閃電定位網(wǎng)定位效率評估

霍濤 唐笑男 王志超

（1.長沙市氣象局 湖南省長沙市 410205 2.中國氣象局氣象探測中心 北京市 100081）

閃電是大自然中一種放電現(xiàn)象，也是嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，所以閃電監(jiān)測和定位技術(shù)是研究閃電物理的重要手段，同時也對雷暴大風(fēng)、龍卷、冰雹等強(qiáng)對流災(zāi)害性天氣的預(yù)警預(yù)報(bào)有重要作用。為更好的針對閃電相關(guān)氣象服務(wù)和科研，了解閃電定位網(wǎng)的定位效能，因此需要對閃電定位網(wǎng)的定位效能進(jìn)行評估。評估閃電定位網(wǎng)的重要指標(biāo)是其定位效率，是指探測到的回?fù)魯?shù)量占實(shí)際發(fā)生的閃電數(shù)量的百分比。地閃定位網(wǎng)定位效率進(jìn)行評估最常用的方法是以人工引雷和地面光學(xué)觀測為主的觀測實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法。人工引雷可以分析探測網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的定位效率，禹繼等利用廣東從化人工引雷資料，評估了升級前后的粵港澳閃電定位系統(tǒng)，回?fù)舻奶綔y效率從40%提升到了90%。地面觀測主要以閃電光/電同步觀測為主，其中光學(xué)觀測用來記錄地閃回?fù)舴烹娡ǖ?，同步的電場變化資料可以提供閃電的極性和回?fù)魯?shù)。

國內(nèi)很多學(xué)者對不同設(shè)備、不同布站方式、不同地閃采集閾值以及不同處理軟件的兩套閃電定位系統(tǒng)的探測效率進(jìn)行過對比分析。趙偉等利用電力部門雷擊跳閘記錄對比分析，電力部門閃電定位監(jiān)測數(shù)據(jù)（LLS）逐年探測效率穩(wěn)定并且高于氣象部門的探測效率， 兩者相差約6%。劉巖利用雷災(zāi)資料對比發(fā)現(xiàn)，ADTD型閃電定位儀監(jiān)測到的閃電記錄較LD-Ⅱ型在受災(zāi)點(diǎn)距離、誤差方面都較好。但由于目前兩套不同閃電定位系統(tǒng)存在差異,無法準(zhǔn)確分析目標(biāo)閃電定位系統(tǒng)的站點(diǎn)數(shù)目、布置位置及站間距對其探測效率的影響。因此本文想通過對兩套同設(shè)備、同參數(shù)、不同布局的ADTA閃電定位系統(tǒng)進(jìn)行對比分析，以初步研究定位系統(tǒng)布站合理性和探測效率。

1 資料及方法

1.1 閃電定位數(shù)據(jù)

氣象部門的國家級閃電監(jiān)測網(wǎng)在湖南省總共布設(shè)10套閃電定位儀，布局如圖1-2。除此之外，長沙市氣象局在整個長沙地區(qū)也布設(shè)10套閃電定位儀。為比較省市兩套站網(wǎng)對長沙地區(qū)閃電探測效果，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，選取定位方式為三站或四站定位的有效數(shù)據(jù)，探測數(shù)據(jù)為2017年-2018年定位在長沙地區(qū)的全部閃電。

圖1：長沙市站網(wǎng)分布

圖2：湖南省國家站網(wǎng)分布

1.2 統(tǒng)計(jì)方法

在實(shí)際應(yīng)用過程中，多個閃電定位儀組成的閃電定位網(wǎng)可以劃分成多個3站組成的子網(wǎng)絡(luò)。針對長沙地區(qū)閃電定位網(wǎng)的布局，將研究區(qū)域劃分為20km×20km的區(qū)塊，并將這10個閃電定位儀劃分為不同的3站子網(wǎng)絡(luò)，對不同閃電定位儀在不同區(qū)塊的探測效率進(jìn)行計(jì)算，并統(tǒng)計(jì)全網(wǎng)在該區(qū)塊的定位效率。

本方法通過對歷史數(shù)據(jù)的分析，忽略了儀器類型、閾值設(shè)置和地形因素等對閃電定位網(wǎng)的定位效率的影響。由于閃電定位儀本身對弱電流探測能力有限，歷史數(shù)據(jù)僅包含可探測的強(qiáng)峰值電流閃電，而忽略了較多的弱電流地閃。

對于長沙市局域網(wǎng)的閃電定位系統(tǒng)對于雷電探測效率，計(jì)算方法從統(tǒng)計(jì)所探測到的閃電密度、累計(jì)強(qiáng)度和平均強(qiáng)度的分布來研究。將長沙整個地區(qū)劃分為1km×1km的區(qū)塊，使用落點(diǎn)統(tǒng)計(jì)辦法，統(tǒng)計(jì)出每個網(wǎng)格上閃電數(shù)量。

2 結(jié)果分析

2.1 探測效率分析

國家站網(wǎng)中長沙站對于整個長沙地區(qū)探測效率方差分布見圖3，在閃電定位儀有效率探測范圍內(nèi)，絕大部分區(qū)域均方差小于15%，可見定位效率算法有良好的自洽性，定位效率評估接近真實(shí)值。

圖3：探測效率方差分布圖

圖4為長沙站和國家站網(wǎng)探測效率分布情況，可以看到長沙站能探測全區(qū)大部分閃電，尤其在東部探測效率較好，在全區(qū)中部及西部大部探測效率較差，在距離較近的區(qū)域探測效率最低。整體看只有東部部分地區(qū)探測效率為60%以上，中西部地區(qū)探測效率低于30%。而在國家站網(wǎng)對長沙地區(qū)探測效率來看，全區(qū)效率均為均勻，基本效率都是在60%以上，基本可以探測定位長沙地區(qū)閃電。

圖4：長沙站和國家站網(wǎng)探測效率分布

閃電定位儀的定位效率既與回?fù)舻陌l(fā)生距離和方位角有關(guān)，同時也與回?fù)舯旧淼膹?qiáng)度有關(guān)，閃電定位儀自身設(shè)置的動態(tài)范圍會忽略近距離的部分強(qiáng)回?fù)艉瓦h(yuǎn)距離的弱回?fù)粜盘枴Ｒ虼藛握鹃W電定位儀在近處和遠(yuǎn)處的探測效率都較低，而在相對合適的距離范圍探測效率較高。

從圖5閃電定位效率與距離的關(guān)系圖可以看到，在距離在0-140km范圍內(nèi)，探測效率都在40%以上。在距離較近20km范圍時，探測效率僅為40%左右，是探測效率最低的。定位效率隨著距離的變化是先增加后減小的，在40-80km之間探測效率是最好的，可達(dá)到70%以上。80km以外探測效率是開始減小的，長沙站140km以外無法定位回?fù)粜盘枴?/p>

圖5：閃電定位效率與距離的關(guān)系

閃電定位儀的定位效率也隨方位角的變化而變化，圖6給出了定位效率與方位的關(guān)系。在探測范圍內(nèi)，將100km范圍內(nèi)各區(qū)塊劃分為12個方向，統(tǒng)計(jì)各個方向閃電定位儀的定位效率。在東部地區(qū)探測效率較高，定位效率在60%，其他方向效果不理想。閃電定位儀定位效率隨方位角變化的巨大差異與儀器設(shè)置，安裝環(huán)境，地形因素和站網(wǎng)布局等關(guān)系密切。圖7給出了站網(wǎng)對于弱電流探測分布情況，發(fā)現(xiàn)對于20KA以下弱電流探測能力不強(qiáng)。

圖6：定位效率與方位的關(guān)系

圖7：弱電流探測分布

2.2 兩套站探測數(shù)據(jù)對比

2017年1月-2018年12月，國家站網(wǎng)總閃次數(shù)為32556次，長沙市級閃電定位網(wǎng)為41940次。國家站網(wǎng)正閃為1418次，負(fù)閃為31138，市級網(wǎng)正閃為2628次，負(fù)閃為39312次。國家站網(wǎng)正閃平均強(qiáng)度為74.53KA，負(fù)閃平均強(qiáng)度為47.94KA;市級網(wǎng)正閃平均強(qiáng)度為40.87KA，負(fù)閃平均強(qiáng)度為28.83KA。圖8給出了兩套站探測閃電強(qiáng)度的分布情況，可以看出兩套站比較一致的是探測到閃電強(qiáng)度相對集中在-50KA到-10KA，但峰值稍有不同，市局站網(wǎng)最集中的為-20KA左右，而國家站網(wǎng)峰值集中在-30KA。

圖8：探測閃電強(qiáng)度分布

2.3 兩套站網(wǎng)探測閃電分布情況

對于國家站網(wǎng)和市局局域站網(wǎng)探測效率分析是對于站網(wǎng)布局有重要意義，而站網(wǎng)探測結(jié)果分布的分析也可以比對出兩套站網(wǎng)差異所在。從兩套站網(wǎng)閃電定位密度分布圖9來看，國家站閃電密度分布較相對均勻，市局站網(wǎng)閃電密度分布集中在中部地區(qū)。再比較兩套站累計(jì)強(qiáng)度（圖略）與密度分布較一致，國家站網(wǎng)探測強(qiáng)度累計(jì)值分布較市局站網(wǎng)分布均勻。但是平均強(qiáng)度分布來看（圖略），市局站網(wǎng)分布明顯更加均勻。

圖9：長沙站和國家站閃電密度分布

3 結(jié)論

本文利用國家站網(wǎng)和長沙市局站網(wǎng)的兩套ADTD閃電定位網(wǎng)，對長沙地區(qū)2017-2018年閃電定位資料進(jìn)行分析，對長沙地區(qū)的閃電定位效率進(jìn)行評估，同時分析了兩套站網(wǎng)閃電定位儀的探測結(jié)果分布情況。結(jié)論如下：

長沙站閃電定位儀探測效率隨距離和方位角的變化而變化。在閃電定位儀20km范圍內(nèi)，探測效率較低僅能達(dá)到40%。閃電定位儀的探測效率又逐漸隨著探測距離的增加而增加，在40～80km范圍達(dá)到最大效率。在80km以外的范圍，閃電定位儀的定位效率開始逐漸下降，閃電定位儀有效探測范圍為140km。在方向上，閃電定位儀在地區(qū)東部的探測效率優(yōu)于西部，探測效率最大值出現(xiàn)在東南到東北方向間，為60-80%。定位效率最低為西南偏西方向，定位效率為20%。利用兩套站網(wǎng)探測的資料所得到的閃電密度和強(qiáng)度分布來看，國家站網(wǎng)閃電密度較市級站網(wǎng)均勻，市級站網(wǎng)對于探測弱電流回?fù)魞?yōu)于國家站網(wǎng)。

本文對閃電定位效率和分布特征的分析可以很好的訂正閃電密度產(chǎn)品，同時對整個探測網(wǎng)絡(luò)的站網(wǎng)優(yōu)化布局、設(shè)備安裝環(huán)境調(diào)查起到積極的作用。但是市局站網(wǎng)歷史觀測數(shù)據(jù)量較少，對閃電探測效率評估比較有限。改善閃電定位儀的探測靈敏性，使其能探測到更多的弱電流回?fù)舴烹娺^程，并增加探測基站密度，可以有效改善探測效率，以提高強(qiáng)天氣過程的監(jiān)測和預(yù)警預(yù)報(bào)。另外，未來還可進(jìn)行一些區(qū)域性的閃電觀測實(shí)驗(yàn)或人工引雷資料對評估結(jié)果進(jìn)行修正。