基于R语言的高原地区地闪频次和雷电流幅值特征分析

2020-03-03王秀英金欣黄志凤欧建芳罗少辉

河南科技 2020年34期

王秀英金欣黄志凤欧建芳罗少辉

摘要：為探究西宁地区地闪频次与雷电流幅值的关系，利用2013—2017年闪电定位监测数据，运用R语言研究该区域内地闪频次和雷电流幅值变化特征，通过可视化直观展示两者间的相关性，在相关性分析基础上，建立基于地闪频次的小时雷电流幅值回归模型。结果表明，2013—2017年西宁市辖区内小时地闪频次最大为98次，雷电流幅值最大值为138 kA;地闪频次极值点处，雷电流幅值为峰值或在峰值左右;累计时次内的地闪频次和雷电流幅值最大值呈显著正相关，相关系数达0.856（[N]=29）;基于地闪频次拟合的小时雷电流幅值回归模型能够解释观测值73%的方差，模型的模拟效果较好，可用于小时雷电流幅值的预测。但由于样本有限，需要在多资料融合的基础上研究闪电定位监测数据，才能使模型稳定性更强，更深入了解雷电流幅值变化的机制，从而为雷电灾害风险区划和雷电灾害调查提供技术指标，为气象防灾减灾提供决策依据。

关键词：雷电流幅值;地闪频次;统计分析;R语言

中图分类号：P468.02文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）34-0144-06

The Characteristic Analysis and R Realization of Ground Flicker Frequency

and Lightning Current Amplitude in Plateau Region

WANG Xiuying JIN Xin HUANG Zhifeng OU Jianfang LUO Shaohui

（Qinghai Meteorological Disaster Prevention Technology Center，Xining Qinghai 810000）

Abstract： In order to explore the relationship between lightning frequency and lightning current amplitude in Xining area， this paper used the lightning location monitoring data from 2013 to 2017， studied the variation characteristics of lightning frequency and lightning current amplitude in the region by using R language， and visually displayed the correlation between them. Based on the correlation analysis， the regression model of hourly lightning current amplitude based on ground flash frequency was established. The results show that the maximum hourly lightning frequency is 98 times and the maximum lightning current amplitude is 138 kA in Xining City from 2013 to 2017， and the lightning current amplitude is the peak value or around the peak value at the extreme point of ground flicker frequency. There was a significant positive correlation between the lightning flicker frequency and the maximum lightning current amplitude， and the correlation coefficient was 0.856 （n=29）. The maximum regression model of lightning current amplitude fitting based on ground flicker frequency can explain the variance of observed value by 73%， and the simulation effect of the model is good， which can be used to predict the maximum value of lightning current amplitude. However， due to the limited samples， it is necessary to study and analyze the lightning location monitoring data on the basis of multi-data fusion， in order to make the model more stable and to understand the mechanism of lightning current amplitude change more deeply. It can provide technical index for lightning disaster risk regionalization and lightning disaster investigation， and provide decision basis for meteorological disaster prevention and mitigation.

小时地闪频次.次. 1.0000000 0.8563068

小時雷电流幅值.kA. 0.8563068 1.0000000

结果表明，小时地闪频次与不同地闪频次的小时雷电流幅值呈显著正相关，相关系数为0.856（[N]=29）。

4.2 相关关系的显著性检验

利用R语言模块中的cor.test（）函数对单个的Pearson相关系数进行检验。结果表明，小时地闪频次与不同地闪频次的小时雷电流幅值两者之间相关度不为0。相关关系显著性检验的R核心代码如下：

cor.test（data_1[，1]，data_4[，2]）

#运行结果

Pearson's product-moment correlation

data： data_1[， 1] and data_1[， 2]

t = 8.6153， df = 27， p-value = 3.137e-09

alternative hypothesis： true correlation is not equal to 0

95 percent confidence interval：

0.7138306 0.9307155

sample estimates：

cor

0.8563068

4.3 回归分析

利用OLS（Ordinary Least Square，普通最小二乘法）回归法研究地闪频次和雷电流幅值之间的变化规律。线性回归模型侧重考察变量之间的变化规律，并通过线性回归方程来描述其关系，进而确定一个变量的变化对另一个变量的影响程度，为预测提供科学依据。在R语言中，拟合线性模型最基本的函数是lm（）[22]。为了使结果更加直观，制作小时地闪频次与不同地闪频次的小时雷电流幅值的散点图，如图5所示。从图5可知，地闪频次和雷电流幅值呈线性关系，由此作回归分析研究。

回归分析的R核心代码如下：

data_2-read.delim（"clipboard"）

myfit<-lm（LD～LN，data=data_2）

summary（myfit）

#运行结果

Call：

lm（formula = LD ～ LN， data = data_2）

Residuals：

Min 1Q Median 3Q Max

-52.883 -7.541 -1.311 12.288 26.480

Coefficients：

Estimate Std. Error t value Pr（>|t|）

（Intercept） 25.4612 4.3558 5.845 3.18e-06 ***

LN 0.9623 0.1117 8.615 3.14e-09 ***

Signif. codes： 0 ‘*** 0.001 ‘** 0.01 ‘* 0.05 ‘. 0.1 ‘ 1

Residual standard error： 16.98 on 27 degrees of freedom

Multiple R-squared： 0.7333， Adjusted R-squared： 0.7234

F-statistic： 74.22 on 1 and 27 DF， p-value： 3.137e-09

由计算结果得到：

[β0=25.4612β1=0.9623sd（β0）=4.3558sd（β1）=0.1117] （1）

回归系数的[P]值均小于3.18×10-6，显著性差异明显，模型的方差解释率达到73.3%。F分布的[P]值为3.137×10-9，显著性差异明显，该模型通过了t检验和F检验，因此，回归方程为：

[LD=25.46+0.96×LN] （2）

其中，[LD]为小时雷电流幅值;[LN]为小时地闪频次。

5 结论和讨论

5.1 结论

本文基于R语言，将数理统计分析引入雷电信息化系统中，为雷电数据的深入分析、挖掘提供了便利。研究结果表明，2013—2017西宁市辖区闪电定位监测数据小时地闪频次最大为98次，小时雷电流幅值为138 kA。由地闪频次和雷电流分布图可知，地闪频次极值点处，雷电流幅值为峰值或在峰值左右。小时地闪频次与小时雷电流幅值散点矩阵图表明，累计时次内的地闪频次和雷电流幅值呈显著正相关，相关系数为0.856（[N]=29），说明地闪频次和雷电流幅值具有较高相关性，地闪频次越高，雷电流幅值越大。基于地闪频次拟合的小时雷电流幅值回归模型能够解释观测值73%的方差，模型的模拟效果较好，可用于小时雷电流幅值的预测。

5.2 讨论

在利用雷电流强度和频次进行雷电流活动特征研究分析过程中，国内研究人员[23-27]大部分立足于雷电灾害的致灾因子、孕灾环境和承灾体系统，计算评估值，得出雷电灾害发生的潜势等级。本文利用R语言实现地闪频次和雷电流幅值的可视化，并通过模型建立，得出地闪频次和雷电流幅值间的线性关系。研究表明，地閃频次和雷电流幅值的回归模型差异性显著（[P]<0.05），模型可以预测雷电流幅值的大小，找出可能造成雷击灾害的地闪频次数。然而，由于闪电数据样本有限，导致模型稳定性不强，因此，在多资料融合的基础上，闪电定位数据的特征有待进一步研究。另外，本研究统计分析结果出现离群点，在未来研究中，将针对异常雷电流幅值进行探索研究，以便更深入地理解雷电流幅值变化的机制，从而为雷电灾害风险区划和雷电灾害调查提供技术指标，为气象防灾减灾提供决策依据。

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