廣州高建筑物雷電觀測與研究10年進(jìn)展

呂偉濤 陳綠文 馬 穎 齊 奇 武 斌 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(hù)工程實驗室， 北京 100081)

2)(中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所， 廣州 510080)

引 言

當(dāng)雷暴天氣發(fā)生時，相對于地面或低矮物體，高聳物體(自然或人造的，如高大樹木、高壓線塔、通信基站、高樓大廈等)頂部因電場畸變增強的作用而更容易達(dá)到先導(dǎo)始發(fā)的閾值[1-2]，導(dǎo)致其不僅易被下行閃電擊中，還可能激發(fā)上行閃電。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類活動對建筑物的數(shù)量和高度的需求越來越大。現(xiàn)代化城市中高建筑物越來越多，高度也越來越高，甚至形成了密集的高建筑物群，使得高建筑物上的雷電(以下簡稱高建筑物雷電)現(xiàn)象越來越頻繁地進(jìn)入大眾視野。同時，高建筑物上相對較高的雷電發(fā)生概率使其成為開展雷電觀測和研究的一個重要平臺。

20世紀(jì)30年代以來，世界上許多國家都針對高建筑物雷電開展了觀測和研究[2-4]，曾被用于雷電觀測的高建筑物包括美國帝國大廈、加拿大國家電視塔(CN塔)、俄羅斯莫斯科電視塔、德國Peissenberg塔、奧地利Gaisberg塔、瑞士San Salvatore山上的試驗塔和南非的CSIR Research Mast等等，高度從40 m到553 m不等。觀測和統(tǒng)計分析結(jié)果表明[2-3]：對于100～500 m的高度范圍，建筑物越高，其上發(fā)生的雷電中上行閃電所占比例越高;高度低于100 m的建筑物上很少發(fā)生上行閃電;而高度超過500 m建筑物上發(fā)生的雷電絕大多數(shù)為上行閃電。

近些年國內(nèi)學(xué)者也針對高建筑物雷電開展了觀測和研究，如中國氣象科學(xué)研究院和中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所的雷電科研團(tuán)隊聯(lián)合共建了中國氣象局雷電野外科學(xué)試驗基地(Field Experiment Base on Lightning Sciences,China Meteorological Administration，CMA_FEBLS)，自2006年起持續(xù)開展廣東野外雷電綜合觀測試驗[5]，并于2009年建立了廣州高建筑物雷電觀測站(Tall-Object Lightning Observatory in Guangzhou，TOLOG)，利用多種先進(jìn)的雷電探測設(shè)備對發(fā)生在廣州珠江新城區(qū)域的高建筑物雷電開展了綜合觀測，獲取了豐富的觀測資料，發(fā)表了一系列成果[6-36]；中國科學(xué)院大氣物理研究所從2012年開始，以325 m高的氣象鐵塔為平臺，在北京開展了高塔閃電綜合觀測試驗[37-42]；廣東省深圳市氣象局和香港理工大學(xué)從2016年開始，對擊中356 m高的深圳氣象梯度塔的雷電開展了觀測與研究[43-45]。

本文將系統(tǒng)介紹TOLOG的觀測站點、設(shè)備和資料情況，綜述TOLOG建站10年(2009—2018年)的主要研究進(jìn)展。

1 TOLOG觀測點和設(shè)備情況

廣州珠江新城區(qū)域發(fā)展非常迅速，高度超過300 m的建筑物在2009年只有廣州塔(610 m高，2009年以后降為600 m)和廣州國際金融中心(也稱廣州西塔，本文簡稱西塔，440 m高)，到2014年已增加至8個，高度在100 m以及200 m以上的建筑物更是難以細(xì)數(shù)。眾多的高建筑物為雷電的觀測和研究提供了非常好的條件。TOLOG始建于2009年，從最初的1個觀測點逐步擴(kuò)展到目前的6個觀測點。TOLOG主觀測點(觀測點1)位于廣東省氣象局一棟高約100 m的建筑物的頂部(圖1)，其東南方向視野范圍內(nèi)有8座高度超過300 m的建筑物，本文按照從高到低將它們依次編號為A～H(高度相同時按建成時間先后編號)，具體信息見表1。

TOLOG主觀測點架設(shè)了包括高速攝像機(jī)、閃電連接過程觀測系統(tǒng)(Lightning Attachment Process Observation System，LAPOS)[46]、閃電通道成像儀(Lightning Channel Imager，LCI，http:∥www.lcimager.com/lci_hs.htm)[47]、全視野閃電通道成像儀(Total-sky Lightning Channel Imager，TLCI，http:∥www.lcimager.com/tlci.htm)[48-49]和高分辨率單反相機(jī)等多種光學(xué)觀測設(shè)備，還架設(shè)了雷聲探測麥克風(fēng)陣列[11,50]、大氣平均電場儀、快慢天線電場變化儀、閃電低頻電場變化探測陣列子站[51]、閃電磁場變化測量儀、先導(dǎo)電流測量儀等多套設(shè)備。其中，除了部分連續(xù)記錄設(shè)備(如大氣平均電場儀)或自觸發(fā)記錄設(shè)備(如LCI，TLCI和閃電低頻電場變化陣列子站)以外，其他設(shè)備構(gòu)成了雷電聲、光、電、磁多參量同步自動觀測系統(tǒng)。研究組通過長期的野外觀測經(jīng)驗積累，結(jié)合對各種設(shè)備性能的深入了解，設(shè)計出了合理有效的閃電觸發(fā)方案，實現(xiàn)了這些設(shè)備的同步觸發(fā)和無人值守式的全自動觀測。LCI和TLCI均基于數(shù)字成像技術(shù)，結(jié)合閃電通道檢測算法，自動拍攝、處理、提取并存儲閃電發(fā)生前后預(yù)設(shè)時段內(nèi)的圖像，同時記錄閃電發(fā)生時間。閃電低頻電場變化陣列子站除了自行觸發(fā)記錄外，其傳感器信號同時輸出到多參量同步自動觀測系統(tǒng)進(jìn)行記錄。

表1 TOLOG主觀測點東南方向視野范圍內(nèi)高度超過300 m的8個高建筑物

注：*廣州塔高度2009年為610 m，2009年以后降為600 m。

由于高速攝像機(jī)的幀率設(shè)置越高，可用的像素數(shù)量越少，對應(yīng)的視野范圍也越小。為了兼顧觀測視野和時空分辨率的需求，在TOLOG主觀測點架設(shè)了多套高速攝像機(jī)(最多時為5套)。幀率相對較低的高速攝像機(jī)采用大視野的配置，用于捕捉大視野范圍內(nèi)發(fā)生的所有閃電過程，并采用盡量長的記錄時長以完整記錄閃電放電的總體過程。高幀率的高速攝像機(jī)采用小視野的配置，主要針對放電物理過程(如雷電連接過程、先導(dǎo)發(fā)展過程等)精細(xì)化觀測的需求，以捕捉雷電放電高時空分辨率精細(xì)化光學(xué)圖像。

TOLOG現(xiàn)有的6個觀測點的分布情況見圖2，各觀測點架設(shè)的設(shè)備信息見表2。除了主觀測點，其他觀測點目前均只架設(shè)了LCI和(或)TLCI，目的包括：①一定程度上降低對架設(shè)環(huán)境、設(shè)備維護(hù)和經(jīng)費投入等的要求；②實現(xiàn)對所關(guān)注區(qū)域內(nèi)閃電事件的無遺漏光學(xué)觀測;③獲取高建筑物雷電的多站閃電通道圖像，與主觀測點的高速攝像資料配合重建閃電三維光學(xué)通道，并分析通道的三維發(fā)展特征。

圖2 TOLOG的6個觀測點與表1中所列高建筑物的位置分布

另外，目前共有4套業(yè)務(wù)閃電定位系統(tǒng)覆蓋了廣州地區(qū)，包括氣象部門建設(shè)的粵港澳閃電定位系統(tǒng)(始建于2005年，由廣東省及港、澳三地氣象部門聯(lián)合共建，可探測地閃和部分云閃)、ADTD地閃定位系統(tǒng)(始建于2010年)和Earth Networks(EN)全閃定位系統(tǒng)(始建于2013年)以及電力部門建設(shè)的廣東電網(wǎng)地閃定位系統(tǒng)(始建于1997年)。中國氣象科學(xué)研究院從2014年開始，在廣州地區(qū)建設(shè)了由多個快電場變化測量儀構(gòu)成的閃電低頻電場變化探測陣列(其中1個架設(shè)于TOLOG主觀測點)，具備全閃電三維定位能力。這些定位系統(tǒng)能夠為高建筑物雷電研究提供地閃或總閃活動的位置及強度信息。

表2 TOLOG各觀測點架設(shè)的設(shè)備信息

2 2009—2018年TOLOG觀測資料整體情況

表3是2009—2018年TOLOG觀測到的8個高建筑物(表1)上的雷電數(shù)量。10年中，TOLOG的設(shè)備和觀測方案經(jīng)過了2012年初和2015年下半年兩次重要升級，2015年因主觀測點觀測室擴(kuò)建導(dǎo)致觀測期不完整。

由表3可以看到，總體上TOLOG兩次重要升級均顯著提升了資料獲取效率，特別是2015年經(jīng)觀測室擴(kuò)建、設(shè)備升級和觀測方案改進(jìn)后，TOLOG在這8個高建筑物上平均每年可觀測到近70例閃電，其中在最高的廣州塔上每年可觀測到近50例。如果再加上觀測到的擊中其他高建筑物的雷電個例，每年TOLOG獲取的高建筑物雷電數(shù)量不低于100例。多個觀測點多套觀測設(shè)備的相互對比檢驗表明，目前TOLOG的觀測方案和設(shè)備基本實現(xiàn)了對視野范圍內(nèi)高建筑物雷電的無遺漏觀測。這些豐富的高建筑物雷電觀測資料為開展相關(guān)研究奠定了良好的基礎(chǔ)。

表3 2009—2018年TOLOG觀測到的高度超過300 m的建筑物上的雷電數(shù)量

3 基于TOLOG觀測資料取得的主要成果

雷電連接過程決定了雷電接地點的位置(雷擊位置)和可能導(dǎo)致災(zāi)害的區(qū)域，一直是雷電物理和防護(hù)研究中重點關(guān)注的對象。地面或低矮建筑物被雷擊的概率很低，雷擊過程中的上行連接先導(dǎo)的長度也很短，很難獲取到雷電連接過程的高時空分辨率光學(xué)觀測資料。而在高建筑物頂部容易激發(fā)上行先導(dǎo)，先導(dǎo)的持續(xù)時間和發(fā)展長度均較長，因此，對于雷電連接過程來說，高建筑物起到了很好的“放大鏡”的作用。對于雷電電磁場，高建筑物具有“放大器”(增強)的作用，且建筑物越高，增強作用越顯著。對于附近的下行閃電，高建筑物具有吸引作用，同時高建筑物上還易形成上行閃電，因此，高建筑物一定程度上起到了閃電“匯集點”的作用，為觀測和研究雷電物理過程提供了更多的機(jī)會。也正因為高建筑物的閃電“匯集點”的特點，加上TOLOG先進(jìn)的觀測設(shè)備和成熟的觀測方案，豐富、直觀的觀測資料使TOLOG觀測區(qū)可以作為其他地基、天基閃電監(jiān)測系統(tǒng)的“標(biāo)校場”。本章將按照高建筑物上述幾方面的作用來總結(jié)TOLOG取得的主要科研成果。

3.1 雷電連接過程的“放大鏡”

3.1.1 連接過程中先導(dǎo)之間的連接形態(tài)

以往通常認(rèn)為先導(dǎo)最后的連接發(fā)生在下行先導(dǎo)頭部與上行先導(dǎo)頭部之間(簡稱“頭部-頭部”連接)，在所有雷擊模式中均采用這樣的連接方案[52-56]。但采用幀率達(dá)104幀/s量級的高速攝像機(jī)，在一次擊中西塔的下行負(fù)地閃過程中觀測到雷電連接過程中下行負(fù)先導(dǎo)頭部擊中上行正先導(dǎo)側(cè)面(簡稱“頭部-側(cè)面”連接或側(cè)擊)的現(xiàn)象(圖3)[8]，在國際上首次給出連接過程中先導(dǎo)之間非“頭部-頭部”連接的觀測事實。幀率較低的高速攝像或者靜態(tài)圖片資料難以捕捉到此類側(cè)擊現(xiàn)象，如在圖3的個例中，5×104幀/s 的高速攝像記錄清晰地呈現(xiàn)了側(cè)擊過程，而1×104幀/s的記錄無法體現(xiàn)出側(cè)擊過程(見文獻(xiàn)[8]的圖1)。

基于廣州數(shù)個高度超過300 m的建筑物上24次下行負(fù)地閃的高速攝像光學(xué)資料，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)下行負(fù)先導(dǎo)與上行正先導(dǎo)之間的連接行為可分為3類[21]：“頭部-頭部”連接，占42%(10/24)；“頭部-側(cè)面”連接，占50%(12/24)；有2次閃電的首次回?fù)暨^程分別包含了2個連接過程，且均是1個“頭部-頭部”和1個“頭部-側(cè)面”的混合，占8%(2/24)；未觀測到負(fù)-正先導(dǎo)之間“側(cè)面-頭部”連接的現(xiàn)象。因此，負(fù)-正先導(dǎo)之間的連接行為具有“頭部-頭部”和“頭部-側(cè)面”兩種基本的形態(tài)。如果按照26個連接過程統(tǒng)計，“頭部-側(cè)面”連接占14/26(54%)，即至少對于TOLOG視野內(nèi)高度超過300 m的建筑物上的負(fù)極性地閃而言，下行負(fù)先導(dǎo)與上行正先導(dǎo)之間的側(cè)擊現(xiàn)象更為普遍。Kostinskiy等[57]在帶負(fù)電荷的云的米量級尺度放電試驗中，也觀測到負(fù)-正先導(dǎo)之間“頭部-側(cè)面”的連接形態(tài)，同樣未觀測到負(fù)-正先導(dǎo)之間“側(cè)面-頭部”的連接形態(tài)。下行負(fù)先導(dǎo)的多分叉特征和多個上行正先導(dǎo)的存在，可能是先導(dǎo)之間連接行為呈現(xiàn)多樣性的主要原因。另外，迄今還未觀測到負(fù)先導(dǎo)側(cè)面和正先導(dǎo)頭部連接的現(xiàn)象，產(chǎn)生這種差異的原因估計與正、負(fù)極性先導(dǎo)的發(fā)展機(jī)制有關(guān)。

在上述14個呈現(xiàn)負(fù)-正先導(dǎo)“頭部-側(cè)面”連接形態(tài)的連接過程中，有13個過程(93%)的閃電通道在連接點附近呈現(xiàn)出接近90°的快速轉(zhuǎn)折現(xiàn)象(如圖4所示)，僅1次過程未呈現(xiàn)該現(xiàn)象，可能是攝像視角所導(dǎo)致。基于這些光學(xué)觀測資料，提出了從閃電圖像上識別先導(dǎo)之間側(cè)擊現(xiàn)象的判據(jù)——“在連接點附近閃電通道是否存在快速轉(zhuǎn)折”，該判據(jù)對于幀率較低的攝像資料、甚至是閃電靜態(tài)圖像也是有效的。

考慮到下行負(fù)極性地閃過程中上行正先導(dǎo)發(fā)展時大多不分叉的觀測事實，基于已有的閃電先導(dǎo)二維隨機(jī)模式，廖義慧等[19]修改了上行正先導(dǎo)的模擬方案，使其發(fā)展時不產(chǎn)生分叉，實現(xiàn)了對雷擊高建筑物過程中下行負(fù)先導(dǎo)與上行正先導(dǎo)之間“頭部-頭部”連接和“頭部-側(cè)面”連接兩種形態(tài)的模擬，并模擬分析了下行先導(dǎo)起始位置不同時接地點落在高建筑物頂面、側(cè)面以及地面的概率。

圖3 雷電連接過程中先導(dǎo)之間側(cè)擊形態(tài)的高速攝像記錄示例(文獻(xiàn)[8]，為提升可視效果所有圖像經(jīng)過了反相處理)

需要強調(diào)的是，連接過程中先導(dǎo)之間的側(cè)擊現(xiàn)象與雷電側(cè)擊高建筑物[58]不同，高建筑物自身靜止不動，而連接過程中不同先導(dǎo)一直在持續(xù)發(fā)展。另外，不管雷電是擊中了高建筑物頂部還是側(cè)擊高建筑物，其物理過程中均包含不同先導(dǎo)之間的連接過程。因雷電側(cè)擊建筑物的現(xiàn)象相對較少，且出現(xiàn)這種情況時連接先導(dǎo)長度較短[35]，迄今還沒有關(guān)于雷電側(cè)擊高建筑物過程中先導(dǎo)連接形態(tài)觀測結(jié)果的報道。

圖4 先導(dǎo)之間側(cè)擊連接現(xiàn)象的圖像示例(圖中箭頭指示連接點位置，圖4a～圖4e經(jīng)反相處理以提升可視效果)

3.1.2 連接過程中不同先導(dǎo)的發(fā)展特征

3.1.2.1 下行先導(dǎo)

雖然下行梯級負(fù)先導(dǎo)光脈沖波形上升時間大都小于1 μs[59]，目前較多使用幀率為104或105幀/s量級(每幀圖像的曝光時間為10 μs或100μs量級)的高速攝像機(jī)無法解析每一個梯級的精細(xì)發(fā)展過程，但利用這些高速攝像機(jī)捕捉梯級過程的不同發(fā)展階段是可能的。這是因為負(fù)先導(dǎo)的梯級發(fā)展包括了多個子過程，在高速攝像機(jī)視野內(nèi)可能會有多個梯級同時發(fā)展，在每幀圖像曝光結(jié)束的時刻不同梯級所處的階段也可能不一樣，所以即使圖像曝光時間大于1 μs，仍可能拍攝到處于不同階段的梯級發(fā)展過程[20,33,60-63]。

Qi等[20]對一次距離TOLOG約350 m的下行負(fù)地閃進(jìn)行了分析，得到下行梯級先導(dǎo)發(fā)展的精細(xì)化特征：在先導(dǎo)階段的電磁場波形上記錄到一些可能由梯級過程導(dǎo)致的波形變化，波峰之間的時間間隔為13.9～23.9 μs(平均值為17.4 μs，本文未特別說明的平均值均為算術(shù)平均值)；在高速攝像資料中觀測到一些明亮的發(fā)光段(空間莖/空間先導(dǎo))，二維長度為1～13 m(平均值為5 m)，距離先導(dǎo)頭部1～8 m(平均值為4 m)。根據(jù)這次近距離閃電的光學(xué)觀測和分析，結(jié)合Hill等[61]的研究成果，推測了負(fù)極性先導(dǎo)梯級的形成過程以及空間莖/空間先導(dǎo)3種可能的發(fā)展情形：沒有與已存在先導(dǎo)通道連接；與已存在先導(dǎo)通道連接，但隨后消失或間歇性(間隔幾十微秒)微弱發(fā)光后消失；與已存在先導(dǎo)通道連接并形成了后續(xù)發(fā)展的分叉，有明亮的光波沿通道向上傳播。

使用2×104幀/s和52.5×104幀/s的高速攝像資料，Qi等[33]分析了距離TOLOG主觀測點約490 m的一次地閃連接過程。在所觀測到的47個下行先導(dǎo)的梯級過程中，共捕獲了12個空間莖/空間先導(dǎo)，它們的長度范圍為2～5.9 m，平均值為3 m。下行梯級先導(dǎo)的平均梯級間隔為15 μs，平均梯級長度為5.6 m，二維平均速率為5.5×105m/s。

此外，TOLOG還觀測到1次包含正極性首次回?fù)艉?次負(fù)極性繼后回?fù)?通道與首次回?fù)敉ǖ酪恢?的雙極性閃電，Chen等[13]分析發(fā)現(xiàn)：首次回?fù)糁暗南滦姓葘?dǎo)在高速攝像機(jī)視野范圍內(nèi)通道光滑、沒有分叉，平均二維發(fā)展速率為2.5×106m/s，在發(fā)展過程中正先導(dǎo)的光強呈現(xiàn)出明顯的脈沖變化特征；繼后回?fù)羟柏?fù)極性下行直竄先導(dǎo)的平均二維發(fā)展速率最小約為4.0×106m/s，最大可超過1.24×107m/s。

3.1.2.2 上行先導(dǎo)

對TOLOG捕捉到的19次下行負(fù)地閃過程中45個上行未連接先導(dǎo)(unconnected upward leader，UUL)的分析表明[6]：起始時間提前回?fù)?.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的長度很少超過50 m；超過80%的UUL的發(fā)展速率低于1.7×105m/s；起始高度低于300 m的UUL均被發(fā)生在大約600 m以內(nèi)的下行閃電所激發(fā)，而起始高度超過400 m的UUL甚至可以被1 km以外的閃電所激發(fā)；對于起始高度分別為100～200 m，200～300 m和超過400 m 的UUL，UUL被激發(fā)時下行先導(dǎo)的頭部需要發(fā)展到距離UUL起始位置的350 m，450 m和600 m范圍內(nèi)。

基于TOLOG觀測點1和2(圖2)的雙站閃電光學(xué)資料，還針對先導(dǎo)通道的三維發(fā)展特征進(jìn)行分析。高彥等[7]建立了一種利用雙站攝像資料重建閃電三維通道的方法，采用該方法重建了6次下行負(fù)地閃的三維通道，統(tǒng)計分析了下行負(fù)地閃過程中上行連接先導(dǎo)通道的三維特征，結(jié)果表明[10]：6次負(fù)地閃上行連接先導(dǎo)的三維長度范圍為180～818 m，三維速率范圍為8×104～1.43×106m/s，是二維速率的1.1～1.8倍。

3.1.2.3 不同先導(dǎo)發(fā)展特征的對比

圖3中的閃電個例的高速攝像資料分析結(jié)果表明[8]：上行連接先導(dǎo)的發(fā)展受下行先導(dǎo)的影響(所有分支的綜合影響)明顯，隨著下行先導(dǎo)的逐漸接近，上行連接先導(dǎo)的速率和亮度都呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，特別是在回?fù)羟?.3 ms內(nèi)，增加顯著；除了在回?fù)羟凹s80 μs內(nèi)，下行先導(dǎo)的發(fā)展特征幾乎沒有明顯變化；當(dāng)下行先導(dǎo)與上行先導(dǎo)頭部二維距離小于60 m后，其發(fā)展方向才明顯朝向上行先導(dǎo)彎曲；下行與上行先導(dǎo)二維發(fā)展速率的比值隨時間由1.8逐漸降低至0.12。

對另一次擊中西塔的下行地閃連接過程中先導(dǎo)的三維發(fā)展特征分析[18]表明：在首次回?fù)羟? ms 內(nèi)，下行先導(dǎo)的三維發(fā)展速率變化范圍為1.3×105～6.8×105m/s(平均值為2.7×105m/s)，對應(yīng)的二維速率的變化范圍為1.1×105～4.9×105m/s(平均值為2.1×105m/s)；除了回?fù)羟暗?.2 ms內(nèi)，下行先導(dǎo)發(fā)展速率無明顯的變化趨勢；上行連接先導(dǎo)三維發(fā)展速率的變化范圍為8×104～1.37×106m/s(平均值為4.5×105m/s)；上行先導(dǎo)從高建筑物頂部起始后，其發(fā)展速率隨時間增加明顯，特別是回?fù)羟暗? ms內(nèi)；下行與上行先導(dǎo)三維發(fā)展速率的比值隨時間從2.2逐漸減小到0.2。

在國際上現(xiàn)有的先導(dǎo)發(fā)展模式中，對下行與上行先導(dǎo)發(fā)展速率比值的假設(shè)有兩種：恒定值(如1，2，4等)[52-54]或線性遞減(如從4到1[53]、從4到0.5[56]等)，大多假設(shè)的速率比的最小值均不小于1，即認(rèn)為下行先導(dǎo)的速率一直是不低于上行先導(dǎo)的，而TOLOG的觀測結(jié)果表明[8,18,35]：下行與上行先導(dǎo)發(fā)展速率的比值會明顯小于1，即上行先導(dǎo)的發(fā)展速率可能會明顯高于下行先導(dǎo)。

在163 m高的鐵塔上，Warner[64]觀測到兩次連接過程，上行連接先導(dǎo)長度均超過200 m，發(fā)展速率同樣呈現(xiàn)出隨時間逐漸增加趨勢(從104m/s量級增加到105m/s量級)，而下行先導(dǎo)的速率沒有明顯的變化趨勢，一直為105m/s量級。Saba等[65]觀測分析了兩個60 m高的建筑物上的3次雷擊過程，發(fā)現(xiàn)在連接過程中不管是下行先導(dǎo)還是上行連接先導(dǎo)，發(fā)展速率均幾乎為常數(shù)，下行與上行先導(dǎo)發(fā)展速率的比值為2.3～4.8，即上行先導(dǎo)發(fā)展速率一直比下行先導(dǎo)慢?？傮w而言，對不同高度建筑物上雷電連接過程的觀測和分析還相對較少，需積累更多觀測資料進(jìn)行更為深入的對比分析。

3.1.3 雷電閃擊距離的特征

雖然通過大量的光學(xué)觀測對連接過程中先導(dǎo)發(fā)展的特征有了一定認(rèn)識，但針對閃擊距離這一雷電防護(hù)中重點關(guān)注的關(guān)鍵參量的觀測和分析還比較少。利用高速攝像資料，Qi等[33]對發(fā)生在距TOL- OG主觀測點約490 m的一座高約100 m的建筑物上的4次雷擊連接過程進(jìn)行分析，得到的閃擊距離分別為55 m，183 m，183 m和85 m，并在其中一次閃電過程中利用了5.25×105幀/s的高速攝像資料(迄今為止自然閃電連接過程最高幀率的高速攝像資料)，估算出下行先導(dǎo)最后一跳的二維長度約為13 m。

另外，齊奇等[35]還統(tǒng)計分析了廣州塔和廣晟國際大廈兩座尖頂高建筑物上21次下行地閃的閃擊距離特征，結(jié)果表明：12次廣州塔雷擊的閃擊距離的中值為981 m；9次廣晟國際大廈雷擊的閃擊距離的中值為508 m；結(jié)合廣東電網(wǎng)閃電定位系統(tǒng)提供的回?fù)舴逯惦娏髻Y料，分析發(fā)現(xiàn)對于確定高度的建筑物，回?fù)舴逯惦娏髟綇姡瑢?yīng)的閃擊距離也越大。

3.2 雷電電磁場的“放大器”

3.2.1 高建筑物雷電電磁場的觀測資料分析

Lafkovici等[66]和Kazazi等[67]分析發(fā)現(xiàn)閃電定位系統(tǒng)對CN塔閃電回?fù)綦娏鞣档姆囱萁Y(jié)果(為了與電流直接測量結(jié)果相區(qū)分，本文采用LLS-回?fù)綦娏鞣当硎鹃W電定位系統(tǒng)通過電磁場遙測反演得到的回?fù)綦娏鞣?達(dá)到了塔頂雷電流直接測量結(jié)果的3倍左右。Baba等[68]通過數(shù)值模擬分析指出，高建筑物對閃電回?fù)綦姶艌龅脑鰪娦?yīng)與建筑物高度、建筑物自身及其接地系統(tǒng)的特征阻抗等因素有關(guān)。

為研究廣州不同高度建筑物對雷電磁場的影響，王智敏等[14]對TOLOG獲取的擊中14個高建筑物的40次雷電(均為負(fù)極性)的磁場資料進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果表明：高建筑物對回?fù)舻拇艌龇逯涤性鰪娮饔茫医ㄖ镌礁咴鰪娮饔迷酱?，高度?00 m 以上的建筑物上雷電首次回?fù)舸艌龇逯档膸缀纹骄凳歉叨仍?00 m以下的建筑物上的2.4倍。

陳綠文等[15]將2009—2012年獲取的58次下行負(fù)極性地閃個例按照接地點高度分為兩組，對比分析了不同高度建筑物上發(fā)生的下行地閃回?fù)籼卣鞯牟町?。結(jié)果表明：接地點高度大于200 m的地閃的首次(繼后)回?fù)舻腖LS-回?fù)綦娏鞣岛凸鈴娒}沖的10%～90%波前時間以及10%波前～50%波后半寬時間的平均值分別為接地點高度不大于200 m 地閃的1.8(1.5)，7.4(3.1)和4.6(2.4)倍。

張長秀等[23,69]對廣東電網(wǎng)閃電定位資料的分析也表明:建筑物越高對LLS-回?fù)綦娏鞣档脑鰪娮饔迷矫黠@，廣州塔(600 m)、西塔(440 m)和廣晟國際大廈(360 m)各自250 m范圍內(nèi)的LLS-回?fù)綦娏鞣档钠骄捣謩e為65 kA，48 kA和34 kA。

3.2.2 高建筑物雷電電磁場的數(shù)值模擬分析

基于三維時域有限差分電磁場數(shù)值算法，宿志國等[24,26]建立了高建筑物雷電電磁場模擬程序，通過調(diào)整高建筑物頂部和底部的電流反射系數(shù)以及建筑物高度等參數(shù)，深入研究了上述參數(shù)對雷電垂直電場、水平電場以及角向磁場波形特征和峰值影響。模擬結(jié)果表明：建筑物高度對雷電電場峰值有顯著影響；電流反射系數(shù)的變化對雷電電磁場波形的多峰特征以及各個分量峰值的影響明顯。

為探討城市區(qū)域多個建筑物存在時(如TOLOG的觀測區(qū)域的情況)對雷電電磁場傳播過程的影響，Su等[30]通過在模擬程序中加入多個建筑物，分析非孤立建筑物存在時附近雷電電磁場的分布特征。結(jié)果表明：當(dāng)觀測點位于建筑物頂部時，觀測點所在建筑物的高度對垂直電場的影響明顯，附近其他建筑物(屏蔽體)會對垂直電場的測量產(chǎn)生一定屏蔽作用；屏蔽體的屏蔽作用受其高度影響最大，觀測距離、建筑物之間的相對距離以及截面長度的影響次之，土壤電導(dǎo)率的影響最弱。

3.3 下行和上行閃電的“匯集點”

3.3.1 高建筑物對附近區(qū)域雷電活動的影響

Hussein等[70]利用2005年8月19日地閃定位資料和CN塔上雷電電流測量資料，分析了CN塔對其周圍閃電活動特征的影響，結(jié)果表明：扣除直接擊中CN塔的回?fù)艉螅ㄎ晃恢迷贑N塔附近數(shù)千米范圍內(nèi)的回?fù)裘芏鹊陀谳^遠(yuǎn)區(qū)域。Hussein等[70]認(rèn)為CN塔會吸引附近的地閃擊中塔身，導(dǎo)致附近區(qū)域地閃密度降低，但他們也指出因分析資料較少，還需要更多的觀測和分析進(jìn)一步驗證。Diendorfer等[71]對比了2000—2007年擊中奧地利Gaisberg塔的閃電(有雷電電流記錄)和閃電定位系統(tǒng)觀測到的塔附近10 km范圍內(nèi)的閃電，發(fā)現(xiàn)塔上記錄有雷擊的日期中有84%周圍沒有明顯的雷暴活動，而周圍有雷暴活動的日期中有77%在塔上沒有雷擊的記錄，他們認(rèn)為Gaisberg塔雖然會導(dǎo)致大量上行閃電發(fā)生，但這些上行閃電一定程度上與周圍的地閃活動關(guān)系不大，因此，他們推測高建筑物不會顯著增加或減少其附近雷擊次數(shù)。

張長秀等[23,69]基于1999—2015年的廣東電網(wǎng)地閃定位資料，選取廣州塔、西塔和廣晟國際大廈作為研究對象，對高建筑物建成前后其附近區(qū)域地閃活動的分布特性及不同高度建筑周圍地閃活動分布特征差異進(jìn)行詳細(xì)分析。結(jié)果表明:廣州塔建成后，與其周圍10 km范圍內(nèi)回?fù)裘芏群烷W電密度的平均值(40.2 km-2·a-1和20.0 km-2·a-1)相比，廣州塔周圍1 km范圍內(nèi)的回?fù)裘芏群烷W電密度(51.4 km-2·a-1和29.1 km-2·a-1)明顯偏大，而廣州塔周圍1～4 km范圍內(nèi)的回?fù)裘芏群烷W電密度(分別為34.4～37.2 km-2·a-1和18.2～19.5 km-2·a-1)均比周圍10 km范圍的平均值要低。圖5是以廣州塔為中心不同半徑的圓環(huán)區(qū)域內(nèi)回?fù)裘芏群烷W電密度在廣州塔建成后相對建成前的變化率(已消除定位系統(tǒng)升級的影響)，可以看到廣州塔建成后，其周圍1 km范圍內(nèi)回?fù)艉烷W電密度顯著增加，而1～4 km范圍內(nèi)的數(shù)值明顯減小。因此，可以推測600 m高的廣州塔可觸發(fā)很多上行閃電，且能夠?qū)⒅車欢ǚ秶鷥?nèi)的下行閃電吸引至其自身。另外，還發(fā)現(xiàn)廣州塔周圍1 km范圍內(nèi)的LLS-回?fù)綦娏鞣档钠骄?47 kA)也明顯高于10 km 范圍的平均值(29 kA)，而1 km以外區(qū)域的值與大范圍的平均值相比沒有明顯差異。

經(jīng)過對廣東電網(wǎng)地閃定位資料在TOLOG觀測區(qū)域的系統(tǒng)偏差訂正，張長秀[69]更細(xì)致地分析了3棟建筑物周圍的地閃活動特征，結(jié)果表明：廣州塔附近高回?fù)裘芏戎档姆秶?00 m范圍內(nèi)，西塔和廣晟國際大廈附近高回?fù)裘芏戎档姆秶性?50 m 范圍內(nèi)，3棟建筑物各自250 m范圍內(nèi)的回?fù)裘芏确謩e為140，54，55 km-2·a-1。

圖5 廣州塔建成前后其周圍不同距離范圍內(nèi)回?fù)裘芏?a)和閃電密度(b)算術(shù)平均值的相對變化率[23]

吳姍姍等[28]利用2009—2014年TOLOG的觀測資料，對廣州塔西北部119次下行地閃擊中的高建筑物的分布特征進(jìn)行了統(tǒng)計分析，結(jié)果表明：44%(52/119)的地閃擊中了區(qū)域內(nèi)最高的4個建筑物；擊中廣州塔的有20次(17%)，除此之外，廣州塔附近0～1 km的區(qū)域未觀測到其他地閃；在距廣州塔1～2 km的區(qū)域內(nèi)共觀測到35次地閃(29%)，每個高度低于300 m的建筑被擊中的次數(shù)不超過1次，其中距廣州塔最近的閃電離廣州塔約1.2 km；在距廣州塔2～3 km的區(qū)域內(nèi)共觀測到64次地閃(54%)，有些高度低于300 m的建筑物被擊中1次以上(最多達(dá)5次)。因此，廣州塔對下行地閃的吸引作用使得其附近1 km左右的范圍內(nèi)未觀測到其他地閃，且1～3 km范圍內(nèi)隨著距離的增加下行地閃的密度有逐漸增加的趨勢。

圖6是2015—2017年TOLOG觀測到的高建筑物雷電接地點的頻次分布。結(jié)合圖2、圖6和表2可以看到，雖然有8個建筑物的高度均超過300 m，但每個建筑物上雷電的發(fā)生頻次差異明顯：高度最高、頂部是尖頂且相對孤立的廣州塔A上雷電的頻次最高；廣州東塔B(530 m高，平頂，簡稱東塔)建成之前，西塔C(440 m高，平頂)和廣晟國際大廈D(360 m高，尖頂)上雷電頻次相當(dāng)，但東塔B建成之后，距離其較近(約270 m)的西塔C上的雷電頻次顯著減少；環(huán)球都會廣場E雖然高達(dá)318 m，但建成后只觀測到1次雷擊，且是1次正極性地閃，這主要因為其距離東塔B僅150 m；珠江城大廈F(310 m高，弧形頂)也因距離廣晟國際大廈D僅約110 m 且頂部非尖頂而很少遭到雷擊。

圖6 2015—2017年TOLOG觀測到的高建筑物雷電頻次位置分布(未標(biāo)數(shù)字的點均代表1次雷電)

3.3.2 上行閃電特征

TOLOG視野內(nèi)眾多的高建筑物為觀測上行閃電提供了很好的條件，雖然2015年前受捕獲效率的限制很少觀測到上行閃電，但通過升級和完善，2016年后已捕捉到上百例上行閃電，其中還包括多例并發(fā)上行閃電，為研究上行閃電特征積累了豐富資料，細(xì)致深入的分析工作仍然在進(jìn)行中。初步分析表明：在TOLOG觀測到的上行閃電中目前能夠確認(rèn)類型的均為觸發(fā)型上行閃電，即均被附近其他放電過程所觸發(fā)。

Wang等[72]對日本冬季雷暴中一個風(fēng)力發(fā)電機(jī)(100 m高)及其雷電防護(hù)塔(105 m高)上起始的53個上行閃電的觀測發(fā)現(xiàn)：53%(28/53)為觸發(fā)型上行閃電，47%(25/53)為自發(fā)型上行閃電(即上行閃電自行始發(fā)，始發(fā)前附近無其他放電過程發(fā)生)。Zhou等[73]分析了2005—2009年在奧地利Gaisberg塔(100 m高，坐落在800 m高的山頂上)上記錄到的205次上行閃電，結(jié)果表明：87%(179/205)為觸發(fā)型上行閃電，只有13%(26/205)為自發(fā)型上行閃電。利用美國閃電定位系統(tǒng)資料和2004—2010年South Dakota州Rapid City的10個鐵塔(高度范圍為91～191 m)上81次上行閃電的光學(xué)觀測資料，Warner等[74]確定幾乎所有的上行閃電均為觸發(fā)型上行閃電。2012—2016年中國科學(xué)院大氣物理研究所在北京325 m高的氣象鐵塔上共觀測到19次上行閃電[41]，其中84%(16/19)為觸發(fā)型上行閃電，16%(3/19)為自發(fā)型上行閃電。因此，不同高度的建筑物、不同的地區(qū)、不同的雷暴類型、雷暴的不同階段、不同的環(huán)境參數(shù)等因素都可能影響高建筑物上行閃電的比例。

3.3.2.1 TOLOG觀測到的觸發(fā)型上行閃電

Wu等[27]詳細(xì)分析了一次單回?fù)舴逯惦娏鞲哌_(dá)+310 kA的正地閃在多個高建筑物上觸發(fā)上行閃電的過程，探討了上行閃電的始發(fā)機(jī)制。觀測發(fā)現(xiàn)高速攝像視野內(nèi)的3個上行閃電從不同高建筑物上先后始發(fā)(圖7)，且后始發(fā)的上行閃電的首個先導(dǎo)/回?fù)粜蛄袃H在前一個上行閃電的最后一個先導(dǎo)/回?fù)粜蛄薪Y(jié)束后發(fā)生。雷達(dá)回波強度資料顯示3個上行閃電發(fā)生在一次颮線過程的云砧區(qū)。正地閃回?fù)羰勾罅空姾杀恢泻突驇ж?fù)電荷的云內(nèi)通道朝高建筑物方向伸展的作用在600 m高的廣州塔上觸發(fā)了上行閃電，該過程同樣會使高度更低(308 m 和311 m)和距離更遠(yuǎn)(14 km 和18 km)的兩個建筑物頂部的電場得到增強，但卻不足以在其上觸發(fā)上行閃電。后兩個上行閃電在K變化引發(fā)的云內(nèi)亮度明顯增強后才始發(fā)，它們的激發(fā)可能由正地閃回?fù)?、回?fù)艉筮B續(xù)電流以及云內(nèi)K過程共同作用所導(dǎo)致。

利用高速和普通攝像及電場變化資料，武斌等[31]分析了一次單回?fù)粽亻W(峰值電流為+141 kA)觸發(fā)兩個并發(fā)上行閃電的過程，探討了觸發(fā)型上行閃電的始發(fā)特征和機(jī)理。結(jié)果表明：正地閃回?fù)艉蠹s0.8 ms內(nèi)，在距正地閃接地點約3.9 km的廣州塔上和4.1 km的東塔上分別有上行閃電始發(fā)。推測造成高建筑物頂部電場發(fā)生突變，進(jìn)而激發(fā)兩個上行閃電的原因是正地閃回?fù)暨^程快速中和云內(nèi)的大量正電荷，回?fù)艉罂赡苡性苾?nèi)負(fù)先導(dǎo)朝高建筑物方向伸展。

基于雙站閃電通道光學(xué)資料、電場變化和雷達(dá)數(shù)據(jù)，Qi等[25]詳細(xì)分析了一次由附近的正地閃觸發(fā)的廣州塔上行閃電的過程。上行閃電發(fā)生在一次颮線系統(tǒng)之后的層狀云區(qū)域，該區(qū)域的雷達(dá)回波強度相對較弱(30～40 dBZ)，最強雷達(dá)回波中心的高度約為4 km。由雙站光學(xué)資料三維重建了上行閃電通道和正地閃的部分通道，正地閃通道三維重建部分的長度約為3660 m，其高度發(fā)展范圍為3410～4170 m，平均高度為3640 m?；谏鲜鼋Y(jié)果，推測正電荷層高度與最強回波中心高度基本一致。

圖7 1次正地閃及其觸發(fā)的3個上行閃電示意圖(+表示正電荷，-表示負(fù)電荷，▲為閃電定位系統(tǒng)提供的正地閃接地點位置，箭頭表示通道傳輸方向)[27]

3.3.2.2 上行閃電中觀測到的反沖先導(dǎo)特征

近年，研究人員利用高速攝像資料對反沖先導(dǎo)特征進(jìn)行分析，取得了一系列研究成果[38,74-79]。但由于反沖先導(dǎo)通常始發(fā)于云內(nèi)，迄今為止高速攝像機(jī)捕獲的未被云層遮擋的反沖先導(dǎo)完整通道的個例還很少[38,74,76-77]。

利用TOLOG不同幀率的高速攝像記錄和電場變化同步資料，武斌等[32,34]詳細(xì)分析了一次廣州塔上行閃電過程中反沖先導(dǎo)的特征，結(jié)果表明：該上行閃電包含21個反沖先導(dǎo)，其中7個發(fā)展成為直竄(或直竄-梯級)先導(dǎo)并引發(fā)回?fù)簦硗?4個未能回退至塔頂而成為企圖先導(dǎo)；高速攝像清晰地體現(xiàn)出了3個直竄先導(dǎo)和兩個企圖先導(dǎo)的雙向傳輸過程，每個直竄(或直竄-梯級)先導(dǎo)出現(xiàn)前都至少發(fā)生一次企圖先導(dǎo)，且始發(fā)于靠近前一次企圖先導(dǎo)正端頭部的位置；在一次雙向發(fā)展的直竄先導(dǎo)的正端發(fā)生了3次突然延展現(xiàn)象，其中第2次突然延展由正端與在其頭部附近出現(xiàn)的漂浮通道序列(疑似空間先導(dǎo))相連而引發(fā)，并使正端伸展至未擊穿空氣中，表明雙向直竄先導(dǎo)正端的突然延展可能由頭部前端出現(xiàn)的疑似空間先導(dǎo)所引發(fā)。

TOLOG光學(xué)觀測資料使對同一次上行閃電中多個反沖先導(dǎo)特征的統(tǒng)計和對比分析成為可能，不僅明確了反沖先導(dǎo)的確切始發(fā)位置，清晰呈現(xiàn)了雙向發(fā)展的反沖先導(dǎo)正、負(fù)端傳輸?shù)募?xì)節(jié)特征，還記錄到了引發(fā)其正端突然延展的疑似空間先導(dǎo)現(xiàn)象。研究結(jié)果進(jìn)一步深化了對反沖先導(dǎo)始發(fā)和傳輸特征以及不同先導(dǎo)之間的聯(lián)系等方面的科學(xué)認(rèn)識。

3.4 閃電監(jiān)測系統(tǒng)的“標(biāo)校場”

加拿大的CN塔和奧地利的Gaisberg塔上積累了豐富的雷電觀測資料，為北美閃電探測網(wǎng)和歐洲聯(lián)合閃電探測網(wǎng)等業(yè)務(wù)閃電定位系統(tǒng)的性能評估工作提供了重要基礎(chǔ)[67,80]。

Chen等[7]基于2007—2011年的廣州從化人工觸發(fā)閃電以及2009—2011年TOLOG獲取的廣州高建筑物雷電觀測資料，對廣東電網(wǎng)閃電定位系統(tǒng)性能進(jìn)行了評估，發(fā)現(xiàn)其閃電探測效率及回?fù)籼綔y效率分別為94%和60%，平均定位誤差為710 m，LLS-回?fù)綦娏鞣倒浪愕钠骄鄬φ`差約為16.3%。若只利用廣州高建筑物雷電資料，分析發(fā)現(xiàn)廣東電網(wǎng)閃電定位系統(tǒng)對廣州高建筑物雷電及其回?fù)舻奶綔y效率分別為97%和74%，對回?fù)舻亩ㄎ徽`差的平均值為633 m。

通過分析廣州塔建成后其1 km范圍內(nèi)地閃定位結(jié)果的分布特征，張長秀[69]分析了廣東電網(wǎng)地閃定位系統(tǒng)對廣州珠江新城區(qū)域地閃回?fù)粑恢枚ㄎ唤Y(jié)果的系統(tǒng)偏差，并利用TOLOG獲取的廣州塔閃電觀測結(jié)果進(jìn)行對比，估算得到該系統(tǒng)偏差相對真實位置約偏東170 m、偏南150 m。

基于2016—2017年TOLOG獲取的試驗結(jié)果，陳綠文等[36]對粵港澳閃電定位系統(tǒng)的性能進(jìn)行了評估。結(jié)果表明：粵港澳閃電定位系統(tǒng)對閃電和回?fù)舻奶綔y效率均為93%；對下行閃電首次回?fù)?、下行閃電繼后回?fù)粢约吧闲虚W電回?fù)舻亩ㄎ徽`差的平均值(中值)分別為361 m(188 m)，252 m(167 m)以及294 m(173 m)，對所有回?fù)舻亩ㄎ徽`差的平均值(中值)約為300 m(170 m)。

4 結(jié)論與討論

本文對2009—2018年廣州高建筑物雷電觀測站(TOLOG)試驗的開展情況、資料獲取情況進(jìn)行了介紹，并從雷電連接過程的“放大鏡”、雷電電磁場的“放大器”、下行和上行閃電的“匯集點”、閃電監(jiān)測系統(tǒng)的“標(biāo)校場”4個方面對廣州高建筑物雷電觀測和研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)：

1) 充分發(fā)揮高建筑物在雷電連接過程中“放大鏡”的優(yōu)勢：在國際上首次發(fā)現(xiàn)了下行負(fù)地閃連接過程中下行負(fù)先導(dǎo)擊中上行連接先導(dǎo)側(cè)面(側(cè)擊)的現(xiàn)象；統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)負(fù)-正先導(dǎo)之間的連接行為具有兩種基本形態(tài)，高建筑物雷電過程中先導(dǎo)之間的側(cè)擊現(xiàn)象更為普遍；提出了從閃電圖像上識別先導(dǎo)之間側(cè)擊現(xiàn)象的判據(jù)；基于近距離的高速攝像觀測揭示了自然閃電中負(fù)先導(dǎo)梯級發(fā)展的精細(xì)化結(jié)構(gòu)，分析得到下行先導(dǎo)和上行先導(dǎo)的二維/三維發(fā)展特征；估算了不同高度建筑物上雷電的閃擊距離。

2) 利用TOLOG獲取的雷電電磁場波形資料，結(jié)合閃電定位資料和數(shù)值模擬手段，分析了高建筑物對雷電電磁場的影響：高建筑物對回?fù)舸艌龇逯涤性鰪娮饔茫叨仍?00 m以上的建筑物上雷電首次回?fù)舸艌龇逯档膸缀纹骄凳歉叨仍?00 m以下的建筑物上的2.4倍；廣州塔、西塔和廣晟國際大廈各自250 m范圍內(nèi)的LLS-回?fù)綦娏鞣档乃阈g(shù)平均值分別為65 kA，48 kA和34 kA；數(shù)值模擬分析也發(fā)現(xiàn)建筑物越高，對雷電回?fù)綦姶艌龅脑鰪娦?yīng)越顯著。

3) 基于地閃定位資料和TOLOG的光學(xué)觀測資料，分析了高建筑物對附近區(qū)域雷電活動的影響：發(fā)現(xiàn)廣州塔建成后，回?fù)裘芏群烷W電密度在其周圍1 km范圍內(nèi)明顯增加，而在1～4 km范圍內(nèi)有所減少；光學(xué)資料表明廣州對下行閃電的吸引作用使其1 km左右范圍內(nèi)未觀測到其他建筑物遭受雷擊；正地閃回?fù)暨^程、回?fù)艉蟮难永m(xù)電流過程和K過程等均可能在高建筑物上觸發(fā)上行閃電；分析給出了廣州塔上行閃電過程中反沖先導(dǎo)始發(fā)和傳輸?shù)募?xì)節(jié)特征。

4) 基于TOLOG的觀測資料，對閃電定位系統(tǒng)的探測性能進(jìn)行了評估，結(jié)果表明：廣東電網(wǎng)閃電定位系統(tǒng)對廣州高建筑物雷電及其回?fù)舻奶綔y效率分別為97%和74%，對回?fù)舻亩ㄎ徽`差的平均值約為630 m；廣東電網(wǎng)閃電定位系統(tǒng)對廣州塔閃電的定位結(jié)果存在約偏東170 m、偏南150 m的系統(tǒng)偏差；粵港澳閃電定位系統(tǒng)對廣州高建筑物雷電的探測效率約為93%，對回?fù)舻亩ㄎ徽`差的平均值和中值分別約為300 m和170 m。

雖然已取得了一些研究成果，但TOLOG觀測資料仍需深入分析，同時根據(jù)觀測資料揭示的一些現(xiàn)象和規(guī)律還需要結(jié)合數(shù)值模擬手段探討其物理機(jī)制，因此，今后將在下述幾方面開展觀測和研究：①繼續(xù)針對雷電連接過程中不同先導(dǎo)的發(fā)展特征(包括二維和三維)進(jìn)行觀測和分析，特別是不同高度建筑物上的閃擊距離、雷擊過程中的最后一跳和不同先導(dǎo)的高時空分辨率精細(xì)化發(fā)展特征等；②結(jié)合資料分析和數(shù)值模擬，研究雷擊過程中不同先導(dǎo)之間的相互作用、高建筑物對先導(dǎo)起始與發(fā)展過程的影響、高建筑物(群)對區(qū)域閃電活動的影響等；③補充對高建筑物雷電電磁場的多站觀測手段，提升對閃電通道三維定位和放電參量反演的能力，更全面、深入地分析高建筑物雷電的物理過程及其機(jī)理；④利用TOLOG積累的豐富的高建筑物雷電觀測資料，對地基(用于業(yè)務(wù)和科研的多套閃電定位系統(tǒng))和天基(如FY-4氣象衛(wèi)星搭載的閃電成像儀)閃電監(jiān)測系統(tǒng)的探測性能進(jìn)行評估和標(biāo)校，為這些系統(tǒng)的監(jiān)測資料應(yīng)用提供參考依據(jù)。

致 謝：TOLOG的建設(shè)和觀測試驗的開展得到了中國氣象科學(xué)研究院、廣東省氣象局和中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所的持續(xù)大力支持，國內(nèi)外多家單位和許多科研人員一直關(guān)心并支持著TOLOG的發(fā)展，已有數(shù)十位科研人員和研究生參與過TOLOG的建設(shè)、觀測和資料分析工作，在此一并表示衷心的感謝！