山西省兩套閃電定位系統(tǒng)地閃監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

張華明，錢 勇，劉恒毅，田瑞敏，李 強(qiáng)，胡俊青

(1.山西省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，山西 太原 030002； 2.新疆氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，新疆 烏魯木齊 830001；3.中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

引 言

閃電作為全球性廣泛存在的自然現(xiàn)象，常常造成人員傷亡或重大經(jīng)濟(jì)損失[1-3]。近年來，國際社會(huì)逐漸意識(shí)到全球分布廣泛且反復(fù)發(fā)生的廣布型災(zāi)害是造成災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)(或潛在影響)不斷擴(kuò)大化的重要原因。因此，閃電及其潛在風(fēng)險(xiǎn)受到氣象學(xué)、災(zāi)害學(xué)等諸多學(xué)科的深度關(guān)注，而閃電活動(dòng)的探測(cè)及時(shí)空分布特征是雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理的重要基礎(chǔ)[4-8]。

閃電定位系統(tǒng)是用于雷電探測(cè)和預(yù)警的設(shè)備，可以探測(cè)閃電發(fā)生的時(shí)間、電流強(qiáng)度、位置和正負(fù)極性等參數(shù)。隨著科學(xué)與技術(shù)的不斷發(fā)展，閃電定位技術(shù)從最初的磁定向逐漸發(fā)展了時(shí)差法及聯(lián)合定位法[9-10]?；陂W電的放電特征，開發(fā)了不同頻段的三維閃電探測(cè)儀，實(shí)現(xiàn)了閃電高分辨率監(jiān)測(cè)，不僅可監(jiān)測(cè)云、地閃電，還可以監(jiān)測(cè)云間閃電。如美國的閃電測(cè)繪陣列(LMA)、國家閃電探測(cè)網(wǎng)絡(luò)(NLDN)和WeatherBug總閃電網(wǎng)絡(luò)(WTLN)等，我國的ADTD系統(tǒng)、VLF/LF三維閃電監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)以及風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星搭載的閃電探測(cè)器等[11-16]。山西省氣象部門于2006年布設(shè)了一套ADTD閃電定位系統(tǒng)，隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展，2017年新增了VLF/LF三維全閃電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。由于探測(cè)原理、儀器誤差等原因，不同閃電定位系統(tǒng)的探測(cè)結(jié)果存在一定差距，通過人工觸發(fā)閃電、雷擊高塔試驗(yàn)等檢測(cè)方法可掌握不同閃電定位系統(tǒng)的探測(cè)性能、優(yōu)劣及干擾因素(如土壤電導(dǎo)率和地形地貌)[17-20]。我國幅員遼闊、地形地貌復(fù)雜，在全球氣候變暖、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展條件下開展不同地區(qū)不同系統(tǒng)閃電定位資料的對(duì)比分析非常必要[21-24]。因此，本文針對(duì)山西省布設(shè)的ADTD和VLF三維閃電定位系統(tǒng)探測(cè)的地閃數(shù)據(jù)，結(jié)合雷電災(zāi)害資料，從電流強(qiáng)度、時(shí)空分布等角度出發(fā)，對(duì)比分析兩套系統(tǒng)的探測(cè)精度，以利于今后在閃電定位數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)及雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、預(yù)警和服務(wù)等方面有更好應(yīng)用。

1 資料及來源

所用資料是山西省7個(gè)ADTD閃電定位系統(tǒng)子站和11個(gè)VLF三維閃電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)子站2017年1—12月監(jiān)測(cè)的閃電定位資料以及6次雷災(zāi)過程觀測(cè)資料。其中，閃電定位數(shù)據(jù)包括閃電發(fā)生時(shí)間、經(jīng)緯度、強(qiáng)度、誤差、定位方式等要素。ADTD(advanced toa and direction system)閃電定位系統(tǒng)由中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心研制，通過監(jiān)測(cè)地閃輻射的甚低頻(very low frequency, VLF)信號(hào)，采用時(shí)差法和定向時(shí)差聯(lián)合法對(duì)地閃進(jìn)行定位。VLF三維閃電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由中國科學(xué)院電工研究所研發(fā)，利用閃電放電產(chǎn)生的VLF/LF電磁脈沖到達(dá)時(shí)間，基于寬帶網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和多站TOA(time of arrival)時(shí)間差定位原理，實(shí)現(xiàn)閃電三維定位[19]。兩套系統(tǒng)子站的空間分布如圖1所示。

圖1 山西省兩套閃電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的站點(diǎn)分布Fig.1 The station distribution of two lightning detection systems in Shanxi Province

2 結(jié)果與分析

2.1 兩套系統(tǒng)閃電次數(shù)及時(shí)間分布對(duì)比

表1是2017年山西ADTD系統(tǒng)和三維系統(tǒng)探測(cè)的地閃次數(shù)和強(qiáng)度對(duì)比。可以看出，兩套系統(tǒng)探測(cè)的山西負(fù)地閃次數(shù)均遠(yuǎn)大于正地閃，但三維系統(tǒng)的地閃探測(cè)效率比ADTD系統(tǒng)顯著偏高，正、負(fù)地閃次數(shù)分別增加151.39%和94.85%，總地閃增加99.75%，正地閃占比增加2.24%，比京津冀地區(qū)正地閃占比7.8%[25-26]略為偏高。然而，三維系統(tǒng)探測(cè)的地閃平均強(qiáng)度均低于ADTD系統(tǒng)。

圖2是2017年山西各地市三維系統(tǒng)閃電次數(shù)相對(duì)ADTD的變化率。可以看到，山西各地市三維系統(tǒng)探測(cè)的閃電次數(shù)均較ADTD系統(tǒng)有所增加，但不同地市、不同閃電類型增加率有明顯差異。就總地閃而言，大同與運(yùn)城地閃增加率極高，分別為390.55%與384.12%，其次為陽泉(258.47%)、晉城(221.66%)，太原增加率最小為34.26%，其余城市在60%～90%之間。結(jié)合站點(diǎn)分布看出，三維與ADTD系統(tǒng)在太原周邊的子站基本一致，而運(yùn)城與大同周邊的新增子站使得探測(cè)網(wǎng)格更加合理，因此，太原增加率最低。負(fù)地閃的增加率在各地市分布與總地閃相似，大同最大，運(yùn)城次之，再次為陽泉和晉城，太原仍最小，而正地閃增加率的空間分布則有所不同，盡管大同、運(yùn)城、陽泉、晉城增加率仍較大，但最大值出現(xiàn)在運(yùn)城，且遠(yuǎn)高于其他地市，而次高值則出現(xiàn)在總地閃和負(fù)地閃增加率低值區(qū)的晉中，太原仍為最小。

圖3是2017年兩套系統(tǒng)地閃頻次月分布和日變化，其中日變化中逐時(shí)閃電次數(shù)是歸類為整點(diǎn)統(tǒng)計(jì)?？梢钥吹剑轿魇商紫到y(tǒng)總地閃頻次的月分布均表現(xiàn)為一致的單峰型特征，6—8月是閃電活動(dòng)高發(fā)期，ADTD系統(tǒng)、三維系統(tǒng)分別占全年的94.24%和95.12%，7月是峰值(約占全年的一半，分別為47.63%和53.23%)，且高發(fā)期兩套系統(tǒng)探測(cè)值相差較大，尤其是7月相差更加顯著[圖3(a)]。

從日變化[圖3(b)、圖3(c)和圖3(d)]來看，除ADTD系統(tǒng)正地閃外，其他都呈現(xiàn)雙峰雙谷結(jié)構(gòu)，峰值、峰谷時(shí)間接近。其中，兩套系統(tǒng)負(fù)地閃和總地閃次峰值均在05:00(北京時(shí)，下同)，峰值在14:00或15:00；三維系統(tǒng)正地閃次峰值在04:00，兩套系統(tǒng)峰值均在16:00。另外，三維系統(tǒng)探測(cè)的閃電次數(shù)在各時(shí)刻都比ADTD系統(tǒng)高，尤其是峰值相差最顯著，因此三維系統(tǒng)探測(cè)的閃電日變化更明顯。

表1 2017年山西ADTD和三維系統(tǒng)地閃次數(shù)和強(qiáng)度對(duì)比Tab.1 Comparison of detected ground lightning frequency and intensity by ADTD and 3D systems in Shanxi Province in 2017

圖2 2017年山西各地市ADTD系統(tǒng)和三維系統(tǒng)地閃次數(shù)變化率(以ADTD系統(tǒng)為基準(zhǔn)，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 兩套系統(tǒng)電流強(qiáng)度分布對(duì)比

山西省2017年地閃電流強(qiáng)度為0～120 kA，為弄清不同系統(tǒng)電流強(qiáng)度分布特征，按照10 kA等間距劃分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。從負(fù)地閃電流強(qiáng)度分布[圖4(a)]看出，兩套系統(tǒng)探測(cè)的負(fù)地閃均隨著電流強(qiáng)度增大呈先增后減的變化特征，ADTD系統(tǒng)的負(fù)地閃電流強(qiáng)度集中在10～50 kA之間，約占負(fù)地閃總數(shù)的85%，電流強(qiáng)度為20～30 kA的負(fù)地閃最多；三維系統(tǒng)探測(cè)的負(fù)地閃電流強(qiáng)度集中在10～40 kA之間，約占負(fù)地閃總數(shù)的72%，10～20 kA的負(fù)地閃最多。與ADTD系統(tǒng)相比，三維系統(tǒng)負(fù)地閃峰值的電流強(qiáng)度區(qū)間由20～30 kA降為10～20 kA，ADTD系統(tǒng)負(fù)地閃平均電流強(qiáng)度為33.22 kA，三維系統(tǒng)負(fù)地閃平均電流強(qiáng)度為22.43 kA，三維系統(tǒng)負(fù)地閃平均電流強(qiáng)度低于ADTD系統(tǒng)。兩套系統(tǒng)探測(cè)的正地閃電流強(qiáng)度分布特征明顯不同，ADTD系統(tǒng)正地閃則隨電流強(qiáng)度增大呈先增后減的特征，而三維系統(tǒng)的正地閃則隨電流強(qiáng)度增大逐漸減少，前者峰值出現(xiàn)在30～40kA之間，后者0～20 kA的正地閃較多，約占正地閃總數(shù)的61%，ADTD系統(tǒng)的正地閃平均電流強(qiáng)度(60.66 kA)也明顯高于三維系統(tǒng)(29.20 kA)[圖4(b)]。

圖3 2017年山西兩套系統(tǒng)總地閃(a、b)及正(c)、負(fù)(d)地閃頻次月分布(a)和日變化(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

圖4 山西兩套系統(tǒng)負(fù)地閃(a)和正地閃(b)電流強(qiáng)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系統(tǒng)相比，三維系統(tǒng)的負(fù)地閃與正地閃平均電流強(qiáng)度都出現(xiàn)劇降，尤其是正地閃下降1倍多，這可能與三維系統(tǒng)閃電探測(cè)效率明顯提升有關(guān)。陳綠文等[27]通過人工觸發(fā)閃電對(duì)ADTD系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)對(duì)閃電的探測(cè)效率約93%，對(duì)回?fù)舻奶綔y(cè)效率約42%，由此推斷三維系統(tǒng)對(duì)繼后回?fù)籼綔y(cè)效率的提升是閃電總數(shù)增加的主要原因。一般情況下閃電首次回?fù)舻碾娏鲝?qiáng)度遠(yuǎn)強(qiáng)于繼后回?fù)?，ADTD系統(tǒng)的正、負(fù)閃電平均回?fù)魯?shù)分別為1.02次和1.52次，首次回?fù)舻钠骄娏鲝?qiáng)度分別是繼后回?fù)舻?.68倍和1.25倍[28]，可見，三維系統(tǒng)探測(cè)的繼后回?fù)舸蠓黾樱瑢?dǎo)致平均電流強(qiáng)度明顯減小，正地閃減小更多。這也是造成兩套系統(tǒng)日變化、月變化曲線基本一致的原因。

2.3 兩套系統(tǒng)地閃密度空間分布對(duì)比

將山西省按0.04°×0.06°的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，統(tǒng)計(jì)每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)地閃頻次，計(jì)算地閃密度。從圖5(a)看出，ADTD系統(tǒng)的閃電密度高值(大于3.0 fl·km-2·a-1)區(qū)主要集中于晉中、忻州市的寧武縣、原平市以及太原市的陽曲縣、尖草坪區(qū)、古交市，呂梁市交城縣等局地也有分布，而晉南的運(yùn)城市、晉城市、長治市的壺關(guān)縣和長子縣以及晉東北的大同市(左云縣除外)等區(qū)域閃電密度極小，在0.3 fl·km-2·a-1以下。此外，臨汾市石樓、永和縣的閃電密度也極低。

圖5 山西ADTD系統(tǒng)(a)和三維系統(tǒng)(b)探測(cè)的閃電密度分布(單位：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系統(tǒng)相比，三維系統(tǒng)探測(cè)的閃電密度高值區(qū)也集中分布在山西中部地區(qū)，但3.0 fl·km-2·a-1以上的高值范圍明顯增大，除忻州、太原、呂梁市外，還擴(kuò)增至陽泉、朔州、大同和臨汾等地市，而0.3 fl·km-2·a-1以下極小值區(qū)域大幅度縮小，大部分存于運(yùn)城市、晉城市[圖5(b)]?？梢?，三維系統(tǒng)因探測(cè)能力增強(qiáng)，尤其是回?fù)籼綔y(cè)效率提升，使得探測(cè)的閃電密度整體較ADTD系統(tǒng)明顯增大。

2.4 兩種監(jiān)測(cè)資料對(duì)比

表2是2017年山西省6次雷災(zāi)及其過程期間兩種閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)資料對(duì)比?？梢钥闯?，2017年7月22日近14:00牧源養(yǎng)豬場(chǎng)發(fā)生了一次雷電過程，該過程造成500余頭豬死亡，此次雷災(zāi)由球狀閃電造成。CEN等[29]研究發(fā)現(xiàn)，球狀閃電是地閃接地后形成。三維系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的此次負(fù)地閃強(qiáng)度較大，為60.1 kA，有可能形成球狀閃電。

通常，閃電定位精度與參與的基站數(shù)有關(guān)，基站數(shù)越多，定位精度越高[27]。從表2看出，兩套系統(tǒng)分別有1次未探測(cè)到閃電，同時(shí)探測(cè)到閃電的過程共4次，這4次過程中三維系統(tǒng)閃電定位的基站數(shù)都高于ADTD系統(tǒng)，說明三維系統(tǒng)定位精度高于ADTD系統(tǒng)。ADTD與三維系統(tǒng)定位的雷災(zāi)點(diǎn)最大誤差分別為2.86 km、4.34 km，探測(cè)精度平均分別為1.38 km、1.48 km，剔除最大誤差A(yù)DTD系統(tǒng)平均為1.02 km，三維系統(tǒng)平均為0.76 km。

一般情況下，閃電首次回?fù)舴逯惦娏髟綇?qiáng)，探測(cè)到閃電輻射信號(hào)的基站越多，第二次回?fù)舴逯惦娏髅黠@減弱，探測(cè)到的基站有所減少。2017年7月24日17:20以后山西某膠粘劑公司雷災(zāi)過程中監(jiān)測(cè)到2次閃電，由于2次閃電間隔小于0.5 s且相距較短，故定義為一次閃電的2次回?fù)鬧30]，三維系統(tǒng)首次探測(cè)到閃電輻射信號(hào)的基站為5站，第二次為2站，而ADTD系統(tǒng)僅探測(cè)到1次閃電輻射信號(hào)，說明三維閃電系統(tǒng)的回?fù)舴直婺芰?qiáng)于ADTD系統(tǒng)。

表2 雷災(zāi)時(shí)兩種閃電監(jiān)測(cè)資料對(duì)比Tab.2 Comparison of lightning parameters detected by two systems during the lightning disaster

注：“-”表示負(fù)地閃，“—”表示無數(shù)據(jù)

3 結(jié) 論

(1)三維系統(tǒng)的地閃探測(cè)效率比ADTD系統(tǒng)顯著增強(qiáng)，2017年山西總地閃探測(cè)率增加99.75%，但正、負(fù)地閃平均電流強(qiáng)度均出現(xiàn)較大的減小，且正地閃下降幅度更大。

(2)兩套系統(tǒng)閃電次數(shù)的月分布、日變化特征基本一致，前者呈單峰型分布，峰值都為7月，而后者則呈雙峰雙谷變化，峰值出現(xiàn)在下午15:00左右，次峰值出現(xiàn)在黎明05:00左右，但正、負(fù)地閃日變化略有差異。

(3)ADTD系統(tǒng)探測(cè)的閃電密度高值區(qū)主要集中在山西中部的忻州、太原、呂梁3市，而三維系統(tǒng)的高值區(qū)也集中在山西中部，且范圍向四周明顯擴(kuò)大，新增至陽泉、朔州、臨汾、大同等地市；閃電密度極小值主要分布在南端與東北端，三維系統(tǒng)較ADTD系統(tǒng)極小值范圍大幅度減少。

(4)針對(duì)6次雷災(zāi)個(gè)例，ADTD和三維系統(tǒng)定位的最大誤差分別為2.86 km、4.34 km，平均誤差分別為1.38 km、1.48 km，剔除最大誤差后，平均分別為1.02 km、0.76 km。