貴州省閃電定位系統(tǒng)雷暴日資料的評(píng)估分析

丁旻　陳春　劉蕓

摘要：貴州省ADTD閃電定位系統(tǒng)于2006年投入運(yùn)營(yíng)，ADTD1型閃電定位系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)以來(lái)，其探測(cè)效率急需進(jìn)行評(píng)估。本文采用2006～2012年貴州省人工觀測(cè)雷暴日資料與ADTD雷暴日資料進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)人工觀測(cè)站不同半徑范圍內(nèi)的雷暴日與ADTD雷暴日逐月進(jìn)行統(tǒng)計(jì)擬合，得到相關(guān)性最好的半徑；并使用人工觀測(cè)站雷暴日資料評(píng)估ADTD1閃電定位系統(tǒng)的雷暴日探測(cè)效率。

關(guān)鍵詞：ADTD；雷暴日；探測(cè)效率

近年來(lái)，為了準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)雷暴的活動(dòng)，全國(guó)各地開(kāi)始建立“雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)”[13]。貴州省于2006年開(kāi)始先后建成了ADTD閃電定位系統(tǒng)，07年首批建設(shè)成立監(jiān)測(cè)網(wǎng)包括7個(gè)探測(cè)子站和一個(gè)數(shù)據(jù)處理中心站，7個(gè)探測(cè)子站自北向南依次為：桐梓、遵義、畢節(jié)、六盤(pán)水、貴陽(yáng)、安順、都勻。09年完成第二批閃電定位儀的安裝建設(shè)，分別建在息烽、威寧、盤(pán)縣、三穗、榕江。每個(gè)閃電定位探測(cè)子站探測(cè)范圍為200km，將探測(cè)到的閃電發(fā)生時(shí)間、方位、強(qiáng)度和電磁輻射信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸給中心站，由中心站進(jìn)行實(shí)時(shí)定位處理。系統(tǒng)提供回?fù)舭l(fā)生的時(shí)間、經(jīng)緯度、閃電強(qiáng)度、閃電極性等信息。目前貴州省運(yùn)行的閃電定位儀共12套，基本覆蓋全省，為雷電預(yù)警預(yù)報(bào)提供了有力的探測(cè)數(shù)據(jù)。

1 人工觀測(cè)雷暴日資料

雷暴日是指某地區(qū)一年中有雷電放電的天數(shù)，用以表征不同地區(qū)雷電活動(dòng)的頻繁程度。我國(guó)以觀測(cè)人員在觀測(cè)站看到或聽(tīng)到雷聲作為雷暴日的統(tǒng)計(jì)依據(jù)[46]。但是，國(guó)外科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，聽(tīng)力好的人可以聽(tīng)到20公里以外的雷聲，聽(tīng)力不好的人連5公里處發(fā)生的雷電都聽(tīng)不到；另外，聽(tīng)力也與雷聲大小、背景噪聲及傳播路徑上有無(wú)障礙有關(guān)[7～9]。因此，貴州省于2012年停止了人工雷暴日的觀測(cè)，但是，利用此前真實(shí)可信的雷暴日觀測(cè)資料對(duì)目前的ADTD閃電定位雷暴日資料的可靠性進(jìn)行評(píng)估是亟待完成也是極為必要的。

貴州省共有85個(gè)人工觀測(cè)站，本文利用20062012年貴州省12個(gè)ADTD1探測(cè)站點(diǎn)附近的人工觀測(cè)站的雷暴日資料，對(duì)比分析了人工觀測(cè)站雷暴日和不同半徑下（5、8、10、15km）的ADTD1觀測(cè)雷暴日的數(shù)據(jù)。

2 不同探測(cè)半徑下雷暴日與閃電資料的相關(guān)性分析

將人工觀測(cè)站雷暴日數(shù)據(jù)逐月進(jìn)行統(tǒng)計(jì)， ADTD1閃電定位網(wǎng)雷暴日數(shù)據(jù)以觀測(cè)站范圍4種不同半徑逐月進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（5、8、10、15km），并將兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性擬合。圖1圖3分別為20062008年人工觀測(cè)雷暴日與ADTD1不同半徑下雷暴日的線(xiàn)性擬合圖，20082012年人工觀測(cè)雷暴日與ADTD1不同半徑下雷暴日的線(xiàn)性擬合圖（圖略）。

從圖1中可以看到，4種不同半徑范圍下兩者間的數(shù)據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果為：5km：相關(guān)系數(shù)R2=0.532，斜率k=0.6314；8km：相關(guān)系數(shù)R2=0.6175，斜率k=0.8185；10km：相關(guān)系數(shù)R2=0.6045，斜率k=0.9568；15km：相關(guān)系數(shù)R2=0.6129，斜率k=1.2223。2006年在氣象觀測(cè)站半徑r=10 km的范圍內(nèi)，人工觀測(cè)雷暴日資料與ADTD1閃電定位系統(tǒng)雷暴日資料的相關(guān)性最好。

從圖2中可以看到，4種不同半徑范圍下兩者間的數(shù)據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果為：5km：相關(guān)系數(shù)R2=0.7007，斜率k=0.7266；8km：相關(guān)系數(shù)R2=0.7136，斜率k=0.9699；10km：相關(guān)系數(shù)R2=0.7367，斜率k=1.08；15km：相關(guān)系數(shù)R2=0.7666，斜率k=1.286。2007年在氣象觀測(cè)站半徑r=10 km的范圍內(nèi)，人工觀測(cè)雷暴日資料與ADTD1閃電定位系統(tǒng)雷暴日資料的相關(guān)性最好。

從圖3 中可以看到，4種不同半徑范圍下兩者間的數(shù)據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果為：5km：相關(guān)系數(shù)R2=0.5879，斜率k=0.8697；8km：相關(guān)系數(shù)R2=0.6267，斜率k=1.104；10km：相關(guān)系數(shù)R2=06399，斜率k=1.212；15km：相關(guān)系數(shù)R2=0.6568，斜率k=1.444。2008年人工觀測(cè)雷暴日與ADTD雷暴日之間相關(guān)系數(shù)很低，在氣象觀測(cè)站半徑r=8km的范圍內(nèi)，人工觀測(cè)雷暴日資料與ADTD1閃電定位系統(tǒng)雷暴日資料的相關(guān)性最好。

2009年，4種不同半徑范圍下兩者間的數(shù)據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果為：5km：相關(guān)系數(shù)R2=0.6719，斜率k=0.7771；8km：相關(guān)系數(shù)R2=0.6987，斜率k=1.061；10km：相關(guān)系數(shù)R2=0.6879，斜率k=1.227；15km：相關(guān)系數(shù)R2=0.6332，斜率k=1.486。2009年在氣象觀測(cè)站半徑r=8km的范圍內(nèi)，人工觀測(cè)雷暴日資料與ADTD1閃電定位系統(tǒng)雷暴日資料的相關(guān)性最好。

2010年，4種不同半徑范圍下兩者間的數(shù)據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果為：5km：相關(guān)系數(shù)R2=0.6654，斜率k=0.697；8km：相關(guān)系數(shù)R2=0.6126，斜率k=1.054；10km：相關(guān)系數(shù)R2=0.6521，斜率k=1.251；15km：相關(guān)系數(shù)R2=0.6249，斜率k=1.659。2010年在氣象觀測(cè)站半徑r=8 km的范圍內(nèi)，人工觀測(cè)雷暴日資料與ADTD1閃電定位系統(tǒng)雷暴日資料的相關(guān)性最好。

2011年，4種不同半徑范圍下兩者間的數(shù)據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果為：5km：相關(guān)系數(shù)R2=0.7611，斜率k=0.7978；8km：相關(guān)系數(shù)R2=0.7622，斜率k=1.136；10km：相關(guān)系數(shù)R2=0.7323，斜率k=1.34；15km：相關(guān)系數(shù)R2=0.6883，斜率k=1.78。2011年在氣象觀測(cè)站半徑r=8 km的范圍內(nèi)，人工觀測(cè)雷暴日資料與ADTD1閃電定位系統(tǒng)雷暴日資料的相關(guān)性最好。

2012年，4種不同半徑范圍下兩者間的數(shù)據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果為：5km：相關(guān)系數(shù)R2=0.7804，斜率k=0.6298；8km：相關(guān)系數(shù)R2=0.8389，斜率k=0.8718；10km：相關(guān)系數(shù)R2=0.8759，斜率k=1.02；15km：相關(guān)系數(shù)R2=0.844，斜率k=1.32。2012年在氣象觀測(cè)站半徑r=10 km的范圍內(nèi)，人工觀測(cè)雷暴日資料與ADTD1閃電定位系統(tǒng)雷暴日資料的相關(guān)性最好。

從2006～2012年人工觀測(cè)雷暴日與ADTD1不同半徑下雷暴日的線(xiàn)性擬合得出，在20062008年，雷暴日資料與ADTD1閃電定位系統(tǒng)資料的相關(guān)性均值在0.6496，相關(guān)性較弱。

自2009年即第二批ADTD閃電定位系統(tǒng)投入使用后，兩數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性明顯提高，均值達(dá)0.72，2006、2007、2012年在氣象觀測(cè)站半徑r=10 km的范圍內(nèi)，人工觀測(cè)雷暴日資料與ADTD1閃電定位系統(tǒng)雷暴日資料的相關(guān)性最好，2008、2009、2010、2011年在氣象觀測(cè)站半徑r=8 km的范圍內(nèi)，人工觀測(cè)雷暴日資料與ADTD1閃電定位系統(tǒng)雷暴日資料的相關(guān)性最好。這是由于2006～2008年，貴州省ADTD閃電定位系統(tǒng)僅建成7個(gè)子站，不能完全覆蓋貴州省所有地區(qū)，探測(cè)效率偏低。自2009年建成總共12個(gè)探測(cè)子站后，貴州省閃電定位網(wǎng)絡(luò)的探測(cè)效率明顯提高。

3 利用人工觀測(cè)站雷暴日資料評(píng)估ADTD1閃電探測(cè)效率

將有雷暴的概率定義為探測(cè)到至少一次閃電的概率，只要閃電次數(shù)大于1，探測(cè)到雷暴日的概率將隨著探測(cè)到閃電的概率的增加而增大。因此，將探測(cè)到閃電的概率與有雷暴的概率之間的關(guān)系表示為：

P（TD）=1-（1-Pf）n（31）

式中，n為閃電的數(shù)量，P（TD）為有雷暴的概率，Pf為探測(cè)到閃電的概率。

Reap R M等[10]提出了對(duì)雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)定位結(jié)果進(jìn)行評(píng)估的方法如下：

P（0）=xx+y（32）

式中，P（0）為有雷暴記錄且被雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)所記錄的概率，x為有雷暴記錄且被雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)所記錄的閃電天數(shù)，y為有雷暴記錄卻沒(méi)有被雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)所記錄的閃電天數(shù)。

利用2006～2012年12個(gè)人工觀測(cè)站的雷暴數(shù)據(jù)對(duì)觀測(cè)站點(diǎn)最佳擬合半徑范圍內(nèi)的ADTD1雷暴日數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估結(jié)果如圖4和圖5。

從圖4、圖5可以看到，2006～2012年ADTD1雷暴日探測(cè)效率均值分別為0.8371、0.892、0.7276、0.8564、0.8598、0.8756、0.8994，這說(shuō)明利用ADTD1進(jìn)行雷暴日探測(cè)的可行性較高。

2006～2008年的雷暴日探測(cè)效率略低于2009～2012年。

4 結(jié)論

1）2006、2007、2012年在氣象觀測(cè)站半徑r=10km的范圍內(nèi)，人工觀測(cè)雷暴日資料與ADTD1雷暴日資料的相關(guān)性最好，2008～2011年在氣象觀測(cè)站半徑r=8km的范圍內(nèi)，人工觀測(cè)雷暴日資料與ADTD1雷暴日資料的相關(guān)性最好；

2）使用人工觀測(cè)站資料評(píng)估ADTD1閃電定位系統(tǒng)的雷暴日探測(cè)效率，得出2006～2012年間12站的平均探測(cè)效率為84.89%，ADTD1雷暴日探測(cè)可靠性較高。但是由于人工觀測(cè)資料也受多種因素的影響，僅用人工觀測(cè)資料對(duì)ADTD1資料進(jìn)行評(píng)估具有一定的局限性。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙讓元，潘威炎.國(guó)內(nèi)外雷電探測(cè)研究.電波與天線(xiàn)，1999，4：111.

[2]張義軍，孟青，馬明，等.閃電探測(cè)技術(shù)發(fā)展和資料應(yīng)用.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2006，17（5）：611618

[3]陳家宏，張勤，馮萬(wàn)興，等.中國(guó)電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)與雷電檢測(cè)網(wǎng).高電壓技術(shù)，2008，34（3）：425431.

[4]劉梅，魏建蘇，俞劍蔚，等.近57年江蘇省雷暴變化趨勢(shì)特征分析.熱帶氣象學(xué)報(bào)，2010，26（2）：227234.

[5]Novak P，Kyznarova H.Climatology of lightning in the Czech Republic.Atmos Res，2011，100：318333.

[6]S.E.Enno，A.Briede.，D.Valiukas.Climatology of thunderstorms in the Baltic couuntries：19512000[J].Theor Appl Climatol，2013，111：309325.

[7]Fleagle RG.The audibility of thunder.Acoust Soc Am，1949，21（4）：411412.

[8]Changnon SA.Relationships between thunderstorms and cloud to ground lightning in the United states.Appl Meteorol，1993，32：88104.

[9]Pinto，O.，C.B.Campinho.Lightning incidence in the southeast Brazil. Comparison of thunderstorm days from different data bases//Proc. 14 Int. Conf. On Atmospheric Electricity.Brazil：Riode Janeiro，2011：4045.

[10]Richard M Reap，Richard E Orville.The relationship between Network lightning locations and surface hourly observations of Thunderstorms.Monthly Weather Review，1990，118：94100.