贵州省闪电定位资料中小幅值地闪范围研究

刘 芸，丁 旻，曾 勇，张淑霞，黄 钰

（贵州省防雷减灾中心，贵州贵阳 550081）

贵州省闪电定位资料中小幅值地闪范围研究

刘 芸，丁 旻，曾 勇，张淑霞，黄 钰

（贵州省防雷减灾中心，贵州贵阳 550081）

采用2006—2015年贵州省ADTD闪电定位资料，应用Matlab软件中的曲线拟合工具箱对数据进行对数正态分布拟合，利用非参数正态分布检验中的Kolmogorov—Smirnov检验方法（简称K⁃S检验方法）分析各区间拟合效果，最终确定贵州省闪电定位系统资料的“小幅值地闪”干扰区间为－10～2kA，该结论为贵州省闪电资料修正提供理论依据，在使用ADTD闪电定位资料时可先将此区间误差数据剔除。该研究为利用闪电定位资料确定雷电灾害风险区划提供重要参考。

地闪；闪电定位资料；小幅值；质量控制；对数正态分布；K⁃S校验

0 引言

自20世纪80年代以来，我国开始逐步建设基于时差侧向原理的闪电定位系统。ADTD型时差侧向定位系统自20世纪90年代开始在我国投入使用。贵州省于 2006年开始先后建成了ADTD闪电定位系统，并加入国家闪电监测网，实现了地闪时间、位置、强度及极性等主要参数的监测，在研究贵州省雷电活动规律、雷电监测预警、雷灾鉴定和防护技术的应用中发挥了重要作用。而随着闪电定位资料深度分析运用，研究人员发现存在云闪放电所产生的闪电对地闪数据的干扰，需要将这部分云闪误探为地闪的资料（通常称为“小幅值地闪”）剔除［1－2］。

国内外学者普遍认为雷电流幅值概率分布符合对数正态分布［3－4］。在20世纪80年代提出了部分云闪可能被误测为地闪［5］。Carey等指出，除非能确定强度在10kA以内的正闪为地闪，否则小的正闪将被定为云闪［6－7］；1972年Popolansky根据欧洲、澳洲和美国观测结果，提出雷电流服从正态分布，对小幅值地闪界定为2 kA以下数值；IEEE建议剔除雷电流幅值在－2～2kA的地闪数据［8－10］；栾健等研究重庆地区闪电数据时发现，10 kA以下部分的闪电数据对整体数据的拟合效果仍存在干扰，剔除5 kA以下的闪电数据后拟合效果最佳［11－12］。虽然国内外学者在研究闪电定位资料中对“小幅值地闪”范围给予不同的定义，但均在－10～10kA范围内，因此本文仅该范围内的雷电流幅值进行分析。

1 资料来源及分析方法

贵州省闪电定位系统于2006年开始建设，目前由12套ADTD闪电定位仪组成，基本覆盖全省，分别为：桐梓、遵义、毕节、六盘水、贵阳、安顺、都匀、息烽、威宁、盘县、三穗、榕江。这些定位系统均能监测到200km范围内地闪发生的时间、方位、强度、电磁辐射信号、经纬度位置、极性等参数。

本文应用Matlab数学软件中的曲线拟合工具箱进行对数正态分布拟合，以及非参数正态分布检验中的Kolmogorov—Smirnov检验方法（简称K⁃S检验方法）对2006—2015年贵州省雷电流幅值在－10～10kA范围内的闪电定位资料进行分析，找出“小幅值地闪”干扰区间，并对剔除“小幅值地闪”干扰区间的闪电数据进行分析，重新得到小幅值闪电数据的特征，以确定闪电监测数据

的准确性和科学性。

2 闪电分布特征分析

2.1 闪电频次分布

2006—2015年监测到闪电4990938次，表1统计出－10～10kA的闪电共发生了407527次，占总闪电数的8.17%；－8～8kA的闪电共发生307809次，占总闪电数的6.17%；－5～5kA的闪电共发生110351次，占总闪电数的2.21%，而－4～4kA、－3～3kA、－2～2kA的闪电分别发生了50658次、12525次、485次，分别占总闪电数的1.01%、0.25%、0.01%。

2.2 闪电时间分布

因2006年闪电定位资料加入了电力系统闪电监测资料，其监测数据明显多于其他年份，为保证分析的可靠性，后续分析将2006年闪电定位资料进行单独分析。

表1 不同幅值雷电流闪电频次及其占总闪电数的比例Tab.1 The Frequency of Lightning Current and the Proportion of the Total Lightning Number

图1为2007—2015年闪电年分布的统计图，（a）～（e）分别对应于－10～10kA、－8～8kA、－5～5kA、－4～4kA、－3～3kA、－2～2kA的闪电年分布的统计图。从图1中可以看出，闪电频数呈现波动趋势，波动区间为891～2812。

3 对数正态分布分析与K⁃S检验

国内外普遍认为雷电流幅值概率分布符合对数正态分布，所以本文将雷电流幅值进行对数正态分布拟合，寻找其干扰区间，进而对雷电流幅值进行质量控制。主要分析过程为：将2007—2015年贵州省闪电监测数据中的雷电流幅值取对数，运用Matlab软件对不同雷电流幅值区间分段进行正态分布拟合，通过比较拟合效果图，找出干扰数据区域，并予以删除。最后，对删除干扰区间后的数据与拟合曲线进行K⁃S检验。

3.1 对数正态分布分析

图2为2007—2015年总闪电数据的雷电流幅值对数正态分布拟合曲线，图中I为雷电流幅值，单位kA，LnI为雷电流幅值的对数，n为闪电次数。采用Matlab中的对数正态分布函数对数据进行拟合。

从图2中可以得出，雷电流幅值的对数与闪电频数符合对数正态分布，横坐标2～3之间和4.5～6之间出现了偏移。因此需要对雷电流幅值分段进行拟合统计，找出干扰区间，并加以删除。为了找到不满足对数正态分布的具体区间，下面分别对删除10kA以下，8kA以下，5kA以下，4kA以下，3kA以下，2kA以下的数据进行对数正态分布拟合，比较各区间的拟合效果。

图3（a）～（f）分别为剔除负闪数据－10kA、－8kA、－5kA、－4kA、－3kA、－2kA的统计拟合图。从拟合结果可以得出：决定系数（R⁃square）随着剔除雷电流幅值的减小，从0.9896逐渐减小到了 0.9634；校正后的决定系数（Adjust⁃Rsquare），也随着剔除数据的减小而减小；标准差（RMSE）随着剔除数据的减少而增加。这说明，

负闪数据在剔除－10kA时的决定系数和校正后的决定系数最大、最接近1，标准差最小，其拟合效果是最好的。

图4（a）～（f）分别为剔除正闪数据10kA、8kA、5kA、4kA、3kA、2kA的统计拟合图。从拟合结果可以得出：决定系数（R⁃square）随着剔除数据的减小从0.9897逐渐增加到了0.9901；校正后的决定系数（Adjust⁃Rsquare），也随着剔除数据的减小而增大；标准差（RMSE）随着剔除数据的减少而减少。这说明，负闪数据在剔除2kA时的决定系数和校正后的决定系数最大、最接近1，标准差最小，其拟合效果是最好的。

综上分析结果表明，贵州省闪电定位资料中雷电流幅值的干扰区间，即“小幅值地闪”干扰区间为－10～2kA。

3.2 K⁃S校验

图5为剔除干扰区间（－10～2kA）后的闪电数据拟合统计图，从图中可以得出：剔除雷电流幅值－10～2kA闪电数据后，与图2比较，统计特征与拟合曲线之间的偏移现象明显好转，决定系数为0.989，校正后的拟合系数为0.9889，标准差为1225。

运用MATLAB对剔除干扰区间（－10～2kA）后的闪电数据的统计值进行K－S检验，结果显示，拟合相似度高达95.28%，拟合能够通过置信度为95%的K—S检验。

4 结论

（1）选取2006—2015年贵州省ADTD闪电定位资料，利用数理统计，得出贵州省在2006—2015年共发生地闪4990938次，其中－10～10kA的闪电共发生了 407527次，占总闪电数的8.17%。随着雷电流幅值的逐渐降低，发生闪电的频次和占总闪电数的比例均呈减少趋势。

（2）分别对－10～10kA、－5～5kA、－4～4kA、－3～3kA、－2～2kA的闪电逐年进行统计，从年分布的统计图中可以得出，闪电频数呈现波动趋势，波动区间为891～2812。

（3）对贵州省2006—2015年ADTD闪电定位资料中的雷电流幅值进行对数正态分布拟合，通过拟合结果得出雷电流幅值为－10～2kA区间与对数正态分布拟合曲线偏移比较明显；剔除－10～2kA闪电数据后，重新对闪电定位数据进行对数正态分布函数拟合，结果显示，拟合相似度高达95.28%，拟合能够通过置信度为95%的K－S检验。

（4）贵州省“小幅值地闪”范围界定为区间－10～2kA，建议在闪电定位资料时将此区间的误差数据删除。

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Study of the Small Amplitude Range of Cloud⁃to⁃ground Lightning Location Data in Guizhou Province

Liu Yun，Ding Min，Zeng Yong，Zhang Shuxia，Huang Yu
（Lighting Protection and Disaster Mitigation Center in Guizhou，Guiyang 550081，China）

Using the 2006—2015 ADTD lightning location data in Guizhou Province，fitting the data with the log normal distribution by using the curve fitting toolbox of Matlab software，using non⁃parametric normal distribution test of Kolmogorov⁃Smirnov test method（K⁃S test）to analyze the interval fitting effect.The interference interval of the“small amplitude cloud⁃to⁃ground lighting”of lightning location system in Guizhou province ranges in－10～2kA. This conclusion provides theory basis for lightning data correction in Guizhou Province.The data in this error burst can be removed when using ADTD lightning location data.This study provides an important reference for determining the lightning disaster risk zoning based on lightning location data.

cloud⁃to⁃ground lighting； lighting location data； smallamplitude； quality control； logarithmic distribution；K⁃S testing

P427.32

A

1673－8047（2016）03－0053－08

2016－07－21

贵州省气象局青年基金项目（QN［2016］14）

刘芸（1990—），女，硕士，助理工程师，研究方向为雷电防护科学与技术。