闪电是发生于大气中的一种长距离放电现象，发生于雷云与地物之间的闪电放电称为地闪，往往会直接对人员、建筑物、电气电子设备等造成严重威胁^[1-3]。随着社会经济的发展，高建筑物越来越多，与普通低矮建筑物相比，通常高建筑物上发生雷击的概率更高，所受雷电的威胁也更大。

研究不同高度建筑物上闪电回击特征及其差异，有助于提高对高建筑物雷电物理过程的认识，为探索有效的防雷技术手段提供理论依据。在以往的工作中，人们发现高建筑物相当于在闪电先导通道和大地之间的一段传输线，雷电流在高建筑物上传播时会产生明显的折射、反射等波过程，因此，在同一高建筑物上不同高度测量到的雷电流波形之间存在明显差异^[4-5]。但以前研究人员通常只针对某一个高建筑物开展雷电观测试验，很少对同一地区不同高度建筑物上发生的雷电特征参数进行观测和对比分析。另外，以往观测到的高建筑物上发生的闪电大多为上行闪电，很少观测到下行闪电，而上行闪电的回击过程一般与下行闪电的继后回击过程比较相似，但与下行闪电的首次回击过程之间存在一定差异，所以高建筑物对于首次和继后回击特征参数影响的差异仍不清楚。还有一些研究人员基于快、慢电场变化仪和闪电定位等资料对不同地区的闪电回击特征参数进行统计工作^[6-7]。但这类资料不能提供接闪建筑物的高度信息，所以也很难针对不同高度建筑物上发生的闪电回击特征进行对比分析。

2009年起，中国气象科学研究院针对广州市高建筑物最为密集的珠江新城地区开展高建筑物雷电观测试验，获取了大量击中不同建筑物的下行负极性地闪的光、电、磁、声综合同步观测数据，为分析和对比不同高度建筑物上的下行地闪回击特征参数提供了可靠的基础资料。

本文将根据2009—2012年广州高建筑物雷电观测试验中获取的综合同步观测资料以及相应的广东电网闪电定位资料，对发生在不同高度建筑物上的下行地闪的回击次数、回击间隔时间、回击电流幅值以及回击光强脉冲波形等回击特征参数进行统计和对比分析。

中国气象科学研究院2009年开始在广东省气象局一座高约100 m的建筑物顶部建立了广州高建筑物雷电观测站 (Tall-Object Lightning Observatory in Guangzhou，TOLOG)，对高建筑物上雷电活动及物理过程进行观测分析^[8]。广州高建筑物雷电观测试验的主要观测设备包括闪电连接过程光学观测系统 (Lightning Attachment Process ObservationSystem，简称LAPOS)、数字化高速摄像机、快慢电场变化仪、宽带磁场变化仪、麦克风雷声探测阵列以及高精度GPS时钟等。LAPOS主要由相机、垂直分布的8束水平光纤阵列以及对应的光电转换器及放大器等构成，当相机视野中发生闪电时，闪电通道将通过相机镜头成像到光纤阵面，然后光信号经过光纤传输到光电转换器及放大器后转换为电信号^[9]。数字化高速摄像机采用日本高速相机厂商Photron公司生产的FASTCAM系列高速摄像机，采样率设置为1000 fps以上。慢变化电场仪的时间常数为6 s, 带宽为2 MHz，快变化电场仪的时间常数为2 ms，带宽为5 MHz。磁场天线由75 Ω同轴电缆构成，带宽为100 Hz~0.5 MHz，天线环的面积为30 cm×30 cm。试验中采用时间精度优于50 ns的GPS时钟对计算机和观测设备进行驯服校时，采用响应频率为15~20 kHz的电容式麦克风阵列 (基线为1 m) 探测雷声信号^[10]，观测系统的触发平台以及主要记录设备采用YOKOGAWA DL-750(2012年起升级为DL-850) 高速示波器，采样率设置为10 MHz, 记录长度为1 s。

2009年6月25日—2012年8月13日广州高建筑物雷电观测试验中，可以确认有58次下行自然闪电 (均为负极性，共包含166次回击) 分别击中了25个建筑物。58次自然闪电回击接地点位置的高度在25~600 m范围内，其中，3次低于50 m，31次在90~200 m范围内，24次在300~600 m范围内。图 1给出了被58次闪电击中的25个建筑物的分布情况。表 1给出了各建筑物被闪电击中的次数，表中的建筑物序号对应于图 1中的25个建筑物。本文在分析不同高度建筑物上发生的闪电回击特征差异的时候，根据观测范围内建筑物高度的实际分布情况，并考虑了Bermudez等^[11]对电学意义上的高建筑物的定义，将观测个例划分为接地点高度小于等于200 m以及接地点高度大于200 m两类情况进行对比，这与王智敏等^[12]的方法类似。

图 1

图 1. 58次闪电击中的25个高建筑物平面分布 Fig 1. Distribution of 25 tall structures struck by 58 lightning flashes

表 1

表 1 各建筑物被闪电击中的次数 Table 1 The number of lightning flashes occurring on each tall structure 建筑物序号 建筑物高度/m 闪电次数 1 35 1 2 115 2 3 35 1 4 110 3 5 25 1 6 90 2 7 145 3 8 100 2 9 120 1 10 100 1 11 110 1 12 105 1 13 140 1 14 105 4 15 100 1 16 140 3 17 105 1 18 160 2 19 90 1 20 140 1 21 160 1 22 340 2 23 360 6 24 440 8 25 600 8

表 1 各建筑物被闪电击中的次数 Table 1 The number of lightning flashes occurring on each tall structure

回击次数 (N_s) 指的是一次自然闪电中包含的回击数量。在58个自然闪电个例中, 有55次闪电的N_s可以根据光、电、磁同步观测资料准确确认，由于各种原因 (如当缺少记录时间长度不少于1 s的高速摄像记录时，仅靠电、磁场变化记录不能精确识别发生在1 s内的多次回击是否属于同一次闪电事件)，有3次无法准确识别，没有纳入统计。在能确认N_s的55个自然闪电个例中，接地点高度小于等于200 m的有33次，大于200 m的有22次。图 2给出了两种情况下N_s的概率分布情况。

图 2

图 2. 一次闪电包含回击次数的概率分布 Fig 2. Distribution of the number of strokes per flash

对于接地点高度小于等于200 m的自然闪电，N_s为1~14次，算术平均值大约为3.7次，大约有51%为单回击地闪。对于接地点高度大于200 m的自然闪电，N_s为1~8次，算术平均值大约为2.6次，其中大约有55%为单回击地闪。有3次闪电的接地点高度小于50 m，其N_s分别为1次、1次和6次。总体上，相比于高度小于等于200 m的建筑物，高度大于200 m的建筑物上发生闪电的N_s平均值稍小，差别并不显著。

回击间隔时间 (T_int) 指一次闪电中相邻两次回击发生时刻的时间间隔。在55次能确认N_s的闪电中有25次为多回击自然闪电，可用于分析T_int，接地点高度小于等于200 m的有15次 (共包含95次回击)，其余10次接地点高度均大于200 m (共包含41次回击)。图 3给出了两种情况下T_int的概率分布情况。

图 3

图 3. 回击间隔时间概率分布 Fig 3. Distribution of inter-stroke intervals

对于接地点高度小于等于200 m的多回击自然闪电，T_int为4~392 ms，算术平均值约为95 ms，几何平均值为66 ms。对于接地点高度大于200 m的自然闪电，T_int为11~446 ms，算术平均值约为94 ms，几何平均值为57 ms。接地建筑物高度小于50 m的多回击自然闪电只有1次，共包含6次回击事件，T_int为19~140 ms，算术平均值为53.4 ms。

对于负极性回击，回击电流幅值 (I_peak) 表示一次回击电流波形中的负向最大值。由于自然闪电回击电流难以直接测量，所以本文对I_peak的分析采用广东电网闪电定位系统相应的探测值，根据Chen等^[13]利用2007—2011年广州从化人工触发闪电电流直接测量值对该闪电定位系统电流幅值反演精度的评估结果，该闪电定位系统对I_peak反演结果相对误差的算术平均值和中值分别为16.3%和19.1%。当接地点高度小于等于200 m时，有30次自然闪电的首次回击具有相应的闪电定位记录，I_peak为-320.1~-13.8 kA，算术平均值为-57.9 kA，几何平均值为-43.8 kA。当接地点高度大于200 m时，有24次自然闪电的首次回击具有相应的闪电定位记录，I_peak为-234.8~-31.6 kA，算术平均值为-104.3 kA，几何平均值为-92.9 kA。图 4给出了两种情况下首次回击I_peak的概率分布情况。由图 4可以看出，对于接地点高度小于等于200 m的自然闪电，首次回击I_peak集中分布于-60~-20 kA的区间 (约占总数量的73%)；而对于接地点高度大于200 m的自然闪电，首次回击I_peak绝对值则主要分布在-120~-100 kA的区间 (约占总数量的29%)。

图 4

图 4. 首次回击电流幅值概率分布 Fig 4. Distribution of peak currents of the first strokes

当接地点高度小于等于200 m时，有68次继后回击具有相应的闪电定位记录，I_peak为-98.6~-12.5 kA，算术平均值为-34.1 kA，几何平均值为-30.8 kA。当接地点高度大于200 m时，有32次继后回击具有相应的闪电定位记录，I_peak为-151.4~-12.9 kA，算术平均值为-50.1 kA，几何平均值为-42.6 kA。图 5给出了两种情况下继后回击I_peak的概率分布情况。可以看出，对于接地点高度小于200 m的自然闪电，继后回击I_peak集中分布于-40~-20 kA区间 (约占总数量的51%)；而对于接地点高度大于200 m的自然闪电，继后回击I_peak则主要分布在-60~-40 kA区间 (约占总数量的31%)。

图 5

图 5. 继后回击电流幅值概率分布 Fig 5. Distribution of peak currents of subsequent strokes

波前时间和半峰值时间 (也称半宽时间) 是脉冲波形的两个关键参数，通常波前时间是指脉冲波形从零上升到峰值的时间，半峰值时间是指从零上升到峰值然后下降到峰值的一半的时间。由于实际测量到的脉冲波形在起始和峰值处往往叠加很多振荡，很难确定其真实零点和峰值点，所以在本文中定义闪电回击光强脉冲波形上升期间10%峰值至上升期间90%峰值点的时间为10%~90%波前时间 (T₁)，而将上升期间10%峰值至下降期间50%峰值点的时间定义为10%波前~50%波后半宽时间 (T₂)。图 6通过一次单回击下行地闪的LAPOS的1通道的实测波形对给出了T₁和T₂的示意图，该次闪电发生在2012年5月6日15:55:50(北京时，下同)，接地点位于广州市珠江新城区域高度约为105m的建筑物的顶部 (见图 1中标号为14的建筑物)。在分析回击光强脉冲波形的时候，先对LAPOS各通道波形进行归一化处理后得到各通道波形T₁和T₂的参数值，进行算术平均后得到该次回击的回击光强脉冲波形参数。

图 6

图 6. 回击光强脉冲波形参数示意图 Fig 6. Illustration for wave parameters of luminosity pulse induced by lightning return stroke

图 7给出了首次回击和继后回击光强脉冲波形的T₁及T₂参数值与接地点高度的对比图。共有30次首次回击事件可以根据LAPOS资料分析回击光强脉冲波形参数值。当接地点高度小于等于200 m时，首次回击光强脉冲波形的T₁为1.2~12.5μs，其算术平均值为3.8μs，几何平均值为3.1μs；T₂为7.0~81.0μs，算术平均值为38.1μs，几何平均值为32.5μs (17个样本)。当接地点高度大于200m时，首次回击光强脉冲波形的T₁为6.5~87.5 μs，其算术平均值为28.3 μs，几何平均值为22.7 μs；T₂为68.0~248.5 μs，其算术平均值为119.8 μs，几何平均值为110.5 μs (13个样本)。

图 7

图 7. 回击光强脉冲波形的T1(a) 及T2(b) 与接地点高度对比图 Fig 7. T1(a) and T2(b) of luminosity pulses wave induced by return strokes versus heights of grounding points

共有23次继后回击事件可以根据LAPOS资料分析回击光强脉冲波形参数。当接地点高度小于等于200 m时，继后回击光强脉冲波形的T₁为1.0~5.5 μs，其算术平均值为2.2 μs，几何平均值为2.0 μs；T₂为6.3~140.3 μs，其算术平均值为52.9 μs，几何平均值为35.0 μs (19个样本)。当接地点高度大于200 m时，继后回击光强脉冲波形的T₁为6.0~20.5 μs，其算术平均值为10.1 μs，几何平均值为8.8 μs；T₂为98.5~155.0 μs，其算术平均值为126.5 μs，几何平均值为124.8 μs (4个样本)。

Saba等^[14]分析了巴西南部获取的233个负地闪的高速摄像观测资料，指出约有20%的闪电为单回击，N_s的算术平均值为3.8，T_int的算术平均值约为83 ms。郄秀书等^[15]利用宽带慢天线电场变化仪在中国内陆高原地区观测到大约39.8%的负地闪为单回击闪电，N_s的算术平均值约为3.76，T_int的算术平均值为64.3ms。张义军等^[16]对广州从化负地闪高速摄像观测资料和相应的地面电场变化观测资料进行分析，指出其中有56%为单回击地闪。在广州地区观测到的发生在高建筑物上的负极性下行地闪的N_s和T_int的平均值与上述研究人员的观测结果的差别不大，且接地点高度大于200m和接地点高度小于等于200m两类情况之间也没有明显差异。说明对于下行闪电而言，N_s和T_int主要是受雷电内部电荷结构的影响，而与接闪建筑物高度的关系不大。

Diendorfer等^[17]及Baba等^[18]指出，雷电流在高建筑物上会产生明显的折射、反射等波过程，反射波和入射波叠加会导致电流波最大峰值的增强，从而使回击磁场增强。Lafkovici等^[19]将加拿大CN塔上21次I_peak的直接测量结果和北美闪电定位系统 (NALDN) 的反演结果进行对比，指出NALDN的反演值大约为直接测量值的2.6倍。根据本文2.3节的统计结果，接地点高度大于200m的闪电的首次回击和继后回击的I_peak的平均值均远高于接地点高度小于等于200 m的闪电，说明更高的建筑物对闪电回击电磁场有更大的增强作用。

Hussein^[20]对加拿大CN塔 (绝对高度553m)、美国的帝国大厦 (绝对高度443m) 以及德国的Peissenberg塔 (绝对高度160m) 的雷电流最大陡度的直接测量结果进行对比，指出总体上雷电流最大上升陡度随着接闪建筑物高度的增大而减小。虽然在广州高建筑物雷电观测试验中没有开展雷电流直接测量工作，但通过LAPOS观测到的回击通道的光强变化也可以在一定程度上反映出通道电流的变化情况^[21-22]，根据本文2.4节的统计结果，接地点高度大于200m的闪电的首次回击和继后回击的光强脉冲波形的T₁及T₂均远大于接地点小于等于200m的情况，说明更高的建筑物会导致建筑物顶部之上回击通道中的电流上升陡度更缓以及电流高值持续时间更长。

值得注意的是，根据本文2.3节、2.4节的统计结果，接地点高度大于200 m的自然闪电的首次回击的I_peak，T₁以及T₂的算术平均值 (几何平均值) 分别为接地点高度小于等于200m的自然闪电的1.8(2.1)，7.4(7.4) 和4.6(4.3) 倍，而接地点高度大于200m的自然闪电继后回击的参数值为接地点高度小于等于200m的自然闪电的1.5(1.4)，3.1(3.4) 和2.4(3.6) 倍。即相比于矮建筑物，更高的建筑物对于下行闪电首次回击特征参数的影响比对继后回击的影响更大。相比于矮建筑物，更高的建筑物在首次回击发生之前的下行负先导的作用下，更容易产生尺度更长的上行连接先导^[8]。另外，下行闪电首次回击电流波形与继后回击电流波形之间也存在较大差异，这些都是导致高、矮建筑物上发生的首次回击和继后回击特征参数存在差异的可能原因。

本文根据2009—2012年广州高建筑物雷电观测试验中获取的下行闪电的光电同步观测资料以及相应的广东电网闪电定位资料，对接地点高度小于等于200 m以及接地点高度大于200 m两类下行负极性地闪的回击次数 (N_s)、回击间隔时间 (T_int)、回击电流幅值 (I_peak) 以及回击光强脉冲波形参数 (T₁和T₂) 等进行对比分析，结果表明：

1) 接地点高度小于等于200 m的N_s的算术平均值为3.7次，接地点高度大于200m的N_s的算术平均值为2.6次，两种情况下发生单回击地闪的概率都约为50%。

2) 接地点高度小于等于200 m的T_int的算术平均值和几何平均值分别为95 ms和66 ms；接地点高度大于200m的T_int的算术平均值和几何平均值分别为94 ms和57 ms。

3) 接地点高度小于等于200m的首次回击和继后回击I_peak的算术平均值 (几何平均值) 分别为-57.9kA (-43.8kA) 和-34.1kA (-30.8kA)；接地点高度大于200m的首次回击和继后回击I_peak的算术平均值 (几何平均值) 分别为-104.3 kA (-92.9 kA) 和-50.1 kA (-42.6 kA)。

4) 接地点高度小于200 m的首次回击、继后回击光强脉冲波形参数T₁和T₂的算术平均值 (几何平均值) 分别为3.8 μs (3.1 μs)，38.1 μs (32.5 μs)，2.2 μs (2.0 μs)，52.9 μs (35.0 μs)；接地点高度大于200 m的首次回击、继后回击光强脉冲波形参数T₁和T₂的算术平均值 (几何平均值) 分别为28.3 μs (22.7 μs)，119.2 μs (110.5 μs)，10.1 μs (8.8 μs)，126.5 μs (124.8 μs)。

对于下行闪电而言，闪电的回击次数和回击间隔时间可能主要受雷电内部电荷结构的影响，而与接闪建筑物高度的关系不大。建筑物自身结构的长度、上行连接先导以及回击电流波可能是导致不同高度建筑物之间以及首次回击和继后回击之间特征参数差异的主要原因。今后将继续优化试验方案, 获取更完善的高建筑物闪电光、电、磁、声同步观测资料, 并建立高建筑物回击物理模型，详细分析高建筑物对下行闪电回击特征参数的影响。