廣州高建筑物雷電回擊光脈沖特征分析

黃曉磊，呂偉濤，武斌，孫秀斌，馬穎，陳綠文，齊奇，劉恒毅

(1.中國氣象科學研究院災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；2.成都信息工程大學，四川 成都610225；3.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣東 廣州510641)

1 引言

閃電放電過程中可釋放大量的聲、光、電、磁信號，通常我們利用閃電電磁信號來對閃電進行監測定位，通過分析閃電定位數據和其他氣象探測數據，許多研究人員對閃電活動分布特征和閃電預警預報方法開展了研究[1-3]。對閃電光信號開展測量和分析，也是研究閃電放電物理特征的一種重要手段。長期以來，眾多專家學者對閃電光信號進行了大量的研究工作，最常用的觀測方法大致可分為兩種：第一種是采用單個或多個光電二極管搭配相應放大濾波電路，利用光電效應將閃電光信號轉化為電信號并進行記錄；第二種是采用膠片或數字感光面陣攝像的方式，記錄閃電過程的光學圖像。

在1960—1990年代，各種光電傳感器開始應用于閃電探測[4-5]。1965年，Krider[4]利用硅光電二極管和示波器記錄設備，開始了對閃電光脈沖信號的研究。1982年，Guo等[6]在佛羅里達利用光電傳感器測量分析了閃電光脈沖信號特征，發現首次回擊峰值能量（（2.3±1.8）×109W）明顯大于繼后回擊峰值能量（（4.8±3.6）×108W），23個繼后回擊光脈沖的特征寬度范圍為103～235μs，其平均值和偏差為158±33μs。1984年，Ganesh等[7]通過使用光電倍增管以及狹縫組件，對98次閃電回擊事件進行了特征分析，其觀測距離在10～40 km，得到73次首次回擊和70次繼后回擊光脈沖10%～90%上升時間數值范圍在1～60μs。1990年，Yokoyama等[8]基于高速光電探測陣列開發了一套閃電發展特征自動觀測系統（Automatic Lightning Processing Feature Observation System，簡 稱ALPS），對研究閃電先導發展、連接以及回擊過程起到了重要作用。1999年，Chen等[9]利用0.1μs時間分辨率的ALPS對閃電先導光脈沖進行了分析，通過對兩次下行梯級先導進行觀測，表明梯級先導開始于一系列尖銳脈沖信號，之后便是一段上升緩慢，持續時間較長的連續發光現象。2004年，Wang[10]使用改進后的ALPS對四次閃電回擊事件進行了分析，發現200 m高度以下的回擊通道中繼后回擊光脈沖波形10%～90%上升時間隨高度增加，但其峰值隨高度減小。2011年，Wang等[11]研發了閃電連接過程光學觀測系統（Lightning Attachment Process Observation System，簡 稱LAPOS），并在佛羅里達州進行了閃電近距離觀測，通過使用多個通道的亮度數據，對閃電先導的發展特征進行了精細化研究。

在閃電光學成像方面，1935年Schonland等[12]利用時間分辨率為600 ns的Boys相機對閃電負梯級先導發展過程進行了觀測，分析得到梯級先導長度在10～200 m范圍內，梯級間歇時間為40～100μs，其二維發展速度約為3.8×105m/s。1967年，Berger[13]利用改進后的Boys相機，記錄到了閃電負梯級先導長度為3～17 m，梯級間隔時間為29～47μs，二維先導發展速度為0.9×105～4.4×105m/s。1982年，Orvile等[14]根據條紋相機的觀測結果，分析了閃電梯級先導、直竄先導和直竄-梯級先導的發光特征及其差異。1983年，Jordan等[15]使用特定光譜（0.3～0.6μm）的膠片相機對閃電回擊過程進行了觀測，并與Guo等[6]利用光電傳感器得到的回擊光脈沖數據進行了比較。近年來，數字化高速攝像機在閃電觀測研究中得到了越來越廣泛的應用[16-18]，研究人員獲取了更豐富的閃電先導發展和連接過程的精細化觀測資料，對閃電放電過程的科學認識也不斷得到深化。

隨著城市化進程的加快，現代城市中出現了越來越多的高大建筑物，有研究表明大城市建設、人類活動氣溶膠排放和高建筑物均會影響局地區域的地閃分布[19-21]，而且高建筑物因自身的阻抗與接地阻抗、雷電通道阻抗不一樣，會導致雷電過程中電流波在高建筑物頂部和底部存在反射現象，因此高建筑物也會對閃電回擊的光脈沖特征參量產生一定的影響。為探究高建筑區域閃電光脈沖的特征，本文根據2016—2019年廣州高建筑物雷電觀測站（Tall-Object Lightning Observatory in Guangzhou，簡稱TOLOG）獲取的地閃光脈沖信號觀測數據，結合閃電快慢天線數據及光學觀測資料，對高建筑區域下行閃電首次回擊、下行閃電繼后回擊以及上行閃電繼后回擊光脈沖的特征進行深入對比和分析。

2 觀測設備和方法

本文所分析的地閃光脈沖信號來自廣州高建筑物雷電觀測站安裝的閃電連接過程光學觀測系統（LAPOS）的觀測記錄數據。LAPOS由相機部分和8束水平光纖陣列及光電轉換放大電路組成[11]。廣州高建筑物雷電觀測站同時架設了兩臺靈敏度不同的LAPOS，其中LAPOS-A靈敏度相對較低，側重于觀測閃電回擊所引起的亮度變化，而LAPOS-B靈敏度相對較高，側重于觀測閃電先導所引起的亮度變化[22]。為避免視野變動對分析結果的影響，本研究選擇分析的時間段內LAPOS的安裝位置、仰角設置是固定的，圖1給出了每個LAPOS的8個通道的探測視野范圍示意圖。LAPOS-A和LAPOS-B共16個通道的輸出利用一臺DL850示波器進行同步記錄，采樣率為10 MS/s，記錄時間長度為1 s。本文所分析的LAPOS數據主要來自LAPOS-B的1通道（LAPOS-B1）的觀測結果，如果LAPOS-B1飽和，則采用LAPOS-A1通道數據進行代替。

圖1 LAPOS觀測視野示意圖

TOLOG利用了多臺高速攝像機對閃電先導及回擊過程進行觀測。在分析LAPOS數據時，本文采用以下高速攝像資料作為輔助：1臺SAZ高速攝像機（HC-1）[23]，其幀率為20000 fps，鏡頭焦距14 mm，像素1024×1024，記錄長度0.05 s；1臺SA3攝像機（HC-3），其幀率為1000 fps，鏡頭焦距8 mm，像素為1024×1024，記錄時間長度為1.65 s。另外，TOLOG還使用了多套不同參數的快慢天線進行電場測量，以便對閃電事件進行光電同步分析。

結合高速攝像觀測結果，我們對2016—2019年廣州高建筑物雷電觀測站獲得的觀測個例進行了初步分析，剔除了回擊主通道位于LAPOS觀測視野之外或回擊通道被雨霧嚴重遮擋的個例，共篩選出88例負地閃事件（21例下行多回擊閃電，15例上行多回擊閃電，39例下行單回擊閃電和13例上行單回擊閃電）。在這88例負地閃中，共有184次回擊（60次下行閃電首次回擊、58次下行閃電繼后回擊和66次上行閃電繼后回擊）的LAPOS數據適用于本文的分析，部分繼后回擊因為光脈沖信號太弱導致LAPOS記錄信噪比比較低而未納入統計。篩選出來的所有回擊事件均有高速攝像觀測資料，回擊主通道均位于高速攝像視野范圍內，并且清晰可見。

3 回擊光脈沖特征綜合分析

從地閃放電物理過程的角度大致可以將閃電回擊光脈沖分為三個階段：第一階段為回擊前的先導階段，這個階段閃電通道亮度幅值較小，有時會存在多次小的光脈沖（對應先導的梯級）；第二階段為回擊階段，此階段閃電通道亮度陡然增強，通常為幅值較大的單次光脈沖，該過程常被用作觀測設備的觸發信號，也是本文重點統計的部分；第三個階段為擊后階段，常表現為閃電通道亮度逐漸減弱，有時也會出現一些變化較緩的脈沖（對應回擊之后的M分量等過程）。圖2給出了一次典型閃電回擊光脈沖完整波形及其階段劃分情況。

圖2 閃電光脈沖示意圖

3.1 回擊光脈沖波形特征參量分析方法

上升時間和半峰寬度是脈沖波形的關鍵特征參數，本文主要針對脈沖波形上升期間峰值10%到峰值90%的時間（T1）、峰值20%到峰值80%的時間（T2）以及波形上升期間峰值50%到波形下降期間峰值50%（即為半峰寬度T3）三個特征參量進行統計分析，圖3通過一次回擊光脈沖實測波形給出了T1、T2和T3的定義示意圖。

圖3 回擊光脈沖波形參數圖

先導階段和擊后階段的光信號變化有時可對回擊光脈沖特征參量的辨識造成干擾，因此需要進行相應的預處理，以避免回擊光脈沖波形特征參量統計結果出現重大誤差。

3.1.1 先導階段

在回擊光脈沖出現之前有一段緩慢的光信號前沿上升階段，從高速攝像觀測資料中可以看到該階段為閃電先導通道進入LAPOS探測范圍直到回擊發生之前，該階段主要由先導通道發展及其亮度變化所產生，圖4給出了2017年6月16日一次上行閃電過程中繼后回擊前的直竄先導的HC-1攝像記錄。回擊發生在圖4i中，大約從-400 μs開始，直竄先導開始進入HC-1的視野，然后逐漸發展，直到大約-100μs以后開始進入LAPOS視野范圍。

圖5給出了該次上行負地閃繼后回擊發生前后的快電場變化和LAPOS的同步測量結果。在-100μs之前，光強信號變化較為微弱，從大約-50μs開始，光強信號先是快速上升，然后維持相對穩定的幅值直到回擊發生，結合圖4可以看出，此階段的光強變化主要由直竄先導引起，屬于先導階段。回擊從大約0μs開始發生，光強在先導階段的基礎上進一步陡然躍升，本文重點分析回擊階段的光脈沖波形特征參量，先導部分引起的光變化量不計入回擊光脈沖波形統計之中，因此先對回擊波形數據整體減去了先導階段引起的光強抬升量再進行歸一化處理。

圖4 閃電先導階段高速攝像記錄示例

3.1.2 擊后階段

在擊后階段，大部分回擊通道的亮度呈現出類似于圖5b的單調下降趨勢（117/184，64%），但閃電回擊光脈沖首峰發生后有時候也會出現通道再次發亮的情況。當擊后階段的光脈沖與回擊階段的光脈沖相隔較近時，可導致回擊光脈沖的半峰寬度計算出現偏差，因此需要引入相應的處理方法。閃電回擊光脈沖出現之后，在其下降的過程中，再次出現光脈沖信號，會導致回擊光脈沖出現“疊加”狀態，下面分為兩種情況進行討論。

圖5 一次上行負地閃回擊的電場變化（a）和亮度變化（b）

(1)當回擊階段光脈沖下降至其峰值50%以后，出現擊后階段光脈沖(圖6a)，此時擊后階段的光脈沖不會對回擊光脈沖半峰寬度的計算造成偏差，可以直接利用波形上升期間峰值50%到波形下降期間峰值50%計算回擊光脈沖信號的半峰寬度。有45次回擊光脈沖波形與圖6a類似，約占總體數據24%。結合電場變化波形，可知此種情況是回擊后的M分量導致的亮度變化。

(2)當回擊階段光脈沖出現明顯下降，但尚未下降至其峰值50%，此時出現擊后階段光脈沖(圖6b)，取回擊光脈沖峰值點與擊后階段光脈沖上升時刻起始點作一條直線，該直線與波形上升期間峰值50%交于一點，用該點估算半峰寬度。有22次回擊光脈沖波形與圖6b類似，約占總體數據12%。結合電場變化波形，可知此種情況也是回擊后的M分量導致的亮度變化，只是M分量和回擊的時間間隔較短。

圖6 不同類型擊后階段光脈沖

3.2 回擊光脈沖波形數據統計

本文針對下行閃電首次回擊、下行閃電繼后回擊、上行閃電繼后回擊分別進行了統計。

圖7a給出了2016年5月29日一次下行負極性多回擊地閃的快慢電場及光脈沖信號的同步觀測結果。結合高速攝像資料，確認了R1為該次下行閃電的首次回擊，R2～R4為繼后回擊。

圖7b給出了首次回擊R1放大后的電場變化和光脈沖波形，可以看到在首次回擊發生之前的梯級先導發展階段，閃電通道亮度呈現緩慢上升特征。

圖7c為繼后回擊R2放大圖，在繼后回擊發生之前的直竄先導發展階段，閃電通道亮度呈現先快速上升，然后維持相對穩定幅值的特征。

圖7 下行負地閃電場變化和亮度變化

3.2.1 下行閃電首次回擊

在本文分析的數據中，共包含60次下行閃電首次回擊過程，統計結果表明，首次回擊光脈沖T1范圍在6.5～82.0μs，其算術平均值/幾何平均值為32.5/28.5μs，T2范圍在4.2～53.0μs，其算術平均值/幾何平均值為22.6/19.7μs，T3范圍在44.1～298.0 μs，其算術平均值/幾何平均值為131.1/119.6μs。

陳綠文等[24]統計了2009—2012年不同高度建筑物下行地閃回擊的光脈沖數據，發現接地點高度大于200 m的13次首次回擊光脈沖10%～90%波前時間平均值為28.3μs，10%波前～50%波后時間的平均值為119.8μs，接地點高度小于200 m的17次首次回擊光脈沖10%～90%波前時間平均值為3.8μs，10%波前～50%波后時間平均值為38.1μs。本文數據統計的60次下行閃電首次回擊沒有對接地點位置及其高度進行分類統計，研究對象為整個廣州高建筑物雷電觀測站所觀測到的回擊光脈沖事件，其波形統計結果與陳綠文等[24]觀測到的接地點高度大于200 m的首次回擊光脈沖比較接近。

3.2.2 下行閃電繼后回擊

對58次下行閃電繼后回擊過程的統計表明：繼后回擊光脈沖T1范圍在4.7～106.1μs，其算術平均值/幾何平均值為30.4/27.4μs，T2范圍在3.2～70.7μs，其算術平均值/幾何平均值為19.5/17.1 μs，T3范圍在40.7～265.7μs，其算術平均值/幾何平均值為153.6/146.8μs。與首次回擊相比，下行閃電繼后回擊光脈沖波形上升時間更小，下行閃電繼后回擊半峰寬度更大。

58次下行閃電繼后回擊來自21例下行負極性多回擊地閃。分別對各次多回擊地閃事件中首次回擊和繼后回擊的光脈沖峰值大小進行了對比，發現有14%多回擊地閃存在繼后回擊光脈沖峰值大于首次回擊的情況。各次回擊光脈沖之間的間隔時間在12.6～368.6 ms范圍之內，其算術平均值/幾何平均值為78.3/60.5 ms。張義軍等[25]利用電場變化信號對2006—2011年廣州從化地區419次多回擊地閃的回擊間隔時間進行了分析，發現約70%回擊間隔時間小于100 ms，最大值約為500 ms。王智敏等[26]利用磁場信號統計了2011—2012年廣州地區200 m以上建筑物地閃回擊間隔時間，發現其范圍在12.6～444.7 ms之間，幾何平均值為65.0 ms；200 m以下建筑物地閃回擊間隔時間在4.5～473.4 ms之間，幾何平均值為71.5 ms。可以看出，本文利用光脈沖信號統計得到的回擊間隔時間與以往根據閃電電磁信號得到的結果大體一致。

3.2.3 上行閃電繼后回擊

高大建筑物在雷暴天氣過程中容易引發上行閃電，至今為止，廣州高建筑雷電觀測站已經積累了較為豐富的上行閃電觀測資料[27]。上行閃電無首次回擊，上行負地閃高速攝像數據示例見圖4，其繼后回擊發生時刻的電場變化及亮度變化見圖5。

在本文的分析數據中，共包含66次上行閃電繼后回擊過程，其接地點都在廣州塔（高600 m）頂部。分析結果表明：上行閃電繼后回擊光脈沖T1范圍在11.1～66.5μs之間，其算術平均值/幾何平均值為27.5/25.8μs，T2范圍在4.5～41.5μs之間，其算術平均值/幾何平均值為17.0/15.0μs，T3范圍在83.3～225.3μs之間，其算術/幾何平均值為132.2/129.0μs。

3.2.4 回擊光脈沖波形特征參量統計

通過對184次回擊事件進行分類統計，得到了60次下行閃電首次回擊、58次下行閃電繼后回擊和66次上行閃電繼后回擊上升時間以及半峰寬度，表1匯總給出了三種地閃回擊光脈沖波形特征參量的統計結果，圖8給出相應的箱線圖，箱體上、下端分別對應數據的上四分位數q3和下四分位數q1，箱體中的(+)號和橫線分別表示其算術平均值和中位數，異常值上，下截斷點分別為q3+1.5(q3-q1)和q1-1.5(q3-q1)，箱線圖上，下邊緣短線分別對應去掉異常值后樣本數據中的最大值和最小值，藍綠紅線分別代表下行閃電首次回擊、下行閃電繼后回擊、上行閃電繼后回擊。

表1 三種回擊光脈沖波形特征參量統計結果匯總

圖8 回擊光脈沖波形特征參量箱線圖

從表1和圖8可以看出，下行閃電首次回擊的光脈沖上升時間（包括T1和T2）最大，下行閃電繼后回擊次之，上行閃電繼后回擊最小。下行閃電繼后回擊的半峰寬度T3比其他兩種地閃回擊更大。另外，下行閃電首次回擊的離散性相對較大，這可能是由于首次回擊前梯級先導具有豐富的分叉，這些先導分叉參與回擊放電和發光過程后，導致了光脈沖波形的離散程度更大。

4 討 論

Quick等[28]在2013年統計了云對地閃電的光輻射波形特征，發現負極性下行地閃首次回擊光輻射波形特征寬度的中值為229μs，而繼后回擊（沿著首次回擊通道）的波形特征寬度的中值為283μs。本文觀測到的下行閃電繼后回擊半峰寬度比首次回擊更大的結果與Quick等的分析結果是一致的。另外，根據以往的研究結果[29-30]，回擊電流和光脈沖的上升波頭時間較為一致，但是在峰后下降階段，兩者波形差異較大，光脈沖往往比電流脈沖下降更快速。我們推測首次回擊電流一般比繼后回擊更大，可能更容易形成峰值更大、但半寬相對更窄的光脈沖波形。

值得指出的是，回擊光脈沖的上升時間、半峰寬度等特征參量可能受到觀測距離大小、接地點高度以及光學傳播等多種因素的影響。本文的分析數據主要來自廣州高建筑物，研究區域地閃個例觀測距離可遠達數千米，高建筑物對閃電回擊通道中電流的折射、反射效應可導致光脈沖波形產生明顯的延展。這些綜合因素可能導致了本文得到的高建筑物雷電回擊光脈沖上升時間比以往對近距離的人工觸發閃電或接地點較矮的自然閃電的觀測結果更大。

本文分析的上行閃電繼后回擊個例發生在廣州塔頂部，恰好對應于LAPOS視野中心位置。對于擊中普通低矮建筑的下行閃電繼后回擊，LAPOS視野觀測區域是其接地點以上數百米乃至上千米的一段通道，由于回擊脈沖在向上傳輸過程中不斷衰減，波頭時間和半峰寬度也隨著增大。我們推測這是造成本文觀測到的下行閃電繼后回擊光脈沖半峰寬度比上行閃電繼后回擊更大的可能原因。

大部分地閃事件中，首次回擊的光脈沖峰值要大于繼后回擊。但是我們發現繼后回擊前的直竄先導可產生較為明顯的光脈沖變化，首次回擊前的梯級先導引起的光強變化相對較小，其原因可能是梯級先導發展速度較為緩慢，其發光強度也弱于直竄先導。

另外，在分析回擊階段光脈沖波形特征時，我們也發現了極少數回擊的光脈沖未表現出單峰值脈沖波形，而是以多峰的形式“疊加”在一起，難以定量給出其脈沖波形特征參數，因此未納入本文的統計。關于這類多峰“疊加”光脈沖波形的成因，還需要積累更多的數據以進一步分析。

5 總 結

本文對2016—2019年廣州高建筑物雷電觀測站所獲得的88例負地閃事件（包含184次回擊過程）的回擊光脈沖波形數據進行了統計分析，得到如下結論。

(1)下行閃電首次回擊（N=60）光脈沖10%～90%上升時間T1算術平均值/幾何平均值/中值為32.5/28.5/31.4μs，20%～80%上升時間T2算術平均值/幾何平均值/中值為22.6/19.7/22.4μs，半峰寬度T3算術平均值/幾何平均值/中值為131.1/119.6/117.0μs。

(2)下行閃電繼后回擊（N=58）光脈沖T1算術平均值/幾何平均值/中值為30.4/27.4/27.7μs，T2算術平均值/幾何平均值/中值為19.5/17.1/17.6μs，T3算術平均值/幾何平均值/中值為153.6/146.8/142.6 μs。

(3)上行閃電繼后回擊（N=66）光脈沖T1算術平均值/幾何平均值/中值為27.5/25.8/24.3μs，T2算術平均值/幾何平均值/中值為17.0/15.0/15.7μs，T3算術平均值/幾何平均值/中值為132.2/129.0/124.5 μs。

(4)21例下行多回擊負地閃事件中，光脈沖回擊間隔時間在12.6～368.6 ms范圍之間，算術平均值/幾何平均值/中值為78.3/60.5/63.5 ms，有14%閃電事件存在繼后回擊光脈沖峰值大于首次回擊的情況。

本文基于廣州高建筑物雷電觀測站獲取到的光脈沖波形數據，統計得到了高建筑區域雷電回擊光脈沖的特征參量，下一步研究中將對回擊光脈沖特征造成影響的因素進行細致分析，對不同距離、不同接地點高度、不同回擊類型進行分類統計，通過對比分析深入探討雷電過程中不同影響因素下回擊光脈沖波形的差異性。