ADTD异常对闪电定位资料影响分析

2018-04-02许洪泽周梅

Advances in Meteorological Science and Technology 2018年1期

许洪泽周梅

（金华市气象局，金华 321000）

0　引言

雷电是伴有闪电和雷鸣的一种雄伟壮观而又令人生畏的放电现象。雷电的活动规律在一定程度上反映了雷暴天气的活动规律。随着社会、经济的发展，雷电对危化场所、通信、电力、石化、铁路等行业和人们的工作、生活的影响越来越大[1]。雷电是一种强大的电脉冲波，也会形成强脉冲磁场。闪电定位系统正是利用雷电发出电磁波进行探测。目前，气象部门的很多学者对闪电定位资料进行了大量且有成效的研究[2-15]，并在雷电监测和防雷减灾方面发挥了巨大作用。但目前对闪电定位资料本身质量的研究则相对较少，而资料的质量直接影响其应用效果，其中探测效率和探测精度是表征闪电定位资料质量最重要的指标[16-19]。

闪电定位系统作为一种实时雷电探测的设备，和其他硬件设备一样会出现个别子站工作异常情况。自07年底，浙江气象部门ADTD闪电定位网运行持续不稳定，这必然对闪电定位资料的质量造成一定影响，但其受影响程度需要仔细的研究分析，且探测数据显示，07与08年闪电总次数相差较大。因此，本文选用浙江省闪电定位系统异常前后07和08年的探测资料，分别从地闪的月份—时段的分布特征、不同月份的雷电日时间分布特征及其方差、闪电密度空间分布特征、电流强度累积百分比及不同的定位方式空间分布等方面进行对比分析，试图评估系统的异常对资料的影响程度，从而为闪电定位资料进一步研究和应用提供参考意见，更好地做好防灾减灾服务。

1　资料与方法

07和08年的闪电定位资料来源于浙江省ADTD闪电定位系统，全省共布置11个子站，主要探测地闪。根据ADTD的探测原理，其通过几个子站同时测量闪电回击辐射的电磁场来确定闪电源的电流参数。探测效率80%～90%，误差一般几百米至几千米[20]。一般情况下，多站定位能提高定位精度和探测范围，站点数以4～6站为宜[21]。本文的统计和分析主要基于软件Arcgis，其中雷电月份—时段分布图通过计算每个月份各时段闪电次数绘制而成。在本文中，定义ADTD闪电定位系统1日内探测到1次以上地闪的均为雷电日。文中闪电密度图的网格为1 km×1 km，通过与一年中闪电空间分布次数相交计算绘制而成，反映地闪空间分布特征。

2　地闪时间分布特征对比分析

据浙江省ADTD闪电定位资料统计结果显示，07和08年闪电总次数分别为418143和287773次，08年为07年闪电总数的68.8%。由图1雷电月份—时段分布图可看出，07年地闪主要发生在6—9月的13—20时，同样从图1b中也可看出，08年地闪主要发生的月份和时间段与07年基本相同，仅6月的15—20时地闪次数相对偏少。这与很多研究和人们的认识是一致的，因为夏季的午后是雷暴的高发时段。

图1　雷电月份—时段分布特征图Fig. 1 Map of monthly number of lightnings

从逐月地闪次数来看（图略），07和08年的1—7月闪电次数分布曲线总趋势是增长的，但07年5月出现谷值。另07和08年地闪次数峰值的月份不相同，08年出现在8月，而07年出现在7月。

通过对比分析可知，虽07和08年在个别月份和时段地闪次数存在差异，但总的来说07和08年的地闪次数在时间分布特征有较好的一致性。

图2为07和08年不同月份雷电日的天数。从图2可看出，07和08年雷电日天数变化特征基本一致，均从1月起出现增长，到7、8月达到峰值，后又逐渐减少。从图2还可看出，07和08年6—9月均是雷电日天数最多的月份，这与地闪次数相一致。

图2　不同月份雷电日对比分布图Fig. 2 Comparison of monthly number of lightning-days(the blue column is 2007, and the red column is 2008)

雷电日与气象部门观测站的雷暴日有相似之处，前者为仪器探测，后者为人工观测，因此，在研究雷电时间分布特征时雷电日也很重要，应进一步分析。表1为07和08年雷电日统计概述，从中可看出，07和08年雷电日的均值相差较小，分别为17.3和16.7 d。方差相差较大分别为104.4和150.2，这说明08年雷电日离散程度更高。通过方差分析可知，F值为0.89，小于0.05水平下的Fcrit值4.3，更远小于0.01水平下的Fcrit的值1×109，这说明07和08年雷电日在0.05和0.01水平下不存在显著性差异（表2）。

表1　雷电日概述Table 1 Overview of lightning-day

表2　2007和2008年雷电日的方差分析Table 2 Variance-analysis of lightning-days in 2007 and 2008

3　地闪密度分布特征对比分析

地闪密度是一年中1 km2面积内发生的地闪次数，能很好反映某个区域雷电多少和雷灾的强弱。从图3可看出，07和08年地闪密度值6次/（km2·a）以上区域有多处重叠，如绍兴和杭州的交界处、台州的东部、温州的中部及丽水的中西部等。

浙江省的面积为104141 km2（2010年数据）。从图4可知，07和08年地闪密度面积分布为88226和79208 km2，08年占07年89.8%，又分别占总面积的84.7%和76.1%，这说明07和08年分别有84.7%和76.1%的面积发生有地闪。07和08年地闪密度值最小值相同，为1次/（km2·a），而最大值相差1次/（km2·a）；均值和标准差分别相差1.1和1.2次/（km2·a），中位数分别为3和2次/（km2·a），3/4分位数相差2次/（km2·a），07年达到了6次/（km2·a）。偏度和峰度分别是描述数据左右对称性和分布高度的指标。图4显示，07和08年偏度的值均大于0，与正态分布相比，偏度值明显向右延伸。07和08年的峰度值均大于0，说明与正态分布相比，数据均高耸且狭窄。从图5普通QQplot分布图可看出，07和08年地闪密度数据集离得较近，一致性较好。

图3　地闪密度空间分布特征（1 km×1 km，单位：次/（km2·a））Fig. 3 Maps of the ground-lightning density (1 km×1 km，unit: times/(km2·a))

4　地闪强度累积百分比对比分析

地闪分为正地闪和负地闪。据很多研究和统计，正地闪百分比远低于负地闪，约占5%。07和08年的正地闪百分比相差较小，分别为12655和9016次，占各自总闪的3.02%和3.13%。从图6a可看出，07年的正地闪电流强度累积百分比200、150、100及50 kA以上柱状图（蓝色）均小于08年（红色），其中07和08年50 kA以上累积百分比分别为23.8%和28.5%，换言之，正地闪50 kA以下分别达到71.5%和76.2%。07和08年负地闪电流强度累积百分比柱状特征类似于正地闪，但50 kA以下累积百分比更高，分别达到了90.9%和87.3%。

总的来说，无论是正地闪还是负地闪，08年的值电流强度累积百分均要高于07年；且07和08年50 kA以下的电流强度均占绝大多数。因此，在雷电监测和防雷减灾中，要更多关注50 kA以下的雷电；与负地闪相比，尽管正地闪的次数相对较少，但大的电流强度累积百分比值要高于负地闪，危害也更大。

图4　地闪密度直方图Fig. 4 The histogram of the ground-lightning density

图5　普通QQPlot分布图（横坐标数据集#1为2007年地闪密度，纵坐标数据集#2为2008年地闪密度）Fig. 5 General QQPlot distribution (abscissa: ground flicker density in 2007; ordinate: ground flicker density in 2008)

5　闪电定位方式对比分析

根据ADTD闪电定位系统的探测原理，参与定位的子站越多，探测效率和探测精度就越高。由表3可知，07年三站定位方式百分比高于08年5.1%。三站和四站百分比之和，07年高于08年5.5%；而二站08年则高于07年5.5%。由定位原理可知，二站定位一般采用磁定向交汇法（MDF），是以正交环形磁场天线同时测定落雷点与探测站连线的方位角，通过交汇确定落雷点。此定位技术受地形地物影响较大，探测精度不高[21]和探测效率较低[22]。而三站及以上站点定位一般采用时间到达法（TOA）或联合探测法（IMPACT），TOA技术克服了MDF定位精度不高的问题，利用GPS同步技术，当时间误差≤1μs时，最大定位误差≤1 km[23]。鉴于上述分析，可认为07年的探测效率和探测精度略优于08年。则说明07年底起ADTD个别子站的异常，对全年的闪电定位资料的探测精度和探测效率造成了一定的影响。另从08年的闪电次数仅为07年的68.8%，在一定程度可印证此结论。

图6　正地闪（a）负地闪（b）电流强度累积百分比对比图Fig. 6 Accumulative percentage of positive (a) and negative (b) ground-lightning current intensity

07与08年闪电定位方式比较可看出（表3），四站定位的百分比相差较小，分别为50.8%和50.4%。由闪电定位原理可知，若有四站或以上接受到数据时，先取三个站点的数据进行定位，再利用其他站点的数据校正误差，从而提高探测精度。虽表3中07和08年四站百分比均超过了50%，但为了进一步提高地闪的探测精度，应该提高四站或以上站点参与定位的比例。

表3　闪电定位方式的比较Table 3 Comparison of lightning locating methods

因07和08年三站定位方式差异较大，故三站做重点分析。不同闪电定位方式的空间分布可看出（图7），07年三站定位主要分布在浙江省的西北部的湖州和杭州地区内，以及南部丽水地区内。08与07年三站分布重叠的地区主要有浙江的东北部的嘉兴、浙西的衢州和丽水的部分地区。因此，就三站定位的空间分布来看，08与07年有多处相同的区域。