許洪澤 周梅

（金華市氣象局，金華 321000）

0　引言

雷電是伴有閃電和雷鳴的一種雄偉壯觀而又令人生畏的放電現(xiàn)象。雷電的活動(dòng)規(guī)律在一定程度上反映了雷暴天氣的活動(dòng)規(guī)律。隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，雷電對(duì)?；瘓?chǎng)所、通信、電力、石化、鐵路等行業(yè)和人們的工作、生活的影響越來(lái)越大[1]。雷電是一種強(qiáng)大的電脈沖波，也會(huì)形成強(qiáng)脈沖磁場(chǎng)。閃電定位系統(tǒng)正是利用雷電發(fā)出電磁波進(jìn)行探測(cè)。目前，氣象部門(mén)的很多學(xué)者對(duì)閃電定位資料進(jìn)行了大量且有成效的研究[2-15]，并在雷電監(jiān)測(cè)和防雷減災(zāi)方面發(fā)揮了巨大作用。但目前對(duì)閃電定位資料本身質(zhì)量的研究則相對(duì)較少，而資料的質(zhì)量直接影響其應(yīng)用效果，其中探測(cè)效率和探測(cè)精度是表征閃電定位資料質(zhì)量最重要的指標(biāo)[16-19]。

閃電定位系統(tǒng)作為一種實(shí)時(shí)雷電探測(cè)的設(shè)備，和其他硬件設(shè)備一樣會(huì)出現(xiàn)個(gè)別子站工作異常情況。自07年底，浙江氣象部門(mén)ADTD閃電定位網(wǎng)運(yùn)行持續(xù)不穩(wěn)定，這必然對(duì)閃電定位資料的質(zhì)量造成一定影響，但其受影響程度需要仔細(xì)的研究分析，且探測(cè)數(shù)據(jù)顯示，07與08年閃電總次數(shù)相差較大。因此，本文選用浙江省閃電定位系統(tǒng)異常前后07和08年的探測(cè)資料，分別從地閃的月份—時(shí)段的分布特征、不同月份的雷電日時(shí)間分布特征及其方差、閃電密度空間分布特征、電流強(qiáng)度累積百分比及不同的定位方式空間分布等方面進(jìn)行對(duì)比分析，試圖評(píng)估系統(tǒng)的異常對(duì)資料的影響程度，從而為閃電定位資料進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供參考意見(jiàn)，更好地做好防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)。

1　資料與方法

07和08年的閃電定位資料來(lái)源于浙江省ADTD閃電定位系統(tǒng)，全省共布置11個(gè)子站，主要探測(cè)地閃。根據(jù)ADTD的探測(cè)原理，其通過(guò)幾個(gè)子站同時(shí)測(cè)量閃電回?fù)糨椛涞碾姶艌?chǎng)來(lái)確定閃電源的電流參數(shù)。探測(cè)效率80%～90%，誤差一般幾百米至幾千米[20]。一般情況下，多站定位能提高定位精度和探測(cè)范圍，站點(diǎn)數(shù)以4～6站為宜[21]。本文的統(tǒng)計(jì)和分析主要基于軟件Arcgis，其中雷電月份—時(shí)段分布圖通過(guò)計(jì)算每個(gè)月份各時(shí)段閃電次數(shù)繪制而成。在本文中，定義ADTD閃電定位系統(tǒng)1日內(nèi)探測(cè)到1次以上地閃的均為雷電日。文中閃電密度圖的網(wǎng)格為1 km×1 km，通過(guò)與一年中閃電空間分布次數(shù)相交計(jì)算繪制而成，反映地閃空間分布特征。

2　地閃時(shí)間分布特征對(duì)比分析

據(jù)浙江省ADTD閃電定位資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，07和08年閃電總次數(shù)分別為418143和287773次，08年為07年閃電總數(shù)的68.8%。由圖1雷電月份—時(shí)段分布圖可看出，07年地閃主要發(fā)生在6—9月的13—20時(shí)，同樣從圖1b中也可看出，08年地閃主要發(fā)生的月份和時(shí)間段與07年基本相同，僅6月的15—20時(shí)地閃次數(shù)相對(duì)偏少。這與很多研究和人們的認(rèn)識(shí)是一致的，因?yàn)橄募镜奈绾笫抢妆┑母甙l(fā)時(shí)段。

圖1　雷電月份—時(shí)段分布特征圖Fig. 1 Map of monthly number of lightnings

從逐月地閃次數(shù)來(lái)看（圖略），07和08年的1—7月閃電次數(shù)分布曲線總趨勢(shì)是增長(zhǎng)的，但07年5月出現(xiàn)谷值。另07和08年地閃次數(shù)峰值的月份不相同，08年出現(xiàn)在8月，而07年出現(xiàn)在7月。

通過(guò)對(duì)比分析可知，雖07和08年在個(gè)別月份和時(shí)段地閃次數(shù)存在差異，但總的來(lái)說(shuō)07和08年的地閃次數(shù)在時(shí)間分布特征有較好的一致性。

圖2為07和08年不同月份雷電日的天數(shù)。從圖2可看出，07和08年雷電日天數(shù)變化特征基本一致，均從1月起出現(xiàn)增長(zhǎng)，到7、8月達(dá)到峰值，后又逐漸減少。從圖2還可看出，07和08年6—9月均是雷電日天數(shù)最多的月份，這與地閃次數(shù)相一致。

圖2　不同月份雷電日對(duì)比分布圖Fig. 2 Comparison of monthly number of lightning-days(the blue column is 2007, and the red column is 2008)

雷電日與氣象部門(mén)觀測(cè)站的雷暴日有相似之處，前者為儀器探測(cè)，后者為人工觀測(cè)，因此，在研究雷電時(shí)間分布特征時(shí)雷電日也很重要，應(yīng)進(jìn)一步分析。表1為07和08年雷電日統(tǒng)計(jì)概述，從中可看出，07和08年雷電日的均值相差較小，分別為17.3和16.7 d。方差相差較大分別為104.4和150.2，這說(shuō)明08年雷電日離散程度更高。通過(guò)方差分析可知，F(xiàn)值為0.89，小于0.05水平下的Fcrit值4.3，更遠(yuǎn)小于0.01水平下的Fcrit的值1×109，這說(shuō)明07和08年雷電日在0.05和0.01水平下不存在顯著性差異（表2）。

表1　雷電日概述Table 1 Overview of lightning-day

表2　2007和2008年雷電日的方差分析Table 2 Variance-analysis of lightning-days in 2007 and 2008

3　地閃密度分布特征對(duì)比分析

地閃密度是一年中1 km2面積內(nèi)發(fā)生的地閃次數(shù)，能很好反映某個(gè)區(qū)域雷電多少和雷災(zāi)的強(qiáng)弱。從圖3可看出，07和08年地閃密度值6次/（km2·a）以上區(qū)域有多處重疊，如紹興和杭州的交界處、臺(tái)州的東部、溫州的中部及麗水的中西部等。

浙江省的面積為104141 km2（2010年數(shù)據(jù)）。從圖4可知，07和08年地閃密度面積分布為88226和79208 km2，08年占07年89.8%，又分別占總面積的84.7%和76.1%，這說(shuō)明07和08年分別有84.7%和76.1%的面積發(fā)生有地閃。07和08年地閃密度值最小值相同，為1次/（km2·a），而最大值相差1次/（km2·a）；均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別相差1.1和1.2次/（km2·a），中位數(shù)分別為3和2次/（km2·a），3/4分位數(shù)相差2次/（km2·a），07年達(dá)到了6次/（km2·a）。偏度和峰度分別是描述數(shù)據(jù)左右對(duì)稱(chēng)性和分布高度的指標(biāo)。圖4顯示，07和08年偏度的值均大于0，與正態(tài)分布相比，偏度值明顯向右延伸。07和08年的峰度值均大于0，說(shuō)明與正態(tài)分布相比，數(shù)據(jù)均高聳且狹窄。從圖5普通QQplot分布圖可看出，07和08年地閃密度數(shù)據(jù)集離得較近，一致性較好。

圖3　地閃密度空間分布特征（1 km×1 km，單位：次/（km2·a））Fig. 3 Maps of the ground-lightning density (1 km×1 km，unit: times/(km2·a))

4　地閃強(qiáng)度累積百分比對(duì)比分析

地閃分為正地閃和負(fù)地閃。據(jù)很多研究和統(tǒng)計(jì)，正地閃百分比遠(yuǎn)低于負(fù)地閃，約占5%。07和08年的正地閃百分比相差較小，分別為12655和9016次，占各自總閃的3.02%和3.13%。從圖6a可看出，07年的正地閃電流強(qiáng)度累積百分比200、150、100及50 kA以上柱狀圖（藍(lán)色）均小于08年（紅色），其中07和08年50 kA以上累積百分比分別為23.8%和28.5%，換言之，正地閃50 kA以下分別達(dá)到71.5%和76.2%。07和08年負(fù)地閃電流強(qiáng)度累積百分比柱狀特征類(lèi)似于正地閃，但50 kA以下累積百分比更高，分別達(dá)到了90.9%和87.3%。

總的來(lái)說(shuō)，無(wú)論是正地閃還是負(fù)地閃，08年的值電流強(qiáng)度累積百分均要高于07年；且07和08年50 kA以下的電流強(qiáng)度均占絕大多數(shù)。因此，在雷電監(jiān)測(cè)和防雷減災(zāi)中，要更多關(guān)注50 kA以下的雷電；與負(fù)地閃相比，盡管正地閃的次數(shù)相對(duì)較少，但大的電流強(qiáng)度累積百分比值要高于負(fù)地閃，危害也更大。

圖4　地閃密度直方圖Fig. 4 The histogram of the ground-lightning density

圖5　普通QQPlot分布圖（橫坐標(biāo)數(shù)據(jù)集#1為2007年地閃密度，縱坐標(biāo)數(shù)據(jù)集#2為2008年地閃密度）Fig. 5 General QQPlot distribution (abscissa: ground flicker density in 2007; ordinate: ground flicker density in 2008)

5　閃電定位方式對(duì)比分析

根據(jù)ADTD閃電定位系統(tǒng)的探測(cè)原理，參與定位的子站越多，探測(cè)效率和探測(cè)精度就越高。由表3可知，07年三站定位方式百分比高于08年5.1%。三站和四站百分比之和，07年高于08年5.5%；而二站08年則高于07年5.5%。由定位原理可知，二站定位一般采用磁定向交匯法（MDF），是以正交環(huán)形磁場(chǎng)天線同時(shí)測(cè)定落雷點(diǎn)與探測(cè)站連線的方位角，通過(guò)交匯確定落雷點(diǎn)。此定位技術(shù)受地形地物影響較大，探測(cè)精度不高[21]和探測(cè)效率較低[22]。而三站及以上站點(diǎn)定位一般采用時(shí)間到達(dá)法（TOA）或聯(lián)合探測(cè)法（IMPACT），TOA技術(shù)克服了MDF定位精度不高的問(wèn)題，利用GPS同步技術(shù)，當(dāng)時(shí)間誤差≤1μs時(shí)，最大定位誤差≤1 km[23]。鑒于上述分析，可認(rèn)為07年的探測(cè)效率和探測(cè)精度略?xún)?yōu)于08年。則說(shuō)明07年底起ADTD個(gè)別子站的異常，對(duì)全年的閃電定位資料的探測(cè)精度和探測(cè)效率造成了一定的影響。另從08年的閃電次數(shù)僅為07年的68.8%，在一定程度可印證此結(jié)論。

圖6　正地閃（a）負(fù)地閃（b）電流強(qiáng)度累積百分比對(duì)比圖Fig. 6 Accumulative percentage of positive (a) and negative (b) ground-lightning current intensity

07與08年閃電定位方式比較可看出（表3），四站定位的百分比相差較小，分別為50.8%和50.4%。由閃電定位原理可知，若有四站或以上接受到數(shù)據(jù)時(shí)，先取三個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行定位，再利用其他站點(diǎn)的數(shù)據(jù)校正誤差，從而提高探測(cè)精度。雖表3中07和08年四站百分比均超過(guò)了50%，但為了進(jìn)一步提高地閃的探測(cè)精度，應(yīng)該提高四站或以上站點(diǎn)參與定位的比例。

表3　閃電定位方式的比較Table 3 Comparison of lightning locating methods

因07和08年三站定位方式差異較大，故三站做重點(diǎn)分析。不同閃電定位方式的空間分布可看出（圖7），07年三站定位主要分布在浙江省的西北部的湖州和杭州地區(qū)內(nèi)，以及南部麗水地區(qū)內(nèi)。08與07年三站分布重疊的地區(qū)主要有浙江的東北部的嘉興、浙西的衢州和麗水的部分地區(qū)。因此，就三站定位的空間分布來(lái)看，08與07年有多處相同的區(qū)域。

圖7　不同定位方式的閃電空間分布Fig. 7 Maps of lightning in different locating ways

6　結(jié)論和討論

1）從月份—時(shí)段分析來(lái)看，雖07和08年在個(gè)別月份和時(shí)段地閃次數(shù)存在差異，但總的來(lái)說(shuō)07和08年的地閃次數(shù)在時(shí)間分布特征有較好的一致性。07和08年6—9月均是雷電日天數(shù)最多的月份，這與地閃次數(shù)相一致。通過(guò)方差分析可知，07和08年雷電日在0.05和0.01水平下均不存在顯著性差異。

2）07和08年地閃密度值在6次/（km2·a）以上區(qū)域有多處重疊。從普通QQplot圖可看出，07和08年地閃密度數(shù)據(jù)集離得較近，有較好的一致性。

3）無(wú)論是正地閃還是負(fù)地閃，08年的電流強(qiáng)度累積百分均要高于07年。07和08年50 kA以下的地閃均占絕大多數(shù)。

4）為提高閃電定位資料資料，應(yīng)進(jìn)一步提高四站及以上定位方式，減少二站定位方式的比例。日常應(yīng)加強(qiáng)整個(gè)閃電定位網(wǎng)的維護(hù)，關(guān)注子站周?chē)姶艌?chǎng)等干擾。

通過(guò)本文的分析可知，此次ADTD異常雖未對(duì)資料質(zhì)量造成十分明顯影響，但整個(gè)探測(cè)網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行也十分重要。

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