广州两座高建筑物上闪击距离的二维光学观测

齐 奇 吕伟涛 武 斌 马 颖 陈绿文 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)(中国科学院大学地球与行星科学学院， 北京 100049)

3)(中国气象局广州热带海洋气象研究所， 广州 510080)

引 言

地闪的连接过程是闪电从先导阶段向回击阶段的瞬间转变过程[1]，它直接与雷击的物理机制相联系，是输电线、风力发电机和建筑物等雷电防护设计中重点关注的物理过程。该过程一般被认为包括两个阶段：第1阶段为一个或多个上行先导从接地物体起始并朝下行先导发展,第2阶段为上行和下行先导最后瞬间的击穿阶段(最后一跳)[2]。闪击距离是雷电连接过程中一个重要的特征参量，已发表的文献中有两种定义：一些学者将闪击距离定义为上行连接先导从被雷击物体上激发出来的瞬间，被雷击物体和下行先导头部之间的距离[3]，通常认为在这一瞬间雷击目标被确定；也有学者将闪击距离定义为在先导之间的最后击穿时,下行先导头部到雷击物体之间的距离[4]。

光学观测是研究闪击距离最直观的手段。许多学者已经通过光学观测对地闪连接过程进行了研究[5-17]，但针对闪击距离这一参量的研究鲜见报道。Wang等[10]结合闪电连接过程光学观测系统(Lightning Attachment Process Observation System,LAPOS)记录的光学数据和回击峰值电流数据，估算了一次人工触发闪电7次回击过程对应的闪击距离(触发闪电无首次回击，均为继后回击)。Saba等[14]基于时间分辨率分别为10000 帧/s和20000 帧/s的高速摄像机对3次发生在两座高度不超过60 m的建筑上自然闪电的闪击距离进行了研究。Visacro等[15]利用时间分辨率为20000 帧/s的高速摄像机对发生在一座60 m高铁塔上的首次和继后回击中的闪击距离进行研究。虽然利用光学数据研究闪击距离具有较好的直观性，但也存在客观上的不足。由于上行先导初始亮度较弱，往往难以被摄像机捕获，能分辨时其可能已经发展了数米甚至百米。此外，天气条件(如云、雨和雾等)对闪击距离的光学观测影响也很大。因此，积累到足够的适合分析闪击距离的闪电光学数据并不容易。

本文利用2012—2018年在广州高建筑物雷电观测站观测到的广州珠江新城地区两座建筑物(顶部形状相似，均为尖顶型建筑)上发生的21次地闪连接过程的光学数据，分析闪击距离与建筑物高度、回击峰值电流强度的相关性，并探讨影响闪击距离的关键因子。

1 观测与数据

广州高建筑物雷电观测站(Tall-Object Lightning Observatory in Guangzhou，TOLOG)作为中国气象局雷电野外科学试验基地(CMA_FEBLS)的重要组成部分，连续多年对广州珠江新城地区高建筑物上的闪电过程进行观测[7,23-29]，经过10年不断的建设发展，目前共包含6个观测点。本研究所用数据由架设在TOLOG主观测站的两台Photron FASTCAM高速摄像机(编号分别为HC-1和HC-2)获取。表1为摄像机的具体参数。利用闪电连接过程光学观测系统[30-31]的一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。此外，地闪定位数据由广东电网闪电定位系统获取，提供了地闪回击的时间、位置、极性和峰值电流等信息[32]。Chen等[33]对2007—2011年从化人工触发闪电以及2009—2011年广州高建筑物雷电观测试验数据与广东电网闪电定位系统探测结果对比分析表明：定位系统反演的回击电流幅值的相对偏差为0.4%～42%，相对偏差的算术平均值和几何中值分别为16.3%和19.1%。

表1 高速摄像机参数

图1为TOLOG与广州塔(600 m高)、广晟国际大厦(360 m高)的相对位置，观测站到两座建筑物的水平距离分别约为3.30 km和2.07 km。2012—2018年在这两座建筑物上观测到的能够分析建筑物闪击距离的地闪次数分别为12次和9次。观测站的高速摄像机在这两座建筑物距离上所拍摄图像的空间分辨率见表1。

图1 TOLOG与广州塔和广晟国际大厦的相对位置示意图

2 两座高建筑雷电闪击距离统计

基于架设在TOLOG的高速摄像机拍摄的21次闪电光学数据，分析了2个高度不同的尖顶建筑物(见图1)的闪击距离。需要指出的是，本研究基于闪电图像估算建筑物二维闪击距离，一定程度上会造成对闪击距离的低估。Gao等[9]通过比对6次高建筑物雷电中上行连接先导的三维速率(长度)和二维速率(长度)发现，前者平均约是后者的1.3倍。

图2展示的是利用帧率达到10000 帧/s的高速摄像机HC-1拍摄的一次广晟国际大厦上的闪电连接过程。文中将闪电回击开始时刻定义为零时刻。图2c是该次闪电首次回击发生0.5 ms后回击通道图像。图2b是在回击发生前0.1 ms的闪电图像，可以看到下行先导的分叉众多，上行连接先导发展的长度已经很长。图2a是高速摄像机观测到上行连接先导发展时的首帧图像，此时上行连接先导已经发展了3 m，闪击距离为650 m。

通常，上行连接先导在能被高速摄像机观测到的首帧图像中，往往已经发展到一定长度，若使用这一帧图像中下行先导头部到被激发上行连接先导建筑物的距离估算闪击距离，会造成一定程度低估。Tran等[12]提出了一种反推估算方法(reverse propagation)，该方法基于先导已经发展的长度和速率推算先导发展时间。Visacro等[15]利用该方法对闪击距离进行了估算，并指出仅仅使用首帧观测到上行先导的图像来估算闪击距离，能够产生高至36%的低估，而利用反推估算方法，能够更精确地估算闪击距离。在图2a中，上行连接先导的长度为3 m，对应的发展速率为1.3×105m·s-1，因此推测它起始于回击前2.22 ms；此时下行先导的发展速率约为2.2×105m·s-1，根据该速率值以及推测的上行先导起始时间，重新估算的闪击距离约为654 m。

图2中，由于首帧观测到上行连接先导的图像中(图2a)上行先导的长度较短(仅为3 m)，因此，利用反推估算方法重新估算的闪击距离与仅从首帧观测到上行连接先导的图像中估算的闪击距离差别不大，但在21次闪电样本首帧观测到上行连接先导的图像中，上行先导长度范围为3～121 m，平均长度约为30 m，总体上反推估算方法对闪击距离的估算能够起到很好的订正作用，因此，文中21次闪电过程中闪击距离估算均采用该方法。结果显示：如果仅从能够观测到上行连接先导的首帧图像来估算闪击距离，其平均值为672 m，而利用了反推估算方法后，闪击距离的平均值为772 m，提高了15%左右。

图2 高速摄像HC-1(10000 帧/s)拍摄的一次广晟国际大厦上发生的闪电过程图像

图3为广州塔(600 m高)和广晟国际大厦(360 m 高)这两座高度不同、形状相似的建筑物上闪击距离的箱型图。广州塔的闪击距离范围是103～2225 m，中值为981 m。广晟国际大厦的闪击距离范围是237～771 m，中值为508 m。可以看到，广州塔闪击距离的中位数要明显高于广晟国际大厦。这说明闪击距离在统计上有随着建筑高度的增高而增大的趋势。

图3 广州塔和广晟国际大厦的闪击距离

图4 闪击距离与回击峰值电流关系

图5 广州塔和广晟国际大厦闪击距离与上行连接先导起始时间的关系

图6给出了21次闪电中上行先导与下行先导的二维平均速率统计结果。图6a为上行连接先导在回击前0.1 ms内的二维平均速率分布，可以看到，约80%的样本小于1.0×106m·s-1。图6b为上行连接先导在回击前0.5 ms内的二维平均速率分布，速率超过1.0×106m·s-1的样本仅占6%。图6c为下行先导在回击前0.1 ms内的二维平均速率分布，约90%的样本速率小于7.5×105m·s-1。图6d为下行先导在回击前0.5 ms内的二维平均速率分布，所有样本的速率均在0～7.5×105m·s-1区间，且63%的样本速率集中在2.5×105～5×105m·s-1这一范围。

图6 上行先导与下行先导的二维平均速率统计

在建筑物防雷设计和先导模式中，下行先导与上行先导速率之比是一个重要参数，它决定了建筑物的吸引半径[18]。Eriksson[34-35]和Rizk[36-37]假设下行先导速率与上行连接先导的速率之比等于1，Mazur等[38]假设该比率等于2，Dellera等[39-40]假设在连接过程中该比率从4变为1，Saba等[14]对3次个例的分析发现在最后一跳前该比率近似为常数，分别约为2.3，3.1和4.8。图7给出了回击过程发生前0.1 ms内下行先导速率与上行连接先导速率的比值。由图7可以看到，在回击前0.1 ms内，这一比值小于4。其中，速率比值小于1的样本最多，约占总样本量的65%，且样本量呈随比例降低而减少趋势。

图7 回击过程发生前0.1 ms内下行先导速率(Vd)与上行连接先导速率(Vu)的比值

3 结论与讨论

本文利用高速摄像机提供的闪电光学数据，结合地闪定位数据的回击峰值电流信息，统计分析了广州塔(600 m高)和广晟国际大厦(360 m高)这两座尖顶建筑物上的闪击距离与建筑物高度、回击峰值电流强度和上行先导起始时间之间的关系，研究了连接过程中下行先导与上行连接先导的速率范围及其比值分布，具体结论如下：

1) 统计数据表明:更高的建筑物上闪击距离更长。600 m高的广州塔闪击距离中值约为1 km，360 m高的广晟国际大厦闪击距离中值约为500 m。广州塔闪击距离的中位数明显高于广晟国际大厦，前者约为后者的2倍。

2) 对于同一高建筑物上的雷电，总体上其回击峰值电流越大，闪击距离越长。对于不同高度建筑物上的雷电，总体上建筑物越高，记录到的回击峰值电流越强。广州塔上的回击峰值电流要明显强于广晟国际大厦，前者约是后者的1.7倍。

3) 在连接过程中，下行先导与上行连接先导的二维平均速率比值在回击前0.1 ms内小于4。其中，速率比值小于1的样本最多，约占总样本量的65%。

需要注意的是，研究中所用回击峰值电流是闪电定位系统反演结果，而建筑物的高度对闪电定位系统反演得到的回击峰值电流强度有重要影响[41-43]。Lafkovici等[43]对比加拿大CN塔(553 m 高)上21次回击电流幅值的直接测量结果和北美闪电定位系统(NALDN)的反演结果，指出NALDN的反演值大约为直接测量值的2.6倍。因此，在利用闪电定位数据获取闪电电流强度时，需充分考虑建筑物高度的影响。对于高度一定的建筑物，可近似认为其对定位系统获得的雷电流峰值反演结果影响大致相同。

除了上述讨论的闪电样本，还观测到1次侧击广州塔的闪电，这次闪电的闪击距离仅为52 m。廖义慧等[44]利用随机模式模拟了一座高度为440 m 的建筑物上闪电的连接情况，模拟结果表明：侧击过程中，在建筑物侧面起始的上行连接先导长度与地面上起始的长度相近，根据下行先导起始点距离建筑物的远近，其平均值为16～21 m；而在建筑物顶部起始的上行连接先导的长度平均值为187～317 m，远大于侧击时的数值。虽然目前观测的侧击样本还很有限，但结合模拟分析可以确定在高建筑物侧击发生时，闪击距离会远小于击中建筑物顶部的情况。

影响建筑物闪击距离的因素很多，除了建筑物的高度、回击峰值电流强度外，还包括建筑物的形状、材料和建筑物之间的相互影响等。此外，本文研究的是建筑物的二维闪击距离，从图像估算闪击距离时，会造成一定程度的低估。目前TOLOG在广州拥有6个观测站点，能够对珠江新城区域高建筑物上发生的闪电放电过程进行三维的观测研究，积累更多发生在不同高度建筑上的多站闪电样本，有助于全面深入分析高建筑物雷电的闪击距离特征，特别是三维发展特征。