多上行先导模型先导传播速率比优化及模拟研究.pdf

王雪雯,谭涌波,林雨荷,等.多上行先导模型先导传播速率比优化及模拟研究.应用气象学报,2 0 2 4,3 5(2):2 3 7-2 4 6.D O I:1 0.1 1 8 9 8/1 0 0 1-7 3 1 3.2 0 2 4 0 2 0 9多上行先导模型先导传播速率比优化及模拟研究王雪雯1)2)谭涌波1)*林雨荷1)吴 萌1)1)(南京信息工程大学应急管理学院,南京 2 1 0 0 4 4)2)(中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室/中国气象局雷电重点开放实验室,北京 1 0 0 0 8 1)摘 要下行先导与上行先导的相对速率比可能是闪电连接过程的关键因子之一,随机闪电连接模式中先导相对传播速率比不能准确描述下行与上行先导的相对传播距离比值。考虑到光学观测事实及雷暴电场环境,在已有多上行先导三维随机参数化方案的基础上对下行负地闪开展模拟,改进背景电场模块设置,并植入下行负先导与上行正先导相对传播速率模块,以先导传播距离为依据设置先导相对传播速率。将改进后的模型应用于平顶单建筑物触发多上行先导现象的模拟,与改进前相比,该模型的闪击距、上行先导长度等参数与自然闪电一致性更好;在此基础上对发生在广州珠江新城高建筑物群上的地闪连接过程进行模拟,改进后的模型能够较好还原复杂建筑物群的闪电发生规律。城市建筑物群的雷击特征参量主要由各个建筑物的形状特征、相对位置以及相对高度等因素所决定,但仍有特殊事件发生,当下行先导的某一分支与建筑物空间距离临近时,会在建筑物顶部起始上行先导并连接。关键词:先导速率;建筑物群;多上行先导;连接过程;数值模拟引 言地闪连接过程中,下行梯级先导传播至近地面区域可使地面尖端物体表面一点或几点处的电场增加至周围空气的击穿阈值,始发一个或多个上行先导,后者被称为多上行先导1。研究表明,高建筑物的存在对其附近区域地闪活动频次及强度具有增强作用2。随着高大建筑物群的出现,不同建筑物或同一建筑物先后始发上行先导的观测事实日益增多,关于地闪连接过程中先导发展细节的研究不断深入3-5。多上行先导的存在意味着建筑物多个部位均存在被击中的可能,对多上行先导现象进行机理性研究有助于建筑物防雷。观测的光学数据具有较好直观性,可为研究地闪连接过程提供事实依据6-1 3。先导模型可以通过控制单一变量(建筑物高度、背景电场强度等)进行敏感性试验,在一定程度上能够弥补光学观测样本量、数据缺失的不足,有利于探讨影响先导连接过程的内在机理,是研究闪电连接过程的重要补充手段。目前的先导模型主要可分为两大类:第1类是先导物理模型,该类模型侧重于上行先导初始以及传播微物理过程的描述,但几乎不考虑下行先导的分叉情况,难以探讨闪电空间形态对地闪连接过程的影响1 4-1 7。第2类是先导随机模式,该类模型简化了先导初始传播过程的判断,但能实现与真实闪电通道相似的多分叉和蜿蜒延伸的空间形态,能够较好地体现闪电通道空间结构以及落雷点分布的随机性1 8-2 1。由于计算条件限制,早期的随机模式多采用二维模型对建筑物雷击概率、先导连接情况等问题进行研究2 2-2 4。随着G P U(g r a p h i c p r o c e s s i n g u-n i t)并行算法的出现,三维高分辨率连接过程模拟成为可能,余骏皓等2 1在谭涌波等2 5工作基础上建立了多上行先导三维随机模型,随后该模型不断被优化,模拟结果无论是空间形态还是各项参数指标均与观测结果一致性较好2 6-2 7。2 0 2 3-1 1-2 9收到,2 0 2 4-0 1-2 5收到再改稿。资助项目:国家自然科学基金面上项目(4 2 2 7 5 0 7 5),灾害天气国家重点实验室开放课题(2 0 2 3 L A S W-A 0 3)*通信作者,邮箱:y b t a n u s t c.e d u 第3 5卷 第2期 2 0 2 4年3月 应 用 气 象 学 报J OUR NA L O F A P P L I E D ME T E O R O L OG I C A L S C I E N C E V o l.3 5,N o.2 M a r c h 2 0 2 4 雷电连接过程中下行先导与上行先导速率之比是雷电物理和雷电防护研究中的重要参数。在针对高建筑物闪电连接活动的观测中,相比发展速率无明显变化的下行先导,上行先导从高建筑物起始后其发展速率随时间增加明显,下行与上行先导传播速率比值随之改变4,6,1 0。模式中先导传播速率会影响闪电后续传播、连接过程2 8,亦是衡量模式合理性的关键因子,该参数不应被忽略。参考观测事实与已有模式设置4,1 7,模式中依据先导传播步数设置先导相对发展速率比,由于随机模式的步进式发展特征,该设置不能较好还原真实地闪中先导相对发展的规律。本文对模式中先导相对传播速率模块进行改进,优化背景电场设置,加强模式对地闪连接过程的仿真能力,在此基础上开展区域化地闪活动模拟,深化对建筑物群地闪连接活动的认知。1 模式简介闪击距是地闪连接过程中重要的特征参量之一,本文采用的闪击距定义为上行连接先导从被雷击物体上始发的瞬间,被雷击物体与下行先导头部间的距离2 9。建筑物顶部的强电场是上行先导始发的决定性因子,其电场大小决定上行先导的触发时间,进而决定闪击距的大小。考虑到云中电荷的存在,建筑物顶部的电场应是背景电场与闪电先导对环境电场调制效应的矢量叠加。由于计算条件限制,地闪连接模式中往往在模拟刚开始时上边界采用固定边界条件再现背景电场2 4,2 7,3 0,当在上边界某处人为植入一段下行负先导开展连接过程模拟后,考虑到先导每前进一步均需重新计算空中电场,此时上边界只能采用第2类边界条件(如果保留固定边界条件,空间迭代时会产生反射波,造成程序崩溃),随着迭代次数的增加,初始所加入的背景电场会完全消失,建筑物顶部的电场仅剩下先导通道延伸所带来的影响,该问题一直困扰着局部闪电连接模拟工作的开展。为解决该问题,使先导发展过程中建筑物顶部电场既有随下行先导通道接近产生的变化,又保留雷暴云环境产生的背景电场,模式中需要在下行先导发展之前进行预处理:在同一雷暴云背景场同一模拟区域的前提下,先设置模拟域中仅有建筑物存在,此时上边界采用固定边界条件,保存环境背景电场。在下行先导被植入并发展后上边界采用第2类边界条件,根据电场矢量叠加原理,模式中伴随下行先导每次发展重解的空间环境电场可叠加已保存的背景场作为此时的环境电场值,用于判断模拟域中相应格点的电场强度能否满足上行先导起始阈值。下行先导与上行先导的传播速率会影响闪电连接过程2 8,先导速率参数不应被忽略。根据光学观测结果,在地闪连接过程中,下行先导存在多分支且末端可同时向下发展,触发上行先导后,二者互相吸引,不断发展并最终随机连接,下行先导与上行先导的速率比往往是根据二者某持续发展分支传播距离,即其整体向下与向上发展距离之比得到4,1 0。模式最初应用于近地面负地闪过程模拟及合理性检验,未考虑下行负先导与上行正先导传播速率差异。林雨荷等2 7对模式先导发展模块进行改进时根据光学观测经验,依据先导发展步数设置下行与上行先导速率之比为41,即下行先导每发展4步,上行先导随之发展1步,以期实现对先导传播速率的还原。模式中下行与上行先导的发展均采用步进式随机参数化方案,每次下行与上行先导通道的发展仅选取1个后继通道点。与自然闪电下行负先导可多分支同时向下发展不同,模式中下行负先导在每一时间步长内随机发展其中某一分支,特定分支持续发展的可能性较小。模式设置上行正先导传播过程中不存在分支,持续向上发展。图1为随机选取下行先导发展到一定规模时连续8个时间步长内的先导发展情况,红色为该段时间步长内新发展的下行与上行先导通道点。每个时间步长内下行先导均新发展1个通道点,按照顺时针方向分别用18表示,能够看到新增通道点分布在下行先导多个分支末端,其中下行先导整体仅向下延伸1个通道点,为最低通道点5。以图1为例,按照该设置规律,下行先导发展8步时根据速率比上行先导随之连续向上发展2个通道点,按照发展顺序分别用9、1 0表示,在该段时间步长内下行与上行先导整体传播距离之比实际上为12。模式中依靠先导发展步数设置先导传播速率之比不能合理表现出下行与上行先导的相对发展趋势,不能实现传统物理速率计算。在一次地闪过程中,闪电主通道多次停滞发展而上行先导持续发展,导致上行先导延伸长度过长,这种情况虽然在增加闪电通道退电离模块后得到缓解,但依旧会削弱下行与上行先导速率比的影响,应参照随机模式中下行与上行先导相对发展的规律,重新定义上行正先导相对下行负先导发展的条件。832 应 用 气 象 学 报 第3 5卷 图1 先导相对发展示意图(黑色几何体为建筑物,蓝线为下行负先导已发展通道,黑线为上行正先导已发展通道,红线为该段时间步长内新发展的下行与上行先导通道点)F i g.1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f r e l a t i v e d e v e l o p m e n t o f l e a d e r s(t h e b l a c k g e o m e t r i c b o d y d e n o t e s t h e b u i l d i n g,t h e b l u e l i n e d e n o t e s t h e d e v e l o p m e n t f o r d o w n w a r d n e g a t i v e l e a d e r,t h e b l a c k l i n e d e n o t e s t h e d e v e l o p m e n t o f a p o s i t i v e l e a d i n g c h a n n e l f o r t h e u p w a r d p o s i t i v e l e a d e r,t h e r e d l i n e d e n o t e s t h e n e w d e v e l o p m e n t o f d o w n w a r d a n d u p w a r d l e a d e r p o i n t s w i t h i n t h i s t i m e s t e p)参考下行与上行先导传播速率比的定义,随机模式中设置的下行负先导与上行正先导速率比应为先导整体发展距离之比,模式关注下行先导最低点是否更新,以此为依据设置上行先导发展条件。如图1中8个时间步长内下行先导随机发展多个分支,下行先导整体向下发展1个通道点,为通道点5,该时段内作有效计数为1,根据该规则,模式认为下行先导在该段时间步长内整体只发展1步,以此作为先导发展速率之比的设置依据。根据广州高建筑物雷电观测站(t a l l-o b j e c t l i g h t n i n g o b s e r v a t o r y i n G u a n g z h o u,TO L OG)关于高建筑物上多上行先导的观测结果4,3 1,上行先导从高建筑物顶部起始后,其发展速率随时间的增加而提高,国际上现有的先导发展模式关于下行与上行先导发展速率之比的设置分为恒定值与线性递减两种3 2-3 5。结合观测现实与已有模式设置,模式设置下行与上行先导发展速率的比值递减,上行先导起始后设置下行与上行先导传播速率比为21,下行先导发展每有效计数2步,上行先导发展1步,当下行先导逼近建筑物,上行先导长度约为建筑物高度的2/3时将比值修改为1,下行先导发展每有效计数1步,上行先导发展1步,以此拟合光学观测中下行先导与上行先导发展速率比变化规律4。2 模拟试验2.1 合理性检验本文对负地闪连接过程中平顶单建筑物触发多上行先导的现象进行模拟。设置1 0 0 0 m 1 0 0 0 m1 5 0 0 m的模拟域,分辨率为5 m5 m,模拟域底部正中设置固定长宽均为5 0 m的1座平顶建筑物,为考察改进参数化方案先导连接的模拟效果,本文选932 第2期 王雪雯等:多上行先导模型先导传播速率比优化及模拟研究 取相同参数的模式设置,即下行负先导初始长度、电位不变,初始位置坐标均为(3 6 0,6 3 5,1 4 9 5),地面单建筑物高度为4 0 0 m,以其为例,对模式改进前后的模拟结果进行可视化对比试验(如图2所示)。为直观对比模式每次修改后的模拟效果,本文采取控制单一变量试验原则,图2 b相比图2 a仅改进背景电场部分,图2 c在图2 b的基础上仅改进先导相对传播模块。图2中红点为上行连接先导起始时下行先导通道尾部所在位置,根据定义,闪击距可表示为红点到上行连接先导起始点的距离,红点位置的变化能够直观展示闪击距的改变。本文选取建筑物被下行负先导击中时其首支始发上行正先导的长度以探究模式改进对其起始、发展的影响,模式中设置上行先导连续发展,其实质上为单次模拟中该建筑物始发的上行先导最大长度(简称为上行先导最大长度)。对比图2 a与图2 b可见,两次闪电过程中的下行先导形态总体均符合倾斜、分叉的形态特征,但发展趋势差异显著,下行先导的空间形态受空间背景电场的影响(图2 b);红点位置变化明显,闪击距分别为4 0 0.4 m和5 2 5 m,图2 b中背景电场的加入,使建筑物顶部电场得以增强,上行连接先导的起始时间提前,闪击距显著增大;随着闪击距的增加,上行先导发展的时间、空间更为充足,上行先导的形态随之改变,上行先导最大长度分别为3 9 8 m和6 3 8 m。由图2 c与图2 b可知,首支上行先导起始前下行先导通道不发生改变,建筑物顶部电场无变化,闪击距不变;由于新的下行与上行先导速率比模块的引入(图2 c),上行先导起始后传播速率明显减缓,上行先导最大长度降为3 4 1 m,模拟得到的上行先导发展势头得以遏制,使其更接近观测的自然闪电连接过程先导发展规律4,6;上行先导起始后形态的改变在一定程度上对下行先导通道延伸、先导连接过程产生了影响。为取得具有普适性的模拟结论,本文在该个例图2 模式改进前后模拟地闪个例对比(黑色几何体为建筑物,蓝线为下行负先导,红线为上行正先导,下同)(a)模式改进前,(b)改进背景电场模块后,(c)改进背景电场与先导相对传播模块后F i g.2 C o m p a r i s o n o f s i m u l a t e d c l o u d-t o-g r o u n d l i g h t n i n g c a s e s b e f o r e a n d a f t e r m o d e l m o d i f i c a t i o n(t h e b l a c k g e o m e t r i c b o d y d e n o t e s t h e b u i l d i n g,t h e b l u e l i n e d e n o t e s t h e d o w n w a r d n e g a t i v e l e a d e r,t h e r e d l i n e d e n o t e s t h e u p w a r d p o s i t i v e l e a d e r,s i m i l a r l y h e r e i n a f t e r)(a)b e f o r e m o d e l i m p r o v e d,(b)a f t e r t h e b a c k g r o u n d e l e c t r i c f i e l d m o d u l e i n t h e m o d e l i m p r o v e d,(c)a f t e r t h e b a c k g r o u n d e l e c t r i c f i e l d a n d l e a d e r r e l a t i v e p r o p a g a t i o n m o d u l e o f t h e m o d e l i m p r o v e d基础上开展5 0 0次模拟试验,下行负先导的初始位置在模拟域正中5 0 0 m5 0 0 m的范围内随机选择,高度由1 0 0 m依次增加至5 0 0 m,间隔1 0 0 m,共5组试验,每组试验随机选取不同的下行负先导初始位置进行1 0 0次近地面地闪模拟,其他设置与文献2 7 相同。统计每组试验中闪击距、上行先导最大长度等参数(表1),与改进前模拟结果进行对比,以全面展示模式改进带来的影响。模式改进前后闪击距均与建筑物高度呈正相关,由于闪电的随机性,闪击距分布范围较广。表1中相同建筑物高度的闪击距较修改前明显增加;与改进前不同建筑物高度上闪击距整体分布较为接近、整体增辐趋于平缓不同,表1中不同高度建筑物闪击距的增幅更明显。相比于模式改进前模拟后期042 应 用 气 象 学 报 第3 5卷 电场部分仅存在先导通道延伸所带来的影响,背景场的引入使建筑物顶部的电场值更容易达到上行先导始发阈值,闪击距得以提高。光学观测中,顶部形状相似的建筑物闪击距出现随着建筑高度增高而增大的趋势4,3 0。以平顶建筑物为例,高度1 0 0 m左右的建筑物闪击距范围为4 42 4 5 m,高度4 0 0 m建筑物闪击距平均值为5 9 0 m3 0。表1中相应高度建筑物的模拟结果能够较好拟合以上观测规律。模式改进前后上行先导最大长度均随建筑物高度的增加而增加;相比改进前,不同建筑物高度上上行先导最大长度提升幅度随建筑物高度变化明显;在相同建筑物高度,模式改进后上行先导最大长度相比改进前有一定提升,其数值集中程度优于改进前,上行先导最大长度更接近建筑物高度。模式中背景电场设置的优化使得上行先导起始时间提前,发展空间更加充足,先导相对发展速率模块的改进削弱了上行先导的旺盛发展(图2 b和图2 c),二者综合作用使得相同建筑物高度上行先导最大长度的增幅相对缓慢,进而影响先导连接的过程,上行先导最大长度数据分布更加集中。观测结果为统计所有上行先导的长度,本文上行先导最大长度为每次地闪活动中上行先导的最大长度,与观测对比需注意该差异。W a r n e r6观测到发生在高度为1 6 3 m高塔上的两次闪电,其中上行连接先导二维长度超过2 0 0 m。L u等7给出了在广州观测的起始于不同高度建筑物上的4 5个上行未连接先导特征的统计结果,建筑物的高度在很大程度上决定了上行先导的长度。高彦3 6选取两座高度4 0 0 m左右的建筑物上6次观测个例,分析了上行先导的三维发展特征,上行连接先导长度平均值为4 1 9 m。参照观测结果,表1中上行先导最大长度的增长趋势有一定合理性,数值更为接近观测。表1 模式改进前后不同建筑物高度下闪击距及上行先导最大长度的统计结果T a b l e 1 S t a t i s t i c a l r e s u l t s o f s t r i k i n g d i s t a n c e a n d u p w a r d l e a d e r l e n g t h a t d i f f e r e n t b u i l d i n g h e i g h t s b e f o r e a n d a f t e r m o d e l i m p r o v e d 建筑物高度/m闪击距/m改进前改进后上行先导最大长度/m改进前改进后1 0 02 51 6 6.68 9.22 2 9.957 67 91 8 72 0 02 52 6 1.22 6 3.94 5 6.71 21 5 91 6 52 8 23 0 03 03 0 6.83 3 2.85 2 0.81 72 6 72 1 34 1 84 0 03 03 1 7.14 0 4.46 1 3.82 23 4 53 7 64 8 95 0 03 03 3 0.24 1 2.47 3 7.02 13 7 84 0 55 4 9 模式加强了对环境电场组成、先导相对发展规律的还原,模拟的闪击距、上行先导最大长度随建筑物高度增加的变化规律与观测相符4,3 0,具体模拟数值也能够与观测有较好的拟合性。综上,模式对地闪连接活动的模拟合理,模式改进后能进一步加强对真实地闪的仿真能力。本模式中仅存在孤立平顶建筑物,与现实中复杂建筑物群有一定区别,模拟域大小与现实闪电发生区域也存在差异,可以将其应用于复杂下垫面环境的模拟,考虑建筑物顶部形状结构、密集程度等参数,深化对地闪连接过程的认知。2.2 复杂下垫面模拟对模式背景电场模块、先导相对发展速率模块进行改进与合理性检验后,将其应用于广州珠江新城高建筑物群进行模拟。按照建筑物群的相对位置设置空间范围为1 0 0 0 m2 5 0 0 m1 5 0 0 m的模拟域。根据TO L OG观测站视野选取该范围内8座高度不低于3 0 0 m的建筑物,建筑物基本情况见表2,建筑物群的高度与形状、视角等参考吴姗姗2 3拍摄的实际图像。考虑到建筑物的顶部形状与天线对大气电场的畸变影响,模式中对建筑物顶部形状进行了精细模拟,如广州塔顶部天线、东塔与利通大厦的顶部斜坡、广晟国际大厦顶部的多层小平台与天线等,其他建筑物顶部形状均为平顶。此外,模式还考虑了建筑物的整体形状与模拟域的网格化问题,除近似模拟广州塔的形状外,西塔整体采用直角三角形柱体,其他建筑物主体形状均设置为相应尺寸长方体,使建筑物各面尽量处于模拟域网格点上,便于上行先导起始点的搜寻,其外形与分布如图3所示。按照分布密集度,高建筑物群可以分为3组区域,本文在3组建筑物群顶部区域各设置一定范围,分别编号为、,大小分别为3 0 0 m4 0 0 m,3 0 05 0 0 m,4 0 0 m5 5 0 m,图3中用点划线表示。随机选取下行负先导的不同初始位置,在该设置基础上共进行5 0 0次近地面模拟试验(区域1 0 0次试验,区域、各2 0 0次试验),模拟下行地闪分支142 第2期 王雪雯等:多上行先导模型先导传播速率比优化及模拟研究 到达建筑物群顶部时的先导连接过程,统计闪击距、先导连接情况等参数。由于三维光学观测资料较为短缺,本文选择与二维光学观测结果3 0进行对比,得到表2。观测结果显示:针对同一闪电活动获得的二维与三维观测数据变化趋势相近,在数值上存在一定比例关系1 3,3 6,因此本文认为二维光学观测数据与三维模拟结果具有一定可比性。广州塔、东塔、西塔、广晟国际大厦的观测数据表2 广州珠江新城高建筑物群的观测与模拟对比T a b l e 2 C o m p a r i s o n o f o b s e r v a t i o n s a n d s i m u l a t i o n r e s u l t s o f h i g h-r i s e b u i l d i n g s i n t h e P e a r l R i v e r N e w T o w n,G u a n g z h o u建筑物高度/m观测平均2 D闪击距/m仅1个上行连接先导的概率/%模拟平均3 D闪击距/m仅1个上行连接先导的概率/%广州塔6 0 09 2 08 26 7 9.87 3东塔5 3 02 8 03 63 4 4.31 4西塔4 4 05 9 08 92 0 5.05 8广晟国际大厦3 6 05 3 09 13 6 7.98 4珠江城3 1 82 4 4.82 0利通大厦3 1 02 4 1.00越秀金融大厦3 1 01 7 5.50富力盈凯大厦3 0 3图3 一次地闪个例的模拟F i g.3 S i m u l a t i o n o f a c l o u d-t o-g r o u n d l i g h t n i n g c a s e 较为丰富,本文通过比较这4座建筑物模拟结果与观测数据验证模式的合理性:广州塔、广晟国际大厦顶部均为天线设计,地闪过程仅出现上行连接先导的概率较高,两座建筑物闪击距随建筑物高度增加而增加,模拟结果能够较好还原以上规律;模拟的广州塔、广晟国际大厦闪击距均低于观测,这可能与模式的空间分辨率(5 m)有关,真实建筑物顶部天线尺寸往往仅为分米甚至厘米量级3 7。由于计算条件限制,模式无法较好展现广州塔、广晟国际大厦顶部的形状细节,导致尖端局部畸变电场与真实电场间存在一定差异3 8,闪击距偏小;东塔顶部较为平整,模拟的其顶部电场畸变受空间分辨率影响较小,242 应 用 气 象 学 报 第3 5卷 闪击距与观测一致性较好;西塔的模拟结果与观测差异较大,这是由于西塔观测数据大部分来源于东塔建成之前(2 0 1 4年),2 0 1 4年后西塔的有效观测数据有3次,为8 81 2 8 m,与模拟结果一致性较好;东塔建成后,其雷击过程的有效观测为1 1次,而西塔的雷击现象显著下降(3次),模拟结果中发生在区域的闪电活动击中西塔的概率为3 3%,亦能够较好体现观测规律。广晟国际大厦、珠江城、利通大厦、越秀金融大厦高度与位置分布较为接近,除广晟国际大厦顶部设计为天线外,其他3座建筑物顶部形状较为平缓,顶部形状的差别会影响建筑物闪电活动中的各项参数。与广晟国际大厦相比,其他3座建筑物闪击距明显减小,分布范围较为一致,其中越秀金融大厦的闪击距平均值较小,与某次地闪过程先导发展有关(图3);从雷击概率看,发生在建筑物群上方的闪电更容易击中广晟国际大厦,珠江城、利通大厦、越秀金融大厦被闪电击中的概率较低且相近,一般发生在下行先导整体非常接近以上建筑物时,广晟国际大厦对其他3座矮建筑物形成一定保护作用;珠江城、利通大厦、越秀金融大厦被地闪击中时其顶部更容易起始多个上行先导,仅起始上行连接先导的概率较低,这与下行先导头部产生的强电场畸变、建筑物顶部形状较为简单有关。通过分析模拟个例,可以对地闪连接过程详细研究。图3为一次地闪个例的模拟,下行先导初始位置 在 建 筑 物 群区 域,其 坐 标 为(9 1 0,2 1 2 5,1 4 9 5)。此次闪电发展过程分别在4座建筑物上起始6个上行先导,受建筑物高度、顶部形状影响,东塔、广晟国际大厦顶部电场畸变较强,其顶部先起始上行先导,其中广晟国际大厦顶部天线设计对其他格点产生一定屏蔽作用,本次模拟广晟国际大厦顶部仅起始1支上行先导;利通大厦、越秀金融大厦顶部电场变化相对较小,起始上行先导时间较晚。此次模拟中下行先导未击中高度更高、起始上行先导更早的建筑物,选择击中距离最近的越秀金融大厦,下行先导的一分支在接近越秀金融大厦顶部时起始上行连接先导,闪击距为2 5.5 m,远低于平均值,可见下行先导的位置、形态亦会对地闪连接过程产生影响。3 结论与讨论本文在已有三维多先导模式的基础上,改进背景电场设置,改进上行正先导发展的判断条件,将下行负先导与上行正先导发展速率之比转化为整体发展距离之比,并将二者速率比调整为线性递减,基于改进后的模型开展大量敏感性试验,得到以下主要结论:1)将改进后的模式得到的模拟结果,与改进前模式的模拟结果、观测进行对比,改进前后模式模拟结果中闪击距等参数随建筑物高度增加的变化规律与观测相符。相比改进前的模式,改进后的模式中上行先导最大长度具体模拟数值能够与观测具有更好的拟合性。将改进后的模式应用于广东珠江新城区域的实际地闪模拟,该模式能够较好地还原建筑物群地闪活动规律,使模式还原真实地闪的能力得到进一步加强。2)建筑物的结构特征会影响闪电活动的发生。高度相近的情况下尖顶建筑物与平顶建筑物的闪击距存在一定差距;地闪连接过程中尖顶建筑物仅起始单支上行先导的概率较大,平顶建筑物更容易起始多上行先导;密集建筑物群中高度较高、顶部形状更为突出的建筑物会对其他建筑物产生保护作用,同一建筑物群中形状相似的建筑物在地闪活动中的闪击距等参数较为接近。3)下行负先导的位置、形态会影响建筑物顶部多上行先导的起始,进而影响先导的连接过程。靠近下行先导头部的建筑物顶部电场畸变较强,容易起始多上行先导;当下行先导头部位置接近建筑物群中某一建筑物时,倾向于击中该建筑物而非其他更高、更早起始上行先导的建筑;当下行先导的某一分支与建筑物空间距离非常接近时,会在建筑物顶部起始上行先导并连接,得到的闪击距与正常值差异较大。完善模式是为了更好地研究实际地闪过程以解释闪电观测现象,为雷电防护提供思路。改进后的模式仍存在需完善之处,如分辨率的设置对于模拟建筑物的闪击距产生一定影响,可在今后的工作中提高分辨率以期更接近下行先导现实发展规律。此外,本文设置模拟域下垫面仅存在高建筑物,未考虑低矮建筑物群的存在,这些建筑物亦会对模拟结果产生影响,可以在后续模拟试验中设置更复杂的下垫面,深入探讨地闪连接过程中建筑物群多上行先导现象成因。参 考 文 献1 郄秀书,张其林,袁铁,等.雷电物理学.北京:科学出版社,2 0 1 3.342 第2期 王雪雯等:多上行先导模型先导传播速率比优化及模拟研究 Q i e X S,Z h a n g Q L,Y u a n T,e t a l.L i g h t n i n g P h y s i c s.B e i-j i n g:S c i e n c e P r e s s,2 0 1 3.2 A r a u j o L S,G u i m a r e s M B,P e d r o s a A G,e t a l.A s s e s s i n g E v e n t s o f U p w a r d L i g h t n i n g M e a s u r e d a t M o r r o d o C a c h i m-b o S t a t i o n 2 0 1 2 I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n L i g h t n i n g P r o-t e c t i o n(I C L P).I E E E,2 0 1 2:1-4.3 C u mm i n s K L,K r i d e r E P,O l b i n s k i M,e t a l.A c a s e s t u d y o f l i g h t n i n g a t t a c h m e n t t o f l a t g r o u n d s h o w i n g m u l t i p l e u n c o n-n e c t e d u p w a r d l e a d e r s.A t m o s R e s,2 0 1 8,2 0 2:1 6 9-1 7 4.4 吕伟涛,陈绿文,马颖,等.广州高建筑物雷电观测与研究1 0年进展.应用气象学报,2 0 2 0,3 1(2):1 2 9-1 4 5.L W T,C h e n L W,M a Y,e t a l.A d v a n c e s o f o b s e r v a t i o n a n d s t u d y o n t a l l-o b j e c t l i g h t n i n g i n G u a n g z h o u o v e r t h e l a s t d e c-a d e.J A p p l M e t e o r S c i,2 0 2 0,3 1(2):1 2 9-1 4 5.5 张悦,吕伟涛,陈绿文,等.基于人工引雷的粤港澳闪电定位系统性能评估.应用气象学报,2 0 2 2,3 3(3):3 2 9-3 4 0.Z h a n g Y,L W T,C h e n L W,e t a l.E v a l u a t i o n o f GHML L S p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s b a s e d o n o b s e r v a t i o n s o f a r t i f i-c i a l l y t r i g g e r e d l i g h t n i n g.J A p p l M e t e o r S c i,2 0 2 2,3 3(3):3 2 9-3 4 0.6 W a r n e r T A.U p w a r d L e a d e r D e v e l o p m e n t f r o m T a l l T o w e r s i n R e s p o n s e t o D o w n w a r d S t e p p e d L e a d e r s3 0 t h I n t e r n a-t i o n a l C o n f e r e n c e o n L i g h t n i n g P r o t e c t i o n(I C L P).I E E E,2 0 1 0:1-4.7 L u W T,C h e n L W,Z h a n g Y,e t a l.C h a r a c t e r i s t i c s o f u n c o n-n e c t e d u p w a r d l e a d e r s i n i t i a t e d f r o m t a l l s t r u c t u r e s o b s e r v e d i n G u a n g z h o u.J G e o p h y s R e s,2 0 1 2,1 1 7(D 1 9).D O I:1 0.1 0 2 9/2 0 1 2 J D 0 1 8 0 3 5.8 G a o Y,L u W T,M a Y,e t a l.T h r e e-d i m e n s i o n a l p r o p a g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e u p w a r d c o n n e c t i n g l e a d e r s i n s i x n e g a-t i v e t a l l-o b j e c t f l a s h e s i n G u a n g z h o u.A t m o s R e s,2 0 1 4,1 4 9:1 9 3-2 0 3.9 S a b a M M F,S c h u m a n n C,W a r n e r T A,e t a l.U p w a r d l i g h t-n i n g f l a s h e s c h a r a c t e r i s t i c s f r o m h i g h-s p e e d v i d e o s.J G e o-p h y s R e s A t m o s,2 0 1 6,1 2 1(1 4):8 4 9 3-8 5 0 5.1 0 Q i Q,L u W T,M a Y,e t a l.H i g h-s p e e d v i d e o o b s e r v a t i o n s o f t h e f i n e s t r u c t u r e o f a n a t u r a l n e g a t i v e s t e p p e d l e a d e r a t c l o s e d i s t a n c e.A t m o s R e s,2 0 1 6,1 7 8/1 7 9:2 6 0-2 6 7.1 1 高攀亮,史东东,吴亭,等.反极性云闪的初始击穿特征.应用气象学报,2 0 2 3,3 4(3):3 2 4-3 3 5.G a o P L,S h i D D,W u T,e t a l.C h a r a c t e r i s t i c s o f t h e p r e l i m i-n a r y b r e a k d o w n i n i n v e r t e d-p o l a r i t y i n