下行梯级先导诱发的上行先导的观测与研究

Based on the Guangzhou tall-object-lightning observation platform, new instruments will be supplemented to observe and study the characteristics of the upward leaders (including the upward connecting leader, UCL, and the unconnected upward leader, UUL) initiated from tall structures under the influence of the downward stepped leader (DL) in natural cloud-to-ground lightning. The two-dimensional/three-dimensional propagation characteristics of the downward and upward leaders in the attachment process will be statistically analyzed by using single-station/dual-stations long-distance optical observation data, and the effects between different leaders will be studied. The simultaneous channel current measurement and high-speed video observation of the UUL close to the observation site will be carried out. The UUL's current characteristics and the corresponding propagation characteristics of the channel will be analyzed. The total-sky lightning channel image, thunder, electric field change, and magnetic field change observations of the nearby lightning flash that induces the UUL will also be performed, and these data can be used to analyze and discuss the effect of the DL on the inception and propagation of the UUL. The existing lightning leader propagation numerical model will be improved by implementing the simulations of the transform of unstable-stable stages and the variation of the propagation speed of the upward leader. The inception of the upward leader and the attachment process will be simulated and studied under different underlying surface conditions, such as single or multiple tall structures, with or without towering tip on the structure top. The research of this project will improve our scientific knowledge on the propagation characteristics of different leaders in lightning attachment process, the effects between different leaders, and the influence of tall structure (or structures complex) on the process of natural downward lightning flash.

基于已有的广州高建筑物雷电观测站，通过补充新的观测手段，针对下行梯级先导在高建筑物上诱发的上行连接和未连接先导开展综合观测与研究：远距离单站/双站光学观测和统计分析雷电连接过程中下行和上行先导的二维/三维发展特征，研究不同先导之间的相互作用；对近距离的上行未连接先导开展电流和高速摄像的同步观测，分析其电流特征和对应的通道发展特征，并结合对诱发这些上行未连接先导的地闪事件的全视野闪电通道图像、雷声和电磁场变化的观测，分析下行梯级先导对上行先导起始及发展的影响；改进现有的先导发展模式，实现对上行先导不稳定-稳定阶段的转化以及发展速率变化的模拟，并对孤立和多个高建筑物以及顶部有无高耸尖端等下垫面条件时上行先导的激发及其与下行先导的连接过程进行模拟研究。本研究将提升我们在雷电连接过程中不同先导的发展特征、不同先导之间的相互作用以及城市区域高建筑物（群）对下行地闪的影响等方面的科学认识。

雷电连接过程中不同先导的发展特征和先导之间的相互作用及其机制是雷电物理研究中重点关注的科学问题，高建筑物上相对较高的雷电发生率使其成为观测和研究这些问题的重要平台。.本项目在前期高建筑物雷电观测试验的基础上，改建了广州高建筑物雷电观测站（TOLOG），补充了性能更好的高速摄像机、千万像素的单反相机、高灵敏度的先导电流测量装置、不同量程的快、慢天线和磁天线等设备，改进了观测方案，显著提升了TOLOG的综合观测能力，对闪电的捕获效率以及数据质量均大幅提高，获取了丰富的高建筑物雷电资料。.对高建筑物雷电连接过程中先导的三维发展特征进行了分析，发现除回击前的200μs内，下行先导的发展速率随时间无明显的变化趋势，但在下行先导的影响下，上行连接先导的发展速率随时间一直有明显增加的趋势。对击中高建筑物的下行负极性闪电的连接过程分析后发现，先导之间的连接行为有两种基本形态：下行负先导与上行连接先导（正极性）之间“头部－头部”连接；下行先导头部与上行连接先导的侧面连接，即“头部－侧面”连接（侧击）。基于近距离闪电的高速摄像数据，分析给出了下行梯级先导的发展特征，推测了空间先导三种可能的发展情形。.改进了闪电先导二维随机模式中上行正先导的模拟方案，实现了对雷击高建筑物过程中下行先导与上行连接先导之间连接行为的两种基本形态的模拟。利用改进后的闪电先导随机模式，模拟分析了接地点在高建筑物顶、侧面以及地面的概率，对比分析了顶部有无高耸尖端时雷击概率的差异，还模拟了多个建筑物并存时的雷击过程，探讨了雷击过程中高建筑物对附近建筑物的保护作用。.本研究增进了我们对雷击过程中不同先导的发展特征和连接行为、高建筑物对雷击过程的影响等方面的科学认识。另外，我们还初步开展了高建筑物附近地闪活动特征的分析，研究了在高建筑物群区域发生的并发上行闪电现象，为进一步深入开展高建筑物对地闪活动特征影响的研究奠定了良好的基础。