湖北ADTD閃電定位系統監測數據質量分析

張科杰 謝超 鄭琦玉

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

引言

雷電是具有高電壓、強電磁輻射等特性的一種自然界長距離放電現象，常常會對地面建筑物、電子電氣設備等產生危害，甚至威脅人的生命[1]。為了深入了解閃電現象、減少災害損失，雷電監測技術在我國從20世紀80年代開始研究并得到迅速的發展。我國當前布設的雷電定位監測系統主要有電力部門的LLS系統、氣象部門使用的ADTD系統以及全球閃電定位系統(WWLLN)。其中，ADTD系統作為氣象部門雷電業務數據的主要來源，其監測站點布設的早已超過100個[2]。近年來，國內已有不少專家學者對該系統的運行狀況及探測效率進行了理論研究。馮民學等[3]依據人工觀測雷暴日數據，對江蘇省閃電定位資料進行評估分析，得出各探測站點的平均效率；崔遜等[4]對比分析兩套閃電定位系統的精度認為，ADTD閃電定位系統定位數據和全球閃電定位系統(WWLLN)數據并無明顯差異；朱傳林等[5]利用計算機仿真比較了正方形、梯形、星形及不規則四邊形 4 種幾何布網結構的誤差分布，對湖北省三維閃電定位網的布網結構科學合理性進行了討論；蔡力等[6]通過幾何模型對重慶地區的一套雷電定位網絡的定位誤差進行分析；并采用基于“隨機數”的 Monte Carlo 法對網絡覆蓋區域的定位精度進行模擬，驗證了幾何模型所得結果的正確性；張堅等[7]利用人工觀測雷暴與閃電定位系統監測雷暴數據，采用TS評分和KSS’評分標準，對江淮地區2010—2013年兩種資料的一致性進行了對比，得出了兩種資料在空間運用上的差異；王志超等[8]利用中國氣象局ADTD雷電定位網2012—2016年京津冀地區13個雷電定位儀探測到的134余萬次地閃回擊資料，對北京站雷電定位儀的探測效率和全網在北京地區的雷電定位效率進行了統計分析，得出了北京地區閃電定位儀的探測效率為85%～95%等相關結論。上述研究在對該系統和多種閃電定位數據的對比分析方面，以及基于該系統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論。

湖北省ADTD閃電定位監測系統于2006年初建成并投入使用，該系統由中科院空間科學與應用研究中心研制，其通過監測云地閃輻射的甚低頻(VLF)信號，經波形判斷給出閃電信號到達傳感器的精確時間[9-10]，再通過中心定位處理軟件采用時差測向混合定位算法來實現地閃回擊定位。同時，該系統還能對地閃回擊電幅值、極性、陡度等參數進行監測。目前，此套閃電定位監測系統為湖北區域雷電災害風險評估、雷災事故鑒定、區域雷暴天氣特征研究等方面提供了數據支持。但在實際項目運用和雷電災害調查等工作中發現，該系統監測的數據存在一定程度的偏差。為了能更加精準地運用湖北地區雷電監測資料，本文利用2006—2019年湖北省地閃回擊監測數據，探討了該系統的定位精度、分析了主要監測參數質量，期望為本省雷電災害調查、雷電風險區劃等工作提供更精準的參考依據。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本研究使用的資料包括:①2006—2019年湖北省地閃回擊監測數據，包括單次回擊發生的時間、經緯度定位、強度、陡度等數據，本文中云地閃均指云層對地面發生放電的閃擊，稱為地閃回擊，數據來源于湖北省ADTD閃電定位系統，該系統在湖北省內布設有13個監測子站，根據站點布置的位置分布，圖1給出了采用幾何法得出了該系統在湖北地區的探測效率。該系統理論定位精度約為300 m，雷電流幅值和波前陡度值，采用多站信號強度歸一化(100 km)處理方法，雷電流幅值和波前陡度值網內相對誤差小于15%。對這些數據已經過質控處理，剔除了雷電流500 kA以上、強度或陡度為0的數據[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緯度，建筑高度信息來源于各項目竣工后的公示資料。

圖1 湖北省地閃回擊理論探測效率

1.2 分析方法

(1)采用網格法[12]和雷擊案例驗證法[13]，對湖北地區的地閃回擊監測的精度進行研究。利用現有高層建筑引雷相關研究理論，選取湖北省內不同地區的高層建筑參考點，對所選參考點周邊的地閃回擊活動狀況進行分析，提取地閃回擊資料數據包括地閃回擊發生的時間、地點經緯度信息。通過對多個參考點區域內的地閃回擊次數空間分布進行統計，利用地圖工具和數理分析軟件，將區域地閃回擊分布網格化，作出區域內的地閃回擊次數分布圖，以確定密度最高區域與該參考點實際定位之間的距離和方位，得出系統的定位精度偏差范圍。同時，通過對已有的數次雷擊事故的事故地位置信息與地閃回擊定位數據進行比對，驗證定位精度。

考慮到選取參考點周邊建筑或地形對地閃回擊位置的影響，根據建筑參考點易遭受雷擊的程度[14-16]，以及使用地閃回擊資料最短時間長度和對探測效率相關要求的規定[13]，確定以下參考點選取原則：①以參考點為中心3 km半徑范圍內所選參考點為最高建構筑物；②參考點最高尖端處有金屬物體，容易觸發上行雷電；③參考點建成或在建過程中成為區域最高建筑后有5年以上的地閃回擊監測資料；④參考點位置的地閃回擊監測系統探測效率在95%以上。

根據以上選取原則，本文選取龜山電視塔、民生銀行大廈、孝感電視塔、荊門黑山塔四個參考點附近監測到的地閃回擊為研究對象。其中，龜山電視塔塔高221.2 m，立于龜山之上，東臨長江，塔頂海拔標高311.4 m，相對高度280 m。民生銀行大廈位于漢口城區，建筑總高度333.3 m，建成時為華中區域第一高樓，該參考點周邊各個方向均為城區鋼筋混凝土建筑，地面環境相似。孝感電視塔位于孝感市長征路廣電大樓旁邊，六邊形組合鋼塔，塔高180 m。荊門廣播電視發射臺發射塔位于黑山山頂，也稱黑山塔，該塔高158 m，海拔高度638 m，塔身為鋼結構，是荊門的城市之頂。以上建筑均滿足參考點選取的4個條件。

(2)采用定性分析法[17]，對湖北省云地閃電監測系統2006—2019年監測數據的時空分布規律進行統計分析。統計分析數據包括回擊發生的時間、位置、強度等信息。分別對地閃回擊的正負閃占比、時間分布、強度分段累積率進行統計，將統計結果與湖北雷暴天氣特征具有相似性的省市同監測系統閃電定位資料進行比較。由于雷電通常與降水有密切關系[18]，同時結合地閃回擊時間分布與湖北降水等天氣活動狀況規律的相關性，驗證該系統所測數據在時空分布變化趨勢的可信度。

2 定位精度分析與驗證

2.1 定位精度分析

隨著科學技術進步和觀測手段增多，近年來，張長秀等[12]利用廣東電網地閃資料和高速攝像機對廣州塔附近的地閃回擊進行了統計和觀測，提出了高層建筑增加了該區域的雷擊次數相關結論。高層建筑的出現會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發生彎曲[19]。同時高層建筑的尖端容易激發上行閃電并對周圍區域的下行閃電有吸引[16]，理論上高層建筑所在位置應該有一個地閃回擊的集中區域。

龜山電視塔和孝感電視塔截止目前為止，依然是3 km半徑范圍內的最高建筑，故地閃回擊資料統計時間長度為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建成，為了避免周邊環境變化對地閃回擊數據的影響，故該參考點地閃回擊資料選取2006年1月至2013年12月。荊門黑山塔始建于2014年，故該參考點的統計時間為2014年1月至2019年12月。為了能揭示上述參考點附近地閃回擊密集性，參考檢測設備定位理論精度，以及相關標準中對建筑物周邊500 m定義為地閃回擊影響區域的界定[20]，本文適當擴大統計區域，調取了以參考點為中心2 km半徑范圍內的地閃回擊數據，利用Surfer軟件作出了該區域的每平方公里的回擊次數等值線圖(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范圍地閃回擊次數(五角星表示各參考點實際位置)

由圖2可知，4個參考點附近地閃回擊的高值中心均偏離了參考點所在位置。通過經緯度信息計算兩點間距離可知，龜山電視塔回擊次數高值中心位置位于實際位置西南方向190 m；民生銀行大廈回擊次數高值中心位置位于實際位置西南方向524 m；孝感電視塔回擊次數高值中心位置位于實際位置西南方向1548 m；荊門黑山塔回擊次數高值中心位置位于實際位置西北方向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，其回擊次數等勢圖與各自對應山體結構走勢有很好的對應性，說明該系統在大區域的定位中有一定準確度。

為了進一步印證上述高值中心即為上述參考點受特定環境影響而產生的可能性，而不是受周邊其他環境因素的影響，我們根據實際位置與高值中心的偏差距離和方位，對原有的經緯度點進行了偏移。選取上述高值中心經緯度，對上述4個區域繪制了回擊次數等勢圖。由圖3可看出，各區域內4 km×4 km范圍內只存在一個回擊次數高值區域。由此可進一步判斷，所選參考點周邊無其他易引雷環境，上文中得出的偏差值即為各自參考點附近地閃回擊的誤差范圍。

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范圍地閃回擊次數

通過以上4個超高建筑的雷擊環境檢驗，得出該系統能反映大尺度區域的雷電活動狀況，實際定位精度要大于300 m的理論值。定位精度還與參考點所處位置距離各監測臺站的距離、周邊地形相關，武漢周邊的臺站分布較多，同時武漢地處平原地區，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，密集度相對較高，而荊門、孝感的參考點位置距離相對于武漢的定位精度較低。

高層建筑通常在較小區域范圍內對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，高層建筑吸引了原本落于周邊區域的地閃回擊，又使得高層建筑周邊的地閃回擊密度有明顯的低值區。為了進一步研究湖北ADTD監測系統監測數據的可靠性，圖4a給出了龜山電視塔周邊8 km范圍內的逐公里不同環狀區域的地閃回擊密度分布規律，結果顯示，參考點1 km半徑范圍內的地閃回擊密度明顯大于區域均值，1～2 km半徑范圍內的環狀區域地閃回擊密度明顯降低，處于均值以下，2～3 km區域是雷擊大地密度最小的區域，4 km以后的區域則在均值上下波動，說明該塔對1 km范圍內的地閃回擊有明顯的吸引作用，使得1～4 km區域有一個明顯的低值區，其監測結果與理論一致。

觀測表明，高層建筑頂端更容易觸發上行閃電[16,21]，高塔上的電流峰值受高塔反射、折射作用的影響，導致電流波最大峰值的增強[16]，且大部分發生于高建筑物上的上行閃電為負極性閃電[21]，Diendorfe[14]對Gaisberg塔的地閃回擊極性觀測驗證了這一結論。通過對龜山電視塔周邊逐公里環狀區域地閃回擊統計研究發現，塔周邊1 km范圍內的平均雷電流強度最大，且平均雷電流大小往遠端呈現明顯降低的趨勢，3 km半徑范圍內的遞減幅度明顯，正閃比例在4 km半徑范圍內呈現逐公里遞增趨勢，之后進入無規律變化狀態，如圖4b所示。結合密度分布和強度分布規律，可以基本判斷，龜山電視塔對周邊4 km半徑范圍內的地閃有明顯的改變作用，系統監測結果顯示的相關變化規律與理論及文獻[16]、[21]異地相關試驗研究結論一致，進一步驗證了該系統監測數據的監測精度。

圖4 龜山電視塔逐公里地閃回擊密度分布(a)、平均強度與正閃比例分布(b)

2.2 定位精度驗證

為了進一步探索該系統對雷電定位位置的精確性，本文搜集了有地閃回擊監測數據以來的部分雷電災害案例，并隨機選取了9項資料較為規整的案例。通過對實際雷電災害發生的時間、地點與監測的結果進行比對分析，來驗證該監測系統的定位精度。本文將地球假設為近似的球體，地球半徑取R=6371 km?？紤]到地球弧度，則地球上任意兩經緯度點之間的距離D可按如下公式計算：

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

sin(LatA)sin(LatB)]

式中，LonA為實際雷擊位置經度，LatA為實際雷擊位置緯度，LonB閃電定位系統定位回擊位置經度，LatB為系統定位回擊位置緯度。表1給出了湖北省9起雷電災害事故案例相關數據。

表1 湖北9起雷擊事故定位數據信息

通過對雷災事故的發生時間進行了解，利用GPS設備獲取受災地點定位信息后，以雷災發生位置為中心，統計了2 km半徑范圍內的地閃回擊數據。以新洲區某高校為列，此次雷擊事故發生于2018年8月31日傍晚18:45左右，故我們對這一天事故發生地傍晚18:40—18:50的閃電進行了查詢，如表2所示。數據表明，該區域2 km半徑范圍內共監測到6次地閃回擊，均為負極性閃電，最小回擊強度29.9 kA，最大回擊強度66.9 kA，6次數據定位方式均為四站定位。其中，17:46 監測到的一次閃電，距離雷擊事故實際位置最近，為406 m。據此，我們可以判斷，此次閃電為此次雷電災害事故發生的損害源的概率遠高于其余5次雷擊的概率。

表2 武漢市新洲區某高校雷擊事故點2 km半徑范圍內閃電數據

以此類推，在這些案例中，實際位置與最近回擊監測位置的距離均在2000 m以內，其中，最近的案例回擊位置距離實際位置僅22 m，兩者相距最遠為1363 m。為了更加直觀反映實際雷擊位置和定位雷擊位置的距離和方位特征，將上述定位信息轉化為直角坐標系，坐標原點為每次雷擊點的實際位置，分布在不同象限的藍色點為監測到地閃回擊的最近點位置，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 監測系統定位雷擊位置偏差散點分布

由圖可知，實際雷擊位置與定位雷擊位置的偏差方位無規律性，同時，監測數據與實際發生的時間、位置雖然大于理論值，但均未出現較大偏差，進一步說明了該系統在實際應用中具有一定的準確性。

綜上，從4個參考點網格法獲取的誤差以及9個雷擊案例驗證法獲取的定位精度可以看出，山區的定位精度誤差大于平原地區。其原因可能是，ADTD閃電定位監測系統是通過2個以上子站接收到雷電發生后的電磁信號進行判斷與篩選，進行混合定位。電磁信號受到地形的影響，會延長雷電電磁信號傳播的時間[22]，從而導致監測系統對位置的定位出現更多的偏差。從實際雷擊點與定位網對應的定位偏差數據可知，上述地點平均定位誤差為669 m。其中，平原地區定位平均誤差為539 m，山區定位平均誤差為1384 m，山區定位誤差明顯大于平原地區。因此，在實際雷電災害調查閃電資料獲取中，山區應適當擴大事故點的統計半徑范圍。

3 系統監測結果與分析

為了進一步研究該系統其他監測參數的探測質量，我們對該系統主要監測數據的特征分布進行了統計，采用定性分析法將統計數據與其他系統監測結果進行了對比研究。

3.1 極性及時間分布特征

2006—2019年，湖北ADTD閃電監測系統共監測到地閃回擊5706274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%觀測數據較為一致[23]，上述省份的統計值均為同參數監測設備的監測值，同時，湖北與上述各省雷暴天氣特征相似[23]，參考實驗室間比對判定數據質量的原則，說明該系統在地閃極性的監測上具有一定準確性。與此同時，湖北地閃極性比例監測值與國內其他省市如貴州4.39%[24]、重慶5%[25]、南寧4.55%[26]等地多年平均數據也較為一致，同時與全國地閃回擊正地閃占比5%左右的平均觀測數據吻合[27]。

地閃的小時與各月次數分布規律通常與氣溫的晝夜變化和季節變化呈正相關性，通過對地閃回擊小時與各月次數的統計研究，能檢驗該系統探測地閃回擊的效率。圖6給出湖北省2006—2019年地閃回擊各月與小時次數占比分布及變化趨勢。從中可見，湖北地閃回擊次數的年分布呈單峰型(圖6a)，地閃回擊主要發生在4—9月，其中7月和8月是雷電活動最為頻繁的兩個月，這一特征與江蘇[28]、云南[29]安徽、湖南、江西、河南等地區[23]規律均相似。同時，雷電的發生，特別是地閃回擊，與區域降水特征關系密切[18,30]，吳翠紅[31]、高媛[32]等分別對湖北多年的降水進行了統計分析，其降水年分布特征顯示，湖北地區的降水主要也是發生在4—9月，其中7月最多，8月次之，這一規律與雷電活動的規律相吻合。

圖6 湖北省地閃回擊各月(a)、時(b)次數占比分布及變化趨勢

從小時地閃次數占比分布看(圖6b)，地閃回擊主要發生在14:00—20:00，04:00—12:00為地閃回擊發生較少時段，兩者差異化明顯。該項監測結果與南寧[26]、江蘇[28]、湖南[33]、上海[34]等地的監測系統統計的當地的小時地閃次數占比分布規律一致。同時，該系統監測的湖北省地閃回擊小時次數占比分布規律與湖北的降水分布[32]特征一致性程度很高。

由圖6中正負閃占比的趨勢線可以看出，正閃在地閃回擊發生較少的時段和月份分布比例較高，在地閃回擊多發時段和月份占比明顯降低，該項觀測結果與王娟[27]等人對全國地閃回擊數據研究的規律一致。

形成這一種分布規律的可能原因是，湖北地處我國中部地帶，屬亞熱帶季風氣候，四季分明。從季節分布來看，湖北夏季濕潤炎熱，水汽充足，且晝夜溫差大，促進了大氣的垂直上升運動，這些因素為降水和雷電的發生提供了充要條件。從時間分布來看，由于午后14:00左右地表溫度達到最高值，大氣在這個時段處于最不穩定時期，強對流運動及大氣垂直上升運動在這時候最為劇烈，較其他時段更容易發生強對流天氣事件。故雷電的發生主要在夏季，而午后至傍晚是一天中雷電最易發時段。

3.2 雷電流累積概率分布特征

IEEE根據全球閃電的分布規律，提出了雷電流(地閃回擊)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。根據湖北ADTD多年雷電監測數據，利用最小二乘法，得出湖北地區適用的地閃回擊雷電流幅值累積概率分布公式中a、b變量的取值分別為29.94和 3.33[36]。選取0～200 kA幅值范圍內的閃電數據，以及IEEE推薦表達式，分別繪制了IEEE推薦曲線與湖北實測的雷電流幅值累積概率分布曲線。從圖7可見，湖北ADTD監測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，湖北ADTD監測系統監測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強度段，偏差比為1.52%，其余強度段的偏差均小于1%，處于一個較小的誤差范圍。

綜上可知，湖北省ADTD閃電定位監測系統在對雷電流極性的觀測判斷以及月、時變化趨勢上，與周邊省市其他監測系統監測的資料一致性較好，且與湖北省降水的月、時分布趨勢吻合度很高。同時，雷電流強度累積概率分布與IEEE推薦的函數表達式擬合度較高，說明該系統在基本面參數的監測結果有較強的可信度。

4 結論與討論

本文使用ADTD監測系統地閃回擊資料，采用網格法、雷擊案例驗證法和定性分析法，對該系統在湖北省2006—2019年監測數據的質量進行了研究，利用雷電災害數據對定位精度進行了驗證，同時，對地閃回擊時間、強度分布規律分析，得出結論如下：

(1)選取的4個高層建筑參考點周邊地閃回擊數據顯示，回擊次數高值區與參考點實際位置均有偏差。最小偏差直線距離最小為190 m，最大為1548 m，4個參考點中有3個參考點的定位偏差大于該系統的理論誤差范圍，偏差方位角無固定規律。

(2)龜山電視塔單個參考點周邊回擊數據表明，參考點1 km半徑范圍內的地閃密度明顯大于該區域均值，1～2 km半徑范圍內的環狀區域地閃密度明顯降低。同時，在0～4 km半徑區間，1 km以內的平均雷電流強度最大，正閃比最低，由于閃電的多回擊現象，多回擊閃電的首次回擊強度往往大于后續回擊強度，可能是形成該區域平均強度偏大的原因之一。

(3)從多個雷電災害事件對應的監測數據看，雷災事故中心2 km半徑范圍內均能在對應時間查詢到相關地閃回擊數據，地閃回擊點距離事故中心最小直線距離22 m，最大直線距離1363 m，該系統的監測數據能為雷電災害提供輔助依據，但精度無法滿足對致災地閃回擊事件的精確辨識。

(4)由本文所選高層建筑參考點以及雷災事故實際雷擊點與定位網對應的定位偏差數據可知，該系統的平原地區定位平均誤差為539 m，山區定位平均誤差為1384 m，山區定位誤差明顯大于平原地區。因此，在實際雷電災害調查閃電資料獲取中，山區應適當擴大事故點的統計半徑范圍。

(5)該系統在對雷電流極性判斷與國內同氣候特征區域其他系統監測結論一致性較好，時間分布特征與湖北省降水特征吻合度較高，雷電流強度累積率概率分布特征與IEEE吻合度一致性水平超過99.5%，說明該系統在對地閃回擊的時空分布監測、強度和極性監測等方面具有一定準確性。

需要指出的是，閃電定位誤差是根據相關理論或積累的地閃資料的顯示規律來進行分析的，同時由于選取的分析參考點數量有限，得出的相關誤差范圍多為理論分析值。該系統在今后的使用中，應注意避免采用單一指標來判斷雷擊點，宜將時間和位置兩個參數結合判定。而如何獲取更精準定位和更為確定的地閃回擊參數則為下一步研究的方向。