張悅，呂偉濤，陳綠文，武斌，馬穎，齊奇

（1.中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室/雷電物理和防護工程實驗室，北京100081；2.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣東 廣州510641）

1 引言

雷電是雷暴天氣中發(fā)生的一種長距離瞬時放電現(xiàn)象，雷擊過程產(chǎn)生的高電壓、大電流和強電磁輻射不僅可造成人員傷亡，對航空、電力工業(yè)、計算機網(wǎng)絡(luò)以及建筑物等也有很大危害[1-2]。隨著電子和微電子設(shè)備越來越廣泛的使用，雷擊可能造成的影響也越來越嚴重，因此對雷電的監(jiān)測和防護有非常重要的意義。同時，閃電探測新技術(shù)的發(fā)展、精細化閃電探測資料的應(yīng)用、閃電資料的同化等也有助于對強對流災(zāi)害性天氣的監(jiān)測和預(yù)警[3-6]。閃電定位系統(tǒng)是目前探測閃電的主要設(shè)備。為了提高閃電定位資料的可靠性、有效利用率及實際的應(yīng)用效果，同時也為今后各閃電定位數(shù)據(jù)之間進行校準提供理論依據(jù)，對閃電資料的質(zhì)量進行評估和分析是至關(guān)重要的。

粵港澳大灣區(qū)是我國開放程度最高和經(jīng)濟活力最強的區(qū)域，具備建成國際一流灣區(qū)和世界級城市群的良好條件[7]?；浉郯拇鬄硡^(qū)地處南部沿海，終年氣溫較高，雷電活動頻繁，且具有明顯區(qū)域特征[8]。粵港澳閃電定位系統(tǒng)（GHMLLS）和廣東電網(wǎng)地閃定位系統(tǒng)（GDLLS）是目前粵港澳大灣區(qū)的兩套主要業(yè)務(wù)閃電定位系統(tǒng)。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對于閃電定位資料的性能評估已展開了許多研究，分析方法主要有四種[9]：第一種是閃電定位系統(tǒng)的自我評估，主要是從定位技術(shù)入手，對定位誤差進行分析和優(yōu)化[10-15]；第二種是利用人工觸發(fā)閃電或擊中高塔的閃電資料進行評估[16-22]；第三種是利用視頻攝像或高速攝像資料進行評估[23-26]；第四種是不同閃電系統(tǒng)間的相互對比[27-36]，這種方法的優(yōu)點是可對比的區(qū)域范圍廣，可用的樣本量大。

以往對GHMLLS和GDLLS探測性能的評估分析主要利用第二、三種方法開展，評估地點僅限于廣州地區(qū)。本文擬采用第四種分析方法，以粵港澳大灣區(qū)為主要研究區(qū)域，針對GHMLLS和GDLLS監(jiān)測獲得的2014—2018年粵港澳大灣區(qū)閃電探測數(shù)據(jù)，從探測效率、相對定位精度和電流峰值等角度對比兩系統(tǒng)的地閃探測能力，為兩套數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠性的驗證和不同場景下的應(yīng)用提供依據(jù)。

2 資料和方法

2.1 研究區(qū)域介紹

粵港澳大灣區(qū)城市群由廣東珠江三角洲地區(qū)的廣州、深圳、珠海、佛山、東莞、中山、江門、惠州、肇慶9市及香港和澳門組成，簡稱“9+2”[37]。GHMLLS和GDLLS兩套閃電定位系統(tǒng)都在該區(qū)域有很好的探測能力，兩系統(tǒng)探測子站的分布如圖1所示，灰色區(qū)域為粵港澳大灣區(qū)。

圖1 GHMLLS和GDLLS的探測子站分布

2.2 閃電定位系統(tǒng)簡介

粵港澳閃電定位系統(tǒng)（GHMLLS）由廣東省、香港、澳門氣象部門自2005年開始共同建設(shè)，最初有5個探測子站，均采用IMPACT探頭。2007年，增加了惠東子站；2012年，該系統(tǒng)增加了采用LS-700X系列探頭的11個探測子站，LS-700X系列探頭可同時探測地閃和云閃，提高了系統(tǒng)的探測能力；2018年，原有的IMPACT探頭全部替換為LS-700X系列探頭，并增加了兩個子站[26]。目前，粵港澳閃電定位系統(tǒng)共有19個探測子站，采用的定位方法是時差-方向綜合定位方法，可對閃電發(fā)生的時間、位置、極性、強度和云地閃識別等參數(shù)進行測量。Zhang等[21]基于2012—2014年的人工觸發(fā)閃電觀測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過2012年升級后，在廣州地區(qū)GHMLLS探測效率和定位精度都有明顯提高，但是其探測的回擊電流峰值較直接測量的結(jié)果偏低（利用70次回擊的電流峰值的直接探測結(jié)果Id和GHMLLS探測的電流峰值Ic進行線性擬合得到二者有Id=1.55×Ic的線性關(guān)系）。陳綠文等[26]基于2016—2017年廣州高建筑物雷電觀測站獲取的資料對GHMLLS系統(tǒng)的性能進行評估，結(jié)果表明系統(tǒng)對閃電和回擊的探測效率均為93%，對下行閃電首次回擊、繼后回擊及上行閃電回擊的定位誤差的平均值（中值）分別為361 m（188 m）、252 m（167 m）和294 m（173 m）。

廣東電網(wǎng)地閃定位系統(tǒng)（GDLLS）由廣東省電力部門于1996年開始建立，1997年正式投入使用，至今已積累20余年的歷史觀測資料[38]。2000年時該系統(tǒng)共有16個探測子站，2007—2010年系統(tǒng)進行升級改造后增加至27個。GDLLS系統(tǒng)也采用時差-方向綜合定位方法探測閃電[17]，可對閃電發(fā)生的時間、位置、極性、強度等參數(shù)進行測量。Chen等[22]基于2007—2011年從化人工觸發(fā)閃電及2009—2011年廣州高建筑物雷電觀測試驗的數(shù)據(jù)對GDLLS系統(tǒng)進行了評估，結(jié)果表明系統(tǒng)對閃電和回擊的探測效率分別為94%和60%，定位誤差的平均值和中值分別為710 m和489 m，系統(tǒng)反演的回擊電流峰值的相對偏差在0.4%～42%之間，相對偏差的算術(shù)平均值和幾何中值分別為16.3%和19.1%。

2.3 研究方法

為對GHMLLS和GDLLS兩套閃電定位系統(tǒng)的地閃探測性能進行對比和評估，本文利用兩系統(tǒng)2014—2018年的閃電探測數(shù)據(jù)，從探測效率、相對定位精度和電流峰值三個角度來進行具體研究。

由于GDLLS主要探測地閃而GHMLLS能同時探測地閃和云閃，因此在分析過程中利用系統(tǒng)的云閃/地閃標記位挑選出GHMLLS的所有地閃記錄。對于選出的GHMLLS地閃記錄，分別逐一在GDLLS系統(tǒng)同年探測的總記錄中尋找能匹配的記錄，匹配標準為兩系統(tǒng)探測到的兩次記錄定位距離不超過10 km且時間差不超過0.5 ms。對于粵港澳大灣區(qū)內(nèi)所有匹配上的記錄，將兩系統(tǒng)地閃回擊的電流峰值進行擬合，發(fā)現(xiàn)總體上GHMLLS的電流峰值約為GDLLS的0.68倍。

為對兩系統(tǒng)的地閃記錄進行質(zhì)量控制，本研究中借鑒其他研究人員的類似做法[39-41]，認為GDLLS閃電定位系統(tǒng)探測到的0～10 kA的正地閃記錄是由云閃誤判得到的，因此將這些數(shù)據(jù)從GDLLS地閃回擊數(shù)據(jù)集中剔除；對于GHMLLS閃電定位系統(tǒng)探測到的地閃回擊記錄，考慮到2.2節(jié)提到的GHMLLS探測的電流峰值相對偏低的情況，根據(jù)上文提到的計算結(jié)果，也對應(yīng)剔除GHMLLS 0～6.8 kA的正地閃回擊記錄。

本文首先對質(zhì)量控制后的兩系統(tǒng)5年地閃回擊記錄數(shù)據(jù)進行總體統(tǒng)計，再分別進行時間、空間上的對比，從而分析兩套系統(tǒng)探測效率的差異；然后對兩系統(tǒng)地閃回擊記錄進行匹配，分析相對定位精度及電流峰值的相關(guān)性。

3 結(jié)果與分析

3.1 探測效率對比

表1是2014—2018年粵港澳大灣區(qū)內(nèi)GHMLLS和GDLLS探測的記錄數(shù)對比。由于GDLLS只探測地閃、GHMLLS同時探測地閃和云閃，且兩系統(tǒng)分別刪掉了0～10 kA和0～6.8 kA的正地閃記錄，因此統(tǒng)計時對質(zhì)量控制前的總記錄和質(zhì)量控制后的地閃回擊數(shù)分別進行計算，括號里的百分數(shù)代表質(zhì)量控制后地閃回擊記錄數(shù)占本系統(tǒng)全年總記錄數(shù)的比例。由表1可看出，2014—2018年中，GHMLLS探測的地閃回擊記錄數(shù)占總記錄數(shù)的比例為35%。對于5年內(nèi)總記錄，GHMLLS的探測總數(shù)是GDLLS探測總數(shù)的2.10倍；而單就地閃回擊記錄來說，GDLLS的探測總數(shù)是GHMLLS的1.24倍。

表1 2014—2018年粵港澳大灣區(qū)內(nèi)GHMLLS和GDLLS探測的記錄數(shù)對比

將兩系統(tǒng)地閃回擊記錄中的正回擊和負回擊進一步進行區(qū)分和對比，由圖2可看出，在2014—2018各年，GHMLLS的總回擊數(shù)都小于GDLLS；對于負、正回擊數(shù)，GHMLLS也都分別小于GDLLS。對于兩系統(tǒng)各年地閃回擊總數(shù)，整體上從2014—2018年均呈下降趨勢。5年內(nèi)，GHMLLS的地閃回擊記錄中負回擊和正回擊分別占93%和7%；GDLLS的地閃回擊記錄中負回擊和正回擊分別占89%和11%。根據(jù)陳綠文等[26]的分析結(jié)果，兩系統(tǒng)間正負地閃百分比的差異主要是由于GHMLLS對正地閃的探測效率較低。GDLLS探測的負回擊和正回擊數(shù)量分別是GHMLLS的1.19倍和1.88倍。

圖2 2014—2018年大灣區(qū)內(nèi)GHMLLS和GDLLS回擊次數(shù)變化

3.1.1 探測記錄時間分布對比

圖3a～3c分別是2014—2018年大灣區(qū)內(nèi)GHMLLS和GDLLS各月份5年平均總回擊次數(shù)分布、負回擊次數(shù)分布和正回擊次數(shù)分布?？煽闯?，各月份中，兩套系統(tǒng)均是在5月探測到的回擊數(shù)最多。

由圖3a可看出，在2014—2018年內(nèi)各月份，GHMLLS探測的總回擊數(shù)都小于GDLLS探測的總回擊數(shù)，但二者在全年的變化趨勢一致。5—8月是全年閃電的高發(fā)期，在此期間兩系統(tǒng)探測總記錄數(shù)的絕對差值較大。由圖3b和3c可看出，5年內(nèi)在各月份GHMLLS探測的負、正回擊數(shù)都小于GDLLS的記錄數(shù)，兩系統(tǒng)在全年的變化趨勢一致性較好，在5—8月的閃電高發(fā)期，GDLLS、GHMLLS兩系統(tǒng)負回擊數(shù)比值為1.20，正回擊數(shù)比值為1.94，這說明兩系統(tǒng)在高發(fā)期對閃電負回擊探測效率相近。

對2014—2018年分別進行每日各整點內(nèi)閃電頻次的統(tǒng)計，再對5年數(shù)據(jù)進行平均。由圖3d可看出，兩系統(tǒng)回擊數(shù)日變化分布都呈單峰型特征，且峰值都在15:00（北京時）左右，變化趨勢一致性較高。各時段GDLLS回擊數(shù)均大于GHMLLS回擊數(shù)，且在17:00（北京時）的絕對差值最大。

圖3 2014—2018年大灣區(qū)內(nèi)GHMLLS和GDLLS各月份5年平均總回擊次數(shù)分布（a）、負回擊次數(shù)分布（b）、正回擊次數(shù)分布（c）及平均日變化（d）

3.1.2 探測記錄空間分布對比

圖4a和4b分別為GHMLLS和GDLLS兩系統(tǒng)在2014—2018年平均回擊數(shù)的密度分布。可看出，兩系統(tǒng)探測回擊數(shù)的總體分布情況相似，最高值都在廣州市和東莞市附近。對于兩系統(tǒng)的年平均回擊數(shù)分布，GDLLS探測到的密度大于40 km-2·a-1的區(qū)域明顯多于GHMLLS探測到的，且主要分布在廣州市；大灣區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域也有明顯的GDLLS探測密度大于GHMLLS的規(guī)律。

為具體對兩系統(tǒng)地閃回擊密度進行對比，將圖4a、4b中各格點數(shù)據(jù)相除，得到圖5。由圖5可看出，2014—2018年在大灣區(qū)大多數(shù)區(qū)域，二者比值（GHMLLS/GDLLS）基本在0.5～1.0之間，其中多數(shù)大于0.75，這說明兩系統(tǒng)在大灣區(qū)內(nèi)探測效率相近，且GHMLLS探測到的回擊數(shù)較少，這和3.1.1中兩系統(tǒng)時間分布對比得到的規(guī)律相符合；在大灣區(qū)的邊緣位置，例如東部、西北部，二者比值主要在0～0.75之間，說明這些區(qū)域二者地閃回擊探測能力的差異更大，參考圖1中兩系統(tǒng)的站點分布情況，可推測是因為GHMLLS的站點更集中在大灣區(qū)內(nèi)部及周圍較近區(qū)域，而GDLLS站點廣泛分布在廣東省各市，因此相比之下在這些邊緣位置，GDLLS的探測能力較GHMLLS更強。

圖4 2014—2018年GHMLLS（a）和GDLLS（b）探測到的回擊密度分布

圖5 2014—2018年GHMLLS和GDLLS平均回擊數(shù)比值的分布

3.2 相對定位精度

逐年對2014—2018年GHMLLS和GDLLS探測到的地閃回擊記錄進行匹配，匹配方法為對于每條GHMLLS的回擊探測記錄，在同年的GDLLS回擊探測記錄中遍歷尋找與它定位距離不超過10 km且時間差不超過0.5 ms的對應(yīng)記錄（若能匹配到兩條及以上，則優(yōu)先選擇兩系統(tǒng)時間差最小的一條）。對匹配后的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)在5年內(nèi)，大灣區(qū)內(nèi)匹配的地閃回擊數(shù)據(jù)中，有87%的匹配時間差小于0.04 ms。對于兩套系統(tǒng)匹配過程中出現(xiàn)的一條記錄匹配上多條記錄的情況，可能是因為某一套系統(tǒng)的多個探測子站探測到同一次回擊過程，但是在子站與中心站進行數(shù)據(jù)通訊時有延時差異導(dǎo)致的。

表2是2014—2018年粵港澳大灣區(qū)內(nèi)GHMLLS和GDLLS探測的地閃回擊數(shù)和匹配回擊數(shù)，括號里的百分數(shù)代表匹配回擊數(shù)占該系統(tǒng)探測總回擊數(shù)的比例，在大灣區(qū)內(nèi)，2014—2018年中兩系統(tǒng)地閃回擊匹配數(shù)占GHMLLS總回擊數(shù)的67%，占GDLLS總回擊數(shù)的54%。

表2 2014—2018年粵港澳大灣區(qū)內(nèi)GHMLLS和GDLLS探測的回擊數(shù)和匹配回擊數(shù)

2014—2018 年，兩系統(tǒng)在大灣區(qū)內(nèi)探測的回擊匹配后，GDLLS與GHMLLS的定位結(jié)果之間的相對偏差量在2.5 km內(nèi)的回擊占91%，在1.5 km內(nèi)的回擊占84%。為對2014—2018年兩系統(tǒng)定位偏差量的分布進行分析，計算大灣區(qū)及附近區(qū)域兩系統(tǒng)匹配數(shù)據(jù)的偏差量并畫出等值線圖（圖6）?？煽闯觯趶V州、佛山和惠州三個城市的大部分區(qū)域，匹配到的兩系統(tǒng)回擊記錄定位點平均偏差量在1.0 km以內(nèi)；除肇慶市西北部的小部分區(qū)域，大灣區(qū)的其他區(qū)域內(nèi)兩系統(tǒng)回擊記錄定位點平均偏差量在1.5 km以內(nèi)。由平均偏差量的1.0 km、1.5 km、2.0 km及2.5 km等值線分布可看出，偏差量最小的區(qū)域和兩定位系統(tǒng)的探測范圍中心基本重合，這說明在探測范圍的中心，兩系統(tǒng)對閃電回擊的定位一致性更高。

圖6 2014—2018年兩系統(tǒng)回擊匹配記錄定位位置之間的相對偏差量的分布

3.3 電流峰值對比

圖7是2014—2018年大灣區(qū)GHMLLS和GDLLS探測的回擊匹配后正負電流峰值間的相關(guān)性圖，可看出對于兩系統(tǒng)的負回擊和正回擊，匹配好的數(shù)據(jù)擬合程度都較好。用I1表示GDLLS探測到的回擊的電流峰值，I2表示GHMLLS探測到的回擊的電流峰值，兩系統(tǒng)負回擊和正回擊的電流峰值分別有I1=1.47×I2和I1=1.45×I2的線性關(guān)系，R2分別為0.99和0.98；對于總回擊，有I1=1.47×I2的線性關(guān)系，R2為0.99。

圖7 2014—2018年大灣區(qū)GHMLLS和GDLLS探測的回擊匹配后正負電流峰值的對比

根據(jù)圖7得到的兩系統(tǒng)負、正回擊電流峰值擬合系數(shù)對GHMLLS探測的負、正回擊進行相應(yīng)的校正。由于兩系統(tǒng)回擊匹配后，負、正回擊電流強度在0～100 kA的頻數(shù)都分別占總記錄數(shù)的97.5%以上，因此以0～100 kA為范圍、按照5 kA等間距劃分，分別對兩系統(tǒng)匹配后的負、正回擊電流強度分布百分比進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖8所示；將匹配后的兩系統(tǒng)數(shù)據(jù)分別進行歸閃，選取一次閃電中第一次回擊的電流峰值為本次閃電的電流峰值。負、正地閃電流強度在0～100 kA的頻數(shù)都分別占總記錄的97.4%以上，因此以0～100 kA為范圍、按照5 kA等間距劃分，分別對兩系統(tǒng)匹配后的負、正地閃電流強度分布百分比進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖9所示。由圖8和圖9可看出，經(jīng)過對GHMLLS電流峰值的校正后，兩系統(tǒng)回擊和地閃的電流峰值百分比的分布非常一致。

從負回擊電流強度分布（圖8a）看出，各區(qū)間內(nèi)兩系統(tǒng)的負回擊數(shù)所占百分比隨著電流強度增大呈先增后減的變化特征，變化的峰值均在10～15 kA范圍內(nèi)；兩系統(tǒng)探測的較弱負回擊所占百分比（0～5 kA）較少，可能是因為探頭對弱的負回擊的探測能力較弱。除此之外，在10～25 kA及45～70 kA范圍內(nèi)，GHMLLS探測百分比均多于GDLLS。

從正回擊電流強度分布（圖8b）看出，各區(qū)間內(nèi)兩系統(tǒng)的正回擊數(shù)所占百分比都隨著電流強度增大呈逐漸減小的變化特征。且在電流強度大于20 kA的各區(qū)間內(nèi)，GDLLS探測百分比均多于GHMLLS。

圖8 2014—2018年大灣區(qū)GHMLLS和GDLLS負回擊（a）和正回擊（b）電流強度分布百分比

與負、正回擊的電流強度分布類似，各區(qū)間內(nèi)兩系統(tǒng)的負地閃和正地閃數(shù)所占百分比隨電流強度也分別呈先增后減以及逐漸減小的變化特征。對于負地閃數(shù)所占百分比（圖9a），兩系統(tǒng)的變化峰值均在15～20 kA范圍內(nèi)；在10～25 kA范圍內(nèi)，GHMLLS探測百分比均多于GDLLS。對于正地閃數(shù)所占百分比（圖9b），在電流強度大于20 kA的各區(qū)間內(nèi)，GDLLS探測百分比均多于GHMLLS。

圖9 2014—2018年大灣區(qū)GHMLLS和GDLLS負地閃（a）和正地閃（b）電流強度分布百分比

4 結(jié)論

本文根據(jù)2014—2018年GHMLLS和GDLLS兩套閃電定位系統(tǒng)的地閃觀測資料對粵港澳大灣區(qū)范圍內(nèi)二者的地閃探測性能進行評估和對比，得出如下結(jié)論。

（1）GHMLLS探測的總記錄明顯多于GDLLS的總記錄；但對于地閃回擊記錄，GDLLS的探測數(shù)則多于GHMLLS。在粵港澳大灣區(qū)，5年內(nèi)GHMLLS探測總數(shù)是GDLLS探測總數(shù)的2.10倍；而單就地閃回擊記錄來說，GDLLS的探測總數(shù)是GHMLLS的1.24倍。

（2）兩套系統(tǒng)探測的地閃總回擊、負回擊和正回擊的月分布和總回擊的日變化特征基本一致。各月中，閃電高發(fā)期為5—8月；而日變化中，回擊數(shù)的峰值出現(xiàn)在15:00（北京時）左右。

（3）對兩系統(tǒng)地閃回擊記錄逐一進行匹配后，發(fā)現(xiàn)對于大灣區(qū)內(nèi)的大部分區(qū)域兩系統(tǒng)定位位置之間的相對偏差量都在1.5 km以內(nèi)，說明兩系統(tǒng)對粵港澳大灣區(qū)閃電的定位位置一致性較好。

（4）對于匹配后兩系統(tǒng)的回擊數(shù)據(jù)，負回擊和正回擊分別有GDLLS回擊的電流峰值是對應(yīng)的GHMLLS回擊電流峰值的1.47倍和1.45倍的強線性關(guān)系，R2分別為0.99和0.98。

（5）根據(jù)計算出的兩系統(tǒng)負、正回擊電流峰值的線性關(guān)系對GHMLLS回擊的電流峰值進行校正后，兩系統(tǒng)的電流強度分布有更好的一致性。在0～100 kA的電流峰值區(qū)間內(nèi)，GHMLLS和GDLLS探測的負回擊、負地閃數(shù)所占百分比隨著電流強度增大都呈先增后減的變化特征；正回擊、正地閃數(shù)所占百分比隨著電流強度增大都呈逐漸減小的變化特征。

總體上，在粵港澳大灣區(qū)內(nèi)，廣東電網(wǎng)地閃定位系統(tǒng)在2014—2018年探測的地閃回擊記錄多于粵港澳閃電定位系統(tǒng)，但兩套系統(tǒng)在各月份、各小時的時間分布和空間密度分布上都有較好的一致性，且匹配后的兩系統(tǒng)地閃回擊定位點偏差量在大灣區(qū)內(nèi)也較小。對于匹配后的負、正回擊電流峰值，二者有較強的線性關(guān)系。因此，兩系統(tǒng)都能對大灣區(qū)及周邊地區(qū)的地閃進行有效監(jiān)測，但兩系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中都還存在一些云、地閃間的誤判及系統(tǒng)自身誤差的問題。此外，對于粵港澳大灣區(qū)閃電定位系統(tǒng)電流峰值的系統(tǒng)性偏低這一問題，在今后還應(yīng)借助更多探測資料進行對比和深入研究。