一次上行閃電中先導(dǎo)二維和三維發(fā)展特征的差異

關(guān)雨儂 呂偉濤 齊 奇 武 斌3) 馬 穎 陳綠文 劉恒毅 張義軍

1)(復(fù)旦大學(xué)大氣與海洋科學(xué)系/大氣科學(xué)研究院, 上海 200438) 2)(中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室/中國氣象局雷電重點開放實驗室, 北京 100081) 3)(中國氣象局氣象探測工程技術(shù)研究中心, 北京 100081) 4)(中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所, 廣州 510641)

引 言

當(dāng)雷暴云過境時,高大建筑物頂部電場受畸變影響易達到先導(dǎo)的始發(fā)閾值,不僅被下行閃電擊中的概率較高,而且會形成上行閃電[1]。已有觀測研究表明:建筑物越高,越易發(fā)生上行閃電[2]。近年隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,城市中高建筑物不斷增加,高度逐漸增高,上行閃電事件也逐漸受到人們關(guān)注。

自20世紀(jì)30年代以來,多個科研團隊對高建筑物的上行閃電開展了觀測研究[3-4]。根據(jù)在日本觀測到的14例上行閃電的電場變化資料,Wang等[5]將上行閃電分為兩類:①附近沒有其他放電活動,高建筑物頂端自行始發(fā)的上行閃電,稱為自發(fā)型上行閃電;②由于附近其他放電活動導(dǎo)致高建筑物頂端電場急劇變化而產(chǎn)生的觸發(fā)型上行閃電。Lu等[6]觀測表明:上行閃電事件可以在附近高塔上觸發(fā)另一個極性相反的上行閃電。Wang等[7]利用高速攝像等資料分析了北京某氣象塔(高度為325 m)上行正先導(dǎo)的傳播特征,得到其平均二維發(fā)展速率(簡稱二維速率)為 8.1×104m·s-1。Warner等[8]和Saba等[9]在美國和巴西的觀測結(jié)果表明:絕大多數(shù)上行閃電屬于附近閃電活動激發(fā)的觸發(fā)型,其中正地閃過程更易觸發(fā)附近高建筑物的上行負極性閃電(始發(fā)的先導(dǎo)為上行正先導(dǎo))。

對于上行閃電,目前主要借助于分析閃電光學(xué)圖像、地面電場變化、雷電流直接測量、雷達回波等資料,或建立先導(dǎo)隨機或物理模型,研究先導(dǎo)傳輸特征及其觸發(fā)機制[10-20]。近年光電技術(shù)快速發(fā)展使高時空分辨率的商業(yè)化高速攝像系統(tǒng)在雷電物理過程的觀測研究中得到廣泛應(yīng)用,并取得一系列研究成果[21-25]。高速光學(xué)觀測不僅能給出先導(dǎo)的發(fā)展速率、長度、傳輸方向等特征參數(shù)[26-31],還可以利用多站光學(xué)觀測重建閃電三維通道,更準(zhǔn)確地描繪先導(dǎo)通道時空發(fā)展特征[32-33]。Markus等[34]在2008年研發(fā)一種從多個角度拍攝閃電過程以重建放電通道的系統(tǒng)。Liu等[35]提出一種利用兩個不同角度的攝像機拍攝閃電通道,進而圖形化重建閃電三維通道的方法。Gao等[36]利用雙站光學(xué)觀測資料分析閃電通道的二維和三維長度,發(fā)現(xiàn)一些個例閃電通道的三維長度達到二維長度的2倍以上。

到目前為止,對上行閃電先導(dǎo)三維發(fā)展特征的研究報道還很少,主要原因是閃電雙站或多站光學(xué)同步觀測難度較大。相比于單站二維光學(xué)觀測,利用雙站或多站資料重建得到的閃電三維特征更能反映閃電通道時空發(fā)展的真實特性。本文利用包括高速攝像及普通攝像的雙站光學(xué)觀測資料,詳細對比廣州塔一次上行閃電(編號為FA19014)先導(dǎo)的二維和三維發(fā)展特征,并討論二維和三維特征異同及其成因。

1 觀測與資料

廣州高建筑物雷電觀測站(Tall-object Lightning Observatory in Guangzhou,TOLOG)建于2009年,經(jīng)過十余年的發(fā)展,目前已形成包括6個觀測點的閃電光學(xué)觀測站網(wǎng),實現(xiàn)了對廣州珠江新城地區(qū)高建筑物閃電事件的綜合觀測[37-39]。其中,觀測點1架設(shè)多臺高速攝像機、閃電通道成像儀(lightning channel imager,LCI)和全視野閃電通道成像儀(total-sky lightning channel imager,TLCI)[40-41]等多種光學(xué)觀測設(shè)備。此外,還架設(shè)了大氣平均電場儀、快慢天線電場變化儀、閃電低頻電場變化探測陣列子站[42]、閃電磁場變化測量儀、先導(dǎo)電流測量儀等多套設(shè)備。其余5個觀測點中,觀測點2安裝2套不同視野的LCI,觀測點3分別安裝1套LCI和TLCI,觀測點4安裝1套TLCI,觀測點5和觀測點6均各安裝1套LCI。廣州塔是珠江新城區(qū)域最高的建筑物,其高度為600 m。TOLOG觀測資料顯示,每年在廣州塔上發(fā)生的上行閃電可達數(shù)十例。表1為本研究所用的光學(xué)觀測設(shè)備信息。

此外,研究中還采用粵港澳閃電定位系統(tǒng)(Gua-ngdong-Hongkong-Macao Lightning Location System,GHMLLS)提供的閃電極性、回擊峰值電流等信息[43]。GHMLLS建于2005年,由粵港澳三地氣象部門共同建立。張悅等[44]利用人工觸發(fā)閃電資料對GHMLLS的探測性能評估表明:GHMLLS對于閃電和回擊的探測效率分別為96%和88%,回擊電流峰值偏差為-37%,定位誤差算術(shù)平均值和幾何平均值分別為198 m和108 m,中值為103 m。

2 上行先導(dǎo)的二維和三維發(fā)展特征

2.1 上行閃電FA19014的總體情況

本文分析的廣州塔上行閃電FA19014發(fā)生于2019年4月20日05:12(世界時),是一次觸發(fā)型上行閃電,由附近發(fā)生的單回擊正地閃過程引發(fā)。GHMLLS資料顯示正地閃接地點位置距廣州塔約7 km,回擊峰值電流約為+44 kA。圖1為廣州塔上行閃電快電場變化和高速攝像圖像亮度變化(由HC-1資料獲得,是每幀圖像上所有像素灰度值總和隨時間變化)。為便于分析,本研究將上行先導(dǎo)起始時刻定義為0時刻。如圖1所示,在正地閃回擊開始后約4 ms上行正先導(dǎo)始發(fā)(圖1中黑色虛線指示)。

圖1 快電場(a)和圖像亮度(b)的同步變化波形Fig.1 Waveforms of changes in fast electric field(a) and image brightness(b)

圖2為觀測點1、觀測點2、廣州塔、正地閃接地點的相對位置以及觀測點1的HC-3和觀測點2的LCI-03的視野范圍,其中坐標(biāo)原點是觀測點1所在經(jīng)度和觀測點2所在緯度的交點。兩站點相距約4.8 km,廣州塔距觀測點1、觀測點2的水平距離分別約3.3 km和3.9 km,處于雙站視野的交叉區(qū)域,上行閃電被觀測點1的高速攝像和觀測點2的LCI同步記錄,可重建其三維通道。正地閃接地點位于觀測點1的視野邊緣,僅被觀測點1的觀測設(shè)備拍攝到部分通道,因此無法重建其三維通道。

圖2 正地閃接地點及觀測點1、觀測點2與廣州塔的相對位置Fig.2 Positions of Canton Tower relative to ground termination points of positive cloud-to-ground flash, station-1 and station-2

2.2 上行先導(dǎo)的二維發(fā)展特征

觀測點1的HC-1高速攝像資料時間分辨率高(50 μs),可用于計算上行閃電先導(dǎo)的二維速率。HC-1拍攝到先導(dǎo)起始后21.8 ms內(nèi)的發(fā)展過程,通過計算得到先導(dǎo)發(fā)展過程中437個50 μs逐幀二維速率樣本。在HC-1視野范圍內(nèi),該上行先導(dǎo)50 μs 逐幀二維速率變化范圍為0～6.3×105m·s-1,總體平均二維速率為1.8×105m·s-1。因HC-1時間分辨率高,可能由于上行先導(dǎo)發(fā)展過程中的停歇(梯級)或者發(fā)光較暗,導(dǎo)致50 μs 逐幀二維速率出現(xiàn)為0的情況。為避免這些因素的影響,本研究給出50 μs逐幀二維速率五點平滑結(jié)果,其變化范圍為1.8×104～4.5×105m·s-1。

由圖3可知,在先導(dǎo)起始后約10 ms之內(nèi),平均二維速率為2.6×105m·s-1,明顯高于總體平均值,而起始約10 ms后,平均二維速率為1.1×105m·s-1,明顯低于總體平均值,僅為10 ms內(nèi)平均值的44%。圖3b為先導(dǎo)二維速率隨二維高度的變化,在觀測視野范圍內(nèi)先導(dǎo)發(fā)展的二維高度為3.8 km。即隨著高度的升高,先導(dǎo)速率呈先增大后減小的趨勢,總體變化趨勢與武斌等[45]對2017年一次由正地閃引發(fā)廣州塔和東塔同時始發(fā)上行閃電的研究結(jié)果相似。約在先導(dǎo)頭部二維高度發(fā)展到2.1 km時,二維速率達到最大值。

圖3 FA19014先導(dǎo)二維速率隨時間(a)以及隨高度(b)變化Fig.3 2D leader speed change with time(a) and change with height(b) of FA19014

2.3 上行先導(dǎo)的三維發(fā)展特征

觀測點1的HC-1和觀測點2的LCI-03的光學(xué)觀測資料(圖4)可用于重建此次上行閃電的部分三維通道,分析和研究閃電先導(dǎo)的長度、速率等隨時間和高度變化的三維發(fā)展特征。本文所用重建方法為空間矢量法[46],其具體步驟包括:①分別對兩張圖像進行畸變、水平及梯形校正,以消除因鏡頭畸變和相機擺放的仰角和傾斜角帶來的誤差;②識別閃電通道像素坐標(biāo),并根據(jù)相機的焦距、像素大小及廣州塔頂部的像素坐標(biāo),將通道中各點像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為基于各站點的仰角及方位角坐標(biāo);③通過空間矢量運算方法,將雙站圖像的坐標(biāo)點相匹配,重建閃電的三維通道坐標(biāo)序列。圖5為FA1914通道的三維重建結(jié)果,其中,坐標(biāo)原點為觀測點1經(jīng)度與觀測點2緯度的交點,X軸以正南為正方向,Y軸以正東為正方向,Z軸以海平面高度為零值,垂直向上為正方向。

圖4 觀測點1的HC-1(a)和觀測點2的LCI-03(b)拍攝的此次上行閃電圖像(為提升顯示效果,對圖像進行反相處理并對閃電通道進行增強)Fig.4 Upward lightning images captured by HC-1 at station-1(a) and LCI-03 at station-2(b)(images are inverted and pixel values of lightning channel in images are enhanced for better display)

圖5 閃電FA19014重建后的三維通道及在X-Y平面投影(a)、X-Z平面投影(b)以及Y-Z平面投影(c) Fig.5 3D reconstruction channel of FA19014 and projection view on X-Y plane(a),X-Z plane(b) and Y-Z plane(c)

由重建結(jié)果可知,這部分通道的三維長度約為5.4 km,觀測點1資料中通道長度約為3.6 km,觀測點2資料中通道長度約為3.74 km,重建后的通道長度分別為各站的1.5倍和1.38倍。由各坐標(biāo)平面的投影(圖5)可以看到,通道在垂直方向上發(fā)展到的三維高度大于4.6 km,水平方向發(fā)展了約800 m。

本研究將高速攝像(HC-1)資料中逐5幀的用于三維重建的先導(dǎo)頭部二維像素坐標(biāo)對應(yīng)到三維通道中的相應(yīng)位置,結(jié)合時間信息計算得到74個先導(dǎo)的三維發(fā)展速率(簡稱三維速率,分辨率為250 μs)。

圖6a為其隨時間變化,圖6b為三維速率隨高度變化。由研究結(jié)果可知,上行閃電先導(dǎo)的三維速率范圍約為3.8×104～7.5×105m·s-1,總體平均值約為2.8×105m·s-1。先導(dǎo)起始后10 ms內(nèi),平均三維速率為3.1×105m·s-1,略高于總體平均值。在起始后約10 ms時三維速率達到最大值,10 ms后的平均三維速率為2.4×105m·s-1,略低于總體平均值,是10 ms內(nèi)平均值的77%。先導(dǎo)大約發(fā)展到2.8 km高度時,三維速率達到最大值,1 ms 后先導(dǎo)發(fā)展到約2.9 km高度時,三維速率快速降至最小。

圖6 FA19014先導(dǎo)三維速率隨時間變化(a)以及隨高度變化(b)Fig.6 3D speed changes with time(a) and with height(b) of FA19014

2.4 上行先導(dǎo)二維與三維發(fā)展特征差異成因

圖7為三維速率、二維速率以及兩者比值隨時間變化(時間分辨率均為250 μs)。三維速率與二維速率之比范圍為1～4.7,先導(dǎo)的平均三維速率是平均二維速率的1.5倍。由圖7可知,在先導(dǎo)始發(fā)后約10 ms 前,三維速率和二維速率呈相同的變化趨勢,此時速率比也穩(wěn)定在1～2。在先導(dǎo)起始約10 ms 后,其二維速率較小且變化不明顯,10 ms后二維速率的方差僅為10 ms前的48%,而三維速率呈明顯波動,因此對應(yīng)的三維速率與二維速率之比也呈明顯的波動變化。

圖7 FA19014先導(dǎo)三維速率與二維速率及三維速率與二維速率之比隨時間變化Fig.7 3D speed,2D speed and their ratio change with time of FA19014

先導(dǎo)起始10 ms后三維速率與二維速率差異較大。對于廣州塔上行閃電,在利用單站光學(xué)資料進行二維分析時,假設(shè)閃電通道在與觀測視線垂直的廣州塔所在的平面上(即閃電通道上任意一點到觀測點的距離等于廣州塔到觀測點的距離d2),而實際上通道距觀測點1的距離和在空間中發(fā)展方向均在變化。由此推出先導(dǎo)三維速率與二維速率之比的理論計算公式為

(1)

式(1)中,d1,d2和φ分別表示三維通道段與觀測點1的距離、廣州塔與觀測點1的距離以及三維通道段的發(fā)展方向與觀測點1視線方向的夾角。

分析中每個資料對應(yīng)先導(dǎo)250 μs分段內(nèi)的平均結(jié)果,但計算理論值時采用重建通道段所有點三維坐標(biāo)的算術(shù)平均值作為該段通道的特征點,以觀測點1到特征點的距離為d1,連線方向作為視線方向,將三維通道段擬合成空間中的線段并計算其與視線方向之間的夾角φ。本研究個例分析結(jié)果如圖8a所示,速率比實際值與理論值之間具有較強的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為0.7444(達到0.001顯著性水平)。圖8b為速率比實際值和理論值隨時間變化,它們的變化有較好的一致性,且數(shù)值較為接近。速率比樣本與理論值存在差異,是實際分析的先導(dǎo)通道發(fā)展方向不斷變化、先導(dǎo)通道段存在彎曲造成的。理論上,如果所分析先導(dǎo)通道段不彎曲,或時間分辨率足夠精細,則該先導(dǎo)通道段為線段(即沒有彎曲),則采用式(1)得到的三維速率與二維速率之比的理論值與實際完全相等。

圖8 三維速率和二維速率差異(a)三維速率和二維速率之比的實際值與理論值關(guān)系,(b)速率比實際值與理論值隨時間變化,(c)三維閃電通道與觀測點1在空間中的位置對比(灰色通道表示該部分三維速率與二維速率差異較大),(d)d1與φ隨時間變化Fig.8 Differences in velocity between 3D and 2D(a)actual ratio of 3D speed and 2D speed versus theoretical values of ratio,(b)changes of actual and theoretical ratio with time,(c)relative position of 3D reconstruction channel and station-1 in space(grey channel denotes huge difference between 3D and 2D speed),(d)changes of d1 and φ with ime

本文在計算閃電通道的二維長度和速率等特征參數(shù)時,假定每段閃電通道均與觀測點1的視線方向垂直,并以觀測點1至廣州塔的距離代替空間中閃電通道至觀測點1的真實距離。而重建后得到的通道反映閃電在三維空間中的真實形態(tài),實際每段通道在空間中的發(fā)展方向以及這段通道至觀測點1的距離均不同,這是造成三維速率與二維速率差異的原因。圖8c中灰色閃電三維通道對應(yīng)速率比不規(guī)則波動的部分。通道到觀測點1的距離(d1)和與觀測點1視線方向的夾角(φ)隨時間的變化如圖8d所示。可以看到在起始約10 ms內(nèi)先導(dǎo)在高度升高的同時朝靠近觀測點1的方向發(fā)展,約10 ms后發(fā)展的水平方向變?yōu)檫h離觀測點1,因此d1在先導(dǎo)起始10 ms內(nèi)變化很小,而約10 ms后快速增加。且在發(fā)展過程中通道發(fā)展方向與觀測點1視線方向的夾角呈減小趨勢?？傮w上,在先導(dǎo)起始約10 ms前,d1與φ的變化幅度較小,因此三維速率與二維速率差異較小。隨著10 ms后先導(dǎo)水平發(fā)展方向的改變,閃電通道距觀測點1的距離快速增加,同時發(fā)展方向與視線方向的夾角變化幅度較大,三維速率與二維速率之比呈波動趨勢。注意到先導(dǎo)起始10 ms后d1穩(wěn)定增長的同時速率比大值處對應(yīng)的φ很小,認為通道發(fā)展方向與觀測點1視線方向夾角的變化是造成短時間內(nèi)三維速率與二維速率之比波動的主要原因。

3 結(jié)論與討論

本文利用高速攝像和普通攝像的雙站光學(xué)觀測資料、同步電場變化和地閃定位資料,分析2019年4月20日05:12發(fā)生在廣州塔上的一次由附近正地閃引發(fā)的觸發(fā)型上行閃電,得到如下結(jié)論:

1) 重建后三維通道的長度為5.4 km,是用于重建的二維通道長度的1.5倍,三維通道在垂直方向的發(fā)展高度超過4.6 km,水平方向發(fā)展約800 m。

2) 二維速率隨時間和高度均呈先緩慢增大、后快速減小的變化趨勢。五點平滑后(時間分辨率為250 μs)先導(dǎo)二維速率范圍約為1.8×104～4.5×105m·s-1,平均值約為1.8×105m·s-1。相同時間分辨率下,先導(dǎo)三維速率范圍為3.8×104～7.2×105m·s-1,平均值約為2.8×105m·s-1。在先導(dǎo)始發(fā)后10 ms內(nèi),三維速率與二維速率的變化趨勢大致相同,與二維速率分析結(jié)果不同的是,10 ms 后二維速率趨于穩(wěn)定且普遍處于平均值以下,而三維速率隨時間呈明顯的不規(guī)則波動變化。

3) 先導(dǎo)三維速率與二維速率之比范圍為1～4.7(時間分辨率為250 μs),平均值約為1.5。在先導(dǎo)始發(fā)后約10 ms內(nèi),速率比穩(wěn)定于1～2, 10 ms后速率比隨時間呈不規(guī)則波動變化。三維速率與二維速率之比總體變化趨勢取決于先導(dǎo)發(fā)展過程中通道至觀測點的距離,而速率比在短時間內(nèi)波動與通道發(fā)展方向和視線方向的夾角變化有關(guān)。

總體上,本文利用高時空分辨率的觀測資料分析一次較為完整的上行閃電先導(dǎo)發(fā)展過程,得到較精細的分析結(jié)果。利用雙站光學(xué)觀測資料重建三維閃電通道,給出更接近真實閃電時空發(fā)展特性的三維發(fā)展特征并與二維發(fā)展特征進行對比,發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)發(fā)展到一定階段二者差異增大,更加證明了對閃電進行三維分析的重要性。但目前尚無法解釋先導(dǎo)發(fā)展過程中速率快速下降(圖6中10 ms 附近)的原因,今后要進一步分析先導(dǎo)發(fā)展時廣州塔上方雷暴云內(nèi)的電荷分布特征,深入探討影響先導(dǎo)發(fā)展特征的因素。