王宇 郄秀書 王東方 劉明遠(yuǎn) 蘇德斌 沈永海 武智君 劉冬霞 孫竹玲

1中國科學(xué)院大氣物理研究所中層大氣與全球環(huán)境探測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029

2北京市氣象局大氣探測中心，北京100081

3中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049

1 引言

閃電是自然界中發(fā)生的一種強(qiáng)烈的大氣放電現(xiàn)象，每年在全世界范圍內(nèi)造成大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失（Curran et al., 2000；Zhang et al., 2010），而隨著人類航空、航天活動(dòng)的日益頻繁以及電子產(chǎn)品向低電壓、低功耗和高集成度方向發(fā)展，閃電對(duì)人類生產(chǎn)生活的影響也越來越大。因此，開展閃電的探測與定位研究，了解閃電的時(shí)空分布特征，進(jìn)而實(shí)時(shí)地監(jiān)測閃電活動(dòng)，對(duì)閃電研究、閃電災(zāi)害調(diào)查和災(zāi)害防范的意義重大。

目前的閃電定位系統(tǒng)一般由時(shí)間同步的多個(gè)觀測站組成。根據(jù)探測頻段的不同，閃電定位系統(tǒng)主要分為低頻閃電定位系統(tǒng)和甚高頻閃電定位系統(tǒng)。由于地閃回?fù)糨椛涞碾姶判盘?hào)主要集中在低頻段，國際上在二十世紀(jì)八十年代初就發(fā)展了專門針對(duì)地閃進(jìn)行定位的閃電定位網(wǎng)，主要通過探測閃電甚低頻和低頻頻段（VLF/LF）地波的到達(dá)時(shí)間和到達(dá)方位角來定位回?fù)舻亩S位置和發(fā)生時(shí)刻，如美國國家閃電定位網(wǎng)（National Lightning Detection Network，簡稱NLDN）。之后，美國又發(fā)展了洛斯阿拉莫斯天電陣列（Los Alamos Sferic Array，簡稱LASA），歐洲發(fā)展了閃電探測網(wǎng)（Lightning detection Network，簡稱LINET）等，LASA和LINET同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)云閃和地閃的定位。

NLDN在美國有100多個(gè)傳感器，采用到達(dá)時(shí)間（Time of arrival）和磁定向（Magnetic Direction Finder）相結(jié)合的方法來定位回?fù)簦–ummins and Murphy，2009），其定位精度優(yōu)于 500 m，對(duì)地閃的探測效率優(yōu)于90%（Biagi et al., 2007）。LASA實(shí)際上是一套GPS（Global Positioning System）同步的快天線定位系統(tǒng)（Shao et al., 2006），探測頻段為160 Hz～20 MHz，資料處理時(shí)，先利用希爾伯特變換將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為功率波，然后尋取功率波的峰值，并進(jìn)行峰值點(diǎn)的匹配，最后進(jìn)行擬合計(jì)算。LASA還可以利用原始資料區(qū)分出放電事件的類別，主要包括＋CG（Cloud-to-Ground lightning）、－CG、IC（Intracloud lightning）、＋NBE（Narrow Bipolar Event）和－NBE五類閃電。在歐洲十多個(gè)國家布網(wǎng)的LINET，通過接收閃電輻射的低頻磁場來定位地閃和云閃，由于觀測站分布密集，定位精度可達(dá)到150 m（Betz et al., 2009）。

在甚高頻（VHF）閃電定位系統(tǒng)方面，目前主要有兩種定位方法，一種是到達(dá)時(shí)間差（TDOA）法，另一種是干涉法。比較有代表性的TDOA法定位網(wǎng)是上世紀(jì) 70年代在美國肯尼迪航天中心運(yùn)行的LDAR（Lightning Detection and Ranging）系統(tǒng)以及九十年代美國新墨西哥礦業(yè)技術(shù)學(xué)院發(fā)展的LMA（Lightning Mapping Array）系統(tǒng)。LDAR由七個(gè)觀測站組成（一個(gè)中心站，六個(gè)觀測站均勻分布在中心站周圍），覆蓋直徑約 16 km 的范圍，Rustan et al.（1980）分析了LDAR對(duì)一次擊中肯尼迪航天中心 150 m氣象塔的 3回?fù)舻亻W的定位結(jié)果，發(fā)現(xiàn)LDAR對(duì)首次回?fù)羟暗念A(yù)擊穿過程和先導(dǎo)過程都可以進(jìn)行三維定位。LMA是近年來閃電研究領(lǐng)域發(fā)展最為迅速的一個(gè)閃電定位網(wǎng)，其水平定位誤差僅6～12 m，垂直誤差為20～30 m，LMA對(duì)一次孤立的閃電一般可以探測到幾百到幾千個(gè)輻射事件，能清晰地刻畫閃電發(fā)展的圖像（Thomas et al., 2004），目前已經(jīng)在美國多個(gè)地區(qū)建設(shè)了區(qū)域性的網(wǎng)絡(luò)。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，利用干涉法定位閃電也取得了很大的進(jìn)步，經(jīng)歷了從早期的窄帶干涉儀（Kawasaki et al., 1994）到寬帶干涉儀（Shao et al., 1996）再到數(shù)字寬帶干涉儀（Yoshida et al., 2010）幾個(gè)階段，干涉法閃電定位系統(tǒng)一般探測距離短，主要用于場地實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行閃電的觀測研究。

我國的閃電定位研究開始于上世紀(jì) 80年代，目前氣象部門和電力部門分別在全國多個(gè)省、自治區(qū)和直轄市安裝了區(qū)域性的地閃定位網(wǎng)（張義軍等，2006；Chen et al., 2002）。在VHF閃電定位系統(tǒng)方面國內(nèi)也有一些研究成果，如 Zhang et al.（2010）研制成功了類似于LMA的到達(dá)時(shí)間差定位系統(tǒng)；Dong et al.（2001）發(fā)展了寬帶干涉儀閃電定位系統(tǒng)；Sun et al.（2013）在曹冬杰等（2012）工作基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展完善了短基線時(shí)間差定位系統(tǒng)。閃電定位網(wǎng)的發(fā)展方向是不斷提高探測效率和定位精度，并盡可能地將地閃和云閃的定位整合到同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。總體而言，國內(nèi)在地閃定位和云閃定位方面都有涉及，但是一方面網(wǎng)絡(luò)的探測效率、定位精度需要進(jìn)一步提高，覆蓋范圍需要進(jìn)一步擴(kuò)大，另一方面尚缺乏對(duì)閃電（包括地閃和云閃）不同頻段輻射源進(jìn)行同步觀測和定位的完善的定位網(wǎng)。

2 北京閃電網(wǎng)介紹

北京閃電網(wǎng)（BLNET）從2008年開始建設(shè)，最初僅有7個(gè)測站，主要傳感器為閃電快、慢電場變化測量儀（即快、慢天線）和大氣平均電場儀，此后探測網(wǎng)絡(luò)和傳感器不斷優(yōu)化和完善。2013年，BLNET發(fā)展到10個(gè)觀測子站，分布在北京的8個(gè)區(qū)縣，網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積約 3000平方公里。站點(diǎn)分布圖如圖1所示。值得一提的是，在大氣所測站（DQS）西南方向約900 m處有一座325 m的氣象塔，非常有利于閃電的光學(xué)觀測，在閃電擊中大塔的情況下，可以開展定位網(wǎng)的誤差和探測效率驗(yàn)證方面的工作。目前，基于互聯(lián)網(wǎng)，BLNET已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)觀測站的遠(yuǎn)程監(jiān)控，在中心站可以根據(jù)需要控制其他觀測站的開啟、關(guān)閉以及采集參數(shù)的配置。

圖1 2013年北京閃電網(wǎng)站點(diǎn)分布圖，圖中黑色方塊為觀測站（DQS：大氣所站；CP：昌平站；DX：大興站；GJ：古將站；HR：懷柔站；NY：南苑站；SJS：石景山站；SY：順義站；TZ：通州站；YQ：延慶站）Fig. 1 The site map of BLNET (Beijing Lightning NETwork)in 2013, the black squares represent observation sites (DQS: DaqiSuo; CP: Changping;DX: Daxing; GJ: Gujiang; HR: Huairou; NY: Nanyuan; SJS: Shijingshan;SY: Shunyi; TZ: Tongzhou; YQ: Yanqing)

目前，BLNET的單個(gè)觀測站由快、慢天線以及閃電甚高頻輻射源探測系統(tǒng)構(gòu)成。圖 2為昌平（CP）站室外天線實(shí)物圖，快、慢天線探測頻段分別為1 kHz～2 MHz、10 Hz～1 MHz，時(shí)間常數(shù)分別為0.1 ms和200 ms（曹冬杰等，2011；王東方等，2011），甚高頻探測系統(tǒng)的探測頻段為69 MHz～75 MHz，但是在進(jìn)行信號(hào)調(diào)理時(shí)通過對(duì)數(shù)檢波將信號(hào)下變頻到 0～6 MHz。每個(gè)探測子站配置一套高精度GPS時(shí)鐘，授時(shí)精度為50 ns（10-9s），用于多站之間的時(shí)間同步。圖中的大氣平均電場儀不是BLNET的核心探測設(shè)備，僅在個(gè)別子站配置。

單站BLNET的數(shù)據(jù)采集利用NI PCI-5105采集板卡完成，采集系統(tǒng)工作原理示意圖如圖3所示。首先閃電輻射信號(hào)由三個(gè)不同頻段的天線接收，信號(hào)在天線后端的調(diào)理電路中進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度超過采集板卡設(shè)置的閾值時(shí)，信號(hào)進(jìn)入采集板卡，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、波形顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等操作，與此同時(shí)采集板卡發(fā)出觸發(fā)信號(hào)給GPS接收機(jī)，使GPS接收機(jī)將觸發(fā)時(shí)刻的絕對(duì)時(shí)間通過串口反饋給工控機(jī)，這樣就完成了一次閃電信號(hào)的采集和記錄。采集板卡的采樣率設(shè)置為 15 MS s-1（Mega Samples per second），以滿足對(duì)VHF包絡(luò)信號(hào)的采集，但是對(duì)于快、慢天線的探測頻段而言，此采樣率的設(shè)置偏高，為了能夠?qū)θN信號(hào)同時(shí)采集，并盡可能地減小數(shù)據(jù)量，在采集軟件中將采集到的快、慢天線數(shù)據(jù)，每三個(gè)采樣點(diǎn)中僅儲(chǔ)存一個(gè)采樣點(diǎn)，即三個(gè)點(diǎn)的平均值，這樣快、慢天線的實(shí)際采樣率為5 MS s-1。

2013年夏季，BLNET共觀測到28次雷暴天氣過程，記錄到約15萬個(gè)閃電，其中經(jīng)過BLNET正上方且持續(xù)時(shí)間較長的雷暴過程有6次，分別發(fā)生于2013年6月24日、6月25日、6月28日、7月7日、8月7日、8月11日。2013年7月之前，各觀測站僅有快、慢天線，7月份各站陸續(xù)增加了甚高頻探測系統(tǒng)，到七月底，除了懷柔（HR）站，其他各站都增加了VHF探測系統(tǒng)。圖4給出了一次同時(shí)被BLNET 的7個(gè)測站記錄到的閃電電場變化波形和VHF輻射波形，該閃電為一次6回?fù)舻呢?fù)地閃，圖中的局部展開圖顯示了其中一次同步的快天線回?fù)舨ㄐ?，在資料處理時(shí)，以回?fù)舸竺}沖的峰值點(diǎn)為參考確定脈沖到達(dá)時(shí)間。從圖 4a中可以看出，閃電 VHF輻射信號(hào)和快天線信號(hào)有很好的對(duì)應(yīng)，VHF輻射信號(hào)比快天線信號(hào)更豐富，尤其是在首次回?fù)羟昂突負(fù)糁g。從圖4d、f、g可以看出，慢天線的臺(tái)階電場變化和快天線的回?fù)舸竺}沖有很好的對(duì)應(yīng)。本文僅就工作于甚低頻至中頻頻段的快天線資料進(jìn)行分析。對(duì)甚高頻資料的處理和分析相對(duì)復(fù)雜，將另文處理和介紹。

圖2 北京閃電網(wǎng)（BLNET）昌平（CP）站室外天線，從左到右依次為快天線、慢天線、大氣電場儀和甚高頻天線Fig. 2 Photograph of the BLNET sensors at CP station. From left to right, they are fast antenna, slow antenna, electric field mill, and VHF (Very High Frequency)sensor, respectively

圖3 BLNET單站采集系統(tǒng)原理圖Fig. 3 Block diagram of one BLNET site

北京閃電綜合探測和定位網(wǎng)（Beijing Lightning NETwork，BLNET）的主要功能是：首先，各子站記錄閃電產(chǎn)生的電場變化和電磁輻射波形，通過統(tǒng)計(jì)可以得到各種放電過程的波形特征參數(shù)（如極性、脈沖寬度、脈沖持續(xù)時(shí)間、相鄰脈沖之間的時(shí)間間隔等），進(jìn)而對(duì)放電過程本身的物理機(jī)制進(jìn)行研究（王宇等，2014；Qie et al., 2013）；其次，利用記錄到的多站慢電場變化波形可以對(duì)閃電放電過程（如回?fù)暨^程，連續(xù)電流過程等）中和的等效電荷源的位置和電荷量進(jìn)行擬合，進(jìn)而深入了解云中電荷的轉(zhuǎn)移情況及雷暴云的等效電荷結(jié)構(gòu)（武智君等，2013）；三是可以利用多站同步的快電場變化脈沖，對(duì)閃電 VLF/LF頻段的輻射源進(jìn)行定位（王東方等，2009）；四是利用VHF輻射源探測系統(tǒng)，對(duì)閃電放電過程（特別是較小放電尺度的擊穿過程，如預(yù)擊穿過程、梯級(jí)先導(dǎo)過程等）進(jìn)行精細(xì)的定位，通過了解閃電各種放電過程的時(shí)空演變特征，并結(jié)合快、慢電場變化波形，對(duì)閃電的物理過程進(jìn)行分析和研究。

3 定位方法及網(wǎng)絡(luò)誤差分析

3.1 資料的預(yù)處理

對(duì)快天線資料的處理按照如下的流程進(jìn)行：首先對(duì)資料進(jìn)行濾波降噪，然后尋找信號(hào)的峰值點(diǎn)，再對(duì)不同測站找到的峰值點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間匹配，最后進(jìn)行定位計(jì)算。濾波降噪采用Savitzky-Golay方法（ Savitzky and Golay，1964），這種方法在濾除噪聲的同時(shí)，能盡可能地保持原始信號(hào)的波形，以盡量減小峰值點(diǎn)的移位。如果資料中存在明顯的諧波干擾，如電源干擾，還需要進(jìn)行濾除諧波的處理。在尋找峰值的過程中通過控制閾值和信號(hào)脈沖的上升沿陡度來尋取有物理意義的閃電脈沖信號(hào)。

圖4 BLNET記錄到的一次七站同步的負(fù)地閃電場變化波形，圖中灰色曲線為閃電甚高頻信號(hào)，藍(lán)色曲線為快天線信號(hào)，綠色曲線為慢天線信號(hào)。為便于直觀比較，快天線信號(hào)極性進(jìn)行了反轉(zhuǎn)。圖中紅色方框標(biāo)出了一次同步的回?fù)暨^程，右側(cè)的子圖為其局部展開圖。圖中的零時(shí)刻表示以首次回?fù)舻牡竭_(dá)時(shí)刻為時(shí)間參考點(diǎn)Fig. 4 Waveform of one seven-station synchronized negative CG (Cloud-to-Ground lightning)flash recorded by BLNET, the gray curve in the first panel indicates VHF signal, the blue curves indicate fast antenna signals, and the green curves indicate the slow antenna signals. For the convenience of display, the sign of fast antenna signals are reversed. The red box in each panel mark out a synchronized return stroke that is enlarged to show in the sub-panels. The zero value of the time axis represents that the arrival time of the first RS (Return Stroke)is set as the time reference

當(dāng)對(duì)不同測站的資料都完成尋峰操作之后，就開始對(duì)脈沖進(jìn)行配對(duì)，要想通過程序準(zhǔn)確地找出一組由同一閃電放電過程輻射出的脈沖是一件非常困難的事，我們按照如下的方法進(jìn)行脈沖匹配：選擇某一測站為基準(zhǔn)站（一般選擇中心站為基準(zhǔn)站，但是當(dāng)中心站缺測或者中心站資料的信噪比不高時(shí)，則選擇其他站為基準(zhǔn)站），對(duì)基準(zhǔn)站的每一個(gè)脈沖，按照一定的時(shí)間窗口到其他測站尋找所有滿足條件的脈沖，此時(shí)間窗口由電磁波在基準(zhǔn)站和其他測站之間傳播所需要的時(shí)間給出。因?yàn)橥惠椛湓疵}沖到達(dá)兩個(gè)測站的時(shí)間差不可能大于電磁波在兩個(gè)站點(diǎn)之間傳播所耗的時(shí)間。對(duì)基準(zhǔn)站的每一個(gè)脈沖進(jìn)行相同的操作即完成整段資料的時(shí)間匹配，接下來就進(jìn)入定位計(jì)算的環(huán)節(jié)。

3.2 定位方法： Chan氏算法和Levenberg- Marquardt算法的結(jié)合

對(duì)于每一個(gè)粗略匹配起來的組合，里面的任意一種組合方式都有可能計(jì)算得到一個(gè)真實(shí)的輻射源，因此對(duì)每一種組合方式都進(jìn)行計(jì)算，通過比較選出最優(yōu)結(jié)果作為真實(shí)輻射源。具體定位方法介紹如下（以二維定位為例）：

假設(shè)地閃擊地點(diǎn)P的位置為(x, y)，發(fā)生時(shí)刻為t，觀測站Si的位置為(xi, yi)，接收到輻射源的時(shí)間為ti，其中i=1, 2, …, n，共n個(gè)觀測站接收到輻射信號(hào)，電磁波傳播速度為 c，則可以得到如下的非線性方程組：

圖5 帶有時(shí)間測量誤差的到達(dá)時(shí)間差法定位原理示意圖，P表示輻射源位置，S1、S2、S3為觀測站Fig.5 Illustration of TOA (Time of Advent)location with time measurement error, P represents the radiation source; S1, S2 and S3 are observation sites

具體定位過程中，我們采用 Chan氏算法和Levenberg-Marquardt算法相結(jié)合的方法進(jìn)行定位。Chan氏算法是求解公式（1）中雙曲線方程的一種非迭代算法，當(dāng)時(shí)間測量的誤差較小時(shí)，Chan氏算法近似于最大似然估計(jì)（Chan et al., 1994），而Levenberg-Marquardt算法是進(jìn)行最小二乘擬合的最優(yōu)化算法，算法中通過引入懲罰因子將高斯—牛頓方法和最速下降法結(jié)合起來（Gill and Murray，1981）。我們先利用Chan氏算法給出初始解，相當(dāng)于將P置于圖5中的誤差網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)，然后將初始解代入列 Levenberg-Marquardt算法中進(jìn)行最小二乘擬合，如果所有組合方式的擬合優(yōu)度χ2的最小值小于給定的閾值，則接受該結(jié)果為一個(gè)真實(shí)輻射源，這一過程相當(dāng)于在誤差網(wǎng)格內(nèi)搜索P的最佳位置。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)真實(shí)的輻射源找到之后，可以認(rèn)為接下來的輻射源發(fā)生在第一個(gè)真實(shí)輻射源的附近，因此各個(gè)測站接收到輻射源脈沖的時(shí)間順序和第一個(gè)真實(shí)輻射源到達(dá)各個(gè)測站的順序大體一致，這樣就可以剔除掉一些不符合這一時(shí)間順序的組合方式，從而節(jié)省計(jì)算量（Hamlin，2004）。

3.3 定位誤差理論分析

到達(dá)時(shí)間差法的定位精度主要取決于對(duì)信號(hào)到達(dá)時(shí)間測量的精度。一方面由于采樣率有限，如快、慢天線的采樣率為5 MS s-1，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，采樣間隔給時(shí)間測量帶來不確定性；另一方面，利用軟件尋找信號(hào)的峰值也存在一定偏差；另外，信號(hào)在傳播過程中由于地形等因素的影響也會(huì)發(fā)生一定程度的波形畸變。綜合以上因素，估計(jì)閃電信號(hào)到達(dá)時(shí)間存在1 μs的誤差（王東方等，2009），需要指出，閃電距離網(wǎng)絡(luò)的距離越遠(yuǎn)，時(shí)間測量的誤差越大。下面采用蒙特卡羅法對(duì)BLNET的定位誤差進(jìn)行理論分析。

假設(shè)從距離中心站5 km到150 km每隔5 km有一圈理想的輻射源，理想輻射源按照如下方式產(chǎn)生（以25 km處輻射源為例）：從0時(shí)刻到48 s，每秒發(fā)出一個(gè)輻射源，0時(shí)刻發(fā)出的輻射源在網(wǎng)絡(luò)坐標(biāo)系X軸正方向上，高度為0，即此時(shí)輻射源直角坐標(biāo)為（5 km，0，0），接下來每秒發(fā)出的輻射源水平位置以25 km為半徑逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)π/24，同時(shí)高度遞增312.5 m，這樣到48 s時(shí)，輻射源坐標(biāo)為（5 km，0，15 km）。按照這種方式，48個(gè)理想輻射源在水平方向上呈圓形分布，在高度上呈等間距分布，總體上呈螺旋狀分布。對(duì)于每一時(shí)刻的輻射源，其到達(dá)每一個(gè)測站的時(shí)間可以準(zhǔn)確知道，現(xiàn)在到達(dá)時(shí)間的基礎(chǔ)上疊加服從零均值、均方差為 1 μs方的正態(tài)分布的隨機(jī)噪聲，然后重新計(jì)算輻射源的位置，將該位置和理論位置對(duì)比得到定位誤差。對(duì)每一個(gè)輻射源，將疊加噪聲和計(jì)算位置的操作重復(fù)10000次，就可以得到輻射源的平均位置。

圖6是BLNET理論上的定位誤差分布圖。圖中左下角為俯視圖，黑色方塊代表測站，等值線顯示了 BLNET的水平定位誤差分布。在網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部，水平定位誤差總體上不超過200 m，許多區(qū)域誤差甚至不超過100 m，到100 km處，水平定位誤差普遍小于3 km。值得一提的是，由于BLNET在南北方向上的覆蓋范圍大于東西方向的覆蓋范圍，即在南北方向上呈長條狀分布，因此整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在東西方向上的水平定位誤差更小，通過等值線可以看出，在東西方向上網(wǎng)絡(luò)外部100 km處，水平定位誤差約1 km，而在南北方向上的相同區(qū)域，定位誤差已經(jīng)達(dá)到3 km。從俯視圖可以看出，25 km處水平定位誤差很小，理想輻射源和反算的輻射源基本重合。俯視圖上方是東西方向投影圖，理想輻射源呈螺旋狀分布，而反算的輻射源并不與理想輻射源重合，說明定位的高度誤差較大。俯視圖右側(cè)是南北方向投影圖，和東西方向投影圖情況類似。在南北方向投影圖的上方是對(duì)輻射源的高度統(tǒng)計(jì)圖，如果對(duì)高度的定位準(zhǔn)確，從0到15 km，輻射源的高度應(yīng)該均勻分布。圖6的最上方是高度隨時(shí)間的分布圖，結(jié)合圖中的序號(hào)，可以明顯看出，高度較低的部分“○”和“×”很少重合，說明高度的定位誤差較大，而在高度較高時(shí)，高度的定位誤差相對(duì)小。這主要是由于BLNET各個(gè)測站的高度差異較小造成的，要提高BLNET對(duì)高度的定位精度，一方面可以增加各測站位置的高度落差，另一方面可以進(jìn)一步提高時(shí)間測量的精度。

4 一次雷暴過程的閃電定位結(jié)果

2013年7月7日BLNET觀測到了一次過頂雷暴過程，該雷暴過程從北京西北方向進(jìn)入北京觀象臺(tái)的雷達(dá)觀測范圍，東南方向移出雷達(dá)探測范圍，歷時(shí)16個(gè)小時(shí)，此次雷暴過程被BLNET一個(gè)及一個(gè)以上測站記錄到的閃電總共有 6855個(gè)，其中 2站及2站以上同步資料3305個(gè)，4站及4站以上同步資料1306個(gè)。

4.1 地閃定位結(jié)果

利用4站及4站以上同步的資料對(duì)此次雷暴過程的地閃進(jìn)行了定位，定位結(jié)果見圖 7，雷暴主體從2013年7月7日14:00（協(xié)調(diào)世界時(shí)，下同）開始進(jìn)入BLNET上方，16:00強(qiáng)回波中心到達(dá)網(wǎng)絡(luò)中心站上方，20:00逐漸移出探測網(wǎng)絡(luò)。這段觀測時(shí)間內(nèi)總共定位出 2280次回?fù)?，地閃隨時(shí)間的演變特征很好地反映了雷暴在BLNET有效探測范圍內(nèi)的移動(dòng)情況。圖8是閃電定位結(jié)果和6分鐘內(nèi)雷達(dá)回波的疊加，發(fā)現(xiàn)地閃回?fù)舻亩ㄎ唤Y(jié)果都位于雷達(dá)回波大于30 dBZ的回波區(qū)，說明定位結(jié)果是可信的。09:54是BLNET最早探測到此次雷暴過程的時(shí)刻，說明BLNET的有效探測范圍約為150 km。16:00至 18:00，地閃頻率最大，雷暴強(qiáng)回波中心在此階段處于BLNET的正上方。此后，雷暴逐漸向東南方向移動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)探測到的地閃頻數(shù)減小（圖略）。

4.2 云閃定位結(jié)果

由于快天線的探測頻率上限可達(dá)到2 MHz，也可以探測到放電尺度較大（＞100 m）的云閃過程輻射的電磁信號(hào)，下面利用BLNET采集到的快天線資料對(duì)云閃過程進(jìn)行定位。我們選取雷暴處于網(wǎng)絡(luò)上方、且雷達(dá)有較好探測資料的兩個(gè)時(shí)間段，即16:00～16:06和 18:00～18:06，對(duì)其所對(duì)應(yīng)的云閃分別進(jìn)行了定位，并與雷達(dá)回波疊加示于圖 9，可以看到，絕大部分定位結(jié)果位于雷達(dá)圖強(qiáng)回波區(qū)，但也有少數(shù)云閃不在強(qiáng)回波區(qū)內(nèi)，而處于強(qiáng)回波區(qū)邊緣，可能是由于在6分鐘內(nèi)雷達(dá)才完成一次體掃，而雷暴云在此過程中已經(jīng)發(fā)生了移動(dòng)。在 16:00～16:06內(nèi)，共定位出45個(gè)脈沖，我們規(guī)定如果兩個(gè)脈沖水平位置的距離小于10 km，并且發(fā)生的時(shí)間間隔小于500 ms，則將這兩個(gè)脈沖歸為同一次閃電（Cummins et al., 1998），按照這種劃分方式，在此時(shí)間段內(nèi)，共定位出18次閃電，云閃頻次為3次/分鐘。18:00～18:06內(nèi)，共定位出208個(gè)脈沖，這些脈沖來自 26次云閃過程，此時(shí)間段內(nèi)的閃電頻次約每分鐘4次。

圖6 BLNET理論定位誤差分布圖：（a）輻射源高度隨時(shí)間的變化；（b）東西方向投影；（c）高度分布；（d）平面視圖；（e）南北方向投影。圖中的“○”代表上文提到的距離中心站25 km處的理想輻射源，“×”代表疊加1 μs噪聲后反算出的輻射源Fig. 6 The estimated location error of the BLNET, the circles indicate the ideal radiation sources that are 25 km away from the central station, and the crosses indicate the inversed radiation locations when noises are added to the arrival times. (a)Altitude change over time; (b)east–west projection of the radiation sources; (c)distribution of altitude; (d)pan view of the sources; (e)north–south projection of the sources

圖7 2013年7月7日雷暴過程地閃回?fù)舻亩ㄎ唤Y(jié)果，圖中黑色方塊表示觀測站Fig. 7 Location result of the thunderstorm on July 7, 2013, the black squares represent the observation sites

5 結(jié)論和討論

本文對(duì)北京閃電網(wǎng)（BLNET）的硬件構(gòu)成、采集方案、定位方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，對(duì)BLNET現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的定位誤差進(jìn)行了理論分析，并對(duì)發(fā)生于2013年7月7日一次經(jīng)過探測網(wǎng)絡(luò)上空的雷暴過程的地閃和云閃進(jìn)行了定位和分析，初步結(jié)論如下：

（1）2013年BLNET設(shè)置有10個(gè)觀測站，每個(gè)子站配備有閃電快天線、慢天線、VHF輻射源探測器三套探測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)閃電的 VLF、LF、HF和VHF的多頻段綜合觀測，可覆蓋面積約3000平方公里，站間采用高時(shí)間精度的GPS進(jìn)行時(shí)間同步。

（2）對(duì)BLNET網(wǎng)絡(luò)定位誤差理論分析后發(fā)現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，水平定位誤差較小，但是高度定位誤差較大，分析可能的原因是站點(diǎn)的高度落差偏小，當(dāng)輻射源的到達(dá)時(shí)間存在一定誤差時(shí)，對(duì)高度定位的誤差就會(huì)被放大。BLNET在東西方向的定位誤差小于南北方向的定位誤差，原因是測站在南北方向上的覆蓋范圍大于東西方向。

（3）利用4站及4站以上同步的快天線資料可以很好地對(duì)從BLNET網(wǎng)絡(luò)上方過境的雷暴過程進(jìn)行地閃的定位，定位結(jié)果反映了雷暴的移動(dòng)情況，將定位結(jié)果和雷達(dá)圖進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)地閃基本都發(fā)生于雷達(dá)圖大于30 dBZ的強(qiáng)回波區(qū)，說明定位方法正確，定位結(jié)果可信。

（4）利用多站同步的快天線資料也可以對(duì)云閃進(jìn)行定位，云閃基本處于雷達(dá)強(qiáng)回波區(qū)內(nèi)，極個(gè)別不在雷達(dá)回波區(qū)的定位結(jié)果，一方面可能是由于雷達(dá)體掃周期較長，雷暴過程自身發(fā)生移動(dòng)造成，另一方面也可能是由于定位誤差造成的，因?yàn)樵崎W的電場變化脈沖沒有地閃的回?fù)舸竺}沖特征明顯，定位程序在自動(dòng)尋找脈沖峰值和進(jìn)行時(shí)間匹配的過程中可能出現(xiàn)誤差，最終造成定位結(jié)果的誤差。因此云閃的定位應(yīng)該選擇 VHF頻段的探測器資料，這一工作將在接下來的研究中開展。

圖8 地閃定位結(jié)果和雷達(dá)組合反射率的疊加圖，“+”代表地閃定位結(jié)果，8幅雷達(dá)回波圖代表了雷暴發(fā)展的8個(gè)時(shí)刻，雷達(dá)圖中的最小圓圈半徑為30 km，最大圓圈半徑為150 kmFig. 8 The comparison between CG flash location and the corresponding radar reflectivity, the plus signs indicate the CG location results, eight pictures represent eight distinct phases of the thunderstorm, the radius of the inner circle and the outer circle are 30 km and 150 km

圖9 16:00～16:06以及18:00～18:06云閃定位結(jié)果和雷達(dá)組合反射率圖疊加，“+”代表云閃定位結(jié)果Fig. 9 Comparison between IC (Intracloud lightning)flash location and radar reflectivity in the periods of 1600 UTC–1606 UTC and 1800 UTC–1806 UTC,the plus signs represent the location results of IC flash

BLNET是一個(gè)綜合性的閃電探測與定位網(wǎng)絡(luò)，相比于其他的閃電定位網(wǎng)絡(luò)，其優(yōu)勢在于儲(chǔ)存了閃電多頻段的輻射信號(hào)波形，利用慢電場變化波形可以進(jìn)行電荷源的擬合和雷暴云等效電荷結(jié)構(gòu)的反演，利用快電場變化波形可以統(tǒng)計(jì)特定的閃電放電過程的波形參數(shù)，還可以對(duì)VLF/LF頻段的輻射源進(jìn)行定位，利用閃電 VHF輻射源信號(hào)可以對(duì)閃電放電通道的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行刻畫。而其劣勢也正是其優(yōu)勢造成的，由于存儲(chǔ)了記錄到的波形，導(dǎo)致BLNET目前尚不能實(shí)時(shí)地對(duì)閃電進(jìn)行定位處理。本文介紹了對(duì)快天線資料處理的初步結(jié)果，說明利用多站同步的快天線資料，可以對(duì)經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)上方的雷暴過程進(jìn)行地閃和云閃的定位，可以定位和跟蹤雷暴強(qiáng)對(duì)流中心的發(fā)展和變化情況。但是，定位的精度沒有經(jīng)過實(shí)際檢驗(yàn)，僅僅是從理論上進(jìn)行了模擬和分析，接下來我們將借助于位置可知的閃電擊中高建筑物時(shí)的閃電光學(xué)手段或其他途徑對(duì)BLNET的定位精度進(jìn)行實(shí)際檢驗(yàn)。

本文的研究結(jié)果說明了當(dāng)前BLNET定位方案的可行性，當(dāng)然也反映出了一些需進(jìn)一步改進(jìn)的問題。首先要進(jìn)一步提高資料的質(zhì)量，降低環(huán)境干擾的影響（如電源干擾），提高傳感器靈敏度的信噪比。其次要進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)的誤差分布更加合理。在資料質(zhì)量進(jìn)一步提高之后，結(jié)合雷達(dá)觀測資料和光學(xué)觀測資料，相信BLNET將在閃電物理和閃電氣象學(xué)的研究方面發(fā)揮重要作用。

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