陳綠文 呂偉濤 張義軍 馬 穎 齊 奇 武 斌

1)(中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所， 廣州 510080)

2)(中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室/雷電物理和防護工程實驗室， 北京 100081)

3)(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)

引 言

利用高建筑物開展雷電特征觀測一直都是大氣電學(xué)領(lǐng)域的重要研究方式。世界上很多國家的研究人員針對不同的高建筑物開展了雷電觀測試驗。通過雷電流直接測量裝置、高速攝像機以及電磁場天線等探測設(shè)備，研究人員獲取了高建筑物雷電的多參量精細化觀測資料，為推進雷電物理以及雷電防護工程技術(shù)的研究提供了珍貴的基礎(chǔ)資料[1-3]。近年，我國科研人員也相繼在廣州、北京等地開展了高建筑物雷電綜合觀測試驗，并取得了一系列重要研究成果[4-13]。

高建筑物雷電綜合觀測試驗雖然可以獲取較為全面的閃電觀測資料，但通常需要投入大量的人力物力，很難大規(guī)模開展。近年，我國多地已經(jīng)建設(shè)了業(yè)務(wù)閃電定位系統(tǒng)，可對大范圍閃電放電的時間、位置、強度和極性等參量進行實時探測，不少人員也嘗試將業(yè)務(wù)閃電定位資料應(yīng)用到高建筑物雷電研究中。如Zhang等[14]利用1999—2015年廣東電網(wǎng)地閃定位系統(tǒng)觀測資料，分析了600 m高的廣州塔對其周圍地閃活動的影響，發(fā)現(xiàn)廣州塔建成后其1 km半徑范圍內(nèi)地閃密度顯著上升，而周圍1～4 km 范圍內(nèi)的地閃活動出現(xiàn)減少。陳綠文等[15]分析了2009—2012年廣州高建筑物雷電觀測試驗中獲取的能確認接地點高度的58次下行負極性地閃的光電同步觀測資料以及相應(yīng)的廣東電網(wǎng)地閃定位系統(tǒng)探測記錄，發(fā)現(xiàn)接地點高于200 m的地閃的首次回擊電流幅值和繼后回擊電流幅值的算術(shù)平均值(幾何平均值)分別為接地點不高于200 m的地閃的1.8(2.1)倍和1.5(1.4)倍。

粵港澳閃電定位系統(tǒng)(Guangdong-Hongkong-Macao Lightning Location System,GHMLLS)經(jīng)過2012年的升級改造后，已成為廣東地區(qū)最主要的業(yè)務(wù)閃電定位系統(tǒng)之一。本文基于2016—2017年廣州高建筑物雷電觀測試驗獲取的地閃個例綜合觀測資料，對粵港澳閃電定位系統(tǒng)的地閃探測性能進行評估，并根據(jù)該定位系統(tǒng)近5年的歷史資料對廣州高建筑物區(qū)域的雷電活動特征進行初步分析。

1 資料和方法

粵港澳閃電定位系統(tǒng)由廣東省、香港、澳門三地氣象部門從2005年開始共同建設(shè)，截至2007年共建成了6個探測子站(采用IMPACT 探頭)。2012年粵港澳閃電定位系統(tǒng)新增11個探測子站[16]。新建設(shè)的探測站采用了Vaisala公司的LS-700X系列探頭，能同時探測地閃和云閃(對云閃的理論探測效率約為40%～50%[17])，從而提高了對珠江三角洲區(qū)域內(nèi)雷電活動的探測能力。2018年粵港澳閃電定位系統(tǒng)采用LS-700X系列探頭全部取代了原有的IMPACT探頭，并新增了兩個子站?；浉郯拈W電定位系統(tǒng)采用時差-方向綜合定位方法，探測參量包括閃電放電的GPS時間、經(jīng)緯度、強度、云閃/地閃識別和極性等。圖1為粵港澳閃電定位系統(tǒng)探測子站的分布，可以看到，廣州高建筑物區(qū)域正處于粵港澳閃電定位站網(wǎng)的中心位置。

廣州高建筑物雷電觀測站(Tall-Object Lightning Observatory in Guangzhou，TOLOG)，始建于2009年，是中國氣象局雷電野外科學(xué)試驗基地的重要組成部分，主要針對廣州珠江新城高建筑物區(qū)域的雷電活動開展觀測試驗。在TOLOG的主觀測站，架設(shè)多臺高速攝像機、快慢電場變化儀以及閃電磁場變化測量儀等閃電光、電、磁多參量同步自動探測設(shè)備。各臺高速攝像機的時間分辨率均不低于1000 幀/s，記錄時間長度為1 ms～1.5 s。電磁場探測信號利用DL-850示波器進行記錄和儲存,采樣率設(shè)為10 MS/s，記錄時間長度不少于1 s。另外，觀測系統(tǒng)的觸發(fā)時間利用精度優(yōu)于50 ns的高精度GPS時鐘系統(tǒng)進行記錄。

為了便于與閃電定位記錄進行確切的比對，高建筑物地閃個例的挑選工作按照以下原則進行：①具有回擊過程，②具有相應(yīng)的高速攝像記錄且回擊通道處于高速攝像機的視野范圍內(nèi)，③具有準確的GPS觸發(fā)時間記錄。

按照以上原則，從2016—2017年期間獲取的TOLOG觀測資料集中共挑選出229次地閃個例，其中包括25次上行負極性閃電、195次下行負極性閃電和9次下行正極性閃電。

與Chen等[18]對廣東電網(wǎng)地閃定位系統(tǒng)的評估方法相類似，本文中地閃個例與相應(yīng)閃電定位記錄的匹配，首先根據(jù)高速攝像和電磁場變化等綜合觀測資料辨認閃電的類型(如分辨屬于上行閃電或下行閃電)，對每次閃電中的回擊事件進行辨識，確定所有回擊事件的GPS時間，然后在閃電定位記錄數(shù)據(jù)庫中按照同時滿足與TOLOG的水平距離不超過30 km(當(dāng)只有兩個站定位時可放寬到50 km)，且與回擊事件的時間偏差不超過100 μs這兩個條件搜索相應(yīng)的閃電定位匹配記錄。

2 粵港澳閃電定位系統(tǒng)探測性能評估

2.1 探測效率

表1為對粵港澳閃電定位系統(tǒng)探測效率的評估結(jié)果。在挑選的229次地閃個例中，粵港澳閃電定位系統(tǒng)共探測到214次，閃電探測效率達到93%。其中，對下行負極性閃電和上行負極性閃電的閃電探測效率均達到95%以上，但對下行正極性閃電的探測效率僅56%。

153次閃電個例的回擊次數(shù)可以確認，共包含481次回擊，粵港澳閃電定位系統(tǒng)探測到其中的449次回擊，回擊探測效率約為93%。需要說明的是，有76次閃電個例由于各種原因未能獲取閃電全過程的高速攝像記錄，無法確認其準確回擊次數(shù)，因此未納入表1中探測到的回擊次數(shù)以及回擊探測效率的統(tǒng)計范圍。

表1 基于2016—2017廣州高建筑物地閃個例的粵港澳閃電定位系統(tǒng)探測效率評估

2.2 定位精度

當(dāng)閃電擊中位于高速攝像機視野內(nèi)高聳建筑物頂端時，其接地點易于辨認，但由于受到地物、雨霧遮擋等因素的影響，也有部分閃電個例的接地點無法確認。

共有208次閃電回擊事件可以辨認出準確的接地點，其中包括51次下行負極性閃電首次回擊、63次下行負極性閃電繼后回擊和94次上行負極性閃電回擊。表1中探測到的5次下行正極性閃電回擊均無法準確辨認其接地點?？傮w上，粵港澳閃電定位系統(tǒng)對下行負極性閃電首次回擊、繼后回擊以及上行閃電回擊的定位誤差的算術(shù)平均值(中值)分別為361 m(188 m)、252 m(167 m)以及294 m(173 m)。

王智敏等[19]和陳綠文等[15]曾對廣州珠江新城區(qū)域閃電回擊特征進行分析，發(fā)現(xiàn)不同高度范圍建筑物上發(fā)生的閃電回擊電磁場的波形和強度均有著明顯的差異。為了分析不同閃電回擊類型以及回擊接地點高度等因素對閃電定位結(jié)果的影響， 這208次閃電回擊被劃分為以下5種類別：T1,下行閃電首次回擊，接地點高度低于200 m(樣本量為11)；T2，下行閃電繼后回擊，接地點高度低于200 m(樣本量為9)；T3，下行閃電首次回擊，接地點高度不低于200 m(樣本量為40)；T4，下行閃電繼后回擊，接地點高度不低于200 m(樣本量為54)；T5，上行閃電回擊，接地點高度均不低于300 m(樣本量為94)。

圖2為T1～T5類閃電回擊定位誤差的箱型圖，可以看到，各類閃電回擊定位誤差的中值均小于200 m ，T2和T3類閃電回擊定位誤差的離散性相對較大，而T1，T4和T5類閃電回擊定位誤差的離散性則相對較小。

T3～T5類回擊中有113次回擊(17次下行閃電首次回擊、13次下行閃電繼后回擊以及83次上行閃電回擊)的接地點位于600 m高的廣州塔頂部。圖3為廣州塔閃電回擊的定位結(jié)果分布(僅顯示廣州塔周圍600 m范圍內(nèi)的定位結(jié)果)。可以看到，廣州塔閃電回擊的定位結(jié)果存在西南方向的系統(tǒng)偏差。將113次廣州塔閃電回擊定位結(jié)果經(jīng)緯度的算術(shù)平均值與廣州塔所在位置進行對比后發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)偏差為偏西約80 m，偏南約100 m。對每條廣州塔回擊定位結(jié)果都進行同樣的系統(tǒng)偏差糾正后，廣州塔下行閃電首次回擊、繼后回擊以及上行閃電回擊的定位誤差算術(shù)平均值(中值)分別從599 m(297 m)、234 m(137 m)和277 m(182 m)降低到563 m(192 m)、185 m(89 m)和225 m(106 m)。

圖2 閃電回擊定位誤差箱型圖

圖3 廣州塔閃電回擊定位結(jié)果分布

2.3 云閃/地閃識別

在挑選出的匹配閃電定位記錄中，除208次閃電回擊事件可以辨認出準確的接地點以外，還有191次閃電回擊事件雖然無法辨認出準確的接地點，但仍可根據(jù)閃電回擊通道的方位以及廣州市區(qū)高建筑物的具體分布情況確認其接地點高度低于200 m。

表2為粵港澳閃電定位系統(tǒng)對不同接地點高度的地閃回擊的云閃/地閃識別結(jié)果。當(dāng)接地點高度低于200 m時，下行負極性閃電首次回擊和繼后回擊被誤判為云閃的概率分別為1%和7%；當(dāng)接地點高度不低于200 m時，下行負極性閃電首次、繼后回擊以及上行負極性閃電回擊被誤判為云閃的概率分別為20%，65%和83%。總體上，較高建筑物上發(fā)生的地閃回擊被粵港澳閃電定位系統(tǒng)誤判為云閃的概率顯著高于低矮建筑物，而且繼后回擊的誤判概率比下行閃電首次回擊的更大。另外，表1中的5次正地閃回擊的接地點位置均無法準確辨識，但粵港澳閃電定位系統(tǒng)均正確地將其識別為地閃。

表2 基于2016—2017廣州高建筑物地閃個例的粵港澳閃電定位系統(tǒng)云閃/地閃識別正確率的評估

3 廣州高建筑物區(qū)域地閃回擊分布特征

3.1 整體分布特征

廣州市高建筑物最為密集的區(qū)域主要位于在從廣州塔到中信廣場的廣州南北向中軸線一帶。該區(qū)域內(nèi)主要高建筑物的分布情況如圖4所示，其中字母A，B，C，D，E分別代表廣州塔(600 m高，2009年建成)、廣州周大福金融中心(530 m高，2014年建成)、廣州國際金融中心(440 m高，2009年建成)、中信廣場(390 m高，1996年建成)和廣晟國際大廈(360 m高，2011年建成)5座高度超過350 m的高建筑物，實心三角、空心三角和交叉號則分別代表高度在300～349 m， 250～299 m以及200～249 m不同范圍內(nèi)的高建筑物。

在使用近5年(2014—2018年)的粵港澳閃電定位歷史資料分析廣州高建筑物區(qū)域的地閃分布特征前，剔除了該資料的正極性云閃記錄?？紤]到強度在0～10 kA的正極性地閃定位記錄很可能是由于閃電定位系統(tǒng)將云閃誤判為正地閃而得到[20]，所以也將其予以剔除。另外，根據(jù)2.3節(jié)的分析，接地點高度不低于200 m的負極性地閃很容易被誤判為云閃，因此，定位資料中保留了負極性云閃記錄。經(jīng)上述處理之后，如果某兩條回擊記錄(無論是地閃或負云閃)的間隔時間不超過0.5 s且定位點距離不超過1 km，則其視為屬于同一次閃電。處理后的粵港澳閃電回擊定位記錄被劃分為以下4類：S1，一次閃電中的第1次回擊(該次閃電中可以僅有1次定位記錄)，被識別為地閃；S2，一次閃電中的繼后回擊，被識別為地閃；S3，一次閃電中的第1次回擊(該次閃電中可以僅有1次定位記錄)，被識別為云閃；S4，一次閃電中的繼后回擊，被識別為云閃。

圖4為2014—2018年廣州高建筑物區(qū)域內(nèi)S1～S4類閃電回擊頻次分布情況?？梢钥吹剑琒1類和S2類閃電回擊主要集中在廣州塔和中信廣場(廣州中軸線高建筑物群的南北兩端)附近。S3類閃電回擊幾乎全部集中在廣州塔附近，S4類閃電回擊則主要集中在廣州塔、廣州周大福金融中心、中信廣場以及位于23.12°N，113.34°E附近的廣發(fā)證券大廈(308 m高，2016年初建成，圖4中標記為F)等高建筑物周圍。從整個區(qū)域看，S3類、S4類閃電回擊幾乎全部集中分布在高建筑物附近，說明這些負極性云閃定位記錄實際是高建筑物地閃回擊，這與2.3節(jié)分析結(jié)果一致。另外，由圖4還可以看到，各高建筑物附近的回擊密度的高值中心總體偏西，這與2.2節(jié)分析的廣州塔閃電回擊定位系統(tǒng)偏差情況基本吻合。

圖4 2014—2018年廣州高建筑物區(qū)域S1(a)、S2(b)、S3(c)和S4(d)類型回擊的頻次分布(網(wǎng)格尺寸100 m×100 m，字母A到E代表高度不低于350 m的建筑，實心三角、空心三角和交叉號分別代表高度在300～349 m， 250～299 m以及200～249 m的建筑)

3.2 孤立高建筑物附近閃電定位記錄特征

建筑物遭受雷擊的類型、次數(shù)及其與建筑物高度的關(guān)系一直是雷電物理和防雷工程中非常關(guān)注的問題[3]。由圖4中可以看到，廣州周大福金融中心(B)、廣州國際金融中心(C)和廣晟國際大廈(E)附近不遠處都有較為密集的高建筑物存在，而廣州塔(A)、中信廣場(D)和廣發(fā)證券大廈(F)3個高建筑物則相對較為孤立。下面利用粵港澳閃電定位資料對這3個不同高度建筑物的雷擊情況進行對比。

吳姍姍等[21]利用2009—2014年的TOLOG光學(xué)觀測資料，發(fā)現(xiàn)廣州塔對附近區(qū)域下行地閃的吸引作用使其附近約1 km范圍內(nèi)未觀測到地閃，可以看到，高建筑物對其周圍的雷電具有較強的“匯集”效應(yīng)。根據(jù)2.2節(jié)的分析，粵港澳閃電定位系統(tǒng)對廣州高建筑物地閃回擊的定位誤差的中值不超過200 m，而且在經(jīng)過系統(tǒng)偏差校正后，定位誤差還會繼續(xù)降低。因此，可以認為廣州塔、中信廣場和廣發(fā)證券大廈等孤立高建筑物附近200 m范圍內(nèi)的閃電定位記錄被附近雷電活動“污染”的概率較小。

考慮到粵港澳閃電定位系統(tǒng)對高建筑物雷電的定位結(jié)果可能存在系統(tǒng)性誤差，采用均值漂移(mean shift)算法[22]對廣州塔、中信廣場和廣發(fā)證券大廈附近的閃電回擊記錄(S1～S4的總和)密度中心進行解算，在算法中將各高建筑物所在的經(jīng)緯度作為位置解算的初始值，跟蹤窗半徑設(shè)置為200 m。圖5為這3個高建筑物附近閃電密度中心周圍200 m和500 m半徑范圍內(nèi)S1～S4類閃電回擊記錄的分布情況，由于廣發(fā)證券大廈于2016年初才建成，所以圖5c中給出的是2016—2018年的結(jié)果。可以直觀地看到，均值漂移算法能較好地識別孤立高建筑物引起的閃電密度高值中心。

表3中列出了3個高建筑物附近閃電定位記錄密度中心周圍200 m范圍內(nèi)以及200～500 m范圍內(nèi)不同類型回擊記錄的年平均次數(shù)?？梢钥吹剑蟛糠值拈W電定位記錄都集中于各高建筑物閃電密度中心周圍200 m半徑范圍以內(nèi)?？傮w上，廣州塔閃電密度中心200 m半徑范圍內(nèi)的年均總回擊次數(shù)約為其余兩個高建筑物的5倍。

圖5 2014—2018年廣州塔(a)、中信廣場(b)和2016—2018年廣發(fā)證券大廈(c)附近閃電密度中心周圍200 m和500 m半徑范圍內(nèi)的定位記錄(實心圓、空心圓、實心倒三角和交叉號分別代表S1，S2，S3，S4類回擊)

表3 廣州塔、中信廣場和廣發(fā)證券大廈附近閃電定位記錄密度中心周圍不同距離范圍內(nèi)年平均回擊次數(shù)對比

需要指出的是，由于廣州塔等3個高建筑物的高度均超過300 m，因此，它們不僅會攔截周圍的下行閃電，還會產(chǎn)生上行閃電[23]。根據(jù)2.3節(jié)的分析，當(dāng)遭受雷擊的建筑物的高度不低于200 m時，對于下行閃電首次回擊，粵港澳閃電定位系統(tǒng)通?？烧_地將其識別為地閃(準確率達到80%以上)，而對于上行閃電回擊則基本上會將其誤判為云閃(誤判率達83%)。因此，可以認為這3個高建筑物附近的S1類和S3類回擊記錄數(shù)量在很大程度上反映了該建筑物上發(fā)生的下行閃電和上行閃電的次數(shù)。由表3可以看到，廣州塔閃電密度中心200 m半徑范圍內(nèi)的S3類回擊次數(shù)大約是S1類回擊次數(shù)的兩倍，而中信廣場和廣發(fā)證券大廈附近S3類回擊次數(shù)不到S1類回擊次數(shù)的1/3。這說明廣州塔上發(fā)生的閃電的主要類型為上行閃電，而中信廣場和廣發(fā)證券大廈上發(fā)生更多的是下行閃電。

現(xiàn)行的國際電工委員會(International Electrotechnical Commission,IEC)62305系列國際防雷標準認為建筑物的年預(yù)計雷擊次數(shù)等于建筑物對周圍雷電的等效截收面積與當(dāng)?shù)仄骄亻W密度的乘積，而高度為H的孤立建筑物的雷電截收面積等于該建筑物周邊外擴至3H寬度后形成的閉合圖形的面積(對于垂直尺度遠大于水平尺度的孤立高聳建筑物，則近似為半徑為3H的圓形)?？梢钥闯?，按照IEC標準的觀點，孤立高建筑物攔截的閃電次數(shù)與其高度的平方近似成正比。廣州塔的高度約為中信廣場和廣發(fā)證券大廈的1.5和2倍，廣州塔閃電密度中心200 m半徑范圍內(nèi)的S1類回擊次數(shù)是其余兩個高建筑物的1.5倍和2倍，而S3類回擊次數(shù)則達到后兩者的10倍以上。這表明高建筑物不同類型(上行或下行)的雷電次數(shù)與建筑物高度的關(guān)系十分復(fù)雜，未必遵循同樣的規(guī)律，還需要更深入研究。

4 結(jié)論與討論

本文根據(jù)2016—2017年TOLOG獲取的地閃觀測資料對粵港澳閃電定位系統(tǒng)的探測性能進行評估，并基于2014—2018年的粵港澳閃電定位系統(tǒng)歷史資料對廣州高建筑物區(qū)域閃電分布特征進行初步分析，結(jié)果表明：

1) 粵港澳閃電定位系統(tǒng)對下行負極性閃電、上行負極性閃電以及下行正極性閃電的閃電探測效率(回擊探測效率)分別為95%(93%)、96%(97%)和56%(56%)。

2) 粵港澳閃電定位系統(tǒng)對下行負極性閃電首次回擊、繼后回擊以及上行負極性閃電回擊的定位誤差平均值(中值)分別為361 m(188 m)、252 m(167 m)以及294 m(173 m)。

3) 當(dāng)接地點高度低于200 m時，粵港澳閃電定位系統(tǒng)對下行負極性閃電首次回擊、繼后回擊的云閃/地閃識別正確率分別為99%(83/84)和93%(117/126)，當(dāng)接地點高度不低于200 m的則分別為80%(33/41)和35%(19/54)，上行負極性閃電回擊的云閃/地閃識別正確率僅為17%(16/94)，在廣州高建筑物區(qū)域的絕大部分負極性云閃定位記錄實際上是高建筑物地閃回擊。

4) 廣州塔(600 m)閃電密度中心200 m半徑范圍內(nèi)年均回擊次數(shù)約為中信廣場(390 m)和廣發(fā)證券大廈(308 m)的5倍，推測廣州塔閃電的主要類型為上行閃電，而中信廣場和廣發(fā)證券大廈則為下行閃電。

總體上，粵港澳閃電定位系統(tǒng)的探測效率和定位精度較好，但對高于200 m的建筑物上發(fā)生的繼后回擊的云閃/地閃識別準確率較低。這可能是由于高建筑物的存在，導(dǎo)致繼后回擊的電磁場波形存在明顯的提前過零特征[24-25]，因此，閃電定位系統(tǒng)易將其誤判為云閃放電。在下一步工作中，通過不斷開展高建筑物雷電觀測試驗，積累更多的觀測樣本，深入分析高建筑物地閃回擊與云閃放電之間的電磁場波形特征差異，為改進閃電定位系統(tǒng)的云閃/地閃識別方法提供更可靠的依據(jù)。