山西省两套闪电定位系统地闪监测结果对比

张华明，钱 勇，刘恒毅，田瑞敏，李 强，胡俊青

(1.山西省气象灾害防御技术中心，山西 太原 030002； 2.新疆气象灾害防御技术中心，新疆 乌鲁木齐 830001；3.中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京 100081)

引 言

闪电作为全球性广泛存在的自然现象，常常造成人员伤亡或重大经济损失[1-3]。近年来，国际社会逐渐意识到全球分布广泛且反复发生的广布型灾害是造成灾害风险(或潜在影响)不断扩大化的重要原因。因此，闪电及其潜在风险受到气象学、灾害学等诸多学科的深度关注，而闪电活动的探测及时空分布特征是雷电灾害风险管理的重要基础[4-8]。

闪电定位系统是用于雷电探测和预警的设备，可以探测闪电发生的时间、电流强度、位置和正负极性等参数。随着科学与技术的不断发展，闪电定位技术从最初的磁定向逐渐发展了时差法及联合定位法[9-10]。基于闪电的放电特征，开发了不同频段的三维闪电探测仪，实现了闪电高分辨率监测，不仅可监测云、地闪电，还可以监测云间闪电。如美国的闪电测绘阵列(LMA)、国家闪电探测网络(NLDN)和WeatherBug总闪电网络(WTLN)等，我国的ADTD系统、VLF/LF三维闪电监测定位系统以及风云四号卫星搭载的闪电探测器等[11-16]。山西省气象部门于2006年布设了一套ADTD闪电定位系统，随着业务的发展，2017年新增了VLF/LF三维全闪电监测系统。由于探测原理、仪器误差等原因，不同闪电定位系统的探测结果存在一定差距，通过人工触发闪电、雷击高塔试验等检测方法可掌握不同闪电定位系统的探测性能、优劣及干扰因素(如土壤电导率和地形地貌)[17-20]。我国幅员辽阔、地形地貌复杂，在全球气候变暖、经济快速发展条件下开展不同地区不同系统闪电定位资料的对比分析非常必要[21-24]。因此，本文针对山西省布设的ADTD和VLF三维闪电定位系统探测的地闪数据，结合雷电灾害资料，从电流强度、时空分布等角度出发，对比分析两套系统的探测精度，以利于今后在闪电定位数据的校准及雷电灾害风险评估、预警和服务等方面有更好应用。

1 资料及来源

所用资料是山西省7个ADTD闪电定位系统子站和11个VLF三维闪电监测系统子站2017年1—12月监测的闪电定位资料以及6次雷灾过程观测资料。其中，闪电定位数据包括闪电发生时间、经纬度、强度、误差、定位方式等要素。ADTD(advanced toa and direction system)闪电定位系统由中国科学院空间科学与应用研究中心研制，通过监测地闪辐射的甚低频(very low frequency, VLF)信号，采用时差法和定向时差联合法对地闪进行定位。VLF三维闪电监测系统由中国科学院电工研究所研发，利用闪电放电产生的VLF/LF电磁脉冲到达时间，基于宽带网络通讯技术和多站TOA(time of arrival)时间差定位原理，实现闪电三维定位[19]。两套系统子站的空间分布如图1所示。

图1 山西省两套闪电监测系统的站点分布Fig.1 The station distribution of two lightning detection systems in Shanxi Province

2 结果与分析

2.1 两套系统闪电次数及时间分布对比

表1是2017年山西ADTD系统和三维系统探测的地闪次数和强度对比。可以看出，两套系统探测的山西负地闪次数均远大于正地闪，但三维系统的地闪探测效率比ADTD系统显著偏高，正、负地闪次数分别增加151.39%和94.85%，总地闪增加99.75%，正地闪占比增加2.24%，比京津冀地区正地闪占比7.8%[25-26]略为偏高。然而，三维系统探测的地闪平均强度均低于ADTD系统。

图2是2017年山西各地市三维系统闪电次数相对ADTD的变化率。可以看到，山西各地市三维系统探测的闪电次数均较ADTD系统有所增加，但不同地市、不同闪电类型增加率有明显差异。就总地闪而言，大同与运城地闪增加率极高，分别为390.55%与384.12%，其次为阳泉(258.47%)、晋城(221.66%)，太原增加率最小为34.26%，其余城市在60%～90%之间。结合站点分布看出，三维与ADTD系统在太原周边的子站基本一致，而运城与大同周边的新增子站使得探测网格更加合理，因此，太原增加率最低。负地闪的增加率在各地市分布与总地闪相似，大同最大，运城次之，再次为阳泉和晋城，太原仍最小，而正地闪增加率的空间分布则有所不同，尽管大同、运城、阳泉、晋城增加率仍较大，但最大值出现在运城，且远高于其他地市，而次高值则出现在总地闪和负地闪增加率低值区的晋中，太原仍为最小。

图3是2017年两套系统地闪频次月分布和日变化，其中日变化中逐时闪电次数是归类为整点统计。可以看到，山西省两套系统总地闪频次的月分布均表现为一致的单峰型特征，6—8月是闪电活动高发期，ADTD系统、三维系统分别占全年的94.24%和95.12%，7月是峰值(约占全年的一半，分别为47.63%和53.23%)，且高发期两套系统探测值相差较大，尤其是7月相差更加显著[图3(a)]。

从日变化[图3(b)、图3(c)和图3(d)]来看，除ADTD系统正地闪外，其他都呈现双峰双谷结构，峰值、峰谷时间接近。其中，两套系统负地闪和总地闪次峰值均在05:00(北京时，下同)，峰值在14:00或15:00；三维系统正地闪次峰值在04:00，两套系统峰值均在16:00。另外，三维系统探测的闪电次数在各时刻都比ADTD系统高，尤其是峰值相差最显著，因此三维系统探测的闪电日变化更明显。

表1 2017年山西ADTD和三维系统地闪次数和强度对比Tab.1 Comparison of detected ground lightning frequency and intensity by ADTD and 3D systems in Shanxi Province in 2017

图2 2017年山西各地市ADTD系统和三维系统地闪次数变化率(以ADTD系统为基准，下同)Fig.2 The change rate of ground lightning frequency detected by ADTD and 3D systems in different cities of Shanxi Province in 2017(ADTD system is the benchmark, the same as below)

2.2 两套系统电流强度分布对比

山西省2017年地闪电流强度为0～120 kA，为弄清不同系统电流强度分布特征，按照10 kA等间距划分进行统计。从负地闪电流强度分布[图4(a)]看出，两套系统探测的负地闪均随着电流强度增大呈先增后减的变化特征，ADTD系统的负地闪电流强度集中在10～50 kA之间，约占负地闪总数的85%，电流强度为20～30 kA的负地闪最多；三维系统探测的负地闪电流强度集中在10～40 kA之间，约占负地闪总数的72%，10～20 kA的负地闪最多。与ADTD系统相比，三维系统负地闪峰值的电流强度区间由20～30 kA降为10～20 kA，ADTD系统负地闪平均电流强度为33.22 kA，三维系统负地闪平均电流强度为22.43 kA，三维系统负地闪平均电流强度低于ADTD系统。两套系统探测的正地闪电流强度分布特征明显不同，ADTD系统正地闪则随电流强度增大呈先增后减的特征，而三维系统的正地闪则随电流强度增大逐渐减少，前者峰值出现在30～40kA之间，后者0～20 kA的正地闪较多，约占正地闪总数的61%，ADTD系统的正地闪平均电流强度(60.66 kA)也明显高于三维系统(29.20 kA)[图4(b)]。

图3 2017年山西两套系统总地闪(a、b)及正(c)、负(d)地闪频次月分布(a)和日变化(b、c、d) Fig.3 Monthly distribution (a) and diurnal change (b, c, d) of total (a, b), positive (c) and negative (d) ground lightning frequency detected by two systems in 2017 in Shanxi Province

图4 山西两套系统负地闪(a)和正地闪(b)电流强度分布百分比Fig.4 The distribution percentage of current intensity of negative (a) and positive (b) ground lightning detected by two systems in Shanxi Province

同ADTD系统相比，三维系统的负地闪与正地闪平均电流强度都出现剧降，尤其是正地闪下降1倍多，这可能与三维系统闪电探测效率明显提升有关。陈绿文等[27]通过人工触发闪电对ADTD系统进行检验，发现该系统对闪电的探测效率约93%，对回击的探测效率约42%，由此推断三维系统对继后回击探测效率的提升是闪电总数增加的主要原因。一般情况下闪电首次回击的电流强度远强于继后回击，ADTD系统的正、负闪电平均回击数分别为1.02次和1.52次，首次回击的平均电流强度分别是继后回击的1.68倍和1.25倍[28]，可见，三维系统探测的继后回击大幅增加，导致平均电流强度明显减小，正地闪减小更多。这也是造成两套系统日变化、月变化曲线基本一致的原因。

2.3 两套系统地闪密度空间分布对比

将山西省按0.04°×0.06°的网格进行划分，统计每个网格内地闪频次，计算地闪密度。从图5(a)看出，ADTD系统的闪电密度高值(大于3.0 fl·km-2·a-1)区主要集中于晋中、忻州市的宁武县、原平市以及太原市的阳曲县、尖草坪区、古交市，吕梁市交城县等局地也有分布，而晋南的运城市、晋城市、长治市的壶关县和长子县以及晋东北的大同市(左云县除外)等区域闪电密度极小，在0.3 fl·km-2·a-1以下。此外，临汾市石楼、永和县的闪电密度也极低。

图5 山西ADTD系统(a)和三维系统(b)探测的闪电密度分布(单位：fl·km-2·a-1)Fig.5 Distribution of lightning density detected by ADTD (a) and three-dimensional (b) systems in Shanxi Province (Unit: fl·km-2·a-1)

同ADTD系统相比，三维系统探测的闪电密度高值区也集中分布在山西中部地区，但3.0 fl·km-2·a-1以上的高值范围明显增大，除忻州、太原、吕梁市外，还扩增至阳泉、朔州、大同和临汾等地市，而0.3 fl·km-2·a-1以下极小值区域大幅度缩小，大部分存于运城市、晋城市[图5(b)]。可见，三维系统因探测能力增强，尤其是回击探测效率提升，使得探测的闪电密度整体较ADTD系统明显增大。

2.4 两种监测资料对比

表2是2017年山西省6次雷灾及其过程期间两种闪电定位系统监测资料对比。可以看出，2017年7月22日近14:00牧源养猪场发生了一次雷电过程，该过程造成500余头猪死亡，此次雷灾由球状闪电造成。CEN等[29]研究发现，球状闪电是地闪接地后形成。三维系统监测的此次负地闪强度较大，为60.1 kA，有可能形成球状闪电。

通常，闪电定位精度与参与的基站数有关，基站数越多，定位精度越高[27]。从表2看出，两套系统分别有1次未探测到闪电，同时探测到闪电的过程共4次，这4次过程中三维系统闪电定位的基站数都高于ADTD系统，说明三维系统定位精度高于ADTD系统。ADTD与三维系统定位的雷灾点最大误差分别为2.86 km、4.34 km，探测精度平均分别为1.38 km、1.48 km，剔除最大误差ADTD系统平均为1.02 km，三维系统平均为0.76 km。

一般情况下，闪电首次回击峰值电流越强，探测到闪电辐射信号的基站越多，第二次回击峰值电流明显减弱，探测到的基站有所减少。2017年7月24日17:20以后山西某胶粘剂公司雷灾过程中监测到2次闪电，由于2次闪电间隔小于0.5 s且相距较短，故定义为一次闪电的2次回击[30]，三维系统首次探测到闪电辐射信号的基站为5站，第二次为2站，而ADTD系统仅探测到1次闪电辐射信号，说明三维闪电系统的回击分辨能力强于ADTD系统。

表2 雷灾时两种闪电监测资料对比Tab.2 Comparison of lightning parameters detected by two systems during the lightning disaster

注：“-”表示负地闪，“—”表示无数据

3 结 论

(1)三维系统的地闪探测效率比ADTD系统显著增强，2017年山西总地闪探测率增加99.75%，但正、负地闪平均电流强度均出现较大的减小，且正地闪下降幅度更大。

(2)两套系统闪电次数的月分布、日变化特征基本一致，前者呈单峰型分布，峰值都为7月，而后者则呈双峰双谷变化，峰值出现在下午15:00左右，次峰值出现在黎明05:00左右，但正、负地闪日变化略有差异。

(3)ADTD系统探测的闪电密度高值区主要集中在山西中部的忻州、太原、吕梁3市，而三维系统的高值区也集中在山西中部，且范围向四周明显扩大，新增至阳泉、朔州、临汾、大同等地市；闪电密度极小值主要分布在南端与东北端，三维系统较ADTD系统极小值范围大幅度减少。

(4)针对6次雷灾个例，ADTD和三维系统定位的最大误差分别为2.86 km、4.34 km，平均误差分别为1.38 km、1.48 km，剔除最大误差后，平均分别为1.02 km、0.76 km。