湖北省兩套閃電定位網(wǎng)地閃數(shù)據(jù)的對(duì)比分析

余蓉，杜牧云，晏紫淙，梅春會(huì)

(1.湖北省防雷中心，武漢 430074；2.中國(guó)氣象局武漢暴雨研究所，武漢 430205；3.湖北武漢天宏防雷檢測(cè)中心發(fā)展有限公司，武漢 430074；4.湖北天地雷電科技有限公司，宜昌 443000)

引 言

雷電災(zāi)害是聯(lián)合國(guó)有關(guān)部門公布的“最嚴(yán)重的十種自然災(zāi)害之一”。在中國(guó)，雷電每年可造成數(shù)百人的傷亡和數(shù)千萬(wàn)的財(cái)產(chǎn)損失(Zhang et al.,2011)。湖北省雷電災(zāi)害引起的人員傷亡嚴(yán)重(馬明等，2008)，屬于雷擊致人傷亡的中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(高燚等，2012)。

隨著雷電探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，特別是近年來(lái)全球范圍內(nèi)大規(guī)模建立的閃電定位網(wǎng)(Lightning Location Net?work，LLN)，為更好地開展閃電相關(guān)研究奠定了基礎(chǔ)。利用高時(shí)空分辨率的閃電探測(cè)數(shù)據(jù)，探索雷暴系統(tǒng)中閃電活動(dòng)的特點(diǎn)和規(guī)律也日益增多(Wu et al.，2016；易笑園等，2017；孫萌宇等，2020)。目前，眾多學(xué)者基于LLN探測(cè)數(shù)據(jù)開展了閃電時(shí)空分布特征(Yang et al.，2015；王娟和諶蕓，2015；王東方等，2020)、雷電臨近預(yù)警(周俊馳等，2013；王紅和張永軍，2014；馬超和周雅蔓，2020)、雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估(曾金全等，2011；高燚等，2012；扈海波等，2015)、雷災(zāi)調(diào)查和鑒定(黃克儉等，2008；殷啟元等，2019)等方面的研究。與此同時(shí)，針對(duì)由不同閃電定位儀組建的LLN的數(shù)據(jù)對(duì)比分析也在陸續(xù)開展。孫明等(2014)基于雷暴人工觀測(cè)記錄，對(duì)江蘇省ADTD(Advanced Direction finding on Time Difference)和VLF/LF(Very Low Frequency/Low Frequency)兩套LLN的探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明VLF/LF較ADTD具有更高的探測(cè)效率，其正閃探測(cè)比例更高，但閃電平均強(qiáng)度更小。趙偉等(2015)在對(duì)比浙江省電力和氣象兩部門各自布設(shè)的LLN后認(rèn)為前者的年平均地閃頻次更大，探測(cè)效率更高。劉巖等(2015)結(jié)合雷電災(zāi)害資料對(duì)2010年安徽省ADTD和LD-II(Lightning Detection-II)兩套LLN的閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，結(jié)果表明ADTD的探測(cè)精度更好。李京校等(2017)就北京及其周邊地區(qū)SAFIR(Sur?veillance etAlerte Foudre parInterferometrie Ra?diometrique)和ADTD的地閃數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比后指出，兩者的閃電次數(shù)及強(qiáng)度分布存在一定的特征差異。顧宇丹等(2018)從地閃數(shù)量、雷電強(qiáng)度、時(shí)空分布、空間匹配度和定位精度等多個(gè)方面對(duì)上海及周邊地區(qū)的兩套LLN進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，在上海市范圍內(nèi)維薩拉(Vaisala)LLN的地閃頻次穩(wěn)定度大于Entls(Earth Net?work Total Lightning System)LLN，但在上海市范圍外則正好相反。上述研究為更好地開展本地化防雷業(yè)務(wù)提供技術(shù)支持和參考。

湖北省分別于2005年1月和2015年1月完成了全省ADTD二維閃電定位網(wǎng)(簡(jiǎn)稱2D-LLN)和VLF/LF三維閃電定位網(wǎng)(簡(jiǎn)稱3D-LLN)的布設(shè)。目前，基于2D-LLN的探測(cè)數(shù)據(jù)已取得了較多研究成果(黃小彥等，2008；余蓉等，2014；余田野等，2019)，但依托3D-LLN開展的應(yīng)用研究還相對(duì)較少，且缺乏對(duì)兩套LLN探測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析研究。為此，利用2016—2018年湖北省兩套LLN的閃擊探測(cè)資料，從數(shù)據(jù)質(zhì)控、時(shí)空分布、電流強(qiáng)度等多個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析，以期為兩套LLN的探測(cè)數(shù)據(jù)在閃電監(jiān)測(cè)預(yù)警、雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等方面的有效應(yīng)用提供參考與指導(dǎo)。

1 資料說(shuō)明

湖北省2D-LLN由13臺(tái)ADTD閃電定位儀和1個(gè)監(jiān)測(cè)定位中心站組成，每部ADTD閃電定位儀的探測(cè)半徑為150 km，采用時(shí)差法和定向時(shí)差聯(lián)合法進(jìn)行閃電監(jiān)測(cè)和定位。2D-LLN已于2005年1月投入業(yè)務(wù)運(yùn)行(王學(xué)良等，2010；李國(guó)梁等，2013)，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)湖北地區(qū)探測(cè)精度小于300 m，探測(cè)效率90%～95%(理論值)的區(qū)域覆蓋。探測(cè)要素包括閃擊時(shí)間、位置(經(jīng)緯度)、極性、強(qiáng)度(峰值電流)和陡度等五個(gè)主要參數(shù)。

湖北省3D-LLN則是由19臺(tái)VLF/LF閃電定位儀和1個(gè)監(jiān)測(cè)定位中心站組成。VLF/LF閃電定位儀通過(guò)GPS衛(wèi)星精確測(cè)量閃電回?fù)糨椛涞腣LF/LF脈沖信號(hào)到達(dá)時(shí)間，并基于寬帶網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和TOA(Time Of Arrival)定位方法，得到閃電VLF/LF輻射源的時(shí)間、位置、極性和強(qiáng)度等主要參數(shù)，具有較高的三維定位精度與探測(cè)效率，實(shí)現(xiàn)了云閃和地閃的全面探測(cè)，探測(cè)半徑達(dá)100 km。其中，云閃數(shù)據(jù)為每個(gè)輻射點(diǎn)的放電時(shí)間和位置，而地閃數(shù)據(jù)則包括所有回?fù)舻男畔?郭潤(rùn)霞等，2018)。3D-LLN于2015年1月開始實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了湖北大部地區(qū)(恩施西部、十堰西北部等局部區(qū)域的高度定位誤差接近1 200 m)水平定位誤差小于200 m，高度定位誤差小于500 m的探測(cè)精度覆蓋。除此之外，3D-LLN較之2D-LLN增加了閃電類型(地閃/云閃)和高度這兩個(gè)探測(cè)要素(朱傳林等，2017)。兩套LLN采用的閃電定位儀設(shè)備均由中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用中心研制，其主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比詳見表1。

表1 ADTD和VLF/LF閃電定位儀主要技術(shù)特征Table 1 Main technical features of ADTD and VLF/LF lightning locators.

由湖北省閃電定位儀的站點(diǎn)分布(圖1)可見，總體來(lái)看，湖北省2D-LLN和3D-LLN的站點(diǎn)布設(shè)密度呈現(xiàn)出“西部相異，中部相同，東部相似”的特點(diǎn)。在鄂西地區(qū)，2D-LLN分別在十堰、神龍架、巴東、宜昌和恩施布設(shè)了5部ADTD閃電定位儀，在此基礎(chǔ)上3D-LLN增設(shè)了5部VLF/LF閃電定位儀(竹溪、建始、利川、鶴峰、咸豐)，特別是在恩施地區(qū)，閃電定位儀數(shù)量由1部(2D-LLN)增加至4部(3D-LLN)，此地區(qū)的2D-LLN站點(diǎn)明顯少于3D-LLN，閃電數(shù)據(jù)可能存在不連續(xù)性；而在鄂東地區(qū)，2D-LLN分別布設(shè)了武漢、麻城、咸寧3部閃電定位儀，而3D-LLN則在英山和黃石增加了兩部閃電定位儀(咸寧與崇陽(yáng)位置較近)；相較之下，除了少數(shù)站點(diǎn)選址在相鄰的縣市以外，兩套LLN在湖北中部地區(qū)的布設(shè)基本一致?？紤]到3D-LLN于2015年才布設(shè)完成，為保證數(shù)據(jù)的完整性和可靠性，文中選取了2016—2018年湖北省2D-LLN和3D-LLN的閃擊探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。其中，考慮到站點(diǎn)布設(shè)密度可能對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響，選取了兩套LLN布站位置基本相同的子區(qū)域(圖1白色方框所示)作為參考進(jìn)行比較。

圖1 2D-LLN和3D-LLN閃電定位儀分布圖(黑色圓形為2D-LLN站點(diǎn);紅色正方形為3D-LLN站點(diǎn);白色方框?yàn)?D-LLN和3D-LLN布設(shè)站點(diǎn)相同的子區(qū)域;色斑表示湖北省地形高度,單位:m)Fig.1 The distribution of lighting locators of 2D-LLN and 3D-LLN.(The black triangle is a site of 2D-LLN,and the red dot is a site of 3D-LLN.The white box is the subregion with basically the same layout of lighting locators for two LLNs,and the color shadow represents the topographic height of Hubei province,unit:m).

2 閃電數(shù)據(jù)質(zhì)控和分析

由于2D-LLN和3D-LLN使用的閃電定位儀設(shè)備(儀器型號(hào)、定位方式、定位精度和探測(cè)效率)有所不同，這將會(huì)導(dǎo)致兩套LLN獲得的湖北地區(qū)的閃電數(shù)據(jù)存在較大差異。除此之外，閃電定位儀布網(wǎng)密度的差異也會(huì)對(duì)閃電探測(cè)結(jié)果產(chǎn)生一定影響。為了更好地使用閃電資料，基于定位方式、電流強(qiáng)度和歸閃標(biāo)準(zhǔn)這三個(gè)方面對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，便于后續(xù)開展兩套LLN的定量對(duì)比分析。與此同時(shí)，以布站相同的子區(qū)域?yàn)閰⒖?，?duì)提取的探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來(lái)探究布設(shè)密度對(duì)地閃探測(cè)的影響。其中，兩套LLN的探測(cè)數(shù)據(jù)均來(lái)自中國(guó)氣象局大氣探測(cè)中心國(guó)家雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)。

2.1 定位方式

兩套LLN的原始閃擊數(shù)據(jù)(文中閃擊均代表對(duì)地閃擊)中均含有較多兩站定位的閃擊數(shù)據(jù)，根據(jù)閃電定位儀的探測(cè)原理，這類探測(cè)數(shù)據(jù)在閃電位置、峰值強(qiáng)度等方面存在較大的誤差。田芳等(2008)和趙偉等(2015)均認(rèn)為閃擊的準(zhǔn)確定位至少需要三個(gè)站點(diǎn)來(lái)確定，兩站定位的閃擊數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確；因此，需要首先將這類不可靠數(shù)據(jù)從原始數(shù)據(jù)中剔除。表2即為兩套LLN的原始閃擊數(shù)據(jù)經(jīng)不同電流強(qiáng)度質(zhì)控后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，其中，各種質(zhì)控處理均基于原始閃擊數(shù)據(jù)單獨(dú)進(jìn)行。由表2可知，2016—2018年，湖北省2D-LLN和3D-LLN分別探測(cè)到總計(jì)646 037次和1513 166次閃擊，其中，3D-LLN探測(cè)的閃擊總數(shù)約為2D-LLN的2.3倍。從閃擊極性來(lái)看，正閃比分別達(dá)7.74%和20.64%，即后者探測(cè)的閃擊中含有較多的正閃擊。剔除兩站定位的閃擊數(shù)據(jù)后，閃擊總數(shù)分別減少了22.42%和23.06%(剔除比)，而正閃占比分別下降了0.76%和4.36%，這也進(jìn)一步說(shuō)明兩套LLN的兩站定位數(shù)據(jù)占比(即兩站定位率)相接近，差值小于0.7%，但后者通過(guò)兩站定位方式探測(cè)到了更多的正閃擊。

2.2 電流強(qiáng)度

Wu等(2016)和王東方等(2020)均認(rèn)為SAFIR的探測(cè)數(shù)據(jù)中峰值電流小于10 kA的正地閃應(yīng)劃為云閃，田芳等(2008)和李京校等(2017)也將ADTD探測(cè)到的峰值電流小于10 kA的正地閃數(shù)據(jù)予以刪除。而Xia等(2015)和Yang等(2015)則認(rèn)為峰值電流小于15 kA的閃擊很難完全確認(rèn)為地閃，且峰值電流小于15 kA的正地閃探測(cè)效率極低，應(yīng)該予以剔除。

如表2所示，剔除電流峰值小于10 kA的正閃擊后，湖北省2D-LLN和3D-LLN探測(cè)的正閃擊分別為49 572次和198 734次，正閃比分別為7.68%和14.20%，而剔除比分別為0.07%和7.51%；隨著電流峰值閾值增大至15 kA，正閃擊數(shù)量進(jìn)一步減少，剔除比也隨之增大到0.45%和12.05%，而正閃比則降低到7.32%和9.77%；相較之下，3D-LLN的剔除比和正閃比降幅均明顯大于2D-LLN，這說(shuō)明3D-LLN比2D-LLN能探測(cè)到更多弱的(電流峰值小于15 kA)正閃擊信號(hào)，特別是強(qiáng)度介于10 kA與15 kA之間的正閃擊。此外，電流峰值絕對(duì)值大于300 kA的閃電同樣存在較大誤差(李京校等，2017)，而兩套LLN探測(cè)的強(qiáng)閃擊(電流峰值絕對(duì)值大于300 kA)占比和剔除比基本相同，均不超過(guò)0.1%(表2)，故大于300 kA的閃擊數(shù)據(jù)同樣不予統(tǒng)計(jì)。

表2 2016—2018年湖北省2D-LLN和3D-LLN閃擊數(shù)據(jù)經(jīng)不同電流強(qiáng)度質(zhì)控后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistics results of lightning stroke data of 2D-LLN and 3D-LLN in Hubei province from 2016 to 2018 after different current intensity quality control schemes.

2.3 歸閃標(biāo)準(zhǔn)

一次閃電放電過(guò)程通常含有多次回?fù)簦覂商譒LN布設(shè)的閃電定位儀均未區(qū)分探測(cè)的閃擊是首次回?fù)暨€是繼后回?fù)?，因此，需要參照一定的?biāo)準(zhǔn)將多次回?fù)魵w類為一次閃電，即稱為“歸閃”。關(guān)于閃電脈沖的歸閃，目前尚沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)(鄭棟等，2010；Wu et al.，2016；王東方等，2020)。田芳等(2008)定義的一次閃電的標(biāo)準(zhǔn)為：閃電回?fù)舻那昂髸r(shí)間差小于1 s、空間距離小于7 km，且電流強(qiáng)度不大于首次回?fù)?。以此為基礎(chǔ)，李京校等(2017)將定義一次地閃的時(shí)間范圍進(jìn)一步縮短為500 ms。Wu等(2016)將1 s以內(nèi)10 km范圍內(nèi)探測(cè)到的全部輻射源歸為一次地閃。王東方等(2020)則認(rèn)為利用距離小于10 km，時(shí)間小于500 ms的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行歸閃后，地閃及正地閃比例相對(duì)合理。Xia等(2015)遵循Cummins等(1998)的歸閃原則，即：首次回?fù)艉秃罄m(xù)回?fù)艟嚯x差小于10 km，時(shí)間間隔小于1 s，且相鄰回?fù)糁g的時(shí)間間隔小于500 ms。目前，該歸閃原則已作為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 37047-2018)發(fā)布(谷山強(qiáng)等，2018)。

在此，對(duì)比分析了上述五種歸閃標(biāo)準(zhǔn)：I7km/500ms；II 7 km/s；III 10 km/500 ms；IV 10 km/s；V 10 km/s(GB)的歸閃情況，相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示，其中，歸閃后的閃擊數(shù)據(jù)即為地閃數(shù)據(jù)。由表3可以看出，經(jīng)過(guò)歸閃處理后，兩套LLN的正地閃比較之原始數(shù)據(jù)的正閃擊比(表2)均出現(xiàn)了顯著上升，且相較于2D-LLN，3D-LLN的增幅更加明顯；這表明負(fù)地閃里包含的平均閃擊數(shù)比正地閃多，歸閃處理將更多的負(fù)閃擊進(jìn)行了歸一化，從而導(dǎo)致正地閃的占比增大。除此之外，歸閃標(biāo)準(zhǔn)越寬松，則標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和空間范圍內(nèi)一次地閃包含的閃擊數(shù)就越多，被歸一化處理的閃擊數(shù)(歸閃數(shù))也越多，歸閃比(歸閃數(shù)與閃擊總數(shù)之比)自然更大；反之則歸閃數(shù)越少，歸閃比更小。上述結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明3D-LLN具有更靈敏的探測(cè)性能，可以在較短時(shí)間和較近距離內(nèi)探測(cè)到更多的閃電回?fù)簟?/p>

表3 2016—2018年湖北省2D-LLN和3D-LLN閃擊數(shù)據(jù)在不同歸閃際準(zhǔn)下的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Statistics results of lightning stroke data of 2D-LLN and 3D-LLN in Hubei province from 2016 to 2018 under different lightning clustering standards.

總體而言，不同歸閃標(biāo)準(zhǔn)下得到的地閃總數(shù)與正地閃比的差異并不大，其中，最寬松的歸閃標(biāo)準(zhǔn)IV與最嚴(yán)格的歸閃標(biāo)準(zhǔn)I之間的正地閃比差值和歸閃比差值分別小于1%和6%，且同一種歸閃標(biāo)準(zhǔn)下兩套LLN的歸閃比也基本一致。參考王東方等(2020)的研究，并對(duì)比上述五種歸閃標(biāo)準(zhǔn)的歸閃統(tǒng)計(jì)結(jié)果，文中選擇正地閃比和歸閃比這兩個(gè)指標(biāo)均居中的歸閃標(biāo)準(zhǔn)V(國(guó)標(biāo)GB/T 37047-2018)作為后續(xù)質(zhì)控流程中的地閃判斷標(biāo)準(zhǔn)，即：首次回?fù)艉秃罄m(xù)極性(正/負(fù))相同回?fù)糸g距離差小于10 km，時(shí)間間隔小于1 s，且相鄰回?fù)糁g小于500 ms的所有回?fù)魵w屬于同一次地閃，并以首次回?fù)粜畔⒆鳛樵摯蔚亻W信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

基于上述分析結(jié)果，最終確定的湖北省閃電探測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制流程為：(1)剔除兩站定位的閃擊數(shù)據(jù)；(2)剔除電流峰值小于15 kA的正閃擊；(3)剔除電流峰值絕對(duì)值大于300 kA的閃擊數(shù)據(jù)。(4)時(shí)間間隔1 s、相鄰回?fù)糸g隔小于500 ms、距離間距10 km以內(nèi)，且正、負(fù)極性相同的全部回?fù)魵w為一次地閃，并以首次回?fù)粜畔闇?zhǔn)。如表4所示，經(jīng)過(guò)上述質(zhì)量控制流程處理后，3D-LLN的數(shù)據(jù)剔除比明顯大于2D-LLN，特別是正地閃，前者約為后者的2倍多，這也進(jìn)一步說(shuō)明3D-LLN更加靈敏，能探測(cè)到更多較弱的正地閃。此外，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)質(zhì)控，兩套LLN的正地閃比分別增長(zhǎng)和降低為10.05%和14.53%，符合度更高，與其他地區(qū)的相應(yīng)取值也更為接近(Yang et al.，2015；Xia et al.，2015；李京校等，2017)。

表4 2016-2018年湖北省2D-LLN和3D-LLN閃擊數(shù)據(jù)質(zhì)控處理前后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 4 Statistics results of lightning stroke data of 2D-LLN and 3D-LLN in Hubei province from 2016 to 2018 before and after quality control process.

2.4 布網(wǎng)密度

為了進(jìn)一步討論布網(wǎng)密度對(duì)LLN探測(cè)結(jié)果的影響，特別選取了兩套LLN站點(diǎn)布設(shè)基本相同的子區(qū)域(圖1白色方框標(biāo)識(shí))進(jìn)行對(duì)比分析，表5即為兩套LLN在該子區(qū)域的閃擊及地閃統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由表5可見，即使在站點(diǎn)布設(shè)完全一致的區(qū)域，兩套LLN的閃電探測(cè)結(jié)果也存在較大差異。其中，3D-LLN的閃擊總數(shù)仍明顯多于2D-LLN，前者約為后者的2.7倍，與湖北全省的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相似。此外，3D-LLN的正閃比同樣顯著大于2D-LLN。經(jīng)過(guò)質(zhì)控后，兩者的正、負(fù)閃擊數(shù)均有所減少，但后者的正閃擊次數(shù)減少地更加明顯；且兩者的正地閃比相互靠攏，并與全省的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相接近。由此可見，3D-LLN具有更高的探測(cè)性能，比2D-LLN能探測(cè)到更多的閃擊，特別是正地閃。

表5 同表4，統(tǒng)計(jì)范圍為圖1中的子區(qū)域Table 5 The same as Table 4,but only for the subregion shown in Fig.1.

3 地閃特征對(duì)比分析

3.1 地閃時(shí)間分布特征

由質(zhì)控后的2016—2018年湖北省地閃數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表4)可見，3D-LLN探測(cè)的地閃(正地閃93 852次、負(fù)地閃552 231次)比2D-LLN(正地閃33 458次，負(fù)地閃299 620次)偏多1～2倍，這也與江蘇省(孫明等，2014)和北京市(李京校等，2017)的結(jié)果相似。造成湖北省2D-LLN地閃頻次偏少的原因可能有以下三個(gè)方面：(1)2D-LLN的探測(cè)設(shè)備已經(jīng)布設(shè)超過(guò)15 a，長(zhǎng)時(shí)間的業(yè)務(wù)運(yùn)行可能導(dǎo)致設(shè)備性能和探測(cè)效率的降低；而3D-LLN相對(duì)較新，設(shè)備性能正處于較好階段；(2)3D-LLN布設(shè)的閃電定位儀具有更高的探測(cè)精度和靈敏度；(3)2D-LLN在全省范圍內(nèi)布設(shè)的閃電定位儀相對(duì)較少，整體探測(cè)效率也更低。

從兩套LLN在2016—2018年的正地閃次數(shù)日分布(圖2a)可知，2D-LLN的正地閃日變化呈單峰分布，峰值出現(xiàn)在下午17∶00—18∶00(北京時(shí)，下同)，3D-LLN的正地閃日變化則呈現(xiàn)雙峰特征，主峰值出現(xiàn)在午后16∶00—17∶00，次峰值則在凌晨00∶00—01∶00，而谷值均集中在10∶00—12∶00，且最小值均出現(xiàn)在11∶00。與此同時(shí)，兩套LLN的負(fù)地閃日變化(圖2b)也均呈現(xiàn)雙峰變化特征，與3D-LLN的正地閃日變化特征基本相似，但次峰值均出現(xiàn)在02∶00，且2D-LLN和3D-LLN的負(fù)地閃次數(shù)最小值分別提前正地閃1 h和2 h出現(xiàn)。除此之外，對(duì)于每個(gè)時(shí)次而言，兩套LLN探測(cè)的負(fù)地閃均多于正地閃，且3D-LLN的負(fù)(正)地閃也要多于2D-LLN。

圖2 2016—2018年湖北省2D-LLN和3D-LLN正(a)、負(fù)(b)地閃次數(shù)的日分布Fig.2 The daily distribution of(a)positive and(b)negative ground flashes of 2D-LLN and 3D-LLN in Hubei province from 2016 to 2018.

在00∶00—14∶00，2D-LLN的正地閃次數(shù)雖有起伏但整體波動(dòng)不大，其負(fù)地閃次數(shù)則呈現(xiàn)先增加后減少至最小值又快速增加的變化趨勢(shì)，這也導(dǎo)致其正地閃比先減小后逐漸增大，并隨著正地閃的減少轉(zhuǎn)變?yōu)榭焖傧陆第厔?shì)，在負(fù)地閃快速增加而正地閃轉(zhuǎn)為增多趨勢(shì)之前達(dá)到最小值；隨后，正、負(fù)地閃呈現(xiàn)同步變化趨勢(shì)，正地閃比也變?yōu)閱握{(diào)遞增。相較而言，雖然3D-LLN的正、負(fù)地閃基本呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，即先減小后增加然后再減小，但在上午時(shí)段，正地閃隨時(shí)間的減小幅度顯著大于負(fù)地閃，故其正地閃比也表現(xiàn)為震蕩減小的變化特征。與2D-LLN相似，在正、負(fù)地閃均轉(zhuǎn)變?yōu)樵龃筅厔?shì)時(shí)達(dá)到最小值，隨后又開始逐漸增大。整體而言，在全天所有時(shí)段里，2D-LLN的正地閃比均低于3D-LLN，兩者的差異在凌晨00∶00—02∶00達(dá)到最大，而在10∶00—12∶00最小，17∶00—19∶00次之。兩套LLN的正地閃比均在閃電活動(dòng)最活躍的午后達(dá)到最小值，且超前正地閃次數(shù)峰值2～3 h。

由正地閃的月分布(圖3a)可知，3D-LLN的正地閃數(shù)在前8個(gè)月呈現(xiàn)單調(diào)遞增的趨勢(shì)，并在8月達(dá)到峰值，9月即出現(xiàn)銳減，隨后快速減少，總體表現(xiàn)出夏季最為活躍，春季次之，冬季最弱的分布特征。相較之下，2D-LLN的正地閃呈現(xiàn)雙峰特征，4月達(dá)到主峰值，隨后略有減少，7月又達(dá)到次峰值，且主次峰值間差異不大；與3D-LLN不同的是，其春、夏季正地閃的活躍度基本相當(dāng)。從負(fù)地閃的月分布(圖3b)可以看出，兩套LLN的負(fù)地閃均表現(xiàn)為雙峰分布特征，且峰值均集中在7—8月；然而，2D-LLN的次峰值出現(xiàn)在4月，3D-LLN則在5月達(dá)到次峰值，且兩者在冬季探測(cè)的負(fù)地閃都相對(duì)較少?？傮w而言，3D-LLN每月的正、負(fù)地閃次數(shù)均多于2D-LLN(僅2月的正地閃除外)。對(duì)于正地閃比的月變化(圖3a)，2D-LLN和3D-LLN的最小值分別出現(xiàn)在8月和7月；與其日變化(圖2a)有所不同，在1—5月，前者的正地閃比大于后者，7—12月則正好相反，而兩者的正地閃比差異在8—12月呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)，其他月份則相對(duì)較小。其中，冬季地閃總數(shù)較少，導(dǎo)致其正閃比明顯增大。

圖3 2016—2018年湖北省2D-LLN和3D-LLN正(a)、負(fù)(b)地閃次數(shù)的月分布Fig.3 The monthly distribution of(a)positive and(b)negative ground flashes of 2D-LLN and 3D-LLN in Hubei province from 2016 to 2018.

對(duì)比地閃的時(shí)間分布后不難發(fā)現(xiàn)，兩套LLN的負(fù)地閃日分布和月分布特征基本相同，均呈雙峰變化特征；但正地閃的日分布和月分布存在一定差異，即2D-LLN的日分布和3D-LLN的月分布呈單峰變化特征，而2D-LLN的月分布和3D-LLN日分布則為雙峰變化特征。整體來(lái)看，兩套LLN的地閃次數(shù)月分布特征與近45 a湖北省雷電日數(shù)月分布相似(王學(xué)良等，2007)。

3.2 地閃空間分布特征

地閃密度常常隨年份和區(qū)域發(fā)生變化，文中以2.5 km×2.5 km的網(wǎng)格分辨率計(jì)算地閃密度(王東方等，2020)，得到了湖北省兩套LLN的地閃時(shí)空分布(圖4)。

從2016—2018年湖北省正地閃密度的空間分布可見，3D-LLN的正地閃密度(圖4c)明顯大于2D-LLN(圖4a)。其中，2D-LLN在大部分地區(qū)的正地閃密度都小于0.1 flash·km-2·a-1，相對(duì)高值區(qū)位于十堰西北部、宜昌中南部和東北部地區(qū)；相較之下，3D-LLN的正地閃密度僅有部分地區(qū)小于0.1 flash·km-2·a-1，高值主要位于宜昌東北部和東南部、武漢北部、咸寧北部以及黃石南部，均大于0.3 flash·km-2·a-1。而由負(fù)地閃密度空間分布(圖4b、d)可知，兩套LLN在鄂東地區(qū)探測(cè)到的負(fù)地閃密度均較高，而在襄陽(yáng)東北部、江漢平原西北部和江漢平原東北部的密度則較低。其中，2D-LLN在大部分地區(qū)的負(fù)地閃密度小于0.4 flash·km-2·a-1，高值區(qū)位于鄂東黃石附近；3D-LLN的負(fù)地閃密度高值區(qū)與正地閃密度高值區(qū)基本一致，主要位于鄂東地區(qū)的咸寧、黃石、黃岡、武漢一帶以及襄陽(yáng)南部、恩施南部，均大于1.5 flash·km-2·a-1。從子區(qū)域的地閃密度分布同樣可以看出，兩套LLN的正、負(fù)地閃特征均十分相似，高值區(qū)與低值區(qū)的分布位置也基本吻合，取值上的差異也與兩套LLN的探測(cè)靈敏度有關(guān)。

圖4 2D-LLN(a,b)和3D-LLN(c,d)正(a,c)、負(fù)(b,d)地閃密度的空間分布(單位:flash·km-2·a-1)Fig.4 The spatial distribution of(a,c)positive and(b,d)negative ground flash density of(a,b)2D-LLN and(c,d)3D-LLN(unit:flash·km-2·a-1).

總體而言，兩套LLN的閃電密度分布特征基本相同，高值區(qū)均位于鄂東南和鄂西南地區(qū)，而襄陽(yáng)東北部和江漢平原東北部的地閃密度較低，這也與近45 a湖北省雷電日數(shù)的地域變化特征相吻合(王學(xué)良等，2007)。但是，3D-LLN的地閃密度明顯大于2D-LLN，特別是在恩施地區(qū)，盡管兩者負(fù)地閃密度大值區(qū)的分布基本相似，但取值仍存在一定差距；相比之下正地閃密度的差異更為顯著，這可能與兩套LLN在恩施地區(qū)的布站密度及其探測(cè)效率有關(guān)。其中，3D-LLN和2D-LLN在恩施地區(qū)分別布設(shè)了5臺(tái)和1臺(tái)閃電定位儀(見圖 1)。

3.3 地閃電流強(qiáng)度特征

地閃產(chǎn)生的電流強(qiáng)度往往存在較大差異，為此，使用箱線圖對(duì)兩套LLN的閃電強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與比較。箱線圖可反映一組數(shù)據(jù)的中心位置和離散程度。其中，每個(gè)矩形箱體的長(zhǎng)度表示相同閃電強(qiáng)度的離散程度，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的閃電強(qiáng)度分布越分散，反之，強(qiáng)度越集中。

圖5為2D-LLN和3D-LLN正、負(fù)地閃峰值電流強(qiáng)度的箱線圖，其自下而上的節(jié)點(diǎn)分別表示包含總數(shù)10%(下十分位數(shù))，25%(下四分位數(shù))，50%(中位數(shù))，75%(上四分位數(shù))和90%(上十分位數(shù))樣本的電流強(qiáng)度數(shù)值。由圖5可見，相較之下，負(fù)地閃的電流強(qiáng)度分布比正地閃更為集中，且3D-LLN的地閃電流強(qiáng)度整體較2D-LLN也更加集中。與此同時(shí)，峰值電流強(qiáng)度的方差也印證了這一點(diǎn)，即2D-LLN正地閃強(qiáng)度的分布最分散，其方差最大，為42.1，而3D-LLN負(fù)地閃強(qiáng)度的方差最小，僅為23.8，其電流強(qiáng)度分布最集中。

圖5 2D-LLN和3D-LLN的正、負(fù)地閃峰值電流強(qiáng)度箱線圖(箱線底端和頂端表示下十分位和上十分位，箱體的下線、中線和上線分別表示下四分位數(shù)、中位數(shù)和上四分位數(shù))Fig.5 The boxplot of lightning intensity of 2D-LLN and 3D-LLN(The bottom and top of the box lines represent the lower and upper tenth,and the lower,middle and upper of the box body represent the lower,median and upper quartiles,respectively).

經(jīng)過(guò)強(qiáng)度質(zhì)控(剔除峰值電流小于15 kA的正地閃和電流絕對(duì)值大于300 kA的地閃)以后仍可以清楚地看到，2D-LLN的正、負(fù)地閃強(qiáng)度整體上均大于3D-LLN，其中，2D-LLN的正、負(fù)地閃峰值電流均值分別為65.0 kA和41.6 kA，而3D-LLN的對(duì)應(yīng)值分別為50.7 kA和29.1 kA。除此以外，2D-LLN(3D-LLN)的正、負(fù)地閃強(qiáng)度的下十分位數(shù)、下四分位數(shù)、上四分位數(shù)、上十分位數(shù)分別相差4.0(7.2)kA、8.7(7.0)kA、36.6(32.5)kA、50.0(45.6)kA，也說(shuō)明兩套LLN探測(cè)的正地閃均能產(chǎn)生更大的峰值電流。此外，2D-LLN正、負(fù)地閃峰值電流強(qiáng)度的中位數(shù)分別為53.0 kA和33.33 kA，均大于3D-LLN(40.4 kA和23.6 kA)，這也進(jìn)一步表明后者的探測(cè)靈敏度高于前者，能探測(cè)到更多弱的地閃信號(hào)。

4 結(jié)論與討論

對(duì)2016—2018年湖北省ADTD二維閃電定位網(wǎng)(2D-LLD)和VLF/LF三維閃電定位網(wǎng)(3D-LLD)的閃擊數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)控，并對(duì)比分析了兩套LLD地閃數(shù)據(jù)的時(shí)間分布、空間分布和強(qiáng)度分布等特征，得到如下結(jié)論：

(1)3D-LLD的探測(cè)靈敏度和探測(cè)效率明顯高于2D-LLD，前者探測(cè)到的閃擊總數(shù)約為后者的2.3倍，且前者能探測(cè)到更多的正閃擊，特別是峰值電流小于15 kA的弱正閃擊。

(2)兩套LLD的負(fù)地閃日分布和月分布均呈雙峰變化特征。其中，負(fù)地閃主、次峰值分別出現(xiàn)在16∶00—17∶00和01∶00—02∶00，谷值在10∶00—11∶00；且均在7—8月達(dá)到峰值，4—5月次之，冬季最弱。然而，正地閃的日分布和月分布存在一定差異：2D-LLN正地閃日分布呈單峰變化特征，峰值出現(xiàn)在17∶00—18∶00，而在10∶00—12∶00達(dá)到谷值；3D-LLN則呈現(xiàn)雙峰分布，主峰出現(xiàn)在16∶00—17∶00，次峰為00∶00—01∶00；與3D-LLN正地閃月分布呈單峰變化所不同的是，2D-LLN的正地閃在春、夏季的活躍度基本相當(dāng)。

(3)兩套LLD的閃電密度分布也基本一致，不過(guò)3D-LLD的地閃密度值明顯大于2D-LLD，特別是在恩施地區(qū)，這可能與兩套LLD的探測(cè)效率差異有關(guān)。

(4)負(fù)地閃的電流強(qiáng)度分布較正地閃更為集中，相較之下，3D-LLD的閃電強(qiáng)度較2D-LLD也更為集中。與此同時(shí)，兩套LLD的正地閃均能產(chǎn)生更大的峰值電流。

基于定位方式、電流強(qiáng)度和歸閃標(biāo)準(zhǔn)等三個(gè)方面對(duì)兩套LLD的閃擊數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)控研究，結(jié)果表明質(zhì)控后的地閃數(shù)據(jù)與湖北省雷電日數(shù)的月分布和閃電密度地域分布相似，這也說(shuō)明該質(zhì)控方案有效可行，可以利用質(zhì)控后的地閃數(shù)據(jù)開展雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、雷擊事故鑒定和雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警等應(yīng)用。