.htm)[48-49]和高分辨率单反相机等多种光学观测设备，还架设了雷声探测麦克风阵列[11,50]、大气平均电场仪、快慢天线电场变化仪、闪电低频电场变化探测阵列子站[51]、闪电磁场变化测量仪、先导电流测量仪等多套设备。其中，除了部分连续记录设备(如大气平均电场仪)或自触发记录设备(如LCI，TLCI和闪电低频电场变化阵列子站)以外，其他设备构成了雷电声、光、电、磁多参量同步自动观测系统。研究组通过长期的野外观测经验积累，结合对各种设备性能的深入了解，设计出了合理有效的闪电触发方案，实现了这些设备的同步触发和无人值守式的全自动观测。LCI和TLCI均基于数字成像技术，结合闪电通道检测算法，自动拍摄、处理、提取并存储闪电发生前后预设时段内的图像，同时记录闪电发生时间。闪电低频电场变化阵列子站除了自行触发记录外，其传感器信号同时输出到多参量同步自动观测系统进行记录。

表1 TOLOG主观测点东南方向视野范围内高度超过300 m的8个高建筑物

注：*广州塔高度2009年为610 m，2009年以后降为600 m。

由于高速摄像机的帧率设置越高，可用的像素数量越少，对应的视野范围也越小。为了兼顾观测视野和时空分辨率的需求，在TOLOG主观测点架设了多套高速摄像机(最多时为5套)。帧率相对较低的高速摄像机采用大视野的配置，用于捕捉大视野范围内发生的所有闪电过程，并采用尽量长的记录时长以完整记录闪电放电的总体过程。高帧率的高速摄像机采用小视野的配置，主要针对放电物理过程(如雷电连接过程、先导发展过程等)精细化观测的需求，以捕捉雷电放电高时空分辨率精细化光学图像。

TOLOG现有的6个观测点的分布情况见图2，各观测点架设的设备信息见表2。除了主观测点，其他观测点目前均只架设了LCI和(或)TLCI，目的包括：①一定程度上降低对架设环境、设备维护和经费投入等的要求；②实现对所关注区域内闪电事件的无遗漏光学观测;③获取高建筑物雷电的多站闪电通道图像，与主观测点的高速摄像资料配合重建闪电三维光学通道，并分析通道的三维发展特征。

图2 TOLOG的6个观测点与表1中所列高建筑物的位置分布

另外，目前共有4套业务闪电定位系统覆盖了广州地区，包括气象部门建设的粤港澳闪电定位系统(始建于2005年，由广东省及港、澳三地气象部门联合共建，可探测地闪和部分云闪)、ADTD地闪定位系统(始建于2010年)和Earth Networks(EN)全闪定位系统(始建于2013年)以及电力部门建设的广东电网地闪定位系统(始建于1997年)。中国气象科学研究院从2014年开始，在广州地区建设了由多个快电场变化测量仪构成的闪电低频电场变化探测阵列(其中1个架设于TOLOG主观测点)，具备全闪电三维定位能力。这些定位系统能够为高建筑物雷电研究提供地闪或总闪活动的位置及强度信息。

表2 TOLOG各观测点架设的设备信息

2 2009—2018年TOLOG观测资料整体情况

表3是2009—2018年TOLOG观测到的8个高建筑物(表1)上的雷电数量。10年中，TOLOG的设备和观测方案经过了2012年初和2015年下半年两次重要升级，2015年因主观测点观测室扩建导致观测期不完整。

由表3可以看到，总体上TOLOG两次重要升级均显著提升了资料获取效率，特别是2015年经观测室扩建、设备升级和观测方案改进后，TOLOG在这8个高建筑物上平均每年可观测到近70例闪电，其中在最高的广州塔上每年可观测到近50例。如果再加上观测到的击中其他高建筑物的雷电个例，每年TOLOG获取的高建筑物雷电数量不低于100例。多个观测点多套观测设备的相互对比检验表明，目前TOLOG的观测方案和设备基本实现了对视野范围内高建筑物雷电的无遗漏观测。这些丰富的高建筑物雷电观测资料为开展相关研究奠定了良好的基础。

表3 2009—2018年TOLOG观测到的高度超过300 m的建筑物上的雷电数量

3 基于TOLOG观测资料取得的主要成果

雷电连接过程决定了雷电接地点的位置(雷击位置)和可能导致灾害的区域，一直是雷电物理和防护研究中重点关注的对象。地面或低矮建筑物被雷击的概率很低，雷击过程中的上行连接先导的长度也很短，很难获取到雷电连接过程的高时空分辨率光学观测资料。而在高建筑物顶部容易激发上行先导，先导的持续时间和发展长度均较长，因此，对于雷电连接过程来说，高建筑物起到了很好的“放大镜”的作用。对于雷电电磁场，高建筑物具有“放大器”(增强)的作用，且建筑物越高，增强作用越显著。对于附近的下行闪电，高建筑物具有吸引作用，同时高建筑物上还易形成上行闪电，因此，高建筑物一定程度上起到了闪电“汇集点”的作用，为观测和研究雷电物理过程提供了更多的机会。也正因为高建筑物的闪电“汇集点”的特点，加上TOLOG先进的观测设备和成熟的观测方案，丰富、直观的观测资料使TOLOG观测区可以作为其他地基、天基闪电监测系统的“标校场”。本章将按照高建筑物上述几方面的作用来总结TOLOG取得的主要科研成果。

3.1 雷电连接过程的“放大镜”

3.1.1 连接过程中先导之间的连接形态

以往通常认为先导最后的连接发生在下行先导头部与上行先导头部之间(简称“头部-头部”连接)，在所有雷击模式中均采用这样的连接方案[52-56]。但采用帧率达104帧/s量级的高速摄像机，在一次击中西塔的下行负地闪过程中观测到雷电连接过程中下行负先导头部击中上行正先导侧面(简称“头部-侧面”连接或侧击)的现象(图3)[8]，在国际上首次给出连接过程中先导之间非“头部-头部”连接的观测事实。帧率较低的高速摄像或者静态图片资料难以捕捉到此类侧击现象，如在图3的个例中，5×104帧/s 的高速摄像记录清晰地呈现了侧击过程，而1×104帧/s的记录无法体现出侧击过程(见文献[8]的图1)。

基于广州数个高度超过300 m的建筑物上24次下行负地闪的高速摄像光学资料，统计发现下行负先导与上行正先导之间的连接行为可分为3类[21]：“头部-头部”连接，占42%(10/24)；“头部-侧面”连接，占50%(12/24)；有2次闪电的首次回击过程分别包含了2个连接过程，且均是1个“头部-头部”和1个“头部-侧面”的混合，占8%(2/24)；未观测到负-正先导之间“侧面-头部”连接的现象。因此，负-正先导之间的连接行为具有“头部-头部”和“头部-侧面”两种基本的形态。如果按照26个连接过程统计，“头部-侧面”连接占14/26(54%)，即至少对于TOLOG视野内高度超过300 m的建筑物上的负极性地闪而言，下行负先导与上行正先导之间的侧击现象更为普遍。Kostinskiy等[57]在带负电荷的云的米量级尺度放电试验中，也观测到负-正先导之间“头部-侧面”的连接形态，同样未观测到负-正先导之间“侧面-头部”的连接形态。下行负先导的多分叉特征和多个上行正先导的存在，可能是先导之间连接行为呈现多样性的主要原因。另外，迄今还未观测到负先导侧面和正先导头部连接的现象，产生这种差异的原因估计与正、负极性先导的发展机制有关。

在上述14个呈现负-正先导“头部-侧面”连接形态的连接过程中，有13个过程(93%)的闪电通道在连接点附近呈现出接近90°的快速转折现象(如图4所示)，仅1次过程未呈现该现象，可能是摄像视角所导致。基于这些光学观测资料，提出了从闪电图像上识别先导之间侧击现象的判据——“在连接点附近闪电通道是否存在快速转折”，该判据对于帧率较低的摄像资料、甚至是闪电静态图像也是有效的。

考虑到下行负极性地闪过程中上行正先导发展时大多不分叉的观测事实，基于已有的闪电先导二维随机模式，廖义慧等[19]修改了上行正先导的模拟方案，使其发展时不产生分叉，实现了对雷击高建筑物过程中下行负先导与上行正先导之间“头部-头部”连接和“头部-侧面”连接两种形态的模拟，并模拟分析了下行先导起始位置不同时接地点落在高建筑物顶面、侧面以及地面的概率。

图3 雷电连接过程中先导之间侧击形态的高速摄像记录示例(文献[8]，为提升可视效果所有图像经过了反相处理)

需要强调的是，连接过程中先导之间的侧击现象与雷电侧击高建筑物[58]不同，高建筑物自身静止不动，而连接过程中不同先导一直在持续发展。另外，不管雷电是击中了高建筑物顶部还是侧击高建筑物，其物理过程中均包含不同先导之间的连接过程。因雷电侧击建筑物的现象相对较少，且出现这种情况时连接先导长度较短[35]，迄今还没有关于雷电侧击高建筑物过程中先导连接形态观测结果的报道。

图4 先导之间侧击连接现象的图像示例(图中箭头指示连接点位置，图4a～图4e经反相处理以提升可视效果)

3.1.2 连接过程中不同先导的发展特征

3.1.2.1 下行先导

虽然下行梯级负先导光脉冲波形上升时间大都小于1 μs[59]，目前较多使用帧率为104或105帧/s量级(每帧图像的曝光时间为10 μs或100μs量级)的高速摄像机无法解析每一个梯级的精细发展过程，但利用这些高速摄像机捕捉梯级过程的不同发展阶段是可能的。这是因为负先导的梯级发展包括了多个子过程，在高速摄像机视野内可能会有多个梯级同时发展，在每帧图像曝光结束的时刻不同梯级所处的阶段也可能不一样，所以即使图像曝光时间大于1 μs，仍可能拍摄到处于不同阶段的梯级发展过程[20,33,60-63]。

Qi等[20]对一次距离TOLOG约350 m的下行负地闪进行了分析，得到下行梯级先导发展的精细化特征：在先导阶段的电磁场波形上记录到一些可能由梯级过程导致的波形变化，波峰之间的时间间隔为13.9～23.9 μs(平均值为17.4 μs，本文未特别说明的平均值均为算术平均值)；在高速摄像资料中观测到一些明亮的发光段(空间茎/空间先导)，二维长度为1～13 m(平均值为5 m)，距离先导头部1～8 m(平均值为4 m)。根据这次近距离闪电的光学观测和分析，结合Hill等[61]的研究成果，推测了负极性先导梯级的形成过程以及空间茎/空间先导3种可能的发展情形：没有与已存在先导通道连接；与已存在先导通道连接，但随后消失或间歇性(间隔几十微秒)微弱发光后消失；与已存在先导通道连接并形成了后续发展的分叉，有明亮的光波沿通道向上传播。

使用2×104帧/s和52.5×104帧/s的高速摄像资料，Qi等[33]分析了距离TOLOG主观测点约490 m的一次地闪连接过程。在所观测到的47个下行先导的梯级过程中，共捕获了12个空间茎/空间先导，它们的长度范围为2～5.9 m，平均值为3 m。下行梯级先导的平均梯级间隔为15 μs，平均梯级长度为5.6 m，二维平均速率为5.5×105m/s。

此外，TOLOG还观测到1次包含正极性首次回击和5次负极性继后回击(通道与首次回击通道一致)的双极性闪电，Chen等[13]分析发现：首次回击之前的下行正先导在高速摄像机视野范围内通道光滑、没有分叉，平均二维发展速率为2.5×106m/s，在发展过程中正先导的光强呈现出明显的脉冲变化特征；继后回击前负极性下行直窜先导的平均二维发展速率最小约为4.0×106m/s，最大可超过1.24×107m/s。

3.1.2.2 上行先导

对TOLOG捕捉到的19次下行负地闪过程中45个上行未连接先导(unconnected upward leader，UUL)的分析表明[6]：起始时间提前回击0.5 ms以上的UUL的起始高度均高于300 m；起始高度在300 m以下的UUL的长度很少超过50 m；超过80%的UUL的发展速率低于1.7×105m/s；起始高度低于300 m的UUL均被发生在大约600 m以内的下行闪电所激发，而起始高度超过400 m的UUL甚至可以被1 km以外的闪电所激发；对于起始高度分别为100～200 m，200～300 m和超过400 m 的UUL，UUL被激发时下行先导的头部需要发展到距离UUL起始位置的350 m，450 m和600 m范围内。

基于TOLOG观测点1和2(图2)的双站闪电光学资料，还针对先导通道的三维发展特征进行分析。高彦等[7]建立了一种利用双站摄像资料重建闪电三维通道的方法，采用该方法重建了6次下行负地闪的三维通道，统计分析了下行负地闪过程中上行连接先导通道的三维特征，结果表明[10]：6次负地闪上行连接先导的三维长度范围为180～818 m，三维速率范围为8×104～1.43×106m/s，是二维速率的1.1～1.8倍。

3.1.2.3 不同先导发展特征的对比

图3中的闪电个例的高速摄像资料分析结果表明[8]：上行连接先导的发展受下行先导的影响(所有分支的综合影响)明显，随着下行先导的逐渐接近，上行连接先导的速率和亮度都呈现逐渐增加的趋势，特别是在回击前0.3 ms内，增加显著；除了在回击前约80 μs内，下行先导的发展特征几乎没有明显变化；当下行先导与上行先导头部二维距离小于60 m后，其发展方向才明显朝向上行先导弯曲；下行与上行先导二维发展速率的比值随时间由1.8逐渐降低至0.12。

对另一次击中西塔的下行地闪连接过程中先导的三维发展特征分析[18]表明：在首次回击前2 ms 内，下行先导的三维发展速率变化范围为1.3×105～6.8×105m/s(平均值为2.7×105m/s)，对应的二维速率的变化范围为1.1×105～4.9×105m/s(平均值为2.1×105m/s)；除了回击前的0.2 ms内，下行先导发展速率无明显的变化趋势；上行连接先导三维发展速率的变化范围为8×104～1.37×106m/s(平均值为4.5×105m/s)；上行先导从高建筑物顶部起始后，其发展速率随时间增加明显，特别是回击前的1 ms内；下行与上行先导三维发展速率的比值随时间从2.2逐渐减小到0.2。

在国际上现有的先导发展模式中，对下行与上行先导发展速率比值的假设有两种：恒定值(如1，2，4等)[52-54]或线性递减(如从4到1[53]、从4到0.5[56]等)，大多假设的速率比的最小值均不小于1，即认为下行先导的速率一直是不低于上行先导的，而TOLOG的观测结果表明[8,18,35]：下行与上行先导发展速率的比值会明显小于1，即上行先导的发展速率可能会明显高于下行先导。

在163 m高的铁塔上，Warner[64]观测到两次连接过程，上行连接先导长度均超过200 m，发展速率同样呈现出随时间逐渐增加趋势(从104m/s量级增加到105m/s量级)，而下行先导的速率没有明显的变化趋势，一直为105m/s量级。Saba等[65]观测分析了两个60 m高的建筑物上的3次雷击过程，发现在连接过程中不管是下行先导还是上行连接先导，发展速率均几乎为常数，下行与上行先导发展速率的比值为2.3～4.8，即上行先导发展速率一直比下行先导慢。总体而言，对不同高度建筑物上雷电连接过程的观测和分析还相对较少，需积累更多观测资料进行更为深入的对比分析。

3.1.3 雷电闪击距离的特征

虽然通过大量的光学观测对连接过程中先导发展的特征有了一定认识，但针对闪击距离这一雷电防护中重点关注的关键参量的观测和分析还比较少。利用高速摄像资料，Qi等[33]对发生在距TOL- OG主观测点约490 m的一座高约100 m的建筑物上的4次雷击连接过程进行分析，得到的闪击距离分别为55 m，183 m，183 m和85 m，并在其中一次闪电过程中利用了5.25×105帧/s的高速摄像资料(迄今为止自然闪电连接过程最高帧率的高速摄像资料)，估算出下行先导最后一跳的二维长度约为13 m。

另外，齐奇等[35]还统计分析了广州塔和广晟国际大厦两座尖顶高建筑物上21次下行地闪的闪击距离特征，结果表明：12次广州塔雷击的闪击距离的中值为981 m；9次广晟国际大厦雷击的闪击距离的中值为508 m；结合广东电网闪电定位系统提供的回击峰值电流资料，分析发现对于确定高度的建筑物，回击峰值电流越强，对应的闪击距离也越大。

3.2 雷电电磁场的“放大器”

3.2.1 高建筑物雷电电磁场的观测资料分析

Lafkovici等[66]和Kazazi等[67]分析发现闪电定位系统对CN塔闪电回击电流幅值的反演结果(为了与电流直接测量结果相区分，本文采用LLS-回击电流幅值表示闪电定位系统通过电磁场遥测反演得到的回击电流幅值)达到了塔顶雷电流直接测量结果的3倍左右。Baba等[68]通过数值模拟分析指出，高建筑物对闪电回击电磁场的增强效应与建筑物高度、建筑物自身及其接地系统的特征阻抗等因素有关。

为研究广州不同高度建筑物对雷电磁场的影响，王智敏等[14]对TOLOG获取的击中14个高建筑物的40次雷电(均为负极性)的磁场资料进行统计，结果表明：高建筑物对回击的磁场峰值有增强作用，且建筑物越高增强作用越大，高度在200 m 以上的建筑物上雷电首次回击磁场峰值的几何平均值是高度在200 m以下的建筑物上的2.4倍。

陈绿文等[15]将2009—2012年获取的58次下行负极性地闪个例按照接地点高度分为两组，对比分析了不同高度建筑物上发生的下行地闪回击特征的差异。结果表明：接地点高度大于200 m的地闪的首次(继后)回击的LLS-回击电流幅值和光强脉冲的10%～90%波前时间以及10%波前～50%波后半宽时间的平均值分别为接地点高度不大于200 m 地闪的1.8(1.5)，7.4(3.1)和4.6(2.4)倍。

张长秀等[23,69]对广东电网闪电定位资料的分析也表明:建筑物越高对LLS-回击电流幅值的增强作用越明显，广州塔(600 m)、西塔(440 m)和广晟国际大厦(360 m)各自250 m范围内的LLS-回击电流幅值的平均值分别为65 kA，48 kA和34 kA。

3.2.2 高建筑物雷电电磁场的数值模拟分析

基于三维时域有限差分电磁场数值算法，宿志国等[24,26]建立了高建筑物雷电电磁场模拟程序，通过调整高建筑物顶部和底部的电流反射系数以及建筑物高度等参数，深入研究了上述参数对雷电垂直电场、水平电场以及角向磁场波形特征和峰值影响。模拟结果表明：建筑物高度对雷电电场峰值有显著影响；电流反射系数的变化对雷电电磁场波形的多峰特征以及各个分量峰值的影响明显。

为探讨城市区域多个建筑物存在时(如TOLOG的观测区域的情况)对雷电电磁场传播过程的影响，Su等[30]通过在模拟程序中加入多个建筑物，分析非孤立建筑物存在时附近雷电电磁场的分布特征。结果表明：当观测点位于建筑物顶部时，观测点所在建筑物的高度对垂直电场的影响明显，附近其他建筑物(屏蔽体)会对垂直电场的测量产生一定屏蔽作用；屏蔽体的屏蔽作用受其高度影响最大，观测距离、建筑物之间的相对距离以及截面长度的影响次之，土壤电导率的影响最弱。

3.3 下行和上行闪电的“汇集点”

3.3.1 高建筑物对附近区域雷电活动的影响

Hussein等[70]利用2005年8月19日地闪定位资料和CN塔上雷电电流测量资料，分析了CN塔对其周围闪电活动特征的影响，结果表明：扣除直接击中CN塔的回击后，定位位置在CN塔附近数千米范围内的回击密度低于较远区域。Hussein等[70]认为CN塔会吸引附近的地闪击中塔身，导致附近区域地闪密度降低，但他们也指出因分析资料较少，还需要更多的观测和分析进一步验证。Diendorfer等[71]对比了2000—2007年击中奥地利Gaisberg塔的闪电(有雷电电流记录)和闪电定位系统观测到的塔附近10 km范围内的闪电，发现塔上记录有雷击的日期中有84%周围没有明显的雷暴活动，而周围有雷暴活动的日期中有77%在塔上没有雷击的记录，他们认为Gaisberg塔虽然会导致大量上行闪电发生，但这些上行闪电一定程度上与周围的地闪活动关系不大，因此，他们推测高建筑物不会显著增加或减少其附近雷击次数。

张长秀等[23,69]基于1999—2015年的广东电网地闪定位资料，选取广州塔、西塔和广晟国际大厦作为研究对象，对高建筑物建成前后其附近区域地闪活动的分布特性及不同高度建筑周围地闪活动分布特征差异进行详细分析。结果表明:广州塔建成后，与其周围10 km范围内回击密度和闪电密度的平均值(40.2 km-2·a-1和20.0 km-2·a-1)相比，广州塔周围1 km范围内的回击密度和闪电密度(51.4 km-2·a-1和29.1 km-2·a-1)明显偏大，而广州塔周围1～4 km范围内的回击密度和闪电密度(分别为34.4～37.2 km-2·a-1和18.2～19.5 km-2·a-1)均比周围10 km范围的平均值要低。图5是以广州塔为中心不同半径的圆环区域内回击密度和闪电密度在广州塔建成后相对建成前的变化率(已消除定位系统升级的影响)，可以看到广州塔建成后，其周围1 km范围内回击和闪电密度显著增加，而1～4 km范围内的数值明显减小。因此，可以推测600 m高的广州塔可触发很多上行闪电，且能够将周围一定范围内的下行闪电吸引至其自身。另外，还发现广州塔周围1 km范围内的LLS-回击电流幅值的平均值(47 kA)也明显高于10 km 范围的平均值(29 kA)，而1 km以外区域的值与大范围的平均值相比没有明显差异。

经过对广东电网地闪定位资料在TOLOG观测区域的系统偏差订正，张长秀[69]更细致地分析了3栋建筑物周围的地闪活动特征，结果表明：广州塔附近高回击密度值的范围在500 m范围内，西塔和广晟国际大厦附近高回击密度值的范围集中在250 m 范围内，3栋建筑物各自250 m范围内的回击密度分别为140，54，55 km-2·a-1。

图5 广州塔建成前后其周围不同距离范围内回击密度(a)和闪电密度(b)算术平均值的相对变化率[23]

吴姗姗等[28]利用2009—2014年TOLOG的观测资料，对广州塔西北部119次下行地闪击中的高建筑物的分布特征进行了统计分析，结果表明：44%(52/119)的地闪击中了区域内最高的4个建筑物；击中广州塔的有20次(17%)，除此之外，广州塔附近0～1 km的区域未观测到其他地闪；在距广州塔1～2 km的区域内共观测到35次地闪(29%)，每个高度低于300 m的建筑被击中的次数不超过1次，其中距广州塔最近的闪电离广州塔约1.2 km；在距广州塔2～3 km的区域内共观测到64次地闪(54%)，有些高度低于300 m的建筑物被击中1次以上(最多达5次)。因此，广州塔对下行地闪的吸引作用使得其附近1 km左右的范围内未观测到其他地闪，且1～3 km范围内随着距离的增加下行地闪的密度有逐渐增加的趋势。

图6是2015—2017年TOLOG观测到的高建筑物雷电接地点的频次分布。结合图2、图6和表2可以看到，虽然有8个建筑物的高度均超过300 m，但每个建筑物上雷电的发生频次差异明显：高度最高、顶部是尖顶且相对孤立的广州塔A上雷电的频次最高；广州东塔B(530 m高，平顶，简称东塔)建成之前，西塔C(440 m高，平顶)和广晟国际大厦D(360 m高，尖顶)上雷电频次相当，但东塔B建成之后，距离其较近(约270 m)的西塔C上的雷电频次显著减少；环球都会广场E虽然高达318 m，但建成后只观测到1次雷击，且是1次正极性地闪，这主要因为其距离东塔B仅150 m；珠江城大厦F(310 m高，弧形顶)也因距离广晟国际大厦D仅约110 m 且顶部非尖顶而很少遭到雷击。

图6 2015—2017年TOLOG观测到的高建筑物雷电频次位置分布(未标数字的点均代表1次雷电)

3.3.2 上行闪电特征

TOLOG视野内众多的高建筑物为观测上行闪电提供了很好的条件，虽然2015年前受捕获效率的限制很少观测到上行闪电，但通过升级和完善，2016年后已捕捉到上百例上行闪电，其中还包括多例并发上行闪电，为研究上行闪电特征积累了丰富资料，细致深入的分析工作仍然在进行中。初步分析表明：在TOLOG观测到的上行闪电中目前能够确认类型的均为触发型上行闪电，即均被附近其他放电过程所触发。

Wang等[72]对日本冬季雷暴中一个风力发电机(100 m高)及其雷电防护塔(105 m高)上起始的53个上行闪电的观测发现：53%(28/53)为触发型上行闪电，47%(25/53)为自发型上行闪电(即上行闪电自行始发，始发前附近无其他放电过程发生)。Zhou等[73]分析了2005—2009年在奥地利Gaisberg塔(100 m高，坐落在800 m高的山顶上)上记录到的205次上行闪电，结果表明：87%(179/205)为触发型上行闪电，只有13%(26/205)为自发型上行闪电。利用美国闪电定位系统资料和2004—2010年South Dakota州Rapid City的10个铁塔(高度范围为91～191 m)上81次上行闪电的光学观测资料，Warner等[74]确定几乎所有的上行闪电均为触发型上行闪电。2012—2016年中国科学院大气物理研究所在北京325 m高的气象铁塔上共观测到19次上行闪电[41]，其中84%(16/19)为触发型上行闪电，16%(3/19)为自发型上行闪电。因此，不同高度的建筑物、不同的地区、不同的雷暴类型、雷暴的不同阶段、不同的环境参数等因素都可能影响高建筑物上行闪电的比例。

3.3.2.1 TOLOG观测到的触发型上行闪电

Wu等[27]详细分析了一次单回击峰值电流高达+310 kA的正地闪在多个高建筑物上触发上行闪电的过程，探讨了上行闪电的始发机制。观测发现高速摄像视野内的3个上行闪电从不同高建筑物上先后始发(图7)，且后始发的上行闪电的首个先导/回击序列仅在前一个上行闪电的最后一个先导/回击序列结束后发生。雷达回波强度资料显示3个上行闪电发生在一次飑线过程的云砧区。正地闪回击使大量正电荷被中和或带负电荷的云内通道朝高建筑物方向伸展的作用在600 m高的广州塔上触发了上行闪电，该过程同样会使高度更低(308 m 和311 m)和距离更远(14 km 和18 km)的两个建筑物顶部的电场得到增强，但却不足以在其上触发上行闪电。后两个上行闪电在K变化引发的云内亮度明显增强后才始发，它们的激发可能由正地闪回击、回击后连续电流以及云内K过程共同作用所导致。

利用高速和普通摄像及电场变化资料，武斌等[31]分析了一次单回击正地闪(峰值电流为+141 kA)触发两个并发上行闪电的过程，探讨了触发型上行闪电的始发特征和机理。结果表明：正地闪回击后约0.8 ms内，在距正地闪接地点约3.9 km的广州塔上和4.1 km的东塔上分别有上行闪电始发。推测造成高建筑物顶部电场发生突变，进而激发两个上行闪电的原因是正地闪回击过程快速中和云内的大量正电荷，回击后可能有云内负先导朝高建筑物方向伸展。

基于双站闪电通道光学资料、电场变化和雷达数据，Qi等[25]详细分析了一次由附近的正地闪触发的广州塔上行闪电的过程。上行闪电发生在一次飑线系统之后的层状云区域，该区域的雷达回波强度相对较弱(30～40 dBZ)，最强雷达回波中心的高度约为4 km。由双站光学资料三维重建了上行闪电通道和正地闪的部分通道，正地闪通道三维重建部分的长度约为3660 m，其高度发展范围为3410～4170 m，平均高度为3640 m。基于上述结果，推测正电荷层高度与最强回波中心高度基本一致。

图7 1次正地闪及其触发的3个上行闪电示意图(+表示正电荷，-表示负电荷，▲为闪电定位系统提供的正地闪接地点位置，箭头表示通道传输方向)[27]

3.3.2.2 上行闪电中观测到的反冲先导特征

近年，研究人员利用高速摄像资料对反冲先导特征进行分析，取得了一系列研究成果[38,74-79]。但由于反冲先导通常始发于云内，迄今为止高速摄像机捕获的未被云层遮挡的反冲先导完整通道的个例还很少[38,74,76-77]。

利用TOLOG不同帧率的高速摄像记录和电场变化同步资料，武斌等[32,34]详细分析了一次广州塔上行闪电过程中反冲先导的特征，结果表明：该上行闪电包含21个反冲先导，其中7个发展成为直窜(或直窜-梯级)先导并引发回击，另外14个未能回退至塔顶而成为企图先导；高速摄像清晰地体现出了3个直窜先导和两个企图先导的双向传输过程，每个直窜(或直窜-梯级)先导出现前都至少发生一次企图先导，且始发于靠近前一次企图先导正端头部的位置；在一次双向发展的直窜先导的正端发生了3次突然延展现象，其中第2次突然延展由正端与在其头部附近出现的漂浮通道序列(疑似空间先导)相连而引发，并使正端伸展至未击穿空气中，表明双向直窜先导正端的突然延展可能由头部前端出现的疑似空间先导所引发。

TOLOG光学观测资料使对同一次上行闪电中多个反冲先导特征的统计和对比分析成为可能，不仅明确了反冲先导的确切始发位置，清晰呈现了双向发展的反冲先导正、负端传输的细节特征，还记录到了引发其正端突然延展的疑似空间先导现象。研究结果进一步深化了对反冲先导始发和传输特征以及不同先导之间的联系等方面的科学认识。

3.4 闪电监测系统的“标校场”

加拿大的CN塔和奥地利的Gaisberg塔上积累了丰富的雷电观测资料，为北美闪电探测网和欧洲联合闪电探测网等业务闪电定位系统的性能评估工作提供了重要基础[67,80]。

Chen等[7]基于2007—2011年的广州从化人工触发闪电以及2009—2011年TOLOG获取的广州高建筑物雷电观测资料，对广东电网闪电定位系统性能进行了评估，发现其闪电探测效率及回击探测效率分别为94%和60%，平均定位误差为710 m，LLS-回击电流幅值估算的平均相对误差约为16.3%。若只利用广州高建筑物雷电资料，分析发现广东电网闪电定位系统对广州高建筑物雷电及其回击的探测效率分别为97%和74%，对回击的定位误差的平均值为633 m。

通过分析广州塔建成后其1 km范围内地闪定位结果的分布特征，张长秀[69]分析了广东电网地闪定位系统对广州珠江新城区域地闪回击位置定位结果的系统偏差，并利用TOLOG获取的广州塔闪电观测结果进行对比，估算得到该系统偏差相对真实位置约偏东170 m、偏南150 m。

基于2016—2017年TOLOG获取的试验结果，陈绿文等[36]对粤港澳闪电定位系统的性能进行了评估。结果表明：粤港澳闪电定位系统对闪电和回击的探测效率均为93%；对下行闪电首次回击、下行闪电继后回击以及上行闪电回击的定位误差的平均值(中值)分别为361 m(188 m)，252 m(167 m)以及294 m(173 m)，对所有回击的定位误差的平均值(中值)约为300 m(170 m)。

4 结论与讨论

本文对2009—2018年广州高建筑物雷电观测站(TOLOG)试验的开展情况、资料获取情况进行了介绍，并从雷电连接过程的“放大镜”、雷电电磁场的“放大器”、下行和上行闪电的“汇集点”、闪电监测系统的“标校场”4个方面对广州高建筑物雷电观测和研究进展进行了总结：

1) 充分发挥高建筑物在雷电连接过程中“放大镜”的优势：在国际上首次发现了下行负地闪连接过程中下行负先导击中上行连接先导侧面(侧击)的现象；统计发现负-正先导之间的连接行为具有两种基本形态，高建筑物雷电过程中先导之间的侧击现象更为普遍；提出了从闪电图像上识别先导之间侧击现象的判据；基于近距离的高速摄像观测揭示了自然闪电中负先导梯级发展的精细化结构，分析得到下行先导和上行先导的二维/三维发展特征；估算了不同高度建筑物上雷电的闪击距离。

2) 利用TOLOG获取的雷电电磁场波形资料，结合闪电定位资料和数值模拟手段，分析了高建筑物对雷电电磁场的影响：高建筑物对回击磁场峰值有增强作用，高度在200 m以上的建筑物上雷电首次回击磁场峰值的几何平均值是高度在200 m以下的建筑物上的2.4倍；广州塔、西塔和广晟国际大厦各自250 m范围内的LLS-回击电流幅值的算术平均值分别为65 kA，48 kA和34 kA；数值模拟分析也发现建筑物越高，对雷电回击电磁场的增强效应越显著。

3) 基于地闪定位资料和TOLOG的光学观测资料，分析了高建筑物对附近区域雷电活动的影响：发现广州塔建成后，回击密度和闪电密度在其周围1 km范围内明显增加，而在1～4 km范围内有所减少；光学资料表明广州对下行闪电的吸引作用使其1 km左右范围内未观测到其他建筑物遭受雷击；正地闪回击过程、回击后的延续电流过程和K过程等均可能在高建筑物上触发上行闪电；分析给出了广州塔上行闪电过程中反冲先导始发和传输的细节特征。

4) 基于TOLOG的观测资料，对闪电定位系统的探测性能进行了评估，结果表明：广东电网闪电定位系统对广州高建筑物雷电及其回击的探测效率分别为97%和74%，对回击的定位误差的平均值约为630 m；广东电网闪电定位系统对广州塔闪电的定位结果存在约偏东170 m、偏南150 m的系统偏差；粤港澳闪电定位系统对广州高建筑物雷电的探测效率约为93%，对回击的定位误差的平均值和中值分别约为300 m和170 m。

虽然已取得了一些研究成果，但TOLOG观测资料仍需深入分析，同时根据观测资料揭示的一些现象和规律还需要结合数值模拟手段探讨其物理机制，因此，今后将在下述几方面开展观测和研究：①继续针对雷电连接过程中不同先导的发展特征(包括二维和三维)进行观测和分析，特别是不同高度建筑物上的闪击距离、雷击过程中的最后一跳和不同先导的高时空分辨率精细化发展特征等；②结合资料分析和数值模拟，研究雷击过程中不同先导之间的相互作用、高建筑物对先导起始与发展过程的影响、高建筑物(群)对区域闪电活动的影响等；③补充对高建筑物雷电电磁场的多站观测手段，提升对闪电通道三维定位和放电参量反演的能力，更全面、深入地分析高建筑物雷电的物理过程及其机理；④利用TOLOG积累的丰富的高建筑物雷电观测资料，对地基(用于业务和科研的多套闪电定位系统)和天基(如FY-4气象卫星搭载的闪电成像仪)闪电监测系统的探测性能进行评估和标校，为这些系统的监测资料应用提供参考依据。

致 谢：TOLOG的建设和观测试验的开展得到了中国气象科学研究院、广东省气象局和中国气象局广州热带海洋气象研究所的持续大力支持，国内外多家单位和许多科研人员一直关心并支持着TOLOG的发展，已有数十位科研人员和研究生参与过TOLOG的建设、观测和资料分析工作，在此一并表示衷心的感谢！