張科杰 謝超 鄭琦玉

(1 湖北省防雷中心，武漢 430074；2 武漢天宏防雷檢測(cè)中心發(fā)展有限公司，武漢 430074)

引言

雷電是具有高電壓、強(qiáng)電磁輻射等特性的一種自然界長(zhǎng)距離放電現(xiàn)象，常常會(huì)對(duì)地面建筑物、電子電氣設(shè)備等產(chǎn)生危害，甚至威脅人的生命[1]。為了深入了解閃電現(xiàn)象、減少災(zāi)害損失，雷電監(jiān)測(cè)技術(shù)在我國(guó)從20世紀(jì)80年代開始研究并得到迅速的發(fā)展。我國(guó)當(dāng)前布設(shè)的雷電定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有電力部門的LLS系統(tǒng)、氣象部門使用的ADTD系統(tǒng)以及全球閃電定位系統(tǒng)(WWLLN)。其中，ADTD系統(tǒng)作為氣象部門雷電業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的主要來源，其監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布設(shè)的早已超過100個(gè)[2]。近年來，國(guó)內(nèi)已有不少專家學(xué)者對(duì)該系統(tǒng)的運(yùn)行狀況及探測(cè)效率進(jìn)行了理論研究。馮民學(xué)等[3]依據(jù)人工觀測(cè)雷暴日數(shù)據(jù)，對(duì)江蘇省閃電定位資料進(jìn)行評(píng)估分析，得出各探測(cè)站點(diǎn)的平均效率；崔遜等[4]對(duì)比分析兩套閃電定位系統(tǒng)的精度認(rèn)為，ADTD閃電定位系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)和全球閃電定位系統(tǒng)(WWLLN)數(shù)據(jù)并無明顯差異；朱傳林等[5]利用計(jì)算機(jī)仿真比較了正方形、梯形、星形及不規(guī)則四邊形 4 種幾何布網(wǎng)結(jié)構(gòu)的誤差分布，對(duì)湖北省三維閃電定位網(wǎng)的布網(wǎng)結(jié)構(gòu)科學(xué)合理性進(jìn)行了討論；蔡力等[6]通過幾何模型對(duì)重慶地區(qū)的一套雷電定位網(wǎng)絡(luò)的定位誤差進(jìn)行分析；并采用基于“隨機(jī)數(shù)”的 Monte Carlo 法對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的定位精度進(jìn)行模擬，驗(yàn)證了幾何模型所得結(jié)果的正確性；張堅(jiān)等[7]利用人工觀測(cè)雷暴與閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)雷暴數(shù)據(jù)，采用TS評(píng)分和KSS’評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)江淮地區(qū)2010—2013年兩種資料的一致性進(jìn)行了對(duì)比，得出了兩種資料在空間運(yùn)用上的差異；王志超等[8]利用中國(guó)氣象局ADTD雷電定位網(wǎng)2012—2016年京津冀地區(qū)13個(gè)雷電定位儀探測(cè)到的134余萬次地閃回?fù)糍Y料，對(duì)北京站雷電定位儀的探測(cè)效率和全網(wǎng)在北京地區(qū)的雷電定位效率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得出了北京地區(qū)閃電定位儀的探測(cè)效率為85%～95%等相關(guān)結(jié)論。上述研究在對(duì)該系統(tǒng)和多種閃電定位數(shù)據(jù)的對(duì)比分析方面，以及基于該系統(tǒng)的工作原理采用幾何模型分析法分析定位誤差方面提供了很多有意義的結(jié)論。

湖北省ADTD閃電定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2006年初建成并投入使用，該系統(tǒng)由中科院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心研制，其通過監(jiān)測(cè)云地閃輻射的甚低頻(VLF)信號(hào)，經(jīng)波形判斷給出閃電信號(hào)到達(dá)傳感器的精確時(shí)間[9-10]，再通過中心定位處理軟件采用時(shí)差測(cè)向混合定位算法來實(shí)現(xiàn)地閃回?fù)舳ㄎ弧Ｍ瑫r(shí)，該系統(tǒng)還能對(duì)地閃回?fù)綦姺?、極性、陡度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。目前，此套閃電定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為湖北區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、雷災(zāi)事故鑒定、區(qū)域雷暴天氣特征研究等方面提供了數(shù)據(jù)支持。但在實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)用和雷電災(zāi)害調(diào)查等工作中發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)存在一定程度的偏差。為了能更加精準(zhǔn)地運(yùn)用湖北地區(qū)雷電監(jiān)測(cè)資料，本文利用2006—2019年湖北省地閃回?fù)舯O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，探討了該系統(tǒng)的定位精度、分析了主要監(jiān)測(cè)參數(shù)質(zhì)量，期望為本省雷電災(zāi)害調(diào)查、雷電風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃等工作提供更精準(zhǔn)的參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本研究使用的資料包括:①2006—2019年湖北省地閃回?fù)舯O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括單次回?fù)舭l(fā)生的時(shí)間、經(jīng)緯度定位、強(qiáng)度、陡度等數(shù)據(jù)，本文中云地閃均指云層對(duì)地面發(fā)生放電的閃擊，稱為地閃回?fù)簦瑪?shù)據(jù)來源于湖北省ADTD閃電定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)在湖北省內(nèi)布設(shè)有13個(gè)監(jiān)測(cè)子站，根據(jù)站點(diǎn)布置的位置分布，圖1給出了采用幾何法得出了該系統(tǒng)在湖北地區(qū)的探測(cè)效率。該系統(tǒng)理論定位精度約為300 m，雷電流幅值和波前陡度值，采用多站信號(hào)強(qiáng)度歸一化(100 km)處理方法，雷電流幅值和波前陡度值網(wǎng)內(nèi)相對(duì)誤差小于15%。對(duì)這些數(shù)據(jù)已經(jīng)過質(zhì)控處理，剔除了雷電流500 kA以上、強(qiáng)度或陡度為0的數(shù)據(jù)[11]。②文中所用的地理信息位置來源于Google Earth，定位位置為接閃桿所處位置經(jīng)緯度，建筑高度信息來源于各項(xiàng)目竣工后的公示資料。

圖1 湖北省地閃回?fù)衾碚撎綔y(cè)效率

1.2 分析方法

(1)采用網(wǎng)格法[12]和雷擊案例驗(yàn)證法[13]，對(duì)湖北地區(qū)的地閃回?fù)舯O(jiān)測(cè)的精度進(jìn)行研究。利用現(xiàn)有高層建筑引雷相關(guān)研究理論，選取湖北省內(nèi)不同地區(qū)的高層建筑參考點(diǎn)，對(duì)所選參考點(diǎn)周邊的地閃回?fù)艋顒?dòng)狀況進(jìn)行分析，提取地閃回?fù)糍Y料數(shù)據(jù)包括地閃回?fù)舭l(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)經(jīng)緯度信息。通過對(duì)多個(gè)參考點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的地閃回?fù)舸螖?shù)空間分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，利用地圖工具和數(shù)理分析軟件，將區(qū)域地閃回?fù)舴植季W(wǎng)格化，作出區(qū)域內(nèi)的地閃回?fù)舸螖?shù)分布圖，以確定密度最高區(qū)域與該參考點(diǎn)實(shí)際定位之間的距離和方位，得出系統(tǒng)的定位精度偏差范圍。同時(shí)，通過對(duì)已有的數(shù)次雷擊事故的事故地位置信息與地閃回?fù)舳ㄎ粩?shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證定位精度。

考慮到選取參考點(diǎn)周邊建筑或地形對(duì)地閃回?fù)粑恢玫挠绊?，根?jù)建筑參考點(diǎn)易遭受雷擊的程度[14-16]，以及使用地閃回?fù)糍Y料最短時(shí)間長(zhǎng)度和對(duì)探測(cè)效率相關(guān)要求的規(guī)定[13]，確定以下參考點(diǎn)選取原則：①以參考點(diǎn)為中心3 km半徑范圍內(nèi)所選參考點(diǎn)為最高建構(gòu)筑物；②參考點(diǎn)最高尖端處有金屬物體，容易觸發(fā)上行雷電；③參考點(diǎn)建成或在建過程中成為區(qū)域最高建筑后有5年以上的地閃回?fù)舯O(jiān)測(cè)資料；④參考點(diǎn)位置的地閃回?fù)舯O(jiān)測(cè)系統(tǒng)探測(cè)效率在95%以上。

根據(jù)以上選取原則，本文選取龜山電視塔、民生銀行大廈、孝感電視塔、荊門黑山塔四個(gè)參考點(diǎn)附近監(jiān)測(cè)到的地閃回?fù)魹檠芯繉?duì)象。其中，龜山電視塔塔高221.2 m，立于龜山之上，東臨長(zhǎng)江，塔頂海拔標(biāo)高311.4 m，相對(duì)高度280 m。民生銀行大廈位于漢口城區(qū)，建筑總高度333.3 m，建成時(shí)為華中區(qū)域第一高樓，該參考點(diǎn)周邊各個(gè)方向均為城區(qū)鋼筋混凝土建筑，地面環(huán)境相似。孝感電視塔位于孝感市長(zhǎng)征路廣電大樓旁邊，六邊形組合鋼塔，塔高180 m。荊門廣播電視發(fā)射臺(tái)發(fā)射塔位于黑山山頂，也稱黑山塔，該塔高158 m，海拔高度638 m，塔身為鋼結(jié)構(gòu)，是荊門的城市之頂。以上建筑均滿足參考點(diǎn)選取的4個(gè)條件。

(2)采用定性分析法[17]，對(duì)湖北省云地閃電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2006—2019年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)空分布規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)包括回?fù)舭l(fā)生的時(shí)間、位置、強(qiáng)度等信息。分別對(duì)地閃回?fù)舻恼?fù)閃占比、時(shí)間分布、強(qiáng)度分段累積率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將統(tǒng)計(jì)結(jié)果與湖北雷暴天氣特征具有相似性的省市同監(jiān)測(cè)系統(tǒng)閃電定位資料進(jìn)行比較。由于雷電通常與降水有密切關(guān)系[18]，同時(shí)結(jié)合地閃回?fù)魰r(shí)間分布與湖北降水等天氣活動(dòng)狀況規(guī)律的相關(guān)性，驗(yàn)證該系統(tǒng)所測(cè)數(shù)據(jù)在時(shí)空分布變化趨勢(shì)的可信度。

2 定位精度分析與驗(yàn)證

2.1 定位精度分析

隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和觀測(cè)手段增多，近年來，張長(zhǎng)秀等[12]利用廣東電網(wǎng)地閃資料和高速攝像機(jī)對(duì)廣州塔附近的地閃回?fù)暨M(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和觀測(cè)，提出了高層建筑增加了該區(qū)域的雷擊次數(shù)相關(guān)結(jié)論。高層建筑的出現(xiàn)會(huì)改變下墊面的等電位面，高層建筑建成后，平行于大地表面的等電位面在高層建筑位置就會(huì)發(fā)生彎曲[19]。同時(shí)高層建筑的尖端容易激發(fā)上行閃電并對(duì)周圍區(qū)域的下行閃電有吸引[16]，理論上高層建筑所在位置應(yīng)該有一個(gè)地閃回?fù)舻募袇^(qū)域。

龜山電視塔和孝感電視塔截止目前為止，依然是3 km半徑范圍內(nèi)的最高建筑，故地閃回?fù)糍Y料統(tǒng)計(jì)時(shí)間長(zhǎng)度為2006年1月至2019年12月。民生銀行大廈地處金融中心，2014年后其周邊有高層建筑陸續(xù)建成，為了避免周邊環(huán)境變化對(duì)地閃回?fù)魯?shù)據(jù)的影響，故該參考點(diǎn)地閃回?fù)糍Y料選取2006年1月至2013年12月。荊門黑山塔始建于2014年，故該參考點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)時(shí)間為2014年1月至2019年12月。為了能揭示上述參考點(diǎn)附近地閃回?fù)裘芗?，參考檢測(cè)設(shè)備定位理論精度，以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)建筑物周邊500 m定義為地閃回?fù)粲绊憛^(qū)域的界定[20]，本文適當(dāng)擴(kuò)大統(tǒng)計(jì)區(qū)域，調(diào)取了以參考點(diǎn)為中心2 km半徑范圍內(nèi)的地閃回?fù)魯?shù)據(jù)，利用Surfer軟件作出了該區(qū)域的每平方公里的回?fù)舸螖?shù)等值線圖(圖2)。

圖2 龜山電視塔(a)、黑山塔(b)、孝感電視塔(c)、民生銀行大廈(d)4 km×4 km范圍地閃回?fù)舸螖?shù)(五角星表示各參考點(diǎn)實(shí)際位置)

由圖2可知，4個(gè)參考點(diǎn)附近地閃回?fù)舻母咧抵行木x了參考點(diǎn)所在位置。通過經(jīng)緯度信息計(jì)算兩點(diǎn)間距離可知，龜山電視塔回?fù)舸螖?shù)高值中心位置位于實(shí)際位置西南方向190 m；民生銀行大廈回?fù)舸螖?shù)高值中心位置位于實(shí)際位置西南方向524 m；孝感電視塔回?fù)舸螖?shù)高值中心位置位于實(shí)際位置西南方向1548 m；荊門黑山塔回?fù)舸螖?shù)高值中心位置位于實(shí)際位置西北方向1384 m。其中，龜山電視塔和荊門黑山塔處于一定高度的山體上，其回?fù)舸螖?shù)等勢(shì)圖與各自對(duì)應(yīng)山體結(jié)構(gòu)走勢(shì)有很好的對(duì)應(yīng)性，說明該系統(tǒng)在大區(qū)域的定位中有一定準(zhǔn)確度。

為了進(jìn)一步印證上述高值中心即為上述參考點(diǎn)受特定環(huán)境影響而產(chǎn)生的可能性，而不是受周邊其他環(huán)境因素的影響，我們根據(jù)實(shí)際位置與高值中心的偏差距離和方位，對(duì)原有的經(jīng)緯度點(diǎn)進(jìn)行了偏移。選取上述高值中心經(jīng)緯度，對(duì)上述4個(gè)區(qū)域繪制了回?fù)舸螖?shù)等勢(shì)圖。由圖3可看出，各區(qū)域內(nèi)4 km×4 km范圍內(nèi)只存在一個(gè)回?fù)舸螖?shù)高值區(qū)域。由此可進(jìn)一步判斷，所選參考點(diǎn)周邊無其他易引雷環(huán)境，上文中得出的偏差值即為各自參考點(diǎn)附近地閃回?fù)舻恼`差范圍。

圖3 修正后龜山電視塔(a)、黑山塔(b)、孝感電視塔(c)、民生銀行大廈(d)4 km×4 km范圍地閃回?fù)舸螖?shù)

通過以上4個(gè)超高建筑的雷擊環(huán)境檢驗(yàn)，得出該系統(tǒng)能反映大尺度區(qū)域的雷電活動(dòng)狀況，實(shí)際定位精度要大于300 m的理論值。定位精度還與參考點(diǎn)所處位置距離各監(jiān)測(cè)臺(tái)站的距離、周邊地形相關(guān)，武漢周邊的臺(tái)站分布較多，同時(shí)武漢地處平原地區(qū)，山體丘陵較少，而荊門處于鄂西邊緣，山體從荊門開始往西逐漸增多，密集度相對(duì)較高，而荊門、孝感的參考點(diǎn)位置距離相對(duì)于武漢的定位精度較低。

高層建筑通常在較小區(qū)域范圍內(nèi)對(duì)地閃有明顯的吸引作用，致使高建筑周圍地閃密度更大；同時(shí)，高層建筑吸引了原本落于周邊區(qū)域的地閃回?fù)簦质沟酶邔咏ㄖ苓叺牡亻W回?fù)裘芏扔忻黠@的低值區(qū)。為了進(jìn)一步研究湖北ADTD監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，圖4a給出了龜山電視塔周邊8 km范圍內(nèi)的逐公里不同環(huán)狀區(qū)域的地閃回?fù)裘芏确植家?guī)律，結(jié)果顯示，參考點(diǎn)1 km半徑范圍內(nèi)的地閃回?fù)裘芏让黠@大于區(qū)域均值，1～2 km半徑范圍內(nèi)的環(huán)狀區(qū)域地閃回?fù)裘芏让黠@降低，處于均值以下，2～3 km區(qū)域是雷擊大地密度最小的區(qū)域，4 km以后的區(qū)域則在均值上下波動(dòng)，說明該塔對(duì)1 km范圍內(nèi)的地閃回?fù)粲忻黠@的吸引作用，使得1～4 km區(qū)域有一個(gè)明顯的低值區(qū)，其監(jiān)測(cè)結(jié)果與理論一致。

觀測(cè)表明，高層建筑頂端更容易觸發(fā)上行閃電[16,21]，高塔上的電流峰值受高塔反射、折射作用的影響，導(dǎo)致電流波最大峰值的增強(qiáng)[16]，且大部分發(fā)生于高建筑物上的上行閃電為負(fù)極性閃電[21]，Diendorfe[14]對(duì)Gaisberg塔的地閃回?fù)魳O性觀測(cè)驗(yàn)證了這一結(jié)論。通過對(duì)龜山電視塔周邊逐公里環(huán)狀區(qū)域地閃回?fù)艚y(tǒng)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)，塔周邊1 km范圍內(nèi)的平均雷電流強(qiáng)度最大，且平均雷電流大小往遠(yuǎn)端呈現(xiàn)明顯降低的趨勢(shì)，3 km半徑范圍內(nèi)的遞減幅度明顯，正閃比例在4 km半徑范圍內(nèi)呈現(xiàn)逐公里遞增趨勢(shì)，之后進(jìn)入無規(guī)律變化狀態(tài)，如圖4b所示。結(jié)合密度分布和強(qiáng)度分布規(guī)律，可以基本判斷，龜山電視塔對(duì)周邊4 km半徑范圍內(nèi)的地閃有明顯的改變作用，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示的相關(guān)變化規(guī)律與理論及文獻(xiàn)[16]、[21]異地相關(guān)試驗(yàn)研究結(jié)論一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)精度。

圖4 龜山電視塔逐公里地閃回?fù)裘芏确植?a)、平均強(qiáng)度與正閃比例分布(b)

2.2 定位精度驗(yàn)證

為了進(jìn)一步探索該系統(tǒng)對(duì)雷電定位位置的精確性，本文搜集了有地閃回?fù)舯O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以來的部分雷電災(zāi)害案例，并隨機(jī)選取了9項(xiàng)資料較為規(guī)整的案例。通過對(duì)實(shí)際雷電災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)與監(jiān)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，來驗(yàn)證該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的定位精度。本文將地球假設(shè)為近似的球體，地球半徑取R=6371 km。考慮到地球弧度，則地球上任意兩經(jīng)緯度點(diǎn)之間的距離D可按如下公式計(jì)算：

D=Rarcos[cos(LatA)cos(LatB)cos(LonA-LonB)+

sin(LatA)sin(LatB)]

式中，LonA為實(shí)際雷擊位置經(jīng)度，LatA為實(shí)際雷擊位置緯度，LonB閃電定位系統(tǒng)定位回?fù)粑恢媒?jīng)度，LatB為系統(tǒng)定位回?fù)粑恢镁暥?。?給出了湖北省9起雷電災(zāi)害事故案例相關(guān)數(shù)據(jù)。

表1 湖北9起雷擊事故定位數(shù)據(jù)信息

通過對(duì)雷災(zāi)事故的發(fā)生時(shí)間進(jìn)行了解，利用GPS設(shè)備獲取受災(zāi)地點(diǎn)定位信息后，以雷災(zāi)發(fā)生位置為中心，統(tǒng)計(jì)了2 km半徑范圍內(nèi)的地閃回?fù)魯?shù)據(jù)。以新洲區(qū)某高校為列，此次雷擊事故發(fā)生于2018年8月31日傍晚18:45左右，故我們對(duì)這一天事故發(fā)生地傍晚18:40—18:50的閃電進(jìn)行了查詢，如表2所示。數(shù)據(jù)表明，該區(qū)域2 km半徑范圍內(nèi)共監(jiān)測(cè)到6次地閃回?fù)?，均為?fù)極性閃電，最小回?fù)魪?qiáng)度29.9 kA，最大回?fù)魪?qiáng)度66.9 kA，6次數(shù)據(jù)定位方式均為四站定位。其中，17:46 監(jiān)測(cè)到的一次閃電，距離雷擊事故實(shí)際位置最近，為406 m。據(jù)此，我們可以判斷，此次閃電為此次雷電災(zāi)害事故發(fā)生的損害源的概率遠(yuǎn)高于其余5次雷擊的概率。

表2 武漢市新洲區(qū)某高校雷擊事故點(diǎn)2 km半徑范圍內(nèi)閃電數(shù)據(jù)

以此類推，在這些案例中，實(shí)際位置與最近回?fù)舯O(jiān)測(cè)位置的距離均在2000 m以內(nèi)，其中，最近的案例回?fù)粑恢镁嚯x實(shí)際位置僅22 m，兩者相距最遠(yuǎn)為1363 m。為了更加直觀反映實(shí)際雷擊位置和定位雷擊位置的距離和方位特征，將上述定位信息轉(zhuǎn)化為直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)為每次雷擊點(diǎn)的實(shí)際位置，分布在不同象限的藍(lán)色點(diǎn)為監(jiān)測(cè)到地閃回?fù)舻淖罱c(diǎn)位置，X軸為東西方向偏差距離，Y軸為南北方向偏差距離，如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)定位雷擊位置偏差散點(diǎn)分布

由圖可知，實(shí)際雷擊位置與定位雷擊位置的偏差方位無規(guī)律性，同時(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際發(fā)生的時(shí)間、位置雖然大于理論值，但均未出現(xiàn)較大偏差，進(jìn)一步說明了該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的準(zhǔn)確性。

綜上，從4個(gè)參考點(diǎn)網(wǎng)格法獲取的誤差以及9個(gè)雷擊案例驗(yàn)證法獲取的定位精度可以看出，山區(qū)的定位精度誤差大于平原地區(qū)。其原因可能是，ADTD閃電定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過2個(gè)以上子站接收到雷電發(fā)生后的電磁信號(hào)進(jìn)行判斷與篩選，進(jìn)行混合定位。電磁信號(hào)受到地形的影響，會(huì)延長(zhǎng)雷電電磁信號(hào)傳播的時(shí)間[22]，從而導(dǎo)致監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)位置的定位出現(xiàn)更多的偏差。從實(shí)際雷擊點(diǎn)與定位網(wǎng)對(duì)應(yīng)的定位偏差數(shù)據(jù)可知，上述地點(diǎn)平均定位誤差為669 m。其中，平原地區(qū)定位平均誤差為539 m，山區(qū)定位平均誤差為1384 m，山區(qū)定位誤差明顯大于平原地區(qū)。因此，在實(shí)際雷電災(zāi)害調(diào)查閃電資料獲取中，山區(qū)應(yīng)適當(dāng)擴(kuò)大事故點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)半徑范圍。

3 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

為了進(jìn)一步研究該系統(tǒng)其他監(jiān)測(cè)參數(shù)的探測(cè)質(zhì)量，我們對(duì)該系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的特征分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，采用定性分析法將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與其他系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比研究。

3.1 極性及時(shí)間分布特征

2006—2019年，湖北ADTD閃電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共監(jiān)測(cè)到地閃回?fù)?706274次，其中正閃占比5.07%，該比例與周邊省份河南4.74%、安徽4.18%、湖南4.90%、江西3.36%觀測(cè)數(shù)據(jù)較為一致[23]，上述省份的統(tǒng)計(jì)值均為同參數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)值，同時(shí)，湖北與上述各省雷暴天氣特征相似[23]，參考實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)判定數(shù)據(jù)質(zhì)量的原則，說明該系統(tǒng)在地閃極性的監(jiān)測(cè)上具有一定準(zhǔn)確性。與此同時(shí)，湖北地閃極性比例監(jiān)測(cè)值與國(guó)內(nèi)其他省市如貴州4.39%[24]、重慶5%[25]、南寧4.55%[26]等地多年平均數(shù)據(jù)也較為一致，同時(shí)與全國(guó)地閃回?fù)粽亻W占比5%左右的平均觀測(cè)數(shù)據(jù)吻合[27]。

地閃的小時(shí)與各月次數(shù)分布規(guī)律通常與氣溫的晝夜變化和季節(jié)變化呈正相關(guān)性，通過對(duì)地閃回?fù)粜r(shí)與各月次數(shù)的統(tǒng)計(jì)研究，能檢驗(yàn)該系統(tǒng)探測(cè)地閃回?fù)舻男?。圖6給出湖北省2006—2019年地閃回?fù)舾髟屡c小時(shí)次數(shù)占比分布及變化趨勢(shì)。從中可見，湖北地閃回?fù)舸螖?shù)的年分布呈單峰型(圖6a)，地閃回?fù)糁饕l(fā)生在4—9月，其中7月和8月是雷電活動(dòng)最為頻繁的兩個(gè)月，這一特征與江蘇[28]、云南[29]安徽、湖南、江西、河南等地區(qū)[23]規(guī)律均相似。同時(shí)，雷電的發(fā)生，特別是地閃回?fù)?，與區(qū)域降水特征關(guān)系密切[18,30]，吳翠紅[31]、高媛[32]等分別對(duì)湖北多年的降水進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，其降水年分布特征顯示，湖北地區(qū)的降水主要也是發(fā)生在4—9月，其中7月最多，8月次之，這一規(guī)律與雷電活動(dòng)的規(guī)律相吻合。

圖6 湖北省地閃回?fù)舾髟?a)、時(shí)(b)次數(shù)占比分布及變化趨勢(shì)

從小時(shí)地閃次數(shù)占比分布看(圖6b)，地閃回?fù)糁饕l(fā)生在14:00—20:00，04:00—12:00為地閃回?fù)舭l(fā)生較少時(shí)段，兩者差異化明顯。該項(xiàng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與南寧[26]、江蘇[28]、湖南[33]、上海[34]等地的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的當(dāng)?shù)氐男r(shí)地閃次數(shù)占比分布規(guī)律一致。同時(shí)，該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的湖北省地閃回?fù)粜r(shí)次數(shù)占比分布規(guī)律與湖北的降水分布[32]特征一致性程度很高。

由圖6中正負(fù)閃占比的趨勢(shì)線可以看出，正閃在地閃回?fù)舭l(fā)生較少的時(shí)段和月份分布比例較高，在地閃回?fù)舳喟l(fā)時(shí)段和月份占比明顯降低，該項(xiàng)觀測(cè)結(jié)果與王娟[27]等人對(duì)全國(guó)地閃回?fù)魯?shù)據(jù)研究的規(guī)律一致。

形成這一種分布規(guī)律的可能原因是，湖北地處我國(guó)中部地帶，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明。從季節(jié)分布來看，湖北夏季濕潤(rùn)炎熱，水汽充足，且晝夜溫差大，促進(jìn)了大氣的垂直上升運(yùn)動(dòng)，這些因素為降水和雷電的發(fā)生提供了充要條件。從時(shí)間分布來看，由于午后14:00左右地表溫度達(dá)到最高值，大氣在這個(gè)時(shí)段處于最不穩(wěn)定時(shí)期，強(qiáng)對(duì)流運(yùn)動(dòng)及大氣垂直上升運(yùn)動(dòng)在這時(shí)候最為劇烈，較其他時(shí)段更容易發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣事件。故雷電的發(fā)生主要在夏季，而午后至傍晚是一天中雷電最易發(fā)時(shí)段。

3.2 雷電流累積概率分布特征

IEEE根據(jù)全球閃電的分布規(guī)律，提出了雷電流(地閃回?fù)?幅值累積概率分布公式[35]：

(1)

式(1)中，P為大于某一雷電流幅值的累積概率(%)；I為雷電幅值電流(kA)；a為中值電流，即雷電流幅值大于a的概率為50%；b(b>1)為雷電流幅值累積概率曲線擬合指數(shù)。根據(jù)湖北ADTD多年雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用最小二乘法，得出湖北地區(qū)適用的地閃回?fù)衾纂娏鞣道鄯e概率分布公式中a、b變量的取值分別為29.94和 3.33[36]。選取0～200 kA幅值范圍內(nèi)的閃電數(shù)據(jù)，以及IEEE推薦表達(dá)式，分別繪制了IEEE推薦曲線與湖北實(shí)測(cè)的雷電流幅值累積概率分布曲線。從圖7可見，湖北ADTD監(jiān)測(cè)的雷電流累積概率與IEEE推薦的分布公式顯示的累積概率分布曲線吻合度處于較高水平，一致性水平超過99.5%，平均差值為0.3%。其中，在0～120 kA幅值范圍內(nèi)，湖北ADTD監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的雷電流幅值要偏大于IEEE推薦值，120 kA以后則偏小，兩者最大偏差比為10～20 kA強(qiáng)度段，偏差比為1.52%，其余強(qiáng)度段的偏差均小于1%，處于一個(gè)較小的誤差范圍。

綜上可知，湖北省ADTD閃電定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在對(duì)雷電流極性的觀測(cè)判斷以及月、時(shí)變化趨勢(shì)上，與周邊省市其他監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的資料一致性較好，且與湖北省降水的月、時(shí)分布趨勢(shì)吻合度很高。同時(shí)，雷電流強(qiáng)度累積概率分布與IEEE推薦的函數(shù)表達(dá)式擬合度較高，說明該系統(tǒng)在基本面參數(shù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果有較強(qiáng)的可信度。

4 結(jié)論與討論

本文使用ADTD監(jiān)測(cè)系統(tǒng)地閃回?fù)糍Y料，采用網(wǎng)格法、雷擊案例驗(yàn)證法和定性分析法，對(duì)該系統(tǒng)在湖北省2006—2019年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行了研究，利用雷電災(zāi)害數(shù)據(jù)對(duì)定位精度進(jìn)行了驗(yàn)證，同時(shí)，對(duì)地閃回?fù)魰r(shí)間、強(qiáng)度分布規(guī)律分析，得出結(jié)論如下：

(1)選取的4個(gè)高層建筑參考點(diǎn)周邊地閃回?fù)魯?shù)據(jù)顯示，回?fù)舸螖?shù)高值區(qū)與參考點(diǎn)實(shí)際位置均有偏差。最小偏差直線距離最小為190 m，最大為1548 m，4個(gè)參考點(diǎn)中有3個(gè)參考點(diǎn)的定位偏差大于該系統(tǒng)的理論誤差范圍，偏差方位角無固定規(guī)律。

(2)龜山電視塔單個(gè)參考點(diǎn)周邊回?fù)魯?shù)據(jù)表明，參考點(diǎn)1 km半徑范圍內(nèi)的地閃密度明顯大于該區(qū)域均值，1～2 km半徑范圍內(nèi)的環(huán)狀區(qū)域地閃密度明顯降低。同時(shí)，在0～4 km半徑區(qū)間，1 km以內(nèi)的平均雷電流強(qiáng)度最大，正閃比最低，由于閃電的多回?fù)衄F(xiàn)象，多回?fù)糸W電的首次回?fù)魪?qiáng)度往往大于后續(xù)回?fù)魪?qiáng)度，可能是形成該區(qū)域平均強(qiáng)度偏大的原因之一。

(3)從多個(gè)雷電災(zāi)害事件對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看，雷災(zāi)事故中心2 km半徑范圍內(nèi)均能在對(duì)應(yīng)時(shí)間查詢到相關(guān)地閃回?fù)魯?shù)據(jù)，地閃回?fù)酎c(diǎn)距離事故中心最小直線距離22 m，最大直線距離1363 m，該系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能為雷電災(zāi)害提供輔助依據(jù)，但精度無法滿足對(duì)致災(zāi)地閃回?fù)羰录木_辨識(shí)。

(4)由本文所選高層建筑參考點(diǎn)以及雷災(zāi)事故實(shí)際雷擊點(diǎn)與定位網(wǎng)對(duì)應(yīng)的定位偏差數(shù)據(jù)可知，該系統(tǒng)的平原地區(qū)定位平均誤差為539 m，山區(qū)定位平均誤差為1384 m，山區(qū)定位誤差明顯大于平原地區(qū)。因此，在實(shí)際雷電災(zāi)害調(diào)查閃電資料獲取中，山區(qū)應(yīng)適當(dāng)擴(kuò)大事故點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)半徑范圍。

(5)該系統(tǒng)在對(duì)雷電流極性判斷與國(guó)內(nèi)同氣候特征區(qū)域其他系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)論一致性較好，時(shí)間分布特征與湖北省降水特征吻合度較高，雷電流強(qiáng)度累積率概率分布特征與IEEE吻合度一致性水平超過99.5%，說明該系統(tǒng)在對(duì)地閃回?fù)舻臅r(shí)空分布監(jiān)測(cè)、強(qiáng)度和極性監(jiān)測(cè)等方面具有一定準(zhǔn)確性。

需要指出的是，閃電定位誤差是根據(jù)相關(guān)理論或積累的地閃資料的顯示規(guī)律來進(jìn)行分析的，同時(shí)由于選取的分析參考點(diǎn)數(shù)量有限，得出的相關(guān)誤差范圍多為理論分析值。該系統(tǒng)在今后的使用中，應(yīng)注意避免采用單一指標(biāo)來判斷雷擊點(diǎn)，宜將時(shí)間和位置兩個(gè)參數(shù)結(jié)合判定。而如何獲取更精準(zhǔn)定位和更為確定的地閃回?fù)魠?shù)則為下一步研究的方向。