閃電定位網定位效率評估

霍濤 唐笑男 王志超

（1.長沙市氣象局 湖南省長沙市 410205 2.中國氣象局氣象探測中心 北京市 100081）

閃電是大自然中一種放電現象，也是嚴重的自然災害之一，所以閃電監測和定位技術是研究閃電物理的重要手段，同時也對雷暴大風、龍卷、冰雹等強對流災害性天氣的預警預報有重要作用。為更好的針對閃電相關氣象服務和科研，了解閃電定位網的定位效能，因此需要對閃電定位網的定位效能進行評估。評估閃電定位網的重要指標是其定位效率，是指探測到的回擊數量占實際發生的閃電數量的百分比。地閃定位網定位效率進行評估最常用的方法是以人工引雷和地面光學觀測為主的觀測實驗驗證方法。人工引雷可以分析探測網絡內的定位效率，禹繼等利用廣東從化人工引雷資料，評估了升級前后的粵港澳閃電定位系統，回擊的探測效率從40%提升到了90%。地面觀測主要以閃電光/電同步觀測為主，其中光學觀測用來記錄地閃回擊放電通道，同步的電場變化資料可以提供閃電的極性和回擊數。

國內很多學者對不同設備、不同布站方式、不同地閃采集閾值以及不同處理軟件的兩套閃電定位系統的探測效率進行過對比分析。趙偉等利用電力部門雷擊跳閘記錄對比分析，電力部門閃電定位監測數據（LLS）逐年探測效率穩定并且高于氣象部門的探測效率， 兩者相差約6%。劉巖利用雷災資料對比發現，ADTD型閃電定位儀監測到的閃電記錄較LD-Ⅱ型在受災點距離、誤差方面都較好。但由于目前兩套不同閃電定位系統存在差異,無法準確分析目標閃電定位系統的站點數目、布置位置及站間距對其探測效率的影響。因此本文想通過對兩套同設備、同參數、不同布局的ADTA閃電定位系統進行對比分析，以初步研究定位系統布站合理性和探測效率。

1 資料及方法

1.1 閃電定位數據

氣象部門的國家級閃電監測網在湖南省總共布設10套閃電定位儀，布局如圖1-2。除此之外，長沙市氣象局在整個長沙地區也布設10套閃電定位儀。為比較省市兩套站網對長沙地區閃電探測效果，首先進行數據篩選，選取定位方式為三站或四站定位的有效數據，探測數據為2017年-2018年定位在長沙地區的全部閃電。

圖1：長沙市站網分布

圖2：湖南省國家站網分布

1.2 統計方法

在實際應用過程中，多個閃電定位儀組成的閃電定位網可以劃分成多個3站組成的子網絡。針對長沙地區閃電定位網的布局，將研究區域劃分為20km×20km的區塊，并將這10個閃電定位儀劃分為不同的3站子網絡，對不同閃電定位儀在不同區塊的探測效率進行計算，并統計全網在該區塊的定位效率。

本方法通過對歷史數據的分析，忽略了儀器類型、閾值設置和地形因素等對閃電定位網的定位效率的影響。由于閃電定位儀本身對弱電流探測能力有限，歷史數據僅包含可探測的強峰值電流閃電，而忽略了較多的弱電流地閃。

對于長沙市局域網的閃電定位系統對于雷電探測效率，計算方法從統計所探測到的閃電密度、累計強度和平均強度的分布來研究。將長沙整個地區劃分為1km×1km的區塊，使用落點統計辦法，統計出每個網格上閃電數量。

2 結果分析

2.1 探測效率分析

國家站網中長沙站對于整個長沙地區探測效率方差分布見圖3，在閃電定位儀有效率探測范圍內，絕大部分區域均方差小于15%，可見定位效率算法有良好的自洽性，定位效率評估接近真實值。

圖3：探測效率方差分布圖

圖4為長沙站和國家站網探測效率分布情況，可以看到長沙站能探測全區大部分閃電，尤其在東部探測效率較好，在全區中部及西部大部探測效率較差，在距離較近的區域探測效率最低。整體看只有東部部分地區探測效率為60%以上，中西部地區探測效率低于30%。而在國家站網對長沙地區探測效率來看，全區效率均為均勻，基本效率都是在60%以上，基本可以探測定位長沙地區閃電。

圖4：長沙站和國家站網探測效率分布

閃電定位儀的定位效率既與回擊的發生距離和方位角有關，同時也與回擊本身的強度有關，閃電定位儀自身設置的動態范圍會忽略近距離的部分強回擊和遠距離的弱回擊信號。因此單站閃電定位儀在近處和遠處的探測效率都較低，而在相對合適的距離范圍探測效率較高。

從圖5閃電定位效率與距離的關系圖可以看到，在距離在0-140km范圍內，探測效率都在40%以上。在距離較近20km范圍時，探測效率僅為40%左右，是探測效率最低的。定位效率隨著距離的變化是先增加后減小的，在40-80km之間探測效率是最好的，可達到70%以上。80km以外探測效率是開始減小的，長沙站140km以外無法定位回擊信號。

圖5：閃電定位效率與距離的關系

閃電定位儀的定位效率也隨方位角的變化而變化，圖6給出了定位效率與方位的關系。在探測范圍內，將100km范圍內各區塊劃分為12個方向，統計各個方向閃電定位儀的定位效率。在東部地區探測效率較高，定位效率在60%，其他方向效果不理想。閃電定位儀定位效率隨方位角變化的巨大差異與儀器設置，安裝環境，地形因素和站網布局等關系密切。圖7給出了站網對于弱電流探測分布情況，發現對于20KA以下弱電流探測能力不強。

圖6：定位效率與方位的關系

圖7：弱電流探測分布

2.2 兩套站探測數據對比

2017年1月-2018年12月，國家站網總閃次數為32556次，長沙市級閃電定位網為41940次。國家站網正閃為1418次，負閃為31138，市級網正閃為2628次，負閃為39312次。國家站網正閃平均強度為74.53KA，負閃平均強度為47.94KA;市級網正閃平均強度為40.87KA，負閃平均強度為28.83KA。圖8給出了兩套站探測閃電強度的分布情況，可以看出兩套站比較一致的是探測到閃電強度相對集中在-50KA到-10KA，但峰值稍有不同，市局站網最集中的為-20KA左右，而國家站網峰值集中在-30KA。

圖8：探測閃電強度分布

2.3 兩套站網探測閃電分布情況

對于國家站網和市局局域站網探測效率分析是對于站網布局有重要意義，而站網探測結果分布的分析也可以比對出兩套站網差異所在。從兩套站網閃電定位密度分布圖9來看，國家站閃電密度分布較相對均勻，市局站網閃電密度分布集中在中部地區。再比較兩套站累計強度（圖略）與密度分布較一致，國家站網探測強度累計值分布較市局站網分布均勻。但是平均強度分布來看（圖略），市局站網分布明顯更加均勻。

圖9：長沙站和國家站閃電密度分布

3 結論

本文利用國家站網和長沙市局站網的兩套ADTD閃電定位網，對長沙地區2017-2018年閃電定位資料進行分析，對長沙地區的閃電定位效率進行評估，同時分析了兩套站網閃電定位儀的探測結果分布情況。結論如下：

長沙站閃電定位儀探測效率隨距離和方位角的變化而變化。在閃電定位儀20km范圍內，探測效率較低僅能達到40%。閃電定位儀的探測效率又逐漸隨著探測距離的增加而增加，在40～80km范圍達到最大效率。在80km以外的范圍，閃電定位儀的定位效率開始逐漸下降，閃電定位儀有效探測范圍為140km。在方向上，閃電定位儀在地區東部的探測效率優于西部，探測效率最大值出現在東南到東北方向間，為60-80%。定位效率最低為西南偏西方向，定位效率為20%。利用兩套站網探測的資料所得到的閃電密度和強度分布來看，國家站網閃電密度較市級站網均勻，市級站網對于探測弱電流回擊優于國家站網。

本文對閃電定位效率和分布特征的分析可以很好的訂正閃電密度產品，同時對整個探測網絡的站網優化布局、設備安裝環境調查起到積極的作用。但是市局站網歷史觀測數據量較少，對閃電探測效率評估比較有限。改善閃電定位儀的探測靈敏性，使其能探測到更多的弱電流回擊放電過程，并增加探測基站密度，可以有效改善探測效率，以提高強天氣過程的監測和預警預報。另外，未來還可進行一些區域性的閃電觀測實驗或人工引雷資料對評估結果進行修正。