2007—2020年宁夏地闪数据质量控制及时间特征分析

姚肖萌，周积强，厚军学，魏 巍，杨 勇，柳佳俊

(1.宁夏回族自治区气象灾害防御技术中心，银川 750002；2.银川市气象局，银川 750002；3.宁夏气象防灾减灾重点实验室，银川 750002)

0 引言

闪电定位系统是指利用闪电回击辐射产生的声、光、电磁场特性遥测闪电回击放电参数的一种监测雷电发生的自动化气象探测设备，定位系统可监测雷电发生的时间、位置、强度和极性等。随着探测技术的发展和科技人员对雷电科学认识的深入，闪电定位系统探测范围由原来仅探测地闪扩展至云闪和地闪探测。随着观测技术提升和气象观测方式调整，2012年开始对宁夏雷电天气现象的观测取消了人工观测，全部改由闪电定位系统自动观测。闪电定位系统的建设和运行对认识雷电活动规律、开展雷电预警等具有重要意义[1-3]，同时对开展雷电灾害风险评估、雷击灾害调查和科普宣传等提供了科学技术支撑[4]。

闪电定位监测系统监测数据前需进行质量控制，主要目的是将误探的地闪数据进行剔除。系统一般情况下会将误探测的数据记录成为小幅值地闪。国内外众多学者均对小幅值地闪数据进行过研究。李家启[5]等在开展闪电定位资料质量控制中将小幅值地闪数据范围定义为闪电电流绝对值在5 kA以下。候永祥[6]等将小幅值地闪定义为雷电流强度绝对值在2 kA以下的地闪。李京校[7]等在统计正地闪时将雷电流强度小于10 kA的数据记录进行了剔除。张有业[8]等在进行雷电分布特征分析时，剔除雷电流强度绝对值小于2 kA的数据。刘芸[9]等在研究闪电定位资料中小幅值地闪范围时将小幅值地闪雷电流强度取值为-10～2 kA。QX/T 405-2017《雷电灾害风险区划技术指南》中要求闪电定位数据质量控制时应剔除雷电流强度绝对值在0～2 kA的数据。同时国外学者对于小幅值地闪数据的定义分为雷电流强度绝对值为2 kA或者10 kA以下的地闪数据。对于雷电流强度较大的地闪数据在《雷电灾害风险区划技术指南》中要求剔除200 kA以上的闪电数据。SAFIR300定位系统将大于300 kA的闪电电流一律记为300 kA。

文章利用2007—2020年宁夏闪电定位系统观测数据集，统计了雷电流强度绝对值小于10 kA的小幅值地闪次数；分析了1～10 kA小幅值地闪逐年次数和当年占比变化情况；分别分析了雷电流强度在300 kA和300 kA以上大幅值地闪分布情况；提出了应将雷电流强度绝对值小于6 kA和大于300 kA的地闪数据剔除作为宁夏地闪数据质量控制的方法。使用该方法对宁夏闪电定位数据进行质量控制，对比分析了质量控制前后地闪雷电流强度数据统计变化。最后文章分析了2007—2020年宁夏地闪次数年度、季节、月度、日和24 h分布特征，对宁夏雷电活动研究和防雷减灾工作提供参考。

1 资料来源

2006年10月宁夏布设完成闪电定位监测系统[10]，2007年1月正式投入试运行。2015年6月并入中国雷电定位系统开始并网监测。该系统是中国科学院空间中心雷电研究室研制的ADTD型雷电定位监测系统。系统采用磁定向、时差法和综合分析算法对宁夏全域全天候进行实时闪电定位监测。探测仪分别建设在银川、中卫、同心、盐池、六盘山气象站观测场。系统能记录地闪发生时间、经纬度位置、雷电流极性、峰值强度、雷电流上升陡度等参数信息。系统时间精度达到了0.1 μs，回击分辨力3 ms，测向精度0.5°，平均定位精度300 m，探测范围0～600 km，平均探测范围300 km。文章使用的数据来自2007—2020年宁夏闪电定位系统监测数据。

2 数据质量控制方法

结合小幅值雷电研究现状[11]，文章将小幅值雷电流定为地闪雷电流强度绝对值小于10 kA的地闪，将雷电流强度绝对值大于200 kA的地闪定为大幅值地闪。

2.1 小幅值地闪次数和占比总体分析

将雷电流强度(1～10 kA)按照间隔步长1 kA对占总地闪数据次数和比例进行如下分析：1 kA以下地闪数据为4次，占比接近0.0%；2～3 kA以下地闪数据分别为12次、14次，占比为0.01%；4～5 kA以下地闪数据分别为18次、24次，占比为0.01%；6 kA以下地闪数据为48条，占比为0.04%；7 kA以下地闪数据为129条，占比为0.11%；8 kA以下地闪数据为340条，占比为0.29%；9 kA以下地闪数据为710条，占比为0.60%；10 kA以下地闪次数为1305次，占比达到1.10%；5～10 kA地闪次数和占比接近成倍递增的变化趋势。

2.2 小幅值地闪次数和占比年度分析

将雷电流强度(1～10 kA)按照间隔步长1 kA对小幅值地闪数据逐年次数和比例进行如下分析：2 kA以下地闪次数在2008年、2014年、2018—2020年为0，其余年份在1～3次不等；4 kA以下地闪次数在2014年、2018—2020年为0，其余年份在1～4次不等；6 kA以下地闪次数在2018年、2020年为0，其余年份在1～12次不等；10 kA以下地闪次数最少次数为9次，出现年份为2019年，最大次数为358次，出现年份为2007年，年平均次数为14次。图1为雷电流强度在6 kA以下地闪次数的逐年次数和当年占比分布图，可以看出随着6 kA以下地闪次数增加，当年占比也逐渐增加，最大出现在2015年，大于0.14%。

图1 雷电流6 kA以下地闪次数逐年次数和当年占比分布图

2.3 大幅值雷电分布及占比分析

200 kA以上地闪次数为316次，占全部地闪次数比例0.26%，平均强度为277.27 kA。300 kA以上地闪次数为75次，占全部地闪次数比例0.06%，平均强度为400.57 kA。

2.4 质量控制方法

根据小幅值和大幅值雷电流强度出现次数和逐年总占比分析，结合国内外小幅值雷电流地闪数据确定方法，将宁夏小幅值雷电流强度确定为绝对值强度在6 kA以下，大幅值雷电流强度确定为300 kA以上作为宁夏闪电定位监测系统数据质量控制方法。表1为宁夏闪电定位数据质量控制前后统计结果对比分析。其中负地闪次数从106，557次减少至106，466次，共减少91次。正地闪次数从12，346次减少至12，314次，共减少32次。总共地闪次数减少123次，占总地闪比为0.10%。负地闪雷电流强度从643.31 kA减少至297.47 kA。负地闪雷电流强度从947.60 kA减少至296.65 kA。数据经质量控制后消除了雷电流强度绝对值在小幅值和大幅值范围的地闪数据，剔除数据比例为0.10%。

表1 宁夏闪电定位数据质量控制前后对比 kA

3 地闪时间特征

3.1 地闪年度分布特征

地闪次数年度分布情况如下：2007—2009年为逐年下降，并且下降幅度较大；2010—2012年进入上升阶段；2012—2020年，仅2018年地闪次数有增加外其余年份表现为逐年递减；其中地闪次数最大为18，319次，出现年份为2007年；地闪次数最小为2452次，出现年份为2017年；年平均地闪次数为8484次。图2为2007—2020年宁夏地闪次数逐年分布图。

图2 2007—2020年宁夏地闪次数逐年分布图

3.2 地闪季节分布特征

地闪次数季节分布和比例从大到小依次为夏季、秋季、春季、冬季。地闪次数依次为92，374次、16，682次、9712次、12次，占总地闪比例依次为78%、14%、8%、约0%。宁夏地闪主要发生在夏季，比例达到78%，冬季发生次数最少，四季地闪发生次数平均为29，695次。

3.3 地闪月度分布特征

宁夏地闪全年均有发生，但分布情况具有明显差异：7—8月宁夏地闪为多发月份；8月地闪次数最多，次数达50，015次；7月地闪次数次之，次数达31，519次；1—3月、11—12月地闪次数较少，最少次数为3次，出现月份为12月。地闪月平均为9898次。图3为2007—2020年宁夏地闪次数月度分布图。

图3 2007—2020年宁夏地闪次数月度分布图

3.4 地闪日分布特征

从地闪发生日分布(图4)情况来看，在各月上旬后半段和下旬后半段时间发生地闪次数较多，月中旬发生地闪次数相对较少。其中地闪次数最多为6178次，出现在25日。地闪次数最少为1932次，出现在18日。平均地闪次数为3832次。

图4 2007—2020年宁夏地闪次数日分布图

3.5 地闪24 h分布特征

地闪次数24 h均有发生，具有明显的时间分布特征：00：00—12：00地闪次数发生较少，其中00：00—05：00，地闪次数逐渐稳定减少；13：00—23：00地闪次数大幅增加，最高峰出现在15：00；15：00—23：00地闪发生次数逐渐稳定减少；地闪次数24 h分布最大值为11，418次，出现在15：00；地闪次数24 h分布最小值为890次，出现在05：00；24 h平均地闪发生次数为4949次。图5为2007—2020年宁夏地闪次数小时分布图。

图5 2007—2020年宁夏地闪次数24 h小时分布图

4 结束语

闪电定位数据对雷电预警、雷电活动规律、雷电科学认识和防雷减灾等工作有重要的科学支撑作用。文章使用2007—2020年宁夏闪电定位资料，分析了雷电流强度绝对值在10 kA以下的小幅值地闪逐年次数和占比分布，及其300 kA以上大幅值地闪次数分布情况，结合当前相关小幅值雷电确定方法，经综合分析提出剔除雷电流绝对强度在6 kA以下和300 kA以上地闪数据作为宁夏地闪数据质量控制方法。文章对比分析了经质量控制前后地闪雷电流强度描述性统计特征变化，经质量控制剔除地闪数据占比为0.10%；分析了2007—2020年宁夏地闪年度、季节、月度、日和24 h分布特征，从2012年以来宁夏地闪监测数据逐年减少，发生季节主要集中在夏季和秋季，在7—8月雷电活动频繁，在15：00左右雷电活动最为强烈。最后宁夏冬季雷电也时有发生。