廣州兩座高建筑物上閃擊距離的二維光學(xué)觀測(cè)

齊 奇 呂偉濤 武 斌 馬 穎 陳綠文 姜睿嬌

1)(中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/雷電物理和防護(hù)工程實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081)

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

3)(中國(guó)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(guò)程是閃電從先導(dǎo)階段向回?fù)綦A段的瞬間轉(zhuǎn)變過(guò)程[1]，它直接與雷擊的物理機(jī)制相聯(lián)系，是輸電線、風(fēng)力發(fā)電機(jī)和建筑物等雷電防護(hù)設(shè)計(jì)中重點(diǎn)關(guān)注的物理過(guò)程。該過(guò)程一般被認(rèn)為包括兩個(gè)階段：第1階段為一個(gè)或多個(gè)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(guò)程中一個(gè)重要的特征參量，已發(fā)表的文獻(xiàn)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(lái)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(shí),下行先導(dǎo)頭部到雷擊物體之間的距離[4]。

光學(xué)觀測(cè)是研究閃擊距離最直觀的手段。許多學(xué)者已經(jīng)通過(guò)光學(xué)觀測(cè)對(duì)地閃連接過(guò)程進(jìn)行了研究[5-17]，但針對(duì)閃擊距離這一參量的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。Wang等[10]結(jié)合閃電連接過(guò)程光學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)(Lightning Attachment Process Observation System,LAPOS)記錄的光學(xué)數(shù)據(jù)和回?fù)舴逯惦娏鲾?shù)據(jù)，估算了一次人工觸發(fā)閃電7次回?fù)暨^(guò)程對(duì)應(yīng)的閃擊距離(觸發(fā)閃電無(wú)首次回?fù)?，均為繼后回?fù)?。Saba等[14]基于時(shí)間分辨率分別為10000 幀/s和20000 幀/s的高速攝像機(jī)對(duì)3次發(fā)生在兩座高度不超過(guò)60 m的建筑上自然閃電的閃擊距離進(jìn)行了研究。Visacro等[15]利用時(shí)間分辨率為20000 幀/s的高速攝像機(jī)對(duì)發(fā)生在一座60 m高鐵塔上的首次和繼后回?fù)糁械拈W擊距離進(jìn)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(jī)捕獲，能分辨時(shí)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(duì)閃擊距離的光學(xué)觀測(cè)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(cè)站觀測(cè)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(guò)程的光學(xué)數(shù)據(jù)，分析閃擊距離與建筑物高度、回?fù)舴逯惦娏鲝?qiáng)度的相關(guān)性，并探討影響閃擊距離的關(guān)鍵因子。

1 觀測(cè)與數(shù)據(jù)

廣州高建筑物雷電觀測(cè)站(Tall-Object Lightning Observatory in Guangzhou，TOLOG)作為中國(guó)氣象局雷電野外科學(xué)試驗(yàn)基地(CMA_FEBLS)的重要組成部分，連續(xù)多年對(duì)廣州珠江新城地區(qū)高建筑物上的閃電過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)[7,23-29]，經(jīng)過(guò)10年不斷的建設(shè)發(fā)展，目前共包含6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。本研究所用數(shù)據(jù)由架設(shè)在TOLOG主觀測(cè)站的兩臺(tái)Photron FASTCAM高速攝像機(jī)(編號(hào)分別為HC-1和HC-2)獲取。表1為攝像機(jī)的具體參數(shù)。利用閃電連接過(guò)程光學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)[30-31]的一個(gè)通道作為所有觀測(cè)設(shè)備的觸發(fā)源，每個(gè)觸發(fā)事件由高精度GPS時(shí)鐘授時(shí)，時(shí)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?fù)舻臅r(shí)間、位置、極性和峰值電流等信息[32]。Chen等[33]對(duì)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(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與廣東電網(wǎng)閃電定位系統(tǒng)探測(cè)結(jié)果對(duì)比分析表明：定位系統(tǒng)反演的回?fù)綦娏鞣档南鄬?duì)偏差為0.4%～42%，相對(duì)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(jī)參數(shù)

圖1為TOLOG與廣州塔(600 m高)、廣晟國(guó)際大廈(360 m高)的相對(duì)位置，觀測(cè)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(cè)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(cè)站的高速攝像機(jī)在這兩座建筑物距離上所拍攝圖像的空間分辨率見(jiàn)表1。

圖1 TOLOG與廣州塔和廣晟國(guó)際大廈的相對(duì)位置示意圖

2 兩座高建筑雷電閃擊距離統(tǒng)計(jì)

基于架設(shè)在TOLOG的高速攝像機(jī)拍攝的21次閃電光學(xué)數(shù)據(jù)，分析了2個(gè)高度不同的尖頂建筑物(見(jiàn)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(huì)造成對(duì)閃擊距離的低估。Gao等[9]通過(guò)比對(duì)6次高建筑物雷電中上行連接先導(dǎo)的三維速率(長(zhǎng)度)和二維速率(長(zhǎng)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(dá)到10000 幀/s的高速攝像機(jī)HC-1拍攝的一次廣晟國(guó)際大廈上的閃電連接過(guò)程。文中將閃電回?fù)糸_(kāi)始時(shí)刻定義為零時(shí)刻。圖2c是該次閃電首次回?fù)舭l(fā)生0.5 ms后回?fù)敉ǖ缊D像。圖2b是在回?fù)舭l(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(zhǎng)度已經(jīng)很長(zhǎng)。圖2a是高速攝像機(jī)觀測(cè)到上行連接先導(dǎo)發(fā)展時(shí)的首幀圖像，此時(shí)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(jī)觀測(cè)到的首幀圖像中，往往已經(jīng)發(fā)展到一定長(zhǎng)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(huì)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(zhǎng)度和速率推算先導(dǎo)發(fā)展時(shí)間。Visacro等[15]利用該方法對(duì)閃擊距離進(jìn)行了估算，并指出僅僅使用首幀觀測(cè)到上行先導(dǎo)的圖像來(lái)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(zhǎng)度為3 m，對(duì)應(yīng)的發(fā)展速率為1.3×105m·s-1，因此推測(cè)它起始于回?fù)羟?.22 ms；此時(shí)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(cè)的上行先導(dǎo)起始時(shí)間，重新估算的閃擊距離約為654 m。

圖2中，由于首幀觀測(cè)到上行連接先導(dǎo)的圖像中(圖2a)上行先導(dǎo)的長(zhǎng)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(cè)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(cè)到上行連接先導(dǎo)的圖像中，上行先導(dǎo)長(zhǎng)度范圍為3～121 m，平均長(zhǎng)度約為30 m，總體上反推估算方法對(duì)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(guò)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(cè)到上行連接先導(dǎo)的首幀圖像來(lái)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(guó)際大廈上發(fā)生的閃電過(guò)程圖像

圖3為廣州塔(600 m高)和廣晟國(guó)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(guó)際大廈的閃擊距離范圍是237～771 m，中值為508 m?？梢钥吹?，廣州塔閃擊距離的中位數(shù)要明顯高于廣晟國(guó)際大廈。這說(shuō)明閃擊距離在統(tǒng)計(jì)上有隨著建筑高度的增高而增大的趨勢(shì)。

圖3 廣州塔和廣晟國(guó)際大廈的閃擊距離

圖4 閃擊距離與回?fù)舴逯惦娏麝P(guān)系

圖5 廣州塔和廣晟國(guó)際大廈閃擊距離與上行連接先導(dǎo)起始時(shí)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(jì)結(jié)果。圖6a為上行連接先導(dǎo)在回?fù)羟?.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?fù)羟?.5 ms內(nèi)的二維平均速率分布，速率超過(guò)1.0×106m·s-1的樣本僅占6%。圖6c為下行先導(dǎo)在回?fù)羟?.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?fù)羟?.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(jì)

在建筑物防雷設(shè)計(jì)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(gè)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(guò)程中該比率從4變?yōu)?，Saba等[14]對(duì)3次個(gè)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?fù)暨^(guò)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?fù)羟?.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(shì)。

圖7 回?fù)暨^(guò)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(jī)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?fù)舴逯惦娏餍畔?，統(tǒng)計(jì)分析了廣州塔(600 m高)和廣晟國(guó)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?fù)舴逯惦娏鲝?qiáng)度和上行先導(dǎo)起始時(shí)間之間的關(guān)系，研究了連接過(guò)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(jì)數(shù)據(jù)表明:更高的建筑物上閃擊距離更長(zhǎng)。600 m高的廣州塔閃擊距離中值約為1 km，360 m高的廣晟國(guó)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(guó)際大廈，前者約為后者的2倍。

2) 對(duì)于同一高建筑物上的雷電，總體上其回?fù)舴逯惦娏髟酱?，閃擊距離越長(zhǎng)。對(duì)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?fù)舴逯惦娏髟綇?qiáng)。廣州塔上的回?fù)舴逯惦娏饕黠@強(qiáng)于廣晟國(guó)際大廈，前者約是后者的1.7倍。

3) 在連接過(guò)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?fù)羟?.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?fù)舴逯惦娏魇情W電定位系統(tǒng)反演結(jié)果，而建筑物的高度對(duì)閃電定位系統(tǒng)反演得到的回?fù)舴逯惦娏鲝?qiáng)度有重要影響[41-43]。Lafkovici等[43]對(duì)比加拿大CN塔(553 m 高)上21次回?fù)綦娏鞣档闹苯訙y(cè)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(cè)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(qiáng)度時(shí)，需充分考慮建筑物高度的影響。對(duì)于高度一定的建筑物，可近似認(rèn)為其對(duì)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(cè)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(jī)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(guò)程中，在建筑物側(cè)面起始的上行連接先導(dǎo)長(zhǎng)度與地面上起始的長(zhǎng)度相近，根據(jù)下行先導(dǎo)起始點(diǎn)距離建筑物的遠(yuǎn)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(zhǎng)度平均值為187～317 m，遠(yuǎn)大于側(cè)擊時(shí)的數(shù)值。雖然目前觀測(cè)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(shí)，閃擊距離會(huì)遠(yuǎn)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?fù)舴逯惦娏鲝?qiáng)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(shí)，會(huì)造成一定程度的低估。目前TOLOG在廣州擁有6個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)，能夠?qū)χ榻鲁菂^(qū)域高建筑物上發(fā)生的閃電放電過(guò)程進(jìn)行三維的觀測(cè)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。