雷藝楠 譚涌波 余駿皓 鄭天雪

1)(南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/氣候與環(huán)境變化國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心/中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室， 南京 210044) 2)(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)

引 言

在地閃過(guò)程中，隨著下行先導(dǎo)傳播至地面以上幾十米至上百米距離時(shí)，其分叉的通道頭部產(chǎn)生的局部強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)地面凸起物體影響增加，使其表面一點(diǎn)或多點(diǎn)處的電場(chǎng)增加到超過(guò)空氣擊穿閾值，產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)上行先導(dǎo)(upward leader，UL)，此時(shí)直至下行先導(dǎo)(downward leader，DL)與其中某一UL連接形成回?fù)簦@個(gè)階段稱為連接過(guò)程[1]。與DL連接的UL為上行連接先導(dǎo)(upward connecting leader，UCL)，未連接的為上行未連接先導(dǎo)(unconnected upward leader，UUL)[2]。近地面閃電連接過(guò)程的機(jī)理是雷電物理研究中重要問(wèn)題之一，大量光學(xué)研究表明：在地閃連接過(guò)程中，隨DL傳播，通常不只有一個(gè)UL，而是始發(fā)多個(gè)UL[3-12]，這些UL始發(fā)時(shí)間以及位置不盡相同[6]，DL會(huì)與其中一個(gè)或多個(gè)連接，形成回?fù)暨^(guò)程。隨著高大建筑物群的出現(xiàn)，不同建筑物先后始發(fā)UL的觀測(cè)事實(shí)日益增多[6-14]。當(dāng)不同建筑物始發(fā)多個(gè)UL時(shí)，應(yīng)存在某些決定性因子影響DL的選擇連接，從而決定地閃擊地位置。

觀測(cè)是研究閃電連接過(guò)程的有效手段，且隨著科技進(jìn)步不斷發(fā)展。早在20世紀(jì)30年代，McEachron[3]使用條紋攝像機(jī)首次拍攝到發(fā)生在美國(guó)紐約帝國(guó)大廈的多先導(dǎo)連接過(guò)程，證實(shí)多上行先導(dǎo)的存在。此后許多研究者參與閃電連接過(guò)程觀測(cè)，分析閃電多先導(dǎo)連接過(guò)程中UL的傳播速度、長(zhǎng)度及起始位置[4,7-16]、落雷點(diǎn)分布[17]、連接方式[18]、先導(dǎo)發(fā)展特征[19-20]、電流和磁場(chǎng)特征[5-6,21-24]，如Warner[4]使用高速攝像機(jī)拍攝到發(fā)生在美國(guó)的一次閃電連接過(guò)程的照片，詳細(xì)分析UL的二維速度、長(zhǎng)度等特征。2009年中國(guó)氣象科學(xué)院與廣州熱帶海洋氣象研究所共建廣州高建筑物雷電觀測(cè)站，近年針對(duì)高建筑物閃電連接過(guò)程在先導(dǎo)起始、發(fā)展特征等方面取得了許多成果[8-14,17-19]。盡管已觀測(cè)到DL與后始發(fā)的UL進(jìn)行連接的個(gè)例[9-12]，但由于樣本量少，以及UL初始時(shí)間難以確認(rèn)，并未針對(duì)建筑物群多先導(dǎo)連接情況的多樣化進(jìn)行深入探討，需要在觀測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上輔以模式分析下墊面為建筑物群時(shí)DL選擇UL連接的影響因素。

目前有關(guān)閃電連接過(guò)程模型大多為單先導(dǎo)模型，基于單先導(dǎo)模型的模式研究已取得一些進(jìn)展[25-30]。譚涌波等[29]運(yùn)用近地面二維隨機(jī)模型研究發(fā)現(xiàn)高建筑物對(duì)矮建筑物有屏蔽作用，且存在臨界保護(hù)距離。但多先導(dǎo)連接過(guò)程的存在表明單先導(dǎo)模型對(duì)于新問(wèn)題探討存在局限：?jiǎn)蜗葘?dǎo)模型中無(wú)法再現(xiàn)多先導(dǎo)情況，UL一旦觸發(fā)意味著落雷點(diǎn)基本確定。Arevalo等[31]運(yùn)用物理模型簡(jiǎn)要分析兩個(gè)UL存在時(shí)，會(huì)引起背景電場(chǎng)變化進(jìn)而影響閃電連接過(guò)程。Jiang等[32]采用二維多先導(dǎo)隨機(jī)模型定量探討單一建筑物高度、DL初始位置與建筑物間水平距離對(duì)落雷點(diǎn)分布特征的影響。也有研究學(xué)者運(yùn)用多先導(dǎo)模型模擬出DL與先后始發(fā)UL連接的不同現(xiàn)象[32-33]，但對(duì)于多個(gè)UL觸發(fā)后，DL如何選擇與之連接還缺乏深入研究。本文在余駿皓等[33]工作基礎(chǔ)上，優(yōu)化建筑物群多先導(dǎo)模型，使建筑物能夠始發(fā)多個(gè)UL，利用電場(chǎng)并行計(jì)算技術(shù)提高模擬效率使其更好地滿足三維計(jì)算需求，在改進(jìn)的三維多先導(dǎo)模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行多次地閃模擬，探討多先導(dǎo)情況中連接過(guò)程的多樣性以及影響因素。

1 模式簡(jiǎn)介

余駿皓等[33]建立三維近地面建筑物群多上行先導(dǎo)模型，但其多個(gè)UL通過(guò)各高建筑物分別只始發(fā)一個(gè)UL實(shí)現(xiàn)，這與觀測(cè)事實(shí)[3-12]存在差距。本研究在上述工作基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，允許單個(gè)建筑物始發(fā)多個(gè)UL，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)UL起始、傳播和發(fā)展的模擬。此外，據(jù)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)，下行負(fù)地閃占全部地閃數(shù)量的90%以上[34-35]，本次模擬的是下行負(fù)地閃的近地面連接過(guò)程，相關(guān)參數(shù)的設(shè)置參照下行負(fù)先導(dǎo)和上行正先導(dǎo)發(fā)展特性[25,33,36-37]。本章主要介紹三維多上行先導(dǎo)模型改進(jìn)部分，有關(guān)DL發(fā)展可參考文獻(xiàn)[33]。

1.1 多上行先導(dǎo)的始發(fā)、發(fā)展與連接

觀測(cè)表明：隨著DL的接近，地面建筑物群通常始發(fā)多個(gè)UL[3-12]，這些UL可能來(lái)自同一建筑物，也可能來(lái)自不同建筑物，本文改進(jìn)的模型能夠?qū)崿F(xiàn)單一建筑物始發(fā)多個(gè)UL。本文考慮地面及建筑物各格點(diǎn)始發(fā)UL 的可能性，滿足始發(fā)條件的建筑物格點(diǎn)均可始發(fā)UL，當(dāng)同一建筑物有多個(gè)格點(diǎn)同時(shí)滿足先導(dǎo)始發(fā)條件時(shí)，選取最大電場(chǎng)值處始發(fā)UL，當(dāng)不同建筑物的格點(diǎn)同時(shí)滿足先導(dǎo)始發(fā)條件，則可同時(shí)發(fā)展，每次始發(fā)新的UL后重新求解全域電位，DL每發(fā)展一步也重新求解空間電位分布并搜尋建筑物群及地面是否存在UL始發(fā)點(diǎn)，滿足先導(dǎo)始發(fā)條件則始發(fā)新的UL。

上述搜尋完成后若存在已經(jīng)始發(fā)的UL，則UL開(kāi)始發(fā)展，UL發(fā)展通常不分叉[8-12]，因此，在模型中設(shè)置UL只有頭部可發(fā)展，判斷頭部點(diǎn)與周圍環(huán)境點(diǎn)的電位梯度，若達(dá)到傳播閾值，則將該環(huán)境點(diǎn)視為可能的發(fā)展點(diǎn)，UL的每步發(fā)展在可能的發(fā)展點(diǎn)中隨機(jī)選擇[38]，傳播閾值與先導(dǎo)起始閾值相同，為200 kV·m-1，通道內(nèi)部壓降為500 V·m-1[25, 33,36-37]。DL和UL循環(huán)發(fā)展，存在多個(gè)UL時(shí)，多先導(dǎo)同步發(fā)展。

DL和UL循環(huán)發(fā)展，每次循環(huán)發(fā)展后，計(jì)算DL頭部與UL所有通道點(diǎn)之間的電場(chǎng)值，連接閾值為500 kV·m-1[25,33]，若有達(dá)到連接閾值的情況，則完成連接，結(jié)束本次地閃模擬。

1.2 模擬設(shè)置

本文選取地面上方600 m×600 m×750 m范圍為研究區(qū)域，分辨率為5 m×5 m×5 m。模型中，地面、建筑物群、先導(dǎo)通道以及模擬域上邊界均滿足Dirichlet邊界條件，模擬域的側(cè)邊界滿足Neumann邊界條件。圖1為模型示意圖，模擬域頂部存在一段位置隨機(jī)、長(zhǎng)度為25 m，參考電位為-20 MV的初始下行先導(dǎo)段，由于真實(shí)環(huán)境中建筑物高度存在差異，為了貼近真實(shí)環(huán)境，探討高矮建筑物的存在對(duì)DL選擇連接的影響，在模擬域地面中間設(shè)置高、矮建筑物各1座，P1～P8分別為矮、高建筑物的頂角，高、矮建筑物水平距離為50 m，其中矮建筑物尺寸為50 m×50 m×200 m固定不變，高建筑物底面與矮建筑物相同，高度為210～300 m，間隔10 m遞增，每個(gè)高度下，在模擬域頂部中心300 m×300 m的區(qū)域隨機(jī)選取100個(gè)不同的下行先導(dǎo)段初始位置進(jìn)行地閃模擬，共計(jì)1000個(gè)模擬個(gè)例。

圖1 模型示意圖Fig.1 Model diagram

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬結(jié)果

模擬試驗(yàn)中，將所有個(gè)例分為單UL(圖2a)和多UL兩類?？紤]到單一建筑物允許始發(fā)多UL，也可將多先導(dǎo)個(gè)例分為兩類：只有高建筑物或矮建筑物始發(fā)多UL的單建筑多先導(dǎo)個(gè)例(圖2b)，高建筑物和矮建筑物均始發(fā)UL的多建筑多先導(dǎo)個(gè)例(圖2c)。除此之外，存在少數(shù)先導(dǎo)發(fā)展到邊界的個(gè)例，這些個(gè)例不在統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)。由于建筑物高度差的存在以及已始發(fā)UL對(duì)后繼UL的抑制作用，單UL個(gè)例最多，共計(jì)613次，且集中始發(fā)于高建筑物；單建筑多先導(dǎo)個(gè)例為217次，其中始發(fā)于矮建筑物的6次，均發(fā)生于建筑物高度差小于40 m時(shí)，且DL明顯偏向矮建筑物一側(cè)；多建筑多先導(dǎo)為141次。UL的始發(fā)決定地閃擊地點(diǎn)，而單UL個(gè)例以及單建筑多先導(dǎo)個(gè)例中，建筑物雷擊情況基本確定，只有在多建筑多先導(dǎo)情況下，才存在地閃擊中建筑物不確定情況，因此本文主要探討多建筑多先導(dǎo)情況。單先導(dǎo)、單建筑多先導(dǎo)的連接過(guò)程以及先導(dǎo)發(fā)展到邊界的個(gè)例不在本文討論范圍，以下研究所用數(shù)據(jù)均來(lái)自于多建筑物多先導(dǎo)的141次個(gè)例。

圖2 模擬試驗(yàn)結(jié)果閃電通道圖(a)單先導(dǎo)連接過(guò)程(高、矮建筑物的高度分別為300 m，200 m)，(b)單建筑多先導(dǎo)連接過(guò)程(高、矮建筑物的高度分別為250 m，200 m)，(c)多建筑多先導(dǎo)連接過(guò)程(高、矮建筑物的高度分別為210 m，200 m)Fig.2 Simulation of lightning channel(a)single upward leader attachment process(the heights of high and low buildings are 300 m and 200 m,respectively)，(b)multiple upward leaders attachment process which from the same building(the heights of high and low buildings are 250 m and 200 m,respectively)，(c)multiple upward leaders attachment process which from different building (the heights of high and low buildings are 210 m and 200 m,respectively)

考慮到多個(gè)UL始發(fā)的時(shí)間和位置均不同，對(duì)于本次模擬的個(gè)例，按照高、矮建筑物始發(fā)UL的先后順序，分為矮建筑物先始發(fā)UL和高建筑物先始發(fā)UL兩類。按照高、矮建筑物是否被擊中，分為矮建筑物被擊中和高建筑物被擊中兩類。表1給出上述情況的具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

本研究規(guī)定，若某種情況的概率小于5%，則將其視為極小概率事件?？梢钥吹?，多建筑多先導(dǎo)情況在1000次個(gè)例中僅占14.1%，后續(xù)描述的所有類型的連接過(guò)程在這141次個(gè)例中。由表1可以看到，矮建筑物先始發(fā)UL情況與矮建筑物被擊中的次數(shù)不相等，高建筑物先始發(fā)UL與高建筑物被擊中的次數(shù)也不相等，這說(shuō)明一座建筑物先始發(fā)UL并非一定會(huì)被擊中，即模擬可再現(xiàn)DL與后始發(fā)的UL連接現(xiàn)象[9-12]。隨著高建筑物高度的增加，其優(yōu)先始發(fā)UL情況增加，矮建筑物優(yōu)先始發(fā)UL情況快速減小，當(dāng)高建筑物高于240 m時(shí)，矮建筑物基本不再優(yōu)先始發(fā)UL，這是由于高建筑物對(duì)附近矮建筑物的屏蔽效應(yīng)[29]，隨著高度增加，其頂角的電場(chǎng)畸變效應(yīng)增強(qiáng)[39]，UL更易始發(fā)。在多建筑多先導(dǎo)事件中，矮建筑物被擊中的次數(shù)大于高建筑物被擊中的次數(shù)(1000次模擬試驗(yàn)中，高建筑物被擊中的次數(shù)大于矮建筑物被擊中的次數(shù))，說(shuō)明矮建筑物始發(fā)UL后，被擊中的概率將增加。

表1 多建筑多先導(dǎo)分類統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of multiple buildings with multiple leaders

為了更好地展現(xiàn)矮建筑物上發(fā)生連接過(guò)程的多樣化，從矮建筑物是否先始發(fā)UL和矮建筑物是否被擊中的角度，將其分為4類：矮建筑物優(yōu)先始發(fā)UL且被擊中,矮建筑物優(yōu)先始發(fā)UL但未被擊中,矮建筑物后始發(fā)UL但被擊中,矮建筑物后始發(fā)UL且未被擊中。圖3給出這4類連接過(guò)程在不同高建筑物高度下的數(shù)量統(tǒng)計(jì)。

由圖3可以看到，4類連接過(guò)程發(fā)生數(shù)量隨高建筑物高度增加而減小。矮建筑物優(yōu)先始發(fā)UL且被擊中的次數(shù)隨高建筑物高度增加快速下降，矮建筑物優(yōu)先始發(fā)UL但未被擊中的次數(shù)隨高建筑物高度增加緩慢減小，且次數(shù)不超過(guò)2，可忽略不計(jì)，這說(shuō)明矮建筑物只要能先始發(fā)UL便會(huì)被擊中，這兩類連接過(guò)程在高建筑物高于250 m時(shí)不再發(fā)生。矮建筑物后始發(fā)UL但被擊中的次數(shù)整體略大于矮建筑物后始發(fā)UL且未被擊中的次數(shù)，前者共計(jì)53次，后者共計(jì)50次。由此可知，矮建筑物后始發(fā)UL時(shí)，被擊中概率約為50%，且隨高度差變化有所波動(dòng)。這兩類連接過(guò)程數(shù)量隨高建筑物高度增加整體呈減小趨勢(shì)，當(dāng)高建筑物高于250 m時(shí)，幾乎不再發(fā)生矮建筑物后始發(fā)UL但被擊中的情況，當(dāng)高建筑物高于260 m時(shí)，不再發(fā)生矮建筑物后始發(fā)UL且未被擊中的情況。即當(dāng)高矮建筑物高度差不大時(shí)，矮建筑物能夠優(yōu)先始發(fā)UL并大概率被擊中，隨著高度差的增大，矮建筑物難以優(yōu)先始發(fā)UL，但也存在被擊中的情況，而后始發(fā)UL但被擊中的概率隨建筑物間高度差的增加而減小，當(dāng)高度差超過(guò)某個(gè)閾值時(shí)，矮建筑物后始發(fā)UL也不會(huì)被擊中。模擬結(jié)果顯示：高建筑物對(duì)矮建筑物的影響，一方面是矮建筑物能否始發(fā)UL，另一方面是矮建筑物能否被擊中(高建筑物優(yōu)先始發(fā)UL時(shí)也存在矮建筑物會(huì)被擊中情況)。

圖3 不同類型連接過(guò)程數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig.3 Statistics of different attachment processes

為了更清晰地展示在高建筑物影響下，矮建筑物上始發(fā)UL和被擊中的情況，分別統(tǒng)計(jì)矮建筑物始發(fā)UL、矮建筑物被擊中、矮建筑物優(yōu)先始發(fā)UL且被擊中、矮建筑物后始發(fā)UL但被擊中的概率(此處概率是指某種情況的數(shù)量占100次個(gè)例的比例)。由圖4可知，矮建筑物始發(fā)UL和被擊中的概率均小于40%，且隨著高建筑物高度增加，概率快速減小，當(dāng)高建筑物高于250 m時(shí)，矮建筑物被擊中是極小概率事件，當(dāng)高建筑物高于260 m時(shí)，矮建筑物始發(fā)UL為極小概率事件。矮建筑物始發(fā)UL和被擊中的概率并不相等，這說(shuō)明建筑物始發(fā)UL未必一定被擊中，始發(fā)UL后被擊中的概率整體大于50%(擊中個(gè)例與始發(fā)UL個(gè)例之比)，由此可見(jiàn)，雖然矮建筑物始發(fā)UL是小概率事件，但一旦始發(fā)UL便存在較大概率被擊中。隨高度差增大，矮建筑物優(yōu)先始發(fā)UL且被擊中的概率減小得最快，當(dāng)高建筑物高于250 m時(shí)，概率為0。當(dāng)高建筑物高于250 m時(shí)，矮建筑物被擊中概率與矮建筑物后始發(fā)UL但被擊中概率一致，矮建筑物不再優(yōu)先始發(fā)UL，矮建筑物上的連接過(guò)程均為后始發(fā)UL但被擊中的情況。

圖4 矮建筑物始發(fā)UL以及矮建筑物被擊中的概率隨高建筑物高度變化Fig.4 Probabilities of the low building lightning strike and the upward leaders initiated from the low building

2.2 多建筑多先導(dǎo)連接過(guò)程

圖5為矮建筑物優(yōu)先始發(fā)UL且被擊中個(gè)例(簡(jiǎn)稱個(gè)例0214)的閃電通道變化圖，圖6為矮建筑物后始發(fā)UL但被擊中個(gè)例(簡(jiǎn)稱個(gè)例0412)的閃電通道變化圖，圖7為矮建筑物后始發(fā)UL且未被擊中個(gè)例(簡(jiǎn)稱個(gè)例0511)的閃電通道變化圖。紅點(diǎn)為下行先導(dǎo)段的初始位置，藍(lán)線為DL，圖5～圖7中紅線分別為UL，UUL和UCL并以箭頭標(biāo)注。

圖5 個(gè)例0214的閃電通道變化Fig.5 Variation diagram of lightning channel in Case 0214

續(xù)圖5

圖6 個(gè)例0412的閃電通道變化圖Fig.6 Variation diagram of lightning channel in Case 0412

個(gè)例0214(圖5)中，高、矮建筑物高度分別為210 m和200 m，初始下行先導(dǎo)段在x軸方向上與矮建筑物的距離更近，矮建筑物優(yōu)先始發(fā)UL，隨著DL發(fā)展，高建筑物也始發(fā)了UL，但DL的空間形態(tài)偏向矮建筑物，最終DL與矮建筑物始發(fā)的UL連接形成回?fù)暨^(guò)程。

個(gè)例0412(圖6)中，高、矮建筑物高度分別為230 m和200 m，初始下行先導(dǎo)段在x軸方向上與矮建筑物的距離較近，且DL后續(xù)發(fā)展的分支也偏向矮建筑物，高建筑物優(yōu)先始發(fā)UL，隨著DL發(fā)展，矮建筑物也始發(fā)了UL，但DL發(fā)展的大量分支離矮建筑物始發(fā)的UL更近，最終與其連接形成回?fù)暨^(guò)程。

個(gè)例0511(圖7)中，高、矮建筑物高度分別為240 m和200 m，初始下行先導(dǎo)段在x軸方向上與高建筑物的距離更近，高建筑物優(yōu)先始發(fā)兩個(gè)UL，隨著DL分支向矮建筑物靠近，矮建筑物也始發(fā)了UL，隨著DL發(fā)展，最終與高建筑物上第2個(gè)觸發(fā)的UL連接形成回?fù)暨^(guò)程。

圖7 個(gè)例0511的閃電通道變化圖Fig.7 Variation diagram of lightning channel in Case 0511

圖8為個(gè)例0214、個(gè)例0412和個(gè)例0511連接時(shí)的俯視圖。圖9為個(gè)例0214、個(gè)例0412和個(gè)例0511兩座建筑物頂角電場(chǎng)強(qiáng)度隨先導(dǎo)發(fā)展的變化圖。

如圖8a和圖9a所示，初始下行先導(dǎo)段在x軸方向上與矮建筑物的距離較之與高建筑物近50～150 m。高、矮建筑物內(nèi)側(cè)頂角處電場(chǎng)強(qiáng)度較小，這是由于建筑物間存在相互影響[40]。建筑物間高度差僅為10 m，高建筑物對(duì)矮建筑物外側(cè)頂角處電場(chǎng)強(qiáng)度抑制作用不明顯，DL向矮建筑物發(fā)展，矮建筑物距DL最近的外側(cè)頂角(P1)處電場(chǎng)強(qiáng)度優(yōu)先達(dá)到觸發(fā)閾值，始發(fā)了UL。UL始發(fā)后對(duì)同建筑上其他3個(gè)頂角的電場(chǎng)強(qiáng)度有一定抑制作用，對(duì)P2電場(chǎng)強(qiáng)度抑制作用最強(qiáng)，P1與P7，P8距離最遠(yuǎn)，對(duì)其屏蔽效應(yīng)可忽略不計(jì)。高建筑物外側(cè)頂角距DL較遠(yuǎn)，其頂角處電場(chǎng)畸變效應(yīng)較弱，P8在首個(gè)UL發(fā)展37步后始發(fā)UL。兩個(gè)UL同時(shí)傳播，對(duì)兩個(gè)建筑物其他頂角處電場(chǎng)強(qiáng)度的抑制作用較明顯。DL的空間形態(tài)偏向矮建筑物，UUL僅發(fā)展12步后，DL與UCL連接形成回?fù)暨^(guò)程。

如圖8b和圖9b所示，初始下行先導(dǎo)段在x軸方向上距矮建筑物更近，且DL后續(xù)發(fā)展的分支也偏向矮建筑物，建筑物間高度差為30 m，高建筑物頂角處存在更強(qiáng)的電場(chǎng)畸變效應(yīng)[39]。高建筑物對(duì)矮建筑物內(nèi)側(cè)頂角處電場(chǎng)強(qiáng)度屏蔽作用較強(qiáng)，對(duì)矮建筑物外側(cè)頂角也有一定屏蔽作用，P3，P4處電場(chǎng)強(qiáng)度最低。高建筑物外側(cè)頂角處電場(chǎng)強(qiáng)度率先達(dá)到觸發(fā)閾值(P7)，優(yōu)先始發(fā)UL，始發(fā)后對(duì)P6的電場(chǎng)強(qiáng)度抑制作用最明顯，導(dǎo)致其未能始發(fā)UL，對(duì)同建筑物頂角處電場(chǎng)強(qiáng)度也有一定抑制作用，但對(duì)矮建筑物外側(cè)頂角(P1，P2)的抑制作用可忽略不計(jì)，隨著DL向下延伸，P2處電場(chǎng)強(qiáng)度在首個(gè)UL發(fā)展23步后達(dá)到觸發(fā)閾值并始發(fā)UL。兩個(gè)UL同時(shí)傳播，對(duì)兩個(gè)建筑物的其他頂角處電場(chǎng)強(qiáng)度抑制作用明顯，很難再始發(fā)第3個(gè)UL。在隨后發(fā)展中，DL發(fā)展的大量分支離P2始發(fā)的UL更近，最終與其連接。

圖8 個(gè)例0214(a)、個(gè)例0412(b)和個(gè)例0511(c)連接時(shí)的俯視圖Fig.8 Top views during connection of Case 0214(a)，Case 0412(b) and Case 0511(c)

如圖8c和圖9c所示，初始下行先導(dǎo)段在x軸方向上距高建筑物更近，建筑物間高度差為40 m，矮建筑物內(nèi)側(cè)頂角的電場(chǎng)強(qiáng)度最弱，矮建筑物對(duì)高建筑物內(nèi)側(cè)頂角電場(chǎng)畸變的影響變小，P5處電場(chǎng)強(qiáng)度僅小于P8，高建筑物對(duì)矮建筑物屏蔽作用明顯增強(qiáng)，矮建筑物兩個(gè)內(nèi)側(cè)頂角處電場(chǎng)強(qiáng)度最小，外側(cè)頂角處電場(chǎng)畸變也小于高建筑物內(nèi)側(cè)頂角。高建筑物靠近DL的1個(gè)外側(cè)頂角電場(chǎng)強(qiáng)度優(yōu)先達(dá)到觸發(fā)閾值，始發(fā)UL(P8)。首個(gè)UL始發(fā)后向遠(yuǎn)離高建筑物的方向延伸，除P7外，該UL對(duì)兩個(gè)建筑物其他頂角處的電場(chǎng)抑制作用不明顯，隨著DL繼續(xù)延伸，P5處在首個(gè)UL發(fā)展65步后電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到觸發(fā)閾值，始發(fā)第2個(gè)UL。已始發(fā)的兩個(gè)UL對(duì)建筑物各頂角處的電場(chǎng)均表現(xiàn)出一定抑制作用，但當(dāng)DL的一分支不斷向矮建筑物靠近后，P1處的電場(chǎng)強(qiáng)度在首個(gè)UL發(fā)展112步后達(dá)到觸發(fā)閾值，始發(fā)UL。3個(gè)UL同時(shí)發(fā)展，對(duì)空間中其他頂角處電場(chǎng)強(qiáng)度的抑制作用很強(qiáng)。DL最終與發(fā)展較高、距離最近的UL連接并形成回?fù)暨^(guò)程。

圖9 兩座建筑物頂角電場(chǎng)強(qiáng)度隨先導(dǎo)發(fā)展的變化(a)個(gè)例0211，(b)個(gè)例0412，(c)個(gè)例0511Fig.9 Variation of electric field at buildings top angle with leaders development in Case 0214(a)，Case 0412(b) and Case 0511(c)

DL的空間形態(tài)及其與建筑物的水平距離、建筑物間的高度差以及相對(duì)位置均會(huì)影響建筑物上的閃電連接過(guò)程[29-30,32]。上述3次個(gè)例均顯示DL與UCL距離更近。在模式中，DL與UL通道間的電位梯度是判斷連接與否的決定性條件，不論是UL還是DL內(nèi)部電位均相對(duì)固定，因此通道格點(diǎn)間的距離基本決定了連接過(guò)程。距離是一種外在表現(xiàn)形式，受多種因子影響，如下行先導(dǎo)段的初始位置、后續(xù)分支的空間形態(tài)分布和建筑物間的高度差等。建筑物間的高度差是影響閃電連接過(guò)程的主要因子，當(dāng)建筑物間高度差不大時(shí)，高建筑物對(duì)矮建筑物的屏蔽效應(yīng)不明顯(尤其是對(duì)矮建筑物外側(cè)頂角處的電場(chǎng)強(qiáng)度)，矮建筑物外側(cè)頂角處的電場(chǎng)強(qiáng)度在DL空間形態(tài)偏向矮建筑物時(shí)優(yōu)先達(dá)到觸發(fā)閾值，始發(fā)UL，被擊中概率大；隨著建筑物間高度差的增加，高建筑物對(duì)矮建筑物的屏蔽效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，高建筑物的外側(cè)頂角通常優(yōu)先始發(fā)UL(通常是靠近DL一側(cè)的頂角)，若DL通道明顯偏向矮建筑物并不斷向其靠近，矮建筑物有可能后始發(fā)UL，并有一定概率與DL連接形成回?fù)暨^(guò)程；當(dāng)建筑物間高度差超過(guò)某個(gè)閾值后，高建筑物對(duì)矮建筑物的屏蔽效應(yīng)較強(qiáng)，此時(shí)DL的空間形態(tài)和相對(duì)位置對(duì)閃電連接過(guò)程的影響可忽略不計(jì)，矮建筑物既不會(huì)始發(fā)UL，也不會(huì)被擊中。

UL一旦觸發(fā)，對(duì)周圍頂角處的電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生一定抑制作用，這種抑制作用與UL數(shù)量以及UL與頂角的距離有關(guān)(UL與頂角的距離既可以指始發(fā)UL的頂角與其他頂角的水平距離，也可以指UL與其他頂角的三維距離)。UL數(shù)量越多，抑制作用越大，始發(fā)UL的頂角與其他頂角的水平距離越近，抑制作用越明顯，隨著UL發(fā)展，若UL的空間形態(tài)逐漸偏向某一頂角，這種抑制作用也會(huì)加強(qiáng)。

3 結(jié)論與討論

運(yùn)用改進(jìn)后的三維多先導(dǎo)模型進(jìn)行下行先導(dǎo)段初始位置隨機(jī)的地閃模擬，模型設(shè)置兩座建筑物并改變其中一座建筑物的高度，著重討論多建筑多先導(dǎo)過(guò)程，得到如下結(jié)論：

1) 矮建筑物上始發(fā)UL的概率較小，一旦始發(fā)UL則被擊中的概率較大。在多建筑多先導(dǎo)事件中，隨著建筑物間高度差的變化，可分為4類：矮建筑物優(yōu)先始發(fā)UL且被擊中，矮建筑物優(yōu)先始發(fā)UL但未被擊中，矮建筑物后始發(fā)UL且被擊中，矮建筑物后始發(fā)UL但未被擊中。

2) 建筑物間高度差是影響閃電連接過(guò)程的主要因子。當(dāng)建筑物間高度差不大時(shí)，若DL通道偏向矮建筑物，矮建筑物可優(yōu)先始發(fā)UL，被擊中概率大；隨著建筑物間高度差的增加，在DL通道明顯偏向矮建筑物并不斷向其靠近的情況下，矮建筑物有可能后始發(fā)UL，并有一定概率與DL連接形成回?fù)暨^(guò)程；當(dāng)建筑物間高度差超過(guò)某個(gè)閾值后，DL的空間形態(tài)對(duì)閃電連接過(guò)程幾乎沒(méi)有影響，矮建筑物既不會(huì)始發(fā)UL，也不會(huì)被擊中。

3) 在多先導(dǎo)過(guò)程中，UL始發(fā)有先后順序，也會(huì)影響連接過(guò)程。UL始發(fā)后對(duì)周圍頂角的電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生一定抑制作用，這種抑制作用與UL的數(shù)量以及始發(fā)UL的頂角與其他頂角的水平距離有關(guān)，UL數(shù)量越多，抑制作用越大，水平距離越小，抑制作用越明顯，除此之外，隨著UL發(fā)展，若UL與某一頂角的三維距離逐漸減小，這種抑制作用也會(huì)加強(qiáng)。

本文結(jié)論僅限于所設(shè)置的空間配置，其他空間配置有待深入研究。在今后工作中，提高分辨率以更加精細(xì)化地模擬閃電的連接過(guò)程，并設(shè)置形狀更為復(fù)雜的建筑物，或設(shè)置多座建筑物(不同高度、不同水平距離、不同頂部形狀)討論下墊面為建筑物群時(shí)閃電連接過(guò)程；擴(kuò)大模擬區(qū)域，減少邊界對(duì)模擬地閃連接過(guò)程的影響。另外，可基于目前工作，定量探討影響建筑物始發(fā)單先導(dǎo)、多先導(dǎo)的決定性因子，以及多先導(dǎo)過(guò)程中影響落雷點(diǎn)位置分布的決定性因子，為建筑物防雷提供參考。