張 悅 呂偉濤* 陳綠文 武 斌 齊 奇 馬 穎 張 陽 鄭 棟 顏 旭 孟 青

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， 廣州 510641)

引 言

閃電定位系統(tǒng)是目前雷電監(jiān)測的主要手段，其觀測資料可用于雷電災(zāi)害防護、對流天氣監(jiān)測預(yù)警及云物理和閃電活動特征等方面研究[1-3]。閃電定位系統(tǒng)探測性能的檢驗是有效應(yīng)用閃電定位資料的重要依據(jù)，也能夠為系統(tǒng)升級改進提供可參考的量化指標。近年國內(nèi)外學(xué)者利用多種資料和方法對閃電定位系統(tǒng)進行評估[4-12]，其中人工觸發(fā)閃電和高塔(或高建筑物)閃電的觀測資料具有可準確測量且擁有真值的特征。

人工觸發(fā)閃電指在適宜雷暴條件下人為引發(fā)到地面的閃電[13]，可直接利用電流傳感器測量其雷電流[14-15]。觸發(fā)閃電過程不包含自然下行地閃的首次回擊，與自然上行閃電過程類似[16]，通常由初始階段開始，伴隨初始連續(xù)電流和初始連續(xù)電流脈沖發(fā)展入云，后續(xù)可能包含下行先導(dǎo)/回擊等過程[17]。由于人工觸發(fā)閃電發(fā)生位置已知、時間可測，通道電流可直接測量[18-19]，因此作為校驗閃電定位系統(tǒng)性能的有效手段，可得到真實客觀的結(jié)果。已有許多學(xué)者利用該方法對國內(nèi)外多套閃電定位系統(tǒng)的探測效率、定位精度、電流峰值反演結(jié)果(ILLS)的精度、云閃/地閃判別的正確率進行評估[13,20-25]。

粵港澳閃電定位系統(tǒng)(Guangdong-Hongkong-Macau Lightning Location System，GHMLLS)是對廣東地區(qū)雷電活動進行實時監(jiān)測的業(yè)務(wù)系統(tǒng)之一。本文基于2014—2019年中國氣象局雷電野外科學(xué)試驗基地廣州從化人工觸發(fā)閃電試驗所獲資料，對GHMLLS的探測性能進行評估。

1 資料和方法

1.1 GHMLLS簡介

GHMLLS采用芬蘭維薩拉公司的產(chǎn)品，由粵港澳三地的氣象部門共同建設(shè)。截至2012年，系統(tǒng)共有17個探測子站[11]。2018年該系統(tǒng)增加兩個探測子站[26]。GHMLLS采用時差-方向綜合定位方法，可實時探測云閃、地閃及回擊所在位置的經(jīng)緯度、GPS時間、極性、電流強度，并可區(qū)分云閃和地閃。圖1為GHMLLS探測子站及人工觸發(fā)閃電試驗場分布。由圖1可以看到，GHMLLS有15個站位于試驗場偏南方向，各站與試驗場的距離為28～260 km，平均距離為146 km。

圖1 GHMLLS探測子站分布及人工觸發(fā)閃電試驗場位置Fig.1 Distribution of sensors in GHMLLS and experiment site for artificially triggered lightning

已有研究利用不同資料對GHMLLS探測能力進行評估：Zhang等[11]利用2012—2014年人工觸發(fā)閃電資料評估2012年升級后GHMLLS的探測效率、定位精度和ILLS精度，發(fā)現(xiàn)探測能力明顯提高，但ILLS偏低；郭宏博等[27]利用2016年深圳高塔雷電觀測系統(tǒng)資料對GHMLLS進行評估，發(fā)現(xiàn)回擊探測效率約為92.9%(13/14)，GHMLLS定位誤差小于300 m；陳綠文等[26]利用2016—2017年廣州高建筑物雷電觀測資料對GHMLLS進行評估，結(jié)果顯示GHMLLS的閃電和回擊探測效率分別為93%(214/229)和93%(449/481)，對下行閃電首次回擊的定位誤差平均值為361 m，下行閃電繼后回擊和上行閃電回擊的定位誤差均在300 m以內(nèi)。

1.2 人工觸發(fā)閃電試驗

本研究的人工觸發(fā)閃電資料來自在中國氣象局雷電野外科學(xué)試驗基地廣州從化人工引雷試驗場的外場試驗，該試驗場位于廣州從化北部的光聯(lián)村，自2006年初次引雷成功以來持續(xù)進行，為研究雷電的物理特性、開展各種雷電防護和效應(yīng)試驗提供了有利條件。試驗采用火箭拖帶細金屬導(dǎo)線的方法，包括地面觸發(fā)和空中觸發(fā)兩種方式，其中地面觸發(fā)閃電的接地點為引流桿，空中觸發(fā)閃電的雷擊位置存在不確定性[23]。試驗中，人工觸發(fā)閃電的雷電流、電場、磁場、GPS時間信息通過示波器進行同步記錄，且同時利用高速攝像和普通攝像機在一定距離遠處的光學(xué)觀測點進行記錄[28-29]。

評估中僅選擇接地點在引流桿上、含有回擊過程、擁有雷電流波形資料的地面觸發(fā)閃電個例，且排除GHMLLS系統(tǒng)調(diào)試和維護時段。2014—2019年資料中共選取50次符合上述標準的地面觸發(fā)閃電。

圖2a是50次觸發(fā)閃電的回擊數(shù)量分布。由圖2a可知，50次觸發(fā)閃電共包含265次回擊，其中16%(8/50)只有1次回擊,84%(42/50)具有多次回擊，在42次具有多次回擊的觸發(fā)閃電事件中，具有3次回擊的比例最高，約為17%；單次觸發(fā)閃電中包含的回擊數(shù)量最多為14次。圖2b為回擊間時間間隔分布，時間間隔多低于100 ms，最大值為503 ms。

圖2 50次人工觸發(fā)閃電回擊數(shù)量(a)和回擊間時間間隔(b)Fig.2 Number of return strokes in 50 artificially triggered lightning flashes(a) and time interval between return strokes(b)

1.3 研究方法

為利用人工觸發(fā)閃電對GHMLLS探測性能進行評估，需將50次觸發(fā)閃電與GHMLLS的探測結(jié)果進行匹配，方法與Chen等[22]類似：確認每次觸發(fā)閃電回擊的GPS時間，在GHMLLS定位記錄中搜索與回擊事件的時間偏差不超過2 ms的定位匹配記錄，將與引流桿之間的距離超過50 km的記錄剔除。

利用經(jīng)過匹配后的記錄可從探測效率、定位精度、回擊ILLS的精度、云閃/地閃判別4個角度對GHMLLS在2014—2019年的探測性能進行評估。

2 GHMLLS性能評估

2.1 探測效率

表1是2014—2019年GHMLLS對人工觸發(fā)閃電的探測情況，表中LLS(lightning location system,閃電定位系統(tǒng))-CG和LLS-IC分別表示被GHMLLS判別為地閃回擊和云閃的記錄。50次觸發(fā)閃電GHMLLS有定位記錄的為48次(96%)，265次回擊GHMLLS有定位記錄的為233次(88%)。由表1可知，對于觸發(fā)閃電的探測效率，2015年較低，為92%，2014年最低，僅為86%，2016—2019年均達到100%；對于回擊探測效率，除2016年僅為57%外，其他5年均在80%以上。各年閃電和回擊探測效率間差異較大可能由樣本量不同導(dǎo)致。

表1 2014—2019年GHMLLS對人工觸發(fā)閃電的探測Table 1 GHMLLS detection of flashes and return strokes in artificially triggered lightning experiment during 2014-2019

對于2014—2019年人工觸發(fā)閃電過程的265次回擊，電流峰值直接測量值(IDM)的分布如圖3a所示。由圖3a可以看到，人工觸發(fā)閃電回擊的IDM為3.1～46.0 kA，算術(shù)平均值為15.8 kA，幾何平均值為14.0 kA，且主要集中在5～20 kA，其中10～15 kA回擊數(shù)量最多。

圖3b為GHMLLS在IDM各區(qū)間的回擊探測效率。由圖3b可知，當回擊IDM>35 kA時，回擊探測效率為100%(6/6)；當回擊IDM為5～35 kA時，探測效率在各區(qū)間均達到78%以上；當回擊IDM<5 kA 時，探測效率最低，為11%(1/9)。因此，回擊IDM較小時，GHMLLS的探測效率較低。若僅統(tǒng)計2014—2019年IDM>5 kA的256次人工觸發(fā)閃電回擊事件，GHMLLS的回擊探測效率可達91%(232/256)。

圖3 50次人工觸發(fā)閃電中265次回擊的IDM分布(a)和GHMLLS在各區(qū)間回擊的探測效率(b)Fig.3 Distribution of IDM of 265 return strokes in 50 artificially triggered lightning flashes(a) and corresponding GHMLLS detection efficiency(b)

2.2 定位精度

本文265次人工觸發(fā)閃電回擊中，233次有對應(yīng)的GHMLLS定位記錄，其定位誤差為8～4410 m。圖4為GHMLLS探測子站和2014—2019年265次人工觸發(fā)閃電回擊定位位置分布及各方向定位誤差箱線圖。由定位位置8 km×8 km及2 km×2 km放大圖可知，GHMLLS定位的多數(shù)回擊相對于真實值均偏向西南方向，占總數(shù)的75%(174/233)，這和陳綠文等[26]基于2016—2017年廣州高建筑物地閃個例對GHMLLS的評估結(jié)果相似；其中LLS-CG和LLS-IC的偏西南方向的數(shù)量均分別占總數(shù)的75%。由各方向定位誤差箱線圖可知，GHMLLS探測的相較于真實值偏西南方向的回擊定位誤差平均值最小，為233 m；偏東南方向的回擊定位誤差平均值最大，為673 m?？傮w看，GHMLLS對人工觸發(fā)閃電回擊的定位誤差算術(shù)平均值和幾何平均值分別為279 m和193 m，中值為202 m；定位誤差在200 m以內(nèi)的數(shù)量約占總數(shù)的50%，500 m以內(nèi)的數(shù)量約占總數(shù)的90%。

將233次人工觸發(fā)閃電回擊的GHMLLS定位位置的算術(shù)平均值與實際雷擊位置進行對比，發(fā)現(xiàn)存在西南方向的系統(tǒng)偏差，偏西約170 m和偏南約50 m。利用該系統(tǒng)偏差對233次定位結(jié)果逐條進行校正，重新計算的定位誤差算術(shù)平均值和幾何平均值分別為198 m和108 m，中值為103 m；定位誤差在100 m以內(nèi)的數(shù)量約占總數(shù)的50%，200 m以內(nèi)的數(shù)量約占總數(shù)的80%。

2014—2019年GHMLLS對人工觸發(fā)閃電回擊定位中，約85%由5個及以上站點探測得到，其定位誤差的算術(shù)平均值和幾何平均值分別為233 m 和171 m。圖5a為GHMLLS對人工觸發(fā)閃電回擊的定位誤差與探測站點數(shù)量的散點圖。由圖5a可以看到，定位誤差最大的兩次記錄中可用于定位的站點分別為4站和6站，且LLS-IC主要被6個及以下站點探測到，大多數(shù)記錄的定位誤差低于500 m。圖5b為利用定位站點數(shù)量對定位誤差分類的箱線圖。由圖5b可知，定位誤差的最小值為8 m，最大值為4410 m，算術(shù)平均值和幾何平均值分別為279 m 和193 m，3～4個站點的定位誤差更大。隨著定位站點數(shù)量的增加，3～6個站的定位誤差逐漸減??；6站及以上站點數(shù)量的定位誤差趨于穩(wěn)定，中值均小于200 m。

圖4 GHMLLS探測子站和2014—2019年265次人工觸發(fā)閃電回擊定位位置分布及各方向定位誤差箱線圖(N為樣本量，+為異常值，下同)Fig.4 Location of GHMLLS sensors and reported locations for 265 return strokes in artificially triggered lightning and box plot of location errors in four directions during 2014-2019(N denotes sample size,+ denotes outliers,the same hereinafter)

將233次人工觸發(fā)閃電回擊的GHMLLS定位記錄按照IDM大小分為10類，分別統(tǒng)計其定位誤差(圖6)。由圖6可以看到，隨IDM的增大，定位誤差總體呈減小趨勢。IDM大于10 kA的各組，定位誤差的中值在230 m以內(nèi)；IDM在10 kA以下的回擊，定位誤差平均值和中值分別為349 m和332 m。若將各組內(nèi)的異常值剔除，剩下的221次回擊定位誤差平均值和中值分別為215 m和184 m。

圖5 2014—2019年GHMLLS對人工觸發(fā)閃電回擊的定位誤差與探測站點數(shù)關(guān)系散點圖(a)和箱線圖(b)Fig.5 Scatter plot(a) and box plot(b) of relationship between the location error of GHMLLS for return strokes in artificially triggered lightningand number of reporting sensors during 2014-2019

2.3 ILLS的精度

GHMLLS有定位記錄的233次人工觸發(fā)閃電回擊，IDM為4.5～46.0 kA，圖7為2014—2019年人工觸發(fā)閃電回擊探測的ILLS和IDM對比。由圖7可知，GHMLLS對人工觸發(fā)閃電回擊記錄的ILLS全部偏低，ILLS和IDM相關(guān)系數(shù)為0.93，存在顯著正相關(guān)關(guān)系(達到0.01顯著性水平)；通過截距為0的線性擬合，二者關(guān)系為ILLS=0.65×IDM，R2為0.97，這與張悅等[30]將廣東電網(wǎng)閃電定位系統(tǒng)和GHMLLS資料進行對比的結(jié)果類似。對于16次LLS-IC，ILLS和IDM相關(guān)系數(shù)為0.89，存在顯著正相關(guān)關(guān)系(達到0.01顯著性水平)；通過截距為0的線性擬合,二者關(guān)系為ILLS=0.63×IDM，R2為0.91。

圖6 2014—2019年GHMLLS對人工觸發(fā)閃電回擊事件定位誤差與IDM關(guān)系(黑色小矩形表示僅有1個樣本的類別)Fig.6 Box plot of relationship between the location error and IDM during 2014-2019(the small black rectangle denotes the category with only one sample)

圖7 2014—2019年人工觸發(fā)閃電回擊事件電流峰值的GHMLLS反演結(jié)果ILLS和直接測量值IDM對比Fig.7 Scatter plot of relationship between LLS-inferred peak current of GHMLLS(ILLS) anddirect measurement peak current(IDM) during 2014-2019

將233次回擊按照IDM大小分為10類，分別統(tǒng)計每類ILLS的相對偏差，由于所有ILLS均偏低，因此相對偏差值均為負數(shù)。0～20 kA范圍內(nèi)ILLS的相對偏差較大，平均值為-38%；20～50 kA范圍內(nèi)相對偏差稍小，平均值為-33%。隨IDM增強，ILLS相對偏差的降低并不顯著。整體看，2014—2019年ILLS相對偏差為-79%～-10%，算術(shù)平均值和中值分別為-37%和-36%。Zhang等[11]利用2012—2014年70次人工觸發(fā)閃電回擊事件對GHMLLS的ILLS精度進行評估，得出其相對偏差絕對值為4%～76%，平均值和中值分別為39%和40%，與本文結(jié)果差異不顯著。

由以上分析可知，GHMLLS的ILLS整體上相對IDM偏低約35%，應(yīng)用ILLS資料時建議除以0.65進行校正。校正后重新計算每次回擊的ILLS相對偏差，仍對10類IDM范圍的相對偏差進行統(tǒng)計，結(jié)果見圖8。由圖8可知，校正后GHMLLS的ILLS相對偏差為-67%～38%，相對偏差絕對值為0～67%，算術(shù)平均值和中值分別為15%和12%。

2.4 云閃/地閃判別

2014—2019年GHMLLS對人工觸發(fā)閃電回擊的定位記錄共233次，云閃/地閃判別正確率如表2所示。由表2可知，GHMLLS對人工觸發(fā)閃電回擊事件的判別正確率在2014，2016年和2018年均達到100%，2014—2019年GHMLLS的判別正確率為93%。

圖8 2014—2019年GHMLLS對人工觸發(fā)閃電回擊的ILLS校正后的相對偏差與IDM關(guān)系(黑色小矩形表示僅有1個樣本的類別)Fig.8 Box plot of relationship between the error of ILLS of GHMLLS after correction and IDM during 2014-2019(the small black rectangle denotes the category with only one sample)

表2 2014—2019年GHMLLS對人工觸發(fā)閃電回擊的云閃/地閃判別正確率Table 2 Classification accuracy of cloud-to-ground and intra-cloud lightning detected by GHMLLS for return strokes in artificially triggered lightning during 2014-2019

將GHMLLS有對應(yīng)定位記錄的233次回擊中217次LLS-CG和16次LLS-IC分別統(tǒng)計，結(jié)果如表3所示。由表3可知，LLS-IC的IDM和ILLS的平均值(中值)分別為LLS-CG的0.71倍(0.66倍)和0.66倍(0.61倍)；LLS-IC的ILLS的相對偏差平均值為LLS-CG的1.1倍；LLS-IC的定位站點數(shù)量平均值為LLS-CG的0.67倍；LLS-IC的定位誤差平均值(中值)為LLS-CG的2.1倍(1.4倍)。

總體看，與LLS-CG相比，LLS-IC的IDM更低，且可用于定位的站點數(shù)量更少、定位誤差更大，ILLS的精度更低。

表3 2014—2019年人工觸發(fā)閃電回擊的LLS-CG和LLS-IC特征Table 3 Characteristic statistics of return strokes in artificially triggered lightning of LLS-CG and LLS-IC from 2014 to 2019

3 結(jié) 論

本文選取2014—2019年中國氣象局雷電野外科學(xué)試驗基地廣州從化人工觸發(fā)閃電試驗的50次閃電個例，對GHMLLS探測性能進行評估分析，結(jié)果表明：

1) GHMLLS對人工觸發(fā)閃電和回擊的探測效率分別為96%(48/50)和88%(233/265)；回擊IDM小于5 kA時探測效率最低(僅為11%)，回擊IDM大于35 kA時，回擊探測效率可達100%。

2) GHMLLS對人工觸發(fā)閃電回擊定位誤差的算術(shù)平均值、幾何平均值和中值分別為279 m，193 m 和202 m；觸發(fā)閃電試驗場附近的定位存在西南方向的系統(tǒng)偏差，偏西約170 m和偏南約50 m，校正后定位誤差的算術(shù)平均值、幾何平均值和中值分別為198 m，108 m和103 m。

3) GHMLLS對人工觸發(fā)閃電回擊電流峰值的反演結(jié)果ILLS全部偏低，與IDM相比，ILLS相對偏差的平均值和中值分別為-37%和-36%，但ILLS和IDM相關(guān)系數(shù)為0.93，存在顯著正相關(guān)關(guān)系(達到0.01 顯著性水平)。截距為0的線性擬合表明ILLS與IDM存在65%的比例關(guān)系，利用該系數(shù)對ILLS的系統(tǒng)偏差進行校正，校正后ILLS相對偏差絕對值的平均值和中值分別為15%和12%。

4) GHMLLS對人工觸發(fā)閃電回擊的判別正確率為93%(217/233)，LLS-IC的IDM更低，可用于定位的站點更少，定位精度和ILLS的精度更低。

總體上，GHMLLS的探測效率和定位精度較好，云閃/地閃判別正確率較高，但ILLS存在明顯系統(tǒng)偏差，使用GHMLLS的ILLS資料時，建議將其除以0.65，以獲得更為可靠的分析結(jié)果。為深入分析GHMLLS的ILLS系統(tǒng)偏低的原因，下一步將通過開展人工觸發(fā)閃電的遠場電磁場測量，探討影響ILLS的不同因素。