高建筑物对区域地闪活动特征影响的观测和研究

With the rapid development of urbanization, more and more tall structures have been erected. However, the understanding of the influence of tall structures on characteristics of regional cloud-to-ground lightning (CG lightning) activity is still relatively superficial. Based on the existing Tall-Object Lightning Observatory in Guangzhou (TOLOG), this project will mainly focus on the optical (three-dimensional), electric and magnetic comprehensive observation on the lightning flashes to tall structures and their nearby regions in the Guangzhou Zhujiang New Town area where many tall structures were erected in recent years. Total-sky high-resolution lightning channel photography will be supplemented to carry out the field experiment. Several tall structures with different heights in the Pearl River Delta region will be selected. The regional differences of the characteristics of CG lightning activity, such as return-stroke frequency and intensity, in different ranges from the selected tall structures, before and after the erection of the selected tall structures, will be compared by using the lightning location data, to obtain the overall influence range and influence extent of tall structures with different heights on CG lightning activity. Based on the observation data obtained at the TOLOG and the lightning location data, the attractive effect of tall structure on the downward CG lightning flashes with different intensity and different distance between the initiation position and the tall structure will be analyzed thoroughly. The mechanism of tall structure’s effect on downward CG lightning flash will be further revealed by combining the data analysis and the numerical simulation using tall-object lightning model. Based on the above analysis, this project will establish a model to calculate the probabilities of attraction of tall structure to downward CG lightning flashes with different intensity and distance. Comprehensive effects of tall structure complex on the regional CG lightning activity will be also discussed. The research of this project will deepen our scientific knowledge on the influence of tall structure on characteristics of CG lightning activity in nearby region and on the mechanism of influence.

随着城市化进程的快速推进，高建筑物越来越多，而我们在高建筑物对区域地闪活动特征影响方面的认识还比较粗浅。本项目拟基于已有的广州高建筑物雷电观测站，针对广州珠江新城高建筑物群区域，增加全视野高分辨率闪电通道光学观测手段，开展高建筑物及其附近区域雷电的光（三维）、电、磁综合观测；在珠江三角洲地区选取若干不同高度的高建筑物，利用闪电定位数据对比高建筑物建造前后附近区域不同范围地闪回击频次、强度等特征，分析不同高度的高建筑物对地闪活动特征的总体影响范围和程度；综合应用高建筑物雷电的观测资料和闪电定位数据，深入分析高建筑物对不同距离、不同强度的下行闪电的吸引作用；结合高建筑物雷击模式的发展与分析，进一步揭示高建筑物对下行闪电的作用机制，建立高建筑物对下行闪电的吸引概率模型，并探讨高建筑物群对区域地闪活动的综合影响。本研究将深化我们在高建筑物对附近区域地闪活动特征的影响及其成因方面的科学认识。

相对于地面或低矮物体，高大物体不仅更容易被下行闪电击中，还可能激发上行闪电。随着社会经济的快速发展，高建筑物越来越多，高度的纪录也不断被刷新，高建筑物（群）会对区域地闪活动特征产生什么样的影响及其成因是本项目研究所关注的科学问题。.在本项目支持下，扩充了广州高建筑物雷电观测站（TOLOG）的站点，改进了观测方案，升级了观测设备，进一步提升了TOLOG对高建筑物雷电的多站光、电、磁同步综合探测能力。通过在广州持续开展高建筑物雷电观测试验，获取了一批高质量的高建筑物雷电观测资料，建立了个例丰富的高建筑物雷电数据集，个例数超过1000。.基于高建筑物雷电综合观测数据和长时间序列闪电定位资料，评估了闪电定位系统对粤港澳大湾区地闪的探测性能，完成了对闪电定位数据的质量控制。分析了广州珠江新城多个高建筑物上的雷电频次，发现高建筑物对下行负地闪的吸引作用随着距离的增加而逐渐减弱，揭示了建筑物高度和顶部形状是影响高建筑物上雷电频次的主要因素。提出了一种基于高速摄像资料估算闪击距离的新方法，获得了多个高建筑物上雷电的闪击距离特征，分析了建筑物高度、顶部形状和回击峰值电流对闪击距离的影响。.改进了闪电先导二维随机模式，模拟了雷击点落在高建筑物顶面、侧面以及附近地面的概率和分布情况，拟合了高建筑物雷击概率与高度的关系式。引入广州珠江新城区域高建筑物的仿真模型，计算了空间电势和电场分布，结合TOLOG的观测结果，提出了高建筑物区域下行负地闪雷击概率模型，探讨了建筑物高度、形状以及附近建筑物的分布对雷击概率的影响。.本项目的研究深化了我们在高建筑物对附近区域地闪活动特征的影响及其成因方面的科学认识，研究中项目组发现高建筑物对正、负不同极性地闪的影响存在显著的差异，提出了新的科学问题，并初步开展了数据分析和数值模拟工作，为进一步开展高建筑物对正负地闪通道发展影响的差异及其机理研究奠定了良好的基础。