朱華亮，華連生，溫華洋，龐文靜，梁 麗，孔芹芹

(1.安徽省氣象信息中心，安徽 合肥 230031；2.中國氣象局氣象探測中心，北京 100081)

引 言

雷電災害是“聯(lián)合國國際減災十年”公布的影響人類活動的嚴重災害之一[1]。在任何給定時刻，世界上都有1800多場雷雨正在發(fā)生，每秒大約有100次雷擊[2]。據統(tǒng)計，中國每年因雷電造成的人員傷亡達上千人，財產損失約70～100億元[3-5]。因此，加強雷電現(xiàn)象的監(jiān)測與預警，開展有效的雷電防護工作尤為重要。我國氣象站從建國初期就開始對雷電現(xiàn)象進行人工觀測記錄，根據《地面氣象觀測規(guī)范》規(guī)定[6]，在1日內(20:00至次日20:00，北京時，下同)只要聞雷聲1次或多次，就記錄為1個雷暴日，形成的雷暴日數是目前描述雷電活動的唯一長期記錄。隨著科學技術的發(fā)展，人工觀測項目正在逐步被自動觀測系統(tǒng)取代。2013年地面氣象觀測業(yè)務調整后，取消雷暴日的人工觀測，采用ADTD(advanced TOA and direction system)閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測雷電現(xiàn)象的活動[7]。然而，雷暴日是反映當地雷電活動頻繁程度及其強度的物理參數，在防雷工程設計、雷擊風險評估和雷電科學研究中應用廣泛[8-9]，短時間內還不可被取代，所以，利用閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測數據來延續(xù)雷暴日數據的研究更為迫切。

關于閃電定位資料能否替代人工觀測的雷暴日，很多研究從兩種資料的差異、原因及關系等方面進行了探討，發(fā)現(xiàn)兩種觀測數據的分布趨勢大體相同，具有較好的一致性，且呈現(xiàn)不規(guī)則的片狀函數關系，認為閃電定位數據替代人工觀測雷暴日具有較好的合理性和可行性[10-16]，并可通過直接替代法、地閃密度法或二元法等將閃電定位數據轉換為年雷暴日數[17-19]。然而，大多數研究側重于閃電定位數據與人工觀測雷暴日之間的差異性分析及轉換關系，而對于通過閃電定位數據計算的年雷暴日數與人工觀測年雷暴日數之間的均一性卻鮮有探討。均一的長序列氣象資料是氣候變化研究的基礎[20-21]，為此，本文對全國范圍內的閃電定位數據與人工觀測雷暴日之間的關系進行研究，形成ADTD監(jiān)測數據與人工觀測年雷暴日數之間的關系式，旨在探討通過ADTD監(jiān)測數據計算的年雷暴日數與人工觀測年雷暴日數之間的均一性，以期為全國各地區(qū)的年雷暴日數資料序列延長、雷電防護工程設計、雷暴氣候變化分析以及雷電災害風險評估提供參考。

1 資料與方法

1.1 資 料

全國共有843個國家基準氣候站和國家基本氣象站，各氣象站自1961年以來有完整的人工觀測雷暴日記錄，至今已經積累了約60 a的雷暴日數據，這些數據為各地的雷電災害風險評估、防雷工程設計和雷電科學研究等發(fā)揮了不可或缺的作用。2013年全國地面氣象觀測業(yè)務改革后取消了雷暴日的人工觀測。因此，選取全國843個國家基準氣候站和國家基本氣象站1961—2013年人工觀測雷暴日資料作為研究對象，其中631個國家基本氣象站的資料用于最優(yōu)匹配半徑的確定和年雷暴日數轉換公式的構建，212個國家基準氣候站用于轉換公式的效果評估。人工觀測雷暴日資料均經過“臺站、省級、國家級”的三級質量控制，資料的完整性為100%。

ADTD閃電定位系統(tǒng)是由中國科學研究院空間科學與應用研究所研制的第2代地閃定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用磁向和時差聯(lián)合法進行閃電探測。2010年，全國已建成近300套ADTD閃電探測子站，初步形成全國閃電監(jiān)測網，并投入業(yè)務應用，截止2018年底，全國已布設400余套ADTD閃電探測子站，對全國范圍內的閃電探測能力進一步提升，其中中部和東部地區(qū)ADTD站點以150 km基線組網，西部地區(qū)ADTD站點以300 km基線組網，具體分布如圖1。因此，選取ADTD系統(tǒng)監(jiān)測的全國范圍內2010—2018年閃電定位數據作為研究對象，其中2010—2013年ADTD閃電定位數據用于年雷暴日數轉換公式的構建和驗證，2014—2018年ADTD閃電定位數據用于年雷暴日數序列的延長。為保證ADTD監(jiān)測數據的可靠性，需對其進行質量控制。有研究發(fā)現(xiàn)閃電定位系統(tǒng)會將一些電流值較小的云閃記錄為地閃，稱為“小幅值地閃”，本文采用2005年IEEE所推薦的界定值，剔除電流幅值小于2 kA的數據[22-24]。另據研究發(fā)現(xiàn)[25]，閃電定位數據中電流強度小于10 kA的正地閃也可能來源于云閃的干擾，對這一部分數據同樣進行剔除。此外，ADTD數據中有一些閃電數據電流幅值大于200 kA，而大于200 kA的閃電一般認為誤差較大[26]，因此對這一部分數據也進行剔除。

圖1 全國ADTD閃電定位系統(tǒng)站點分布Fig.1 Distribution of stations for ADTD lightning location system in China

1.2 方 法

1.2.1 最優(yōu)匹配半徑確定方法

閃電是云與云之間、云與地之間或者云體內各部位之間的強烈放電現(xiàn)象，發(fā)生閃電時閃電通道的溫度非常高，周圍的空氣被加熱迅速膨脹，就會產生雷聲，亦即閃電和雷聲同時發(fā)生[27]。由于人的感官觀測范圍有限，通常只能聽到其周圍15 km范圍內的雷聲，較好的情況下能達到20 km，而ADTD監(jiān)測閃電的范圍遠大于人耳聽到雷聲的范圍，為得到ADTD數據計算雷暴日和人工觀測雷暴日相匹配的范圍，需對不同半徑范圍內統(tǒng)計得到的雷暴日與人工觀測雷暴日進行匹配分析。在處理ADTD數據時，規(guī)定1日內(20:00至次日20:00)ADTD監(jiān)測的閃電次數大于或等于1次，就記為1個雷電日。以區(qū)域內氣象站所處位置為圓心，在1～40 km半徑范圍內每間隔1 km，統(tǒng)計區(qū)域內氣象站不同監(jiān)測半徑R下的年雷電日數，計算區(qū)域內不同半徑R下年雷電日數與年雷暴日數的均方誤差(MSER)，并取MSER最小的監(jiān)測半徑R為與人工觀測雷暴日最匹配的范圍，亦即最優(yōu)匹配半徑。具體計算公式如下：

(1)

式中：Tdij(d)為第i個氣象站第j年人工觀測的雷暴日數；TRij(d)為監(jiān)測半徑R下第i個氣象站第j年統(tǒng)計的雷電日數；m為區(qū)域內的站點數；j為年份(j=1,2,3,4分別對應2010，2011，2012，2013年)；N*為正整數集。

1.2.2 懲罰最大F檢驗(PMFT)法

為探究基于ADTD數據延長的年雷暴日數序列相對于人工觀測序列是否發(fā)生突變，采用PMFT方法對2013年前后的雷暴日數序列進行均一性檢驗。PMFT方法[28-29]經驗性地考慮了時間序列的一階滯后自相關，并嵌入多元線性回歸算法，能夠用于檢驗、訂正包含一階自回歸誤差數據序列的多個間斷點(平均突變)。該方法進行序列突變點檢驗，可以不使用參考序列，且有效地避免了斷點位置對置信度的影響。具體檢驗方法如下：

設隨機變量εt獨立且服從均值為0，方差為σ2的高斯分布，對于存在線性趨勢β的年雷暴日數序列{Xt}，要檢驗序列在2013年是否存在突變點，作如下假設：

原假設(H0)：

H0:Xt=μ+βt+εtt=1961,1962,…,2018

(2)

備擇假設(Ha):

(3)

式中：t表示年份；μ、μ1、μ2為趨勢線的截距，其中μ1≠μ2。當Ha為真時，則2013年就為突變點，用△=|μ1-μ2|來表示平均突變的大小，其檢驗統(tǒng)計量(PF)為：

PF=P(k)Fc(k)

(4)

式中：k=2013；P(k)是一個經驗構造的懲罰因子，具體見參考文獻[28]；統(tǒng)計量Fc(k)為服從自由度為1和55的F分布，其構造如下：

(5)

1.2.3 評估指標

(6)

2 基于ADTD數據的年雷暴日數擬合公式

2.1 雷暴日與雷電日的最優(yōu)匹配半徑

中國幅員遼闊，緯度跨度較廣，距海遠近差距較大，加之地形復雜，雷暴日的分布也不盡相同。為得到ADTD監(jiān)測雷電日和人工觀測雷暴日的最優(yōu)匹配半徑，以省為單位，將全國分為28個區(qū)域(不包含香港、澳門和臺灣地區(qū))，其中北京、天津和河北作為一個區(qū)(京津冀)，上海和江蘇作為一個區(qū)(滬蘇)。應用公式(1)得到各區(qū)域的最優(yōu)匹配半徑見表1，發(fā)現(xiàn)各地區(qū)對應的最優(yōu)半徑不盡相同，大部分省份的最優(yōu)匹配半徑為9～15 km，其中新疆、青海和西藏地區(qū)對應最優(yōu)匹配半徑較大，重慶地區(qū)對應的最優(yōu)匹配半徑最小。這是由于新疆、青海和西藏等地區(qū)人稀地廣，多為高原和山脈，地形起伏較大，布設的ADTD閃電定位儀間距較大，形成的閃電定位網對該地區(qū)閃電的探測效率較低，導致較大范圍內的雷電日數與人工觀測雷暴日數一致，而重慶地區(qū)以山地為主，對雷聲的傳播具有較大的阻隔作用，導致觀測員監(jiān)聽到的雷聲范圍較小，進而造成最優(yōu)匹配半徑較小。

表1 2010—2013年中國各地區(qū)ADTD監(jiān)測雷電日和人工觀測雷暴日的最優(yōu)匹配半徑Tab.1 Optimal matching radius between thunderstorm days calculated using data from ADTD and artificial thunderstorm days in different regions of China during 2010-2013

2.2 年雷暴日數擬合公式的建立

目前，關于閃電定位數據與人工觀測雷暴日數據轉換關系的研究中，有研究指出二元法對人工觀測雷暴日的擬合效果最好[18-19]。為此，根據最優(yōu)半徑對應的年雷電日數T和年地閃密度Ng(最優(yōu)半徑內的年云地閃電次數與其對應面積之比)，建立年雷電日數T、年地閃密度Ng與年雷暴日數Td的二元線性回歸方程，其中建模樣本為2010—2013年的國家級基本氣象站人工觀測數據和ADTD監(jiān)測數據。表2列出各地區(qū)回歸方程的擬合結果，各地區(qū)的回歸方程均通過顯著性水平為0.05的F檢驗，回歸系數均通過顯著性水平為0.05的t檢驗。大部分地區(qū)的回歸方程的擬合優(yōu)度R2較高，而重慶、四川等地形較為復雜的地區(qū)，以及新疆、西藏等ADTD站點較為稀疏的地區(qū)，回歸方程的擬合優(yōu)度R2偏低。在均方根誤差RMSE方面，絕大部分站點的RMSE小于10.0 d，而在ADTD站點稀疏和地形較為復雜的地區(qū)，RMSE偏大?？傮w表明，利用年雷電日數和年地閃密度建立的年雷暴日數擬合方程較為合理。

2.3 年雷暴日數擬合公式的效果評估

表2 2010—2013年中國各地區(qū)二元線性回歸方程的擬合結果Tab.2 Fitting results of binary linear regression equations in different regions of China during 2010-2013

表3 2010—2013年中國各地區(qū)基于基準氣候站觀測資料的年雷暴日數擬合公式的效果檢驗Tab.3 The effect test of the fitting formula of annual thunderstorm days based on the observation data of the base climate stations in each region of China during 2010-2013

3 年雷暴日數延長序列的均一性檢驗

利用2014—2018年ADTD監(jiān)測數據，通過各地區(qū)年雷暴日數擬合公式，對843個氣象站2014—2018年的年雷暴日數進行計算，得到各氣象站2014—2018年的年雷暴日數序列。采用PMFT法對843個氣象站1961—2018年的年雷暴日數序列進行均一性檢驗，以2013年作為斷點，判斷2014—2018年的延長序列與1961—2013年的人工觀測序列相比是否有明顯的跳變。采用公式(4)計算了843個站點的檢驗統(tǒng)計量，結果顯示843個站點中有776個站點的檢驗統(tǒng)計量小于顯著性水平為0.05的臨界值11.05，表明這些站點的年雷暴日數序列在2013年前后無明顯跳變，占比達92.1%，僅有67個臺站的延長序列相比人工觀測序列有明顯跳變，這些站點主要集中在新疆、青海、西藏等地區(qū)(圖2)，其中新疆、青海和西藏地區(qū)分別有23個、7個和10個非均一站點(記為Ⅰ類非均一站點)，占該區(qū)域內站點數比分別達34.9%、20.0%、34.5%。這是由于新疆、青海和西藏等地區(qū)的ADTD站點布局較為稀疏，對閃電的探測效率較低，定位誤差較大，加之復雜地形的影響，導致年雷暴日數的延長序列值相對人工觀測序列值的偏差較大，進而造成了序列的非均一性。從圖2還可以看出，剩余27個年雷暴日數序列未通過均一性檢驗的站點分布在云南、四川、東南沿海等地區(qū)，經分析發(fā)現(xiàn)主要有3種原因造成這部分站點的年雷暴日數序列非均一：一是人工觀測序列在2003—2013年存在異常點所致(記為Ⅱ類非均一站點)，如廣東省汕頭氣象站在2011年人工觀測的年雷暴日數只有21.0 d，與前后年份相比，明顯偏少，造成了序列的不均一，類似這種情況的站點共有19個；二是氣象站周邊的ADTD閃電定位儀的探測性能下降所致(記為Ⅲ類非均一站點)，如河北省蔚縣氣象站、重慶市酉陽氣象站、四川省色達氣象站和云南省瀾滄氣象站，其人工觀測序列的年平均雷暴日數分別為45.1、50.1、77.9和101.6 d，而延長序列的年平均雷暴日數分別為25.1、25.8、44.6和66.0 d，延長序列相比人工觀測序列的年雷暴日數明顯減少，表明站點周邊的ADTD閃電定位儀監(jiān)測到的閃電回擊次數較少，經分析發(fā)現(xiàn)這4個氣象站觀測場內或附近均布設有ADTD閃電定位儀且布設時間都較早，ADTD閃電定位儀的探測性能有所下降，導致在氣象站周圍監(jiān)測到的閃電回擊次數較少；三是延長序列中某年擬合的年雷暴日數異常偏高所致(記為Ⅳ類非均一站點)，如四川省綿陽氣象站的人工觀測年平均雷暴日數為30.4 d，2014—2018年計算的年雷暴日數分別為33.0、34.0、36.0、36.0和73.0 d，2018年的年雷暴日數相對前幾年明顯偏高，造成了序列的非均一性，類似這種情況的站點還有四川省溫江氣象站。此外，浙江省玉環(huán)氣象站和云南省昭通氣象站的年雷暴日數序列也未通過均一性檢驗，造成序列非均一的具體原因不明(記為Ⅴ類非均一站點)。檢驗結果總體表明，除新疆、青海和西藏等地區(qū)外，其余地區(qū)利用二元法延長的年雷暴日數序列與人工觀測序列相比無明顯跳變，均一性較好。

圖2 1961—2018年中國年雷暴日數序列均一和非均一的站點分布Fig.2 Distribution of meteorological stations with homogeneity or heterogeneity of annual thunderstorm days sequence in China during 1961-2018

4 結論與討論

(1)研究發(fā)現(xiàn)各地區(qū)ADTD監(jiān)測雷電日和人工觀測雷暴日的最優(yōu)匹配半徑不盡相同，大部分省份的最優(yōu)匹配半徑介于9～15 km之間，這與鐘穎穎等[11]研究發(fā)現(xiàn)觀測員通常只能聽到8～15 km范圍內的雷聲的研究結論一致。新疆、青海和西藏等地區(qū)由于人稀地廣，地形起伏較大，多為高原和山脈，布設的ADTD閃電定位儀間距較大，形成的閃電定位網對該地區(qū)閃電的探測效率較低，定位誤差較大，導致較大范圍內的雷電日數與人工觀測雷暴日數一致，故新疆、青海和西藏等地區(qū)的雷電日和雷暴日最優(yōu)匹配半徑較大。

(2)利用2010—2013年的國家基本氣象站人工觀測數據和ADTD監(jiān)測數據，建立的年雷暴日數擬合方程對大部分地區(qū)具有較高的擬合優(yōu)度R2和較低的均方根誤差RMSE，而新疆、青海和西藏等地區(qū)由于地形復雜、ADTD站點布局較為稀疏等原因，回歸方程的擬合優(yōu)度R2有所偏低，均方根誤差RMSE有所偏大。經2010—2013年的獨立樣本檢驗發(fā)現(xiàn)，回歸方程計算的年平均雷暴日數與人工觀測年平均雷暴日數在空間上具有相同的分布規(guī)律，絕大部分地區(qū)的年雷暴日數計算值與人工觀測值的平均絕對誤差小于10.0 d，平均相對誤差小于30.0%，但新疆、青海和西藏等地區(qū)的平均絕對誤差和平均相對誤差都較大?？傮w表明，除新疆、青海和西藏等地區(qū)外，基于年雷電日數、年地閃密度建立的二元回歸方程對年雷暴日數的擬合效果較好，可用于雷暴日數序列的延長。

(3)利用PMFT方法對843個氣象站1961—2018年的年雷暴日數序列進行均一性檢驗，結果顯示843個站點中有776個站點的序列在2013年前后無明顯跳變，占比達92.1%，有67個臺站的延長序列相比人工觀測序列有明顯跳變，這些站點主要集中在新疆、青海、西藏、東南沿海等地，造成序列非均一的原因有高山阻隔、ADTD探測站網稀疏、ADTD探測儀探測性能下降等?？傮w表明，利用二元法延長的年雷暴日數序列與人工觀測序列相比無明顯跳變，均一性較好。

在國家級氣象站1961—2013年的人工觀測年雷暴日數序列中，仍可能存在因觀測方式改變、臺站遷移等原因造成的非均一點，后期可繼續(xù)采用PMFT檢驗法對人工觀測序列進行均一性檢驗，找出序列非均一的年份，分析其原因，并完成序列的均一性訂正，形成均一的長序列年雷暴日數數據集，為雷暴氣候變化分析、防雷工程設計、雷擊風險評估和雷電科學研究提供科學依據。