WWLLN与江苏省ADTD闪电定位系统数据的对比分析

崔逊,高金阁,樊荣



WWLLN与江苏省ADTD闪电定位系统数据的对比分析

崔逊①*,高金阁①,樊荣②

① 南京信息工程大学 大气物理学院,江苏 南京 210044;

② 湖州市气象局,浙江 湖州 313000

2013-03-10收稿,2013-04-13接受

国家自然科学基金资助项目(41275009)

利用WWLLN(World-Wide Lightning Location Network,全球闪电定位网)与江苏省ADTD(Active Divectory Topology Diagrammer,活动目录拓扑图)闪电定位系统数据,对2006—2009年江苏省闪电活动年际变化、月际变化、日变化和空间分布、以及探测效率和探测精度等展开研究讨论。结果表明,WWLLN探测的闪电时空分布趋势与ADTD保持较好的一致性:江苏省白天发生的闪电次数略高于晚上;闪电主要集中发生在6—8月,仲夏闪电最为活跃;一天中闪电频次峰值时间段出现在16时(北京时间)左右;江苏省闪电分布呈现明显的地域性,闪电密度高值区位于省内偏西和偏南地区,大致与江苏省经济发达地区的地域分布相吻合。总体上,WWLLN探测到的闪电频次和闪电密度值比ADTD小一个数量级。随着WWLLN全球测站数目的逐年增加以及WWLLN定位技术的升级完善,WWLLN探测效率和探测精度逐步提高。WWLLN探测效率与回击电流极性和强度大小有关联。

WWLLNADTD时空分布探测效率探测精度

雷暴是自然界中频繁发生的一种高强度的对流天气现象(Novak,2007)。伴随着雷暴的发生,会引发强烈瞬变的电磁脉冲。同时雷暴过程通常伴随着大风、龙卷、强降水、冰雹以及雷电等灾害性天气活动。每年雷电造成的灾害都多有发生,常常引起严重的后果。不仅干扰通讯、输电、航空飞行、计算机网络等的安全运行,有时还引发火灾、击毁建筑、击毙人畜等。联合国十年减灾委员会已将雷电列为“最为严重的十大自然灾害之一”(王润等,2000)。雷电也是我国危害程度仅次于暴雨洪涝、气象地质灾害的第三大气象灾害。

作为经济大省,江苏省位于我国大陆东部沿海中心、长江下游,东濒渤海,东南与上海和浙江毗邻,西连安徽,北接山东,是长江三角洲地区的重要组成部分。江苏省处于亚热带向暖温带的过渡区,四季分明,是闪电多发省份。一旦发生雷击事故,对人身生命安全及社会经济造成的危害不可估量。以往对江苏省闪电活动的监测手段方法比较单一,大多仅仅局限于气象部门ADTD闪电定位网或其他探测网的独立观测数据研究。因此,用近年发展迅速的全球闪电定位网WWLLN(World-Wide Lightning Location Network)与江苏省气象部门ADTD(Active Divectory Topology Diagrammer,活动目录拓扑图)闪电定位系统资料相互对比分析,对江苏省闪电活动特征进行研究,更有利于加深对江苏省闪电活动规律的认识和理解,为积极做好防雷减灾工作,建立相关的防雷设施提供更加可靠的理论依据。

现今,闪电定位技术日趋丰富:从地面电场仪到空中电场仪,从地基闪电定位系统到天基的卫星观测,从最初的单站观测到后来的组网多站定位,从开始的磁定向(MDF,Magnetic Direction Finding)到后来的时差法(TOA,Time of Arrival)再到现在的联合定位(IMPACT,IMProved Accuracy from the Combination of MDF and TOA Technology)。英国气象局利用到达时间差法ATD(Arrival Time Differences),通过原子时钟计时和电话线传输闪电波形数据,建立了7个测站对欧洲大部分地区的闪电进行探测(Lee,1986a,1986b,1989)。以ATD定位技术为基础,美国国家闪电定位系统(NLDN,National Lightning Detection Network)采用的是GPS计时技术,并运用互联网技术将雷电VLF波形传送至中央测站进行处理定位(Cummins et al.,1998;Chronis and Anagnostou,2003)。国内郦嘉诚等(2012)、金敏等(2012)、李京校等(2013)分别分析了江苏五市,北京及其周边地区,中国的地闪定位资料,并从地闪的时空分布特征及强度分布区间等方面进行了研究。陈聪等(2015)利用全球水资源和气候中心提供的多年闪电卫星格点资料,分析了全球闪电与对流层上部NO和O3体积分数的时空分布特征及其相关性。

WWLLN是近年来投入商业化运营的全球闪电定位系统。利用WWLLN资料,Lay et al.(2004)研究认为WWLLN能有效探测到全球范围的强闪。Rodger et al.(2006)发现WWLLN可以捕捉到全球12%的精灵闪电。Jacobson et al.(2006)通过对WWLLN资料的分析发现WWLLN全球实时连续观测闪电的作用能在很大程度上弥补其在探测效率较低方面的不足。Sergio et al.(2010)将WWLLN闪电定位数据与美国国家闪电定位系统数据进行对比分析,得到WWLLN探测效率逐年提高的结论。

图1　2009年WWLLN测站的全球分布Fig.1　Global distribution of WWLLN stations in 2009

本文通过对2006—2009年WWLLN/ADTD闪电定位资料进行匹配处理,对比分析两套闪电定位系统相对应的江苏省闪电活动的时空分布特征,并对影响WWLLN探测效率和探测精度的因素进行分析讨论。本文研究目的旨在通过对WWLLN与江苏省ADTD闪电定位系统多年数据的对比分析,加深对江苏省闪电活动特征及规律的认知和理解,同时也为日后WWLLN数据的可靠性及评价体系在我国国内的研究和应用提出指导性建议。

1　全球闪电定位系统简介

1.1全球闪电定位系统发展概况

全球闪电定位系统(WWLLN)是由美国华盛顿大学研究和开发的一套旨在全球范围实时连续监测闪电活动的定位系统(Rodger et al.,2005)。该系统利用时间组到达法TOGA(Time Of Group Arrival),对闪电发生时辐射的甚低频VLF(3～30 kHz)电磁波信号接收处理,进行闪电定位。图1为2009年WWLLN测站的全球分布,图中每一个黑点代表WWLLN的一个测站。目前全球分布着50个WWLLN测站,有6个测站位于亚洲地区,分别位于中国、日本、新加波境内。我国的三个测站分别位于北京、南京、兰州。从图1中可以看出,全球WWLLN测站分布并不均匀,且测站布站间距比较大,这是由于WWLLN测站接收到的是闪电辐射发出的甚低频VLF波段的电磁信号,而这一波段的电磁信号能在EIWG中以低衰减速度稳定传播,这一特征使得WWLLN测站间的分布距离可以达到上千公里(Crombie,1964;Lay et al.,2004)。

WWLLN自投入商业化运营以来,其全球测站数目逐年增加,测站数目的变化见表1,这也使得WWLLN能够更加有效地对全球范围内闪电活动进行连续观测。

表1WWLLN站点数目年际变化表

Table 1Interannual change in the number of WWLLN stations

年份测站数目20026200311200419200523200628200730200832200938201042201148至今50

1.2WWLLN探测原理简介

WWLLN通过探测闪电辐射的VLF(3～30 kHz)电磁脉冲信号对闪电进行定位。图2为模拟天电辐射脉冲得到的天电波形随传播距离增加的变化,可见,传播距离逐渐增加,从r=0到r=10 000 km。在传播距离为零的理想情况下,天电波形不存在任何衰减失真,随着传播距离r的增加,天电波形振幅衰减越来越大,畸变也越来越严重。基于以上原因,Richard et al.(2002)采用了TOGA定位技术对闪电进行探测。WWLLN测站主要由天线、GPS接收器以及过程控制计算机组成。选址需在良导体高层建筑顶端安装一根1.5 m长的拉杆天线,对天电的垂直电场进行测量。将测得的闪电辐射垂直电场波形信号传输至标准16位计算机声卡中进行采样分析,利用GPS精确计时,确定天电的触发时间,从而得到闪电发生的时间和位置(Rodger et al.,2004)。

图2　TOGA模拟示意图Fig.2　TOGA simulation schematic diagram

2　资料说明与分析方法

本文所使用的WWLLN数据来自南京信息工程大学气象楼顶的WWLLN服务器实时采集的全球闪电定位数据。数据信息包括闪电发生的日期、时间、纬度、经度4个参数,时间分辨率为1 μs。江苏省气象部门使用ADTD闪电定位系统对闪电进行观测,ADTD由9个测站组成,主站位于南京(118.48°E,32.00°N),采用定向时差联合法对闪电进行观测,单站的探测范围约为150 km(李芳和黄兴友,2009),ADTD可以给出闪电发生的日期、时间、纬度、经度、强度等参数,ADTD的时间分辨率为0.1 μs。江苏省ADTD闪电定位系统测站位置具体见图3。

图3　江苏省ADTD闪电定位网站点分布Fig.3　Distribution of ADTD lightning location network stations in Jiangsu

闪电数据资料显示,WWLLN探测到的是总闪信息,ADTD给出的是地闪资料。因此,需要对两套不同的闪电定位数据进行预处理。本文以ADTD闪电定位数据为基准值,认为ADTD对闪电的探测效率为100%。对两套系统的闪电定位数据指定一个空间范围:116～122°E,30～36°N。这个矩形区域包含了江苏省及其周边地区。闪电定位数据从2006年1月1日至2009年12月31日。

与之前早期研究WWLLN探测精度方法不同的是,本文选取0.5 ms作为WWLLN/ADTD两套系统闪电定位数据的时间匹配窗口,并没有选取空间匹配窗口。这主要是因为WWLLN/ADTD时间分辨率都很高(微秒量级),ADTD是0.1 μs,WWLLN的时间分辨率是1 μs,故0.5 ms的小时间窗口足以作为两套闪电定位数据相匹配的主要参数。当WWLLN数据中闪电发生的时刻在ADTD中同一天闪电发生时刻前后0.5 ms内,就认为这次闪电是WWLLN捕捉到的地闪。为了保证数据质量,江苏省ADTD闪电定位系统的数据经过了严格的预处理过程。比如:剔除不完整和受损的闪电数据,删除雷电流幅值在500 kA以上的数据(这部分数据容易被云闪信号污染)。

图4　2006—2009年WWLLN(a)和ADTD(b)的闪电次数年际变化Fig.4　Interannual variation of lightning frequency from 2006 to 2009:(a)WWLLN;(b) ADTD

3　江苏省闪电时间分布特征对比

3.1闪电年际活动特征对比

对WWLLN/ADTD闪电原始定位资料处理后,分别统计了2006—2009各年江苏省白天(06—18时;北京时间,下同),晚上(18时—次日06时)及全天的闪电频次,得到有关闪电频次的年际变化数据。图4是2006—2009年WWLLN/ADTD观测到的江苏省白天、晚上及全天闪电频次的年际变化曲线,可见,2006—2009年江苏省闪电的频次相差很大,WWLLN探测的年闪电频次均值为50 449次,最多年份是2009年(79 171次)。ADTD探测的年闪电频次均值为666 089次,最多年份是2007年的738 160次。两套系统记录的闪电频次相差一个数量级。从年际变化趋势上看,WWLLN探测到的闪电频次逐年增加,记录的闪电频次最高年份(2009年)是最低年份(2006年)的2.72倍,这与WWLLN测站数目的逐年增加和系统闪电定位技术的升级更新密不可分。ADTD观测到的闪电频次2006年与2007年相仿,2008年记录到的闪电频次明显低于前两年,说明江苏省2008年闪电发生的数目较少,2009年闪电频次又有所增加。

通过对比可以清楚地看到,WWLLN/ADTD探测到的江苏省地闪昼夜年际变化趋势基本与全天年际变化趋势相吻合,这也从侧面验证了我们对数据预处理方法的合理性。WWLLN/ADTD四年闪电昼夜比值分别为1.65和1.33,说明江苏省闪电多发生于白天。两套定位系统探测的闪电昼夜次数差别都不大,这与青藏高原地区闪电昼夜比为2.0,昼夜差别大的情况不同(张鸿发等,2005)。

图5是WWLLN在江苏省的逐年探测效率变化趋势,可以看出,2006—2009年WWLLN探测效率逐年提高,地闪的探测效率从2006年的3.95%提高到2009年的11.58%,这是由于WWLLN测站数目的不断建设导致全球测站密度的增加引起的。2007—2008年探测效率增幅最大,这主要是因为WWLLN于2007年底定位技术经过一次较大的升级更新,从而使得2007—2008年探测效率较其他年份增幅比较大。从图5还可以看出,WWLLN在江苏省白天的探测效率要比晚上高。

图5　2006—2009年WWLLN江苏省逐年探测效率Fig.5　Yearly detection efficiency of WWLLN in Jiangsu from 2006 to 2009

3.2闪电月际活动特征对比

图6　2006—2009年WWLLN(a)和ADTD(b)闪电次数的月际变化Fig.6　Monthly variation of lightning frequency from 2006 to 2009:(a) WWLLN;(b) ADTD

对WWLLN/ADTD闪电原始定位资料处理后,统计了2006—2009年各月闪电频次,再进行平均得到各月年均闪电次数。图6为2006—2009年WWLLN/ADTD观测到的江苏省闪电次数月际分布,可以看出,各月闪电频次ADTD较WWLLN大一个数量级。从闪电频次月际分布趋势上看,WWLLN和ADTD保持较好的一致性:江苏省闪电月际分布主要呈现单峰型特征,两套定位系统主峰均出现在8月。如图6a所示,WWLLN探测到的闪电数据从2月开始增多,3月达到一个小峰值,随后稍有下降,6月又有所上升,7月又增幅最大,闪电次数于8月达到顶峰,9月闪电次数迅速减少,11月又达到一个小峰值,12月到次年1月WWLLN探测到的闪电极少,其中6—8月是闪电高发期,发生的闪电约占全年总数的83.09%。图6b所示,ADTD记录到的闪电数据同WWLLN类似,也是从2月起开始增多,3—5月持续缓慢增加,6月起快速增加,与WWLLN相同的是,闪电频次7月增幅较大,8月达到顶峰,9月闪电次数迅速减少,11月也达到一个小峰值,同样12月到次年1月闪电极少,6—8月是闪电高发期,其间发生的闪电次数约占全年总数的88.48%,总体上看,6—8月是江苏省闪电高发期,3、4、5、9月是闪电活跃期,10月至次年2月是闪电低发期。

可以看出,WWLLN/ADTD闪电定位系统均表明:江苏省闪电活动季节性特征非常明显,闪电主要发生在春夏两季,夏季闪电活动最为活跃。产生此现象的主要原因是江苏省境内河网密布,水汽丰沛,有太湖、固城湖、洪泽湖等诸多较大水体。每年开春至夏末,在副热带高压控制下,太阳辐射强,地面和近地层空气的温度相较于水体温度急剧升高,地面温度较高成为热源,河流湖泊等水体表面温度较低成为冷源,造成局部温度上的差异,形成小型垂直环流系统,易引起强对流的发生。这样的地理环境与气候条件下江苏省夏季成为闪电多发季节。

以江苏省气象局ADTD闪电定位数据为基准值,根据0.5 ms时间窗口匹配绘制出WWLLN在江苏省探测效率逐月变化趋势,如图7所示。从图7中可以看出,与WWLLN捕捉到的闪电频次的月际分布恰恰相反,在江苏省境内,WWLLN探测效率春秋冬三季要明显高于夏季,盛夏江苏境内的探测效率呈现谷值,而冬季WWLLN探测效率是一年中最高的,于11月达到峰值,其次为春季。分析原因,这可能与江苏省冬季发生的闪电频次虽然很少,但大多为强闪有关,且正闪发生的比例在四季中是最多的。我们推测,WWLLN的探测效率可能与闪电强度与极性有关联。具体将在第5节中进一步加以研究。

图7　2006—2009年WWLLN江苏省逐月探测效率Fig.7　Monthly detection efficiency in Jiangsu of WWLLN from 2006 to 2009

3.3闪电日活动特征对比

由于WWLLN闪电定位资料给出的时间是格林尼治世界时,将WWLLN时间转化为东八区的北京时间,按照整点时段统计每小时内平均发生的闪电次数。图8分别为WWLLN/ADTD观测到的2006—2009年江苏省闪电次数日变化,是四年不同时段发生闪电次数的平均日变化曲线。

图8　2006—2009年WWLLN(a)和ADTD(b)闪电次数的日变化Fig.8　Diurnal variation of lightning frequency from 2006 to 2009:(a) WWLLN;(b) ADTD

图8a所示,WWLLN的观测结果显示闪电次数峰值出现在16时左右,各小时段内都有可能出现闪电。图8b表明ADTD闪电日变化呈现单峰型特点,13—20时闪电活动最为频繁,占日均闪电数的75.83%,并且在16时左右闪电频次达到峰值,而在02时—次日11时闪电发生的次数较少。这主要是由于正午太阳辐射较强,午后陆地表面受日照加热升温,在12时地表温度开始骤增,并且在13时左右升温更为显著,大气静力不稳定度加强,在近地层形成不稳定层结,促进对流发展,这种热力抬升作用形成触发机制,易产生强对流性天气,闪电活动也开始发展,到达16时左右强对流天气发展成熟,闪电活动也达到峰值。这说明午后这段时间是江苏省闪电集中发生期,因此需要在这段时间加强雷电监测预警与防护工作。半夜及上午,江苏省地面辐射冷却,低层空气趋于稳定,地表和空气温差不足以形成不稳定层结,对流活动较弱,因此闪电活动较少。

从图8还可以看出,2006—2009年江苏省发生的闪电频次存在着明显的日变化。WWLLN探测到的闪电峰值为4 413次,ADTD峰值为57 165次。从日变化峰值来看,ADTD探测到的闪电频次也比WWLLN大一个数量级。将图8a与图8b进行比较,发现WWLLN与ADTD闪电频次日变化趋势相类似,且一天中峰值出现的时刻都是16时,这说明WWLLN也可以相对准确地探测到江苏省一天内闪电活跃程度的变化趋势,WWLLN与ADTD均表明江苏省16时是闪电高发时间。尽管两套系统探测到的闪电次数不同,WWLLN比ADTD小一个数量级,但一天当中闪电频次的变化趋势是大致相同的,说明WWLLN在探测闪电日变化趋势上与ADTD存在较好的一致性。

4　江苏省闪电的空间分布特征对比

图9　2006—2009年WWLLN(a)和ADTD(b)年均闪电密度Fig.9　Annual lightning density from 2006 to 2009:(a) WWLLN;(b) ADTD

将江苏省所处的矩形区域(116～122°E,30～36°N)划分成0.25°×0.25°的576个经纬网格,这一区域正好与江苏省ADTD高探测效率地区相吻合。经过TIN插值,分别计算得到2006—2009年WWLLN/ADTD江苏省平均闪电密度分布,如图9所示。从图9可以看出,WWLLN/ADTD呈现出的江苏省闪电密度分布的共同特征如下:江苏省闪电密度分布具有明显的区域性。闪电密度西部地区要高于东部,南部地区要高于北部。这与江苏省经济发达地区的地域分布相吻合,说明江苏省西部与南部更需要加强雷电防御措施。江苏省苏北平原地区以及沿海部分地区闪电较少。究其原因,主要与城市下垫面有关。江苏省西部与南部地区多丘陵低山地形,白天太阳辐射向空中反射量少于北部平原,热量积累后,丘陵地区的地形往往是由低山四面环绕,低山的存在阻碍了湿热空气向外的逸散,从而加快了对流的形成。而且,江苏省主要水体也集中分布在省内的西部与南部地区,有太湖、洪泽湖等较大水体存在。在太阳辐射下,由于陆地与水体比热容性质的不同,陆地与水体增降温的程度也相差很大,易形成冷热源在水平和垂直方向上的差异,从而形成对流。再加上江苏省西部与南部城市经济发展水平较其他地区高,城市热岛效应显著,影响江苏省的天气系统大多是来自西面或西南面,易造成流经城市上空的气团阻滞和抬升,促使对流发展形成雷暴云,导致闪电频发。所以,在江苏省西部与南部地区相较于苏北及沿海部分地区多雷暴发生。

将图9a与图9b进行比较,分析WWLLN较ADTD在江苏省境内的探测精度。可以看出,相比于ADTD的结果来看,WWLLN未能有效探测到江苏中部闪电高发地区。分析原因,这一探测精度差异与WWLLN自身的特性有关,WWLLN是全球范围的大尺度闪电定位系统,探测精度误差往往在上百甚至上千公里,探测精度上的差异还与WWLLN探测到的闪电具有峰值高的局限性有关。总体上看,WWLLN探测到的闪电密度值要比ADTD小一个数量级。WWLLN可以大致捕捉到与ADTD相一致的江苏省闪电密度地域变化。

5　影响WWLLN探测效率和探测精度的因素分析

因为WWLLN测站所接收到的天电波形,往往是在EIWG中远距离传播经过衰减与色散之后的波形信号,所以WWLLN闪电定位数据中不包含闪电的电流强度和极性等参数。故本节认为ADTD闪电数据中的电流强度和极性就是与之相匹配的WWLLN探测到的地闪电流强度和极性。以10 kA闪电强度为横坐标单元绘制出WWLLN地闪探测效率随电流强度的变化趋势,如图10所示。从图10可以看出,WWLLN对于正负地闪的探测效率存在差异,正闪平均探测效率为15.02%,负闪平均探测效率为12.61%,WWLLN对正闪的探测效率要高于负闪。当电流强度较小时,电流强度介于-20 kA与20 kA之间,WWLLN对地闪的探测效率仅为0.07%,可见WWLLN对于电流强度较小的地闪探测敏感度很低。当地闪回击电流峰值大于50 kA,WWLLN对地闪的探测效率平均值为17.79%,其中正闪探测效率为19.82%,负闪平均探测效率为15.76%。当电流峰值大于100 kA时,WWLLN正负地闪探测效率分别为21.43%、17.28%。由此可见,WWLLN对于正地闪的探测效率要高于负地闪,WWLLN探测效率随电流峰值的增大而增加。这是由于峰值电流较小的闪电不太容易触发WWLLN测站,强闪辐射的电磁波的振幅较大,更容易触发WWLLN的接收站采集到信号。

图10　2006—2009年WWLLN探测效率随峰值电流变化趋势Fig.10　Detection efficiency trend with the peak current of WWLLN from 2006 to 2009

从WWLLN探测效率的年际变化趋势来看,WWLLN探测效率是逐年增加的,这与WWLLN全球测站数目的逐年增加与定位技术的升级更新有密不可分的关系。从WWLLN探测精度来看,WWLLN发展初期,对闪电定位精度的误差往往在上千公里,随着WWLLN全球测站数目的增加以及定位技术的升级完善,WWLLN探测精度逐步提高,现在的探测精度在百公里左右,其最终探测精度目标在10 km(Abreu et al.,2010)。

6　结论与讨论

本文利用2006—2009年WWLLN/ADTD定位网闪电定位资料,以ADTD闪电定位数据为基准值,对比分析江苏省闪电活动的时空分布特征,并对WWLLN的探测效率和探测精度进行评估,通过分析得到以下主要结论:

1)江苏省闪电活动昼夜差别并不大,白天闪电频次略高于晚上;江苏省闪电活动季节变化特征非常明显,闪电主要在春末仲夏期间发生,闪电月际变化呈现单峰型特征,6—8月是闪电高发期(WWLLN

探测到的闪电约占全年闪电频次的83.09%,ADTD为88.48%);江苏省一天中闪电频次峰值时间段出现在16时左右,闪电高发时间段主要集中在当地午后13—20时,闪电谷值区出现在02时—次日11时的时段。

2)WWLLN/ADTD闪电定位系统均揭示江苏省闪电密度高值区位于省内偏西和偏南地区,大致与江苏省经济发达地区的地域分布相吻合,这些地区更需重视防御雷电。

3)WWLLN探测效率逐年提高,冬季探测效率最高。探测效率与回击电流极性和强度大小有关联。WWLLN对正地闪的探测效率要高于负地闪;回击电流峰值越大,WWLLN探测效率也相应地增加。

4)总体上,WWLLN探测到的闪电频次和闪电密度值比ADTD小一个数量级。随着WWLLN全球测站数的逐年增加以及WWLLN闪电定位技术的升级完善,WWLLN探测效率和探测精度将会逐步提高。

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Thunderstorms are a type of convective weather phenomenon that happen frequently in nature with high intensity.The United Nations Committee for Disaster Reduction has referred to lightning as “one of the ten worst natural disasters”.Jiangsu Province is in the transition zone between the subtropical and warm temperate zones,and is one of the provinces in China most frequently affected by lightning.As a relatively wealthy province in economic terms,the electrical infrastructure(power grid,electrical equipment etc.) of Jiangsu is also well-developed.Therefore,when lightning-related accidents occur,incalculable harm can be caused not only to personal safety but also socioeconomically.

To develop a deeper understanding of the laws governing lightning activities in Jiangsu Province,as well as improve lightning protection and disaster reduction services,the present study set about analyzing the lightning characteristics of the region(interannual variation,monthly variation and daily variation),based on data from two sources:the Advanced Time of Arrival and Direction System(ADTD) and the Worldwide Lightning Location Network(WWLLN).The ADTD data were provided by Jiangsu Meteorological Department,whose time zone is Beijing standard time(BST).Because the time zone of the WWLLN is Greenwich Mean Time(GMT),we converted GMT to Beijing time.The study spanned a period of four years,from 2006 to 2009,throughout contiguous Jiangsu Province.When carrying out the study,the detection efficiency of ADTD was assumed to be 100% because the ADTD data were considered to be the “ground truth”,and a time-matching window of 0.5 ms was chosen for the lightning location data of WWLLN/ADTD(i.e.,when lightning observed by WWLLN occurred 0.5 ms before or after that of ADTD,the flash was considered to have been captured by WWLLN).The WWLLN and ADTD data were then processed and analyzed for the study period.

The analysis confirmed that WWLLN favors high peak current return stroke lightning discharges.Meanwhile,WWLLN could not distinguish the lightning polarity.For example,it was unable to distinguish a positive flash from a negative flash.The polarity could,however,be determined by simultaneous observation with ADTD.WWLLN showed good correspondence with ADTD in terms of the temporal and spatial distribution of lightning activities.Specifically:the frequency difference between day and night was not large;the number of lightning flashes occurring during the day was slightly higher than at night;and the lightning mostly occurred in the period from June to August,especially midsummer,which was clearly the most active season.The amount of lightning detected by WWLLN from June to August was about 83.09% of the total amount in one year,while the amount of lightning detected by ADTD was 88.48%.During a day,the highest peak of lightning appeared at roughly 04:00 PM Lightning mainly occurred in the period between 13:00 BST and 20:00 BST,while low-level activity occurred between 02:00 BST and 11:00 BST on the second day.The lightning flash density in Jiangsu Province was higher in western regions than in eastern regions,and also higher in southern regions than in northern regions.Besides,those regions with frequent occurrence of lightning activity roughly coincided with the most economically developed parts of Jiangsu Province.The cloud-to-ground detection efficiency of WWLLN was shown to improve greatly from the first to the fourth year of the study,with an overall detection efficiency of cloud-to-ground flashes increasing from 3.95% in 2006 to 11.58% in 2009,possibly due to the increased number of stations and upgrading of the algorithm.The detection accuracy of WWLLN is now approximately 100 km,but its ultimate goal is an accuracy of 10 km.

On the whole,the lightning density determined by WWLLN was much lower than that of ADTD,Compared to ADTD,WWLLN failed to detect the high incidence of lightning in the central area of Jiangsu,The difference in the detection accuracy is related to the characteristics of WWLLN itself;WWLLN is a large-scale(worldwide) lightning location system whose detection accuracy is often hundreds or even thousands of kilometers,The detection efficiency was related to the polarity and strength of the return stroke,The detection efficiency of positive ground flashes was higher than that of negative ground flashes,Meanwhile,the greater the peak current of the return stroke was,the more accurate the detection efficiency of WWLLN would be.

worldwide lightning location network;advanced time of arrival and direction system;temporal and spatial distribution;detection efficiency;detection accuracy

(责任编辑：张福颖)

Comparison and analysis of lightning characteristics in Jiangsu Province based on data from the Worldwide Lightning Location Network and the Advanced Time of Arrival and Direction System lightning location network

CUI Xun1,GAO Jinge1,FAN Rong2

1SchoolofAtmosphericPhysics,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China;2HuzhouMeteorologicalBureau,Huzhou313000,China

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130310002

*联系人，E-mail:cx.871012@163.com

引用格式：崔逊,高金阁,樊荣.2016.WWLLN与江苏省ADTD闪电定位系统数据的对比分析[J].大气科学学报,39(2):270-279.

Cui X,Gao J G,Fan R.2016.Comparison and analysis of lightning characteristics in Jiangsu Province based on data from the Worldwide Lightning Location Network and the Advanced Time of Arrival and Direction System lightning location network[J].Trans Atmos Sci,39(2):270-279.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130310002.(in Chinese).