建筑物群中多上行先導(dǎo)三維模型的建立

余駿皓 譚涌波 鄭天雪 王藝儒 師 正

1)(南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實驗室/氣候與環(huán)境變化國際合作聯(lián)合實驗室/氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心/中國氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實驗室，南京 210044) 2)(中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實驗室/雷電物理與防護(hù)工程實驗室，北京 100081)

引 言

地閃過程中，下行梯級先導(dǎo)傳播至近地面區(qū)域可使地面尖端物體表面一點(diǎn)或幾點(diǎn)處的電場增加至周圍空氣的擊穿閾值，始發(fā)一個或多個向上發(fā)展的先導(dǎo)[1]，后者被稱為多上行先導(dǎo)。根據(jù)是否與下行先導(dǎo)相連接可將其分為上行連接先導(dǎo)(upward connecting leader,UCL)與上行未連接先導(dǎo)(unconnected upward leader,UUL)[2]。早在20世紀(jì)30年代，McEachron[3]通過條紋攝像機(jī)拍攝到美國紐約帝國大廈附近建筑物始發(fā)未連接的上行流光，證實多上行先導(dǎo)的存在。受限于觀測手段，當(dāng)時未能記錄下先導(dǎo)發(fā)展全過程數(shù)據(jù)[3-6]。高速攝像的應(yīng)用推動這一領(lǐng)域的發(fā)展，大量光學(xué)研究表明，不同地面條件，地閃連接過程中出現(xiàn)多上行先導(dǎo)并非個例[7-14]，密集的高建筑物對其影響尤為顯著。Lu等[12]整理中國廣州珠江新城19次地閃數(shù)據(jù)，得出建筑物越高，該建筑物越易受較遠(yuǎn)下行先導(dǎo)影響而始發(fā)UUL。Gao等[13]利用雙站攝像數(shù)據(jù)重建三維閃電通道，統(tǒng)計6次UCL長度范圍為180～818 m，平均值為 426 m。吳姍姍等[14]通過分析廣州塔附近地閃分布得出廣州塔能夠吸引附近1 km內(nèi)的地閃分支，UUL大多始發(fā)于較高建筑物的結(jié)論。

觀測工作能夠直觀展現(xiàn)多上行先導(dǎo)發(fā)展特征，模式研究則從仿真模擬的角度給出分析。目前已有相關(guān)工作[15-20]使用單連接先導(dǎo)模型從正、負(fù)先導(dǎo)間連接方式、側(cè)擊雷的產(chǎn)生機(jī)制及高建筑對附近低矮建筑的臨界保護(hù)距離等方面開展研究。吳珊珊[19]利用二維隨機(jī)模式模擬廣州珠江新城各高建筑對附近建筑物的保護(hù)效果，分析得出最高的廣州塔對周圍地閃吸引作用最大。此類基于單連接先導(dǎo)模型的模式工作對地閃連接過程已取得一些成果，然而受限于對多先導(dǎo)過程認(rèn)知不足與高精度模擬效率過低，涉及多上行先導(dǎo)的模式研究較為欠缺。Arevalo等[21]利用三維物理模型，模擬下行先導(dǎo)垂直且無分叉的發(fā)展并從先導(dǎo)發(fā)展速度和時間的角度分析同一建筑物上UCL和UUL間的競爭關(guān)系?？紤]多上行先導(dǎo)的三維隨機(jī)模式工作處于空白狀態(tài)，相較于物理模型，隨機(jī)模型能夠在空間形態(tài)上模擬出與實際相近的先導(dǎo)通道，且三維模擬能更精準(zhǔn)還原地面建筑物群的分布與幾何特征，也是模擬研究多先導(dǎo)的有效方法。

綜上所述，高速攝像技術(shù)未普遍用于地閃觀測時，模式研究大多用單連接先導(dǎo)模型處理下行先導(dǎo)到達(dá)近地面區(qū)域時誘發(fā)上行先導(dǎo)的情形。隨著觀測能力提高，更多始發(fā)UUL的案例被完整記錄，與之對應(yīng)的多上行先導(dǎo)模擬研究仍較欠缺，三維物理模型探討同一建筑物上多先導(dǎo)間的競爭關(guān)系，三維隨機(jī)模型下的先導(dǎo)形態(tài)更接近實際閃電通道，適用于建筑物群中多連接先導(dǎo)研究。因此，本文擬建立一個始發(fā)于高建筑物群的多上行先導(dǎo)三維隨機(jī)模型并結(jié)合廣東省高建筑物閃電觀測站(Tall-Object Lightning Observatory in Guangzhou，TOLOG)光學(xué)觀測數(shù)據(jù)，對模型中UUL起始及發(fā)展部分進(jìn)行合理性驗證，為探討多上行先導(dǎo)始發(fā)的有利條件及UUL，UCL間的競爭關(guān)系提供基礎(chǔ)模型。

1 模型建立

本工作在譚涌波等[16]建立的三維近地面隨機(jī)模式的基礎(chǔ)上，建立高建筑物群多上行先導(dǎo)模型，實現(xiàn)對多個先導(dǎo)起始、發(fā)展及最后一跳的模擬。本章著重介紹新建立的模型并將其應(yīng)用于廣州珠江新城的地閃模擬。

1.1 多上行先導(dǎo)模型

多上行先導(dǎo)模型的建立需要考慮先導(dǎo)的始發(fā)、傳播、終止及電場計算，作為近地面區(qū)域的地閃模擬，各主要參數(shù)及處理方法均參考隨機(jī)放電參數(shù)化方案，與單連接先導(dǎo)模型的主要區(qū)別在于多先導(dǎo)的啟動以及優(yōu)化電場算法等。本模型選取近地面上方1000 m×1000 m×1000 m空間范圍為模擬區(qū)域，分辨率為5 m×5 m×5 m。在地面中心放置9座50 m×50 m×300 m的建筑物，間隔統(tǒng)一為50 m。除分辨率外的其他參數(shù)均可根據(jù)不同模擬需求進(jìn)行調(diào)整，在此設(shè)置下建模。

1.1.1 下行先導(dǎo)發(fā)展

由于地閃中90%以上為負(fù)地閃[22]，本模型在模擬域的頂部正中設(shè)置長25 m，初始電位為-30 MV的下行負(fù)先導(dǎo)以模擬負(fù)地閃到達(dá)近地面區(qū)域的情況，這與Mazur等[23]、譚涌波等[17]、任曉毓等[20]的假設(shè)相似。根據(jù)已有觀測結(jié)果[3-14]，下行先導(dǎo)到達(dá)近地面區(qū)域時具有傾斜、分叉、總體向下發(fā)展的形態(tài)特征，因此本模型中的下行先導(dǎo)第1步發(fā)展僅能在先導(dǎo)頭部周圍格點(diǎn)中選擇，此后每步都可從通道周圍選擇符合發(fā)展條件的格點(diǎn)，即滿足下行先導(dǎo)傳播閾值為220 kV·m-1[16-19,24-26]。若發(fā)展過程中有多個符合條件的候選點(diǎn)，則根據(jù)電場值的權(quán)重隨機(jī)發(fā)展下一步通道。與Tan等[18]工作類似，認(rèn)為先導(dǎo)通道是有電阻的導(dǎo)體，通道內(nèi)部電壓降為500 V·m-1。本模型除最后一跳外，下行先導(dǎo)不可向上發(fā)展。

1.1.2 多上行先導(dǎo)的起始

實現(xiàn)多上行先導(dǎo)起始的關(guān)鍵是合理搜尋建筑物并始發(fā)先導(dǎo)。根據(jù)多上行先導(dǎo)觀測數(shù)據(jù)，UUL與UCL多始發(fā)于不同的建筑物上[3-14]，因此本模型僅允許多先導(dǎo)在建筑物群中的不同建筑物啟動，始發(fā)位置包括天線、建筑物頂部、側(cè)面等，即只要滿足始發(fā)條件的建筑物表面格點(diǎn)均可始發(fā)。下行先導(dǎo)每發(fā)展一步則重解空間電位分布并搜尋建筑物群是否存在上行先導(dǎo)起始點(diǎn)。模擬域的網(wǎng)格化使得建筑物上電場離散變化，即便提高模型分辨率，每步下行先導(dǎo)發(fā)展長度僅5～10 m，也存在下行先導(dǎo)發(fā)展至某步時，同一建筑物上多個格點(diǎn)同時達(dá)到始發(fā)上行先導(dǎo)條件的可能，本文選擇其中最大電場值處啟動先導(dǎo)，認(rèn)為該點(diǎn)為該建筑上首個滿足條件的點(diǎn)。對多個建筑物，從頂部向下同時進(jìn)行搜尋，不同建筑物上的上行先導(dǎo)起始點(diǎn)可在同一次搜尋中同時始發(fā)先導(dǎo)，也可在下行先導(dǎo)發(fā)展至不同位置時分別始發(fā)，均以始發(fā)點(diǎn)電場值達(dá)到始發(fā)閾值作為上行先導(dǎo)始發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，以此實現(xiàn)多先導(dǎo)同時或是先后始發(fā)，每次始發(fā)新的上行先導(dǎo)后重解全域電位。由于不可預(yù)測多先導(dǎo)中哪一支成為UCL，且研究表明[21,27]，UCL與UUL的電流脈沖的峰間間隔與電流大小都非常相似，設(shè)置多連接先導(dǎo)的起始閾值同為220 kV·m-1[16-19,24-26]。

1.1.3 多先導(dǎo)發(fā)展與連接

不同于下行先導(dǎo)的多分叉現(xiàn)象，UCL和UUL在傳播過程中，幾乎沒有分支存在[3-14]。因此，設(shè)置多上行先導(dǎo)的每一步發(fā)展只可在其先導(dǎo)頭部周圍環(huán)境點(diǎn)隨機(jī)選擇，傳播閾值與先導(dǎo)起始閾值相同。正、負(fù)先導(dǎo)循環(huán)發(fā)展，存在多上行先導(dǎo)時，多先導(dǎo)同時發(fā)展。本模型中，正、負(fù)先導(dǎo)的發(fā)展都采用步進(jìn)式(step-by-step)隨機(jī)參數(shù)化方案，即每次正、負(fù)先導(dǎo)通道的擴(kuò)展只選取1個后繼通道點(diǎn)，各符合條件的候選點(diǎn)根據(jù)其電場值大小分配其在概率函數(shù)中相應(yīng)權(quán)重以實現(xiàn)先導(dǎo)隨機(jī)發(fā)展[28]。與下行先導(dǎo)設(shè)置相似，上行先導(dǎo)除了最后一跳外，不得向下發(fā)展。

觀測工作中僅有正、負(fù)先導(dǎo)頭部對頭部，下行先導(dǎo)頭部對上行先導(dǎo)側(cè)面兩種連接方式[29]的記錄，本模型也在最后一跳模擬這兩種連接形態(tài)：每次循環(huán)發(fā)展完正、負(fù)先導(dǎo)，計算下行先導(dǎo)頭部與上行先導(dǎo)所有通道點(diǎn)之間的電場值，若達(dá)到連接閾值500 kV·m-1[24-26]，則完成連接，結(jié)束本次地閃模擬。

1.1.4 并行算法下的電場求解

泊松方程求解是閃電數(shù)值模擬過程中最耗時的部分，尤其是三維高精度的模擬工作，若沿用CPU(central processing unit，中央處理器)串行的超松弛迭代計算方法，本模型模擬1次地閃的時間長達(dá)72 h，用于大規(guī)模敏感性試驗顯然效率過低。若是為提升速度而降低計算精度或模式分辨率，這種犧牲模擬效果的做法也不可取。為同時滿足高計算精度和低計算耗時的需求，本模型基于GPU(graphics processing unit，圖形處理器)并行計算技術(shù)，通過雙數(shù)組交替法去除原先超松弛迭代計算中的數(shù)據(jù)相互依賴性，使之適應(yīng)GPU并行計算要求，選取pgFortran作為計算平臺[30]求解泊松方程。本模型中，地面、建筑物群、先導(dǎo)通道以及模擬域上邊界均滿足 Dirichlet 邊界條件，模擬域的側(cè)邊界滿足Neumann邊界條件，將電場強(qiáng)度達(dá)到相應(yīng)閾值作為先導(dǎo)始發(fā)、發(fā)展以及連接的依據(jù)，閃電先導(dǎo)通道每發(fā)展一步，則使用上述GPU并行計算方法重解全模擬域的電位。由于模擬域網(wǎng)格的離散化，采用七點(diǎn)中心差分法計算每一格點(diǎn)在各方向上的電場強(qiáng)度[16-17]，根據(jù)概率函數(shù)在候選點(diǎn)中選擇發(fā)展的下一步通道[16-20]。

圖1為建模后進(jìn)行的一次模擬，圖中下行先導(dǎo)大體形態(tài)垂直向下，有3個主要分支，共始發(fā)6個上行先導(dǎo)，包括1個UCL與5個UUL，多先導(dǎo)出現(xiàn)位置在建筑物群的四角或邊緣，發(fā)展高度從15～135 m 不等，連接方式為正、負(fù)先導(dǎo)頭部與頭部相連接。

圖1 一次地閃過程的模擬

1.2 模擬設(shè)置

為驗證所建模型的合理性，將其應(yīng)用于廣州珠江新城區(qū)域的實際地閃模擬。根據(jù)TOLOG的觀測視野[14]，調(diào)整近地面上方1000 m×2500 m×1500 m空間范圍作為模擬區(qū)域。該水平范圍的選取既包括模擬測站視野范圍內(nèi)的8座最高建筑物，又保持建筑物與模擬域邊界之間的合理距離，消除地閃模擬中邊界帶來的影響，設(shè)置的模擬域高度足以展現(xiàn)下行先導(dǎo)發(fā)展至近地面時彎曲與分叉的形態(tài)特性。

模擬的8座建筑物分別為廣州塔(600 m)、廣州周大福金融中心(又稱廣州東塔(530 m))、廣州國際金融中心(又稱廣州西塔(440 m))、廣晟國際大廈(360 m)、環(huán)球都會廣場(318 m)、珠江城大廈(310 m)、越秀金融大廈(310 m)和利通廣場(303 m)[31]。其中，廣州塔塔身為橢圓形柱體，頂部有145 m長的天線，東塔的塔頂設(shè)計為一斜坡與一小平臺；西塔是正三角柱體；廣晟國際大廈頂部由3個小平臺和50 m長的天線組成，4座較矮建筑物均為長方體。廣州塔與其余7座高建筑物距離較遠(yuǎn)，高建筑物群的相對位置與形狀嚴(yán)格根據(jù)上述調(diào)研情況[14]設(shè)置。由于模擬域的網(wǎng)格化，廣州塔的塔身用相應(yīng)尺寸長方體模擬，西塔用直角三角形柱體模擬，使得建筑物各面盡可能處于格點(diǎn)上，利于上行先導(dǎo)起始點(diǎn)的搜尋。鑒于建筑物的頂部形狀與天線對于大氣電場的畸變效果明顯[32]，模型中精細(xì)模擬各建筑物頂部形狀，包括東塔頂部的斜坡、廣晟國際大廈的各層小平臺與天線, 其外形與分布情況如圖2所示，該視角的選取對應(yīng)吳珊珊等[14]在拍攝到的實際建筑圖像。

圖2 建筑物群模型

2 結(jié)果與分析

通過對比實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)驗證多先導(dǎo)模型具有一定合理性，展示本模型下多先導(dǎo)形態(tài)特征及統(tǒng)計規(guī)律。

2.1 模擬結(jié)果檢驗

將模式輸出結(jié)果與Lu等[12]整理歸納的19次下行負(fù)地閃過程中始發(fā)的45次UUL各項參數(shù)進(jìn)行對比。選擇UUL進(jìn)行對比，一方面，新模型中UCL部分與單先導(dǎo)模型相似，已應(yīng)用于模式研究且合理，驗證新加入的UUL合理即驗證本模型的合理性；另一方面，所選的觀測數(shù)據(jù)積累了足夠UUL案例并進(jìn)行較全面統(tǒng)計，適用于對比驗證工作。在上文的模擬設(shè)置下，使下行負(fù)先導(dǎo)初始位置從模擬域x軸正中位置沿y軸正方向以100 m步長等間距地進(jìn)行18次模擬對比試驗，統(tǒng)計不同下行先導(dǎo)初始位置下，包括UUL的起始高度、二維長度、距連接點(diǎn)的水平距離、起始點(diǎn)距下行先導(dǎo)最近分支的二維距離4個參數(shù)范圍，前兩者為UUL的基本參數(shù)，后兩者是影響UUL始發(fā)的參數(shù)，共同代表UUL的特征。由于三維通道相較于二維通道更加曲折復(fù)雜，Gao等[13]對6次負(fù)地閃進(jìn)行三維重建工作并給出三維/二維的通道長度比值范圍為1.1～1.7，本工作參考該比值范圍。

觀測與模式的參數(shù)統(tǒng)計如表1所示。由于UUL起始高度即為建筑物高度，因此不需要乘以比例系數(shù)。具體數(shù)據(jù)對比分析如下：

表1 觀測數(shù)據(jù)與模式結(jié)果對比

①觀測數(shù)據(jù)中UUL起始高度范圍為40～503 m，模式中統(tǒng)計結(jié)果為360～600 m。起始高度下限不同主要由于模式中暫未模擬低矮建筑物群，這是出于以下考慮：一方面，本模型對于近地面先導(dǎo)起始的搜尋方式為對建筑物逐個從頂面到側(cè)面搜尋，不同于存在電荷背景情況下虛擬設(shè)置300 m高建筑物時的搜索方法[34]，更注重多先導(dǎo)始發(fā)的具體位置，搜尋過程也更復(fù)雜，三維高精度的模擬已使計算量與耗時大幅增加，加入低矮建筑物群會更大幅度地增加模擬時間而降低模擬效率；另一方面，雷暴天氣過境時，相對于地面或低矮物體，高建筑物更易始發(fā)上行的連接先導(dǎo)而被下行地閃擊中[2],該區(qū)域高建筑物密集，幾座高建筑更易吸引下行先導(dǎo)[11,14,17]，根據(jù)該地區(qū)地閃觀測統(tǒng)計，高度低于300 m 的建筑物大多僅受600 m范圍內(nèi)的閃擊影響而始發(fā)UUL[12]，超過這一距離則不易啟動，且本文探討的是高建筑物群上多先導(dǎo)的始發(fā)，因而未加入低矮建筑物群的模擬，在未來的工作中可嘗試加入低矮建筑物群。統(tǒng)計結(jié)果上限的差異，是由于19次負(fù)地閃的觀測中未計入廣州塔始發(fā)UUL類似的個例，但如個例對比部分所選取的F1215觀測個例所示，廣州塔也可始發(fā)UUL。在地閃模擬中，各建筑物都存在始發(fā)UUL的情況，與觀測相符。

②觀測得到先導(dǎo)二維長度范圍為0.48～399 m，模式模擬得到的三維范圍為12～709 m，乘以比例系數(shù)后的觀測數(shù)據(jù)范圍與模擬結(jié)果范圍幾乎完全重合，上、下限相差均約為10 m。一方面，模擬域的網(wǎng)格化且5 m的精度使得模擬數(shù)值與現(xiàn)實情況仍有出入；另一方面，三維與二維的參數(shù)比值由對6次不同地閃重建得出，僅提供參考的范圍。綜合以上因素，對于長度上百米的先導(dǎo)而言，10 m左右的誤差在合理區(qū)間范圍內(nèi)。

③觀測得到的UUL距連接點(diǎn)水平距離范圍是20 m～1.3 km，模式中統(tǒng)計為255～1026 m；觀測得到UUL起始點(diǎn)距下行先導(dǎo)分支最小距離范圍是99～578 m，模式中統(tǒng)計為326～589 m。將以上兩組二維觀測數(shù)據(jù)乘以比例系數(shù)后，模式得到的相應(yīng)范圍完全在三維觀測數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，即從UUL，UCL始發(fā)角度增加了模式的合理性。

盡管該驗證工作中仍存在模擬次數(shù)不足的缺點(diǎn)，模擬精度和電場計算準(zhǔn)確度影響模擬統(tǒng)計結(jié)果，但根據(jù)以上對比，認(rèn)為該多先導(dǎo)模型存在一定合理性。

2.2 地閃個例模擬

目前大多數(shù)觀測資料僅是二維圖像，無法準(zhǔn)確描述先導(dǎo)實際發(fā)展特征，Lu等[33]通過雙測站觀測以及三維通道重建再現(xiàn)觀測個例F1215的三維形態(tài)。本模型能夠模擬出與F1215個例先導(dǎo)特征相似的地閃，以下是分析。

F1215個例為2012年5月6日拍攝于廣州的地閃個例[32]，共始發(fā)3個上行先導(dǎo)，其中UCL起始于440 m高的西塔，三維與二維的通道長度分別為818 m和610 m，比值為1.34，兩個UUL起始于高度為600 m的廣州塔和360 m的廣晟國際大廈，二維長度分別為接近2000 m和322 m。該個例中，廣州塔優(yōu)先于西塔與廣晟國際大廈始發(fā)上行先導(dǎo)，最終卻并未與下行負(fù)先導(dǎo)連接，其整體發(fā)展趨勢垂直向上，呈現(xiàn)出UUL始發(fā)時間早、通道垂直的特點(diǎn)，這些特性僅從二維圖像難以獲得。對應(yīng)的模擬結(jié)果同樣始發(fā)3個上行先導(dǎo)(如圖3所示)。UCL起始于530 m高的東塔，長度為315.1 m，兩支UUL始發(fā)于600 m高的廣州塔和440 m高的西塔，長度分別為895.2 m與147.5 m，閃電發(fā)展高度和形態(tài)與F1215相似，該視角的選取對應(yīng)文獻(xiàn)[32]中F1215個例的觀測圖像。

圖3 模擬F1215閃電通道

在本次模擬中，下行先導(dǎo)初始位置處于3座建筑物之間，發(fā)展3個主要分支。當(dāng)負(fù)先導(dǎo)傳播至近地面時，廣州塔作為最高建筑物，其尖端電場值變化最明顯，且下行先導(dǎo)的某一分支試圖發(fā)展至廣州塔，二者綜合影響下使其過早始發(fā)UUL，但正、負(fù)先導(dǎo)實際相隔距離較遠(yuǎn)，該UUL受整體雷暴云電場的吸引作用更強(qiáng)，因而首先始發(fā)的UUL較筆直地向上延伸，最終卻未發(fā)展成為UCL，負(fù)先導(dǎo)其余分支同步發(fā)展接近并擊中地面其余高建筑物。本文模擬真實地閃特征，在今后工作中將從UUL和UCL的競爭與促進(jìn)關(guān)系進(jìn)行研究。

2.3 先導(dǎo)形態(tài)展示與統(tǒng)計

新建多上行先導(dǎo)模型并非否定單先導(dǎo)模型，而是提供多先導(dǎo)始發(fā)的可能，該模型同樣能夠模擬單連接先導(dǎo)的情形。圖4為廣州珠江新城地閃模擬中出現(xiàn)的4種不同連接情況，其中圖4a與圖4b為始發(fā)單連接先導(dǎo)，圖4c與圖4d為始發(fā)多連接先導(dǎo)的情況；就連接方式而言，圖4a與圖4c為上、下行先導(dǎo)間“頭部-頭部”的連接，圖4b與圖4d分別為下行先導(dǎo)頭部與上行先導(dǎo)側(cè)面相連接，如每張圖中局部放大區(qū)域所示。本模型能夠合理地對這4種已有觀測記錄且具代表性的先導(dǎo)通道進(jìn)行模擬。

圖4 高建筑物群中上行先導(dǎo)連接情況的模擬(a)始發(fā)單連接先導(dǎo), “頭部-頭部”連接方式，(b)始發(fā)單連接先導(dǎo), “頭部-側(cè)面”連接方式，(c)始發(fā)多連接先導(dǎo), “頭部-頭部”連接方式，(d)始發(fā)多連接先導(dǎo), “頭部-側(cè)面”連接方式

先導(dǎo)模擬統(tǒng)計如圖5所示，x軸為模擬試驗中初始下行先導(dǎo)距模擬域邊界的距離，該距離的增加表示每次地閃模擬從圖2中的廣州塔正上方向建筑物群靠近的過程，直至廣晟國際大廈正上方；柱狀圖代表每次模擬中始發(fā)的上行先導(dǎo)數(shù)量；圖5中虛線為每次模擬中連接點(diǎn)的高度統(tǒng)計，實線為每次模擬中被擊中的建筑物高度統(tǒng)計。

圖5 地閃模擬中先導(dǎo)參數(shù)統(tǒng)計

本模擬試驗中的8座建筑物根據(jù)其相對位置可視為單一高建筑物(廣州塔)與高建筑物群的組合。初始的下行先導(dǎo)從單一高建筑物上方向建筑物群移動的過程中，當(dāng)其位于廣州塔300 m范圍內(nèi)時，僅有廣州塔始發(fā)上行先導(dǎo)，而距其600 m處，廣州塔始發(fā)的上行先導(dǎo)仍能發(fā)展成為UCL。當(dāng)下行先導(dǎo)位于建筑物群上方1200 m范圍內(nèi)，幾乎每次模擬都觸發(fā)多上行先導(dǎo)，與下行先導(dǎo)位于廣州塔上方只有單一連接先導(dǎo)的情況形成反差。不僅如此，通過折線圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著模擬中多上行先導(dǎo)的出現(xiàn)，連接點(diǎn)高度略有降低，這是由于建筑物群高度低于廣州塔，下行先導(dǎo)需要在更低的高度才可誘發(fā)UCL和UUL且多上行先導(dǎo)為下行先導(dǎo)提供更多選擇，一定程度使最后一跳更易發(fā)生。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)下行先導(dǎo)能夠誘發(fā)較低建筑物上的UUL，但從實線可以看出，下行先導(dǎo)更傾向于擊中較高建筑物上的上行先導(dǎo)。多上行先導(dǎo)發(fā)生規(guī)律如下：地閃發(fā)生于最高的廣州塔附近時，高建筑能始發(fā)連接先導(dǎo)而對一定范圍的建筑物起保護(hù)作用，也能夠吸引較遠(yuǎn)處的下行先導(dǎo)分支；多先導(dǎo)始發(fā)較大程度受地面高建筑物群的分布、高度以及下行先導(dǎo)的位置影響；越高的建筑物始發(fā)的上行先導(dǎo)越易與下行先導(dǎo)相連接。本文旨在建立新模型并進(jìn)行合理性分析，后續(xù)會開展更明確的結(jié)果統(tǒng)計與分析。

3 結(jié)論與討論

本文在隨機(jī)放電參數(shù)化方案中加入新建立的建筑物群多上行先導(dǎo)模型，在該模型中增加建筑物數(shù)量，調(diào)整建筑物上始發(fā)點(diǎn)的搜尋方式與發(fā)展順序，使用GPU并行計算技術(shù)求解泊松方程，實現(xiàn)地閃過程中多上行先導(dǎo)的三維高精度模擬，并將新建立的模型應(yīng)用于廣州珠江新城的地閃模擬，主要得到以下結(jié)論：

1)統(tǒng)計的4個模式輸出參數(shù)包括：UUL始發(fā)高度范圍為360～600 m，UUL三維長度范圍為12～709 m，UUL始發(fā)時距下行先導(dǎo)水平距離為254～1026 m，UUL距連接點(diǎn)的距離范圍是325～589 m，與觀測數(shù)據(jù)的范圍有很好的一致性。

2)對實際閃電F1215個例進(jìn)行模擬，始發(fā)3個上行先導(dǎo)，且最高的廣州塔率先始發(fā)，但并非最后被擊中的建筑物，其上的UUL具有通道筆直、發(fā)展距離長的特點(diǎn)，推斷是地面建筑物群分布、高度及下行先導(dǎo)位置共同影響的結(jié)果。不僅如此，本模型能夠?qū)崿F(xiàn)對觀測中下行先導(dǎo)與單上行先導(dǎo)頭部、單上行先導(dǎo)側(cè)面、多上行先導(dǎo)中連接先導(dǎo)頭部、多上行先導(dǎo)中連接先導(dǎo)側(cè)面4種連接情況的模擬。

3)通過對模擬的先導(dǎo)數(shù)量、起始高度以及連接點(diǎn)高度的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，最高的廣州塔能夠?qū)Ω浇欢ǚ秶慕ㄖ锲鸨Ｗo(hù)作用，也能夠吸引較遠(yuǎn)處的下行先導(dǎo)分支；多先導(dǎo)的始發(fā)較大程度受地面高建筑物群的分布、高度以及下行先導(dǎo)的位置綜合影響，越高的建筑越易被下行先導(dǎo)擊中。

本文主要是建立筑物群多先導(dǎo)模型并進(jìn)行合理性驗證，為后續(xù)研究工作提供基礎(chǔ)模型。該模型可研究建筑物群的幾何特征、分布情況，下行先導(dǎo)的強(qiáng)度與形態(tài)等對多先導(dǎo)全過程的影響，也能夠探討UCL與UUL間競爭關(guān)系以及下行先導(dǎo)選擇UCL的機(jī)理分析等科學(xué)問題。這不僅可加深對多上行先導(dǎo)的認(rèn)識，也能夠為實際建筑物群的雷電防護(hù)提供設(shè)計思路。由于可參考的多先導(dǎo)模式工作不多，設(shè)計該模型時仍存在不足，需要今后完善。首先，大量多先導(dǎo)光學(xué)觀測資料表明，UUL和UCL能夠始發(fā)于不同的建筑物[3-14]，也存在單一建筑物上的多個尖端同時始發(fā)上行先導(dǎo)的案例[12]，下一步工作需豐富該模型并實現(xiàn)多先導(dǎo)始發(fā)于同一建筑物的模擬，并深入分析；其次，由于三維高精度的電場計算耗時長，限制模擬域的范圍不能過大，致使本研究未加入云中固定背景電荷而始發(fā)下行先導(dǎo)，也未模擬低矮建筑物群，與實際情況存在差異；最后，從觀測的角度，下行先導(dǎo)到達(dá)近地面區(qū)域時有垂直向下發(fā)展、傾斜向下發(fā)展、多分支同時向下發(fā)展3種形態(tài)，而本模型設(shè)置的下行先導(dǎo)初始形態(tài)為垂直向下，在未來工作中可加入多種常見的背景電荷層、始發(fā)不同形態(tài)的下行先導(dǎo)，進(jìn)一步探討該問題。此外，希望本模型能夠為多上行閃電的模型提供思路，在今后工作中實現(xiàn)多上行閃電的模擬。

致 謝:感謝中國氣象科學(xué)研究院提供的觀測對比數(shù)據(jù)。