闪电定位系统与人工观测雷电日参数对比分析

雷电日是反映雷电活动规律的重要参数。通过对重庆地区35个区县人工观测雷暴资料(1951—2009年)和闪电定位系统监测资料(1999—2008年)的数理统计,重点分析了人工观测雷暴日、闪电定位系统监测的雷电日和雷击大地密度特征。结果表明:人工观测的雷暴日数远小于闪电定位系统监测获取的数据;人工观测的雷暴日局限于个人差异和地形影响,而闪电定位系统监测的雷电日局限于探测方法和设备的灵敏性,不能完全客观反映各地区雷电活动规律;雷击大地密度客观真实反映各地雷电活动特征,在此基础上获得了有效反映雷电活动规律的雷电日参数,为雷电灾害风险评估与防雷设计提供参考。     

粤港澳闪电定位系统对高建筑物雷电的探测

基于2016—2017年广州高建筑物雷电观测站获取的资料对粤港澳闪电定位系统(简称定位系统)的性能进行评估,并根据2014—2018年定位系统历史资料对广州高建筑物区域的雷电活动特征进行初步分析,结果表明:定位系统对闪电的探测效率为93%(214/229),对回击的探测效率为93%(449/481),对下行闪电首次回击、继后回击及上行闪电回击的定位误差的平均值(中值)分别为361 m(188 m)、252 m(167 m)和294 m(173 m);当接地点高度低于200 m(不低于200 m)时,定位系统对下行负极性闪电首次和继后回击的云闪/地闪识别正确率分别为99%(80%)和93%(35%),有83%的上行负地闪回击被定位系统误判为云闪,广州高建筑物区域内绝大部分负云闪定位记录实际是高建筑物地闪;对定位系统得到的孤立高建筑物闪电密度中心进行分析后发现,广州塔(600 m)闪电密度中心200 m半径范围内年均回击次数约为中信广场(390 m)和广发证券大厦(308 m)的5倍,推测广州塔闪电的主要类型为上行闪电,而中信广场和广发证券大厦则为下行闪电。     

粤港澳闪电定位系统对高建筑物雷电的探测

为了评估不同聚类算法对雷暴系统的识别效果,进一步提高雷电临近预报能力,本文采用地闪定位数据和雷达反射率数据,利用基于密度的空间聚类(Density-Based Spatial Clustering of Application with Noise,DBSCAN)、快速搜索和查找密度峰聚类(Clustering by Fast Search and Find of Density Peaks,CFSFDP)以及改进的快速搜索和查找密度峰聚类(Extended Clustering by Fast Search and Find of Density Peaks,E_CFSFDP)三种聚类算法,对2018年9月21日19∶15—20∶57(北京时)发生在(114°—117°E、27°—30°N)区域的一次雷暴过程进行了聚类识别计算,探讨了三类聚类算法在雷暴系统识别中的差异。结果表明：(1) DBSCAN算法在地闪数据分布清晰且不同数据簇之间有显著距离间隔时,分类识别的准确率较高;当各个闪电数据簇的簇间距离或密度相差很大时,分类识别的准确率较低;(2) 地闪数据“无密度峰值”分布时CFSFDP算法会分裂出错误类,每个闪电数据簇仅具备唯一的密度峰值点是CFSFDP算法识别准确的前提条件;(3) E_CFSFDP算法解决了CFSFDP算法的“无密度峰值”问题,受地闪数据分布影响较小,因此基于E_CFSFDP算法的雷暴系统识别准确率明显高于DBSCAN和CFSFDP算法。

     

两套闪电定位系统对揭阳市雷电监测结果的对比分析

利用广东省电力部门和气象部门两套闪电定位系统对揭阳市雷电监测结果进行对比分析,地闪频数逐日对比的一致性比较好,但从地闪总数、地闪空间分布、雷暴日数、雷电流极值和极性,两套资料都存在较大的差异.造成这种差异的原因主要是:两套闪电定位系统布点的不同、地闪采集阈值的不同和处理软件的不同等.     

深圳雷电定位系统的布局与特点

我台于2001年安装了ADTD雷电监测定位系统.经一年多来的运行,我们认为该系统能实时、连续、高精度地提供雷电发生的时间、位置、极性、强度等雷电活动参数,是雷电监测的有效工具.     

粤港澳大湾区两套闪电定位系统地闪探测性能的对比分析

根据2014—2018年粤港澳闪电定位系统(GHMLLS)和广东电网地闪定位系统(GDLLS)两套闪电定位系统的观测资料, 对粤港澳大湾区范围内二者的地闪探测性能进行评估和对比, 结果表明, 在粤港澳大湾区, 对于地闪回击记录, 从各月份记录和空间密度的分布上来看, GDLLS的探测数都多于GHMLLS, 二者的比值为1.24;两套系统总回击、负回击、正回击的月分布和日变化特征基本一致; 两系统地闪回击的匹配记录在大湾区大部分区域内的偏差量都在1.5 km内; 对于匹配后的负、正回击电流峰值, 二者有较强的相关性, 相关系数分别为0.99和0.98, GDLLS的负、正回击电流峰值分别为GHMLLS的1.47倍和1.45倍。      

粤港澳闪电定位系统探测效率及精确度评估

为客观评估粤港澳闪电定位系统性能参数,将闪电定位资料与广州人工触发闪电试验及高建筑物自然闪电观测试验的观测结果进行了对比分析。结果表明,2007 2011年期间对真实闪电事件的闪电探测效率和回击探测效率分别为74%和40%,定位误差的算术平均值和几何平均值分别为2660 m和1500 m;2012年闪电探测效率和回击探测效率分别为97%和90%,定位误差的算术平均值和几何平均值分别为950 m和470 m。2008 2011年期间闪电定位系统的回击电流幅值约为真实值的0.7倍,而2012年约为真实值的4倍。总体上,2012年粤港澳闪电定位系统探测子站大幅度增加后,探测效率和定位精度均有明显提升,但对回击电流幅值的估算呈现系统性偏大。     

江淮地区雷暴的闪电定位系统与人工观测的一致性分析

选取距离测站不同半径、不同闪电记录代表闪电定位系统对测站雷暴的监测,采用TS评分和KSS'评分标准,对江淮地区(111°—122°E,28°—35°N)近4年(2010年1月—2013年12月)闪电定位系统的雷暴监测与人工雷暴观测的一致性进行对比。结果表明:江淮地区南部(34°N以南)和东部(114°E以东)两种资料的一致性好于其西部(114°E以西)和北部(34°N以北)。在江淮地区选取半径13~14 km范围内大于等于2条闪电记录代表测站雷暴,二者的一致性最好,此时TS技巧评分可达55%,命中率接近80%,空报率32%~34%。若考虑雷电造成的危害较大,追求更高的命中率,则选取半径12 km范围内大于等于1条闪电记录代表测站雷暴,其命中率可达83%,但同时空报率也将提高。因此,可根据当地雷电灾害损失及其防范成本,选取适合当地的半径范围闪电定位系统的闪电记录代表测站开展雷电警报业务。     

WWLLN与江苏省ADTD闪电定位系统数据的对比分析

利用WWLLN(World-Wide Lightning Location Network,全球闪电定位网)与江苏省ADTD(Active Divectory Topology Diagrammer,活动目录拓扑图)闪电定位系统数据,对2006—2009年江苏省闪电活动年际变化、月际变化、日变化和空间分布、以及探测效率和探测精度等展开研究讨论。结果表明,WWLLN探测的闪电时空分布趋势与ADTD保持较好的一致性:江苏省白天发生的闪电次数略高于晚上;闪电主要集中发生在6—8月,仲夏闪电最为活跃;一天中闪电频次峰值时间段出现在16时(北京时间)左右;江苏省闪电分布呈现明显的地域性,闪电密度高值区位于省内偏西和偏南地区,大致与江苏省经济发达地区的地域分布相吻合。总体上,WWLLN探测到的闪电频次和闪电密度值比ADTD小一个数量级。随着WWLLN全球测站数目的逐年增加以及WWLLN定位技术的升级完善,WWLLN探测效率和探测精度逐步提高。WWLLN探测效率与回击电流极性和强度大小有关联。     

雷电监测定位系统在深圳的应用

深圳市是一个雷暴多发地区,每年平均雷暴日高达70天,最多年份可达103天.2001年,深圳市气象局为加强对雷电灾害监测、预警和防御指导工作,投资引进了我国自行研制的高精度雷电监测定位系统,现已建成投入使用,系统全天候监测深圳市及其周边地区乃至全省大部分地区雷电的发生、发展情况.本文在介绍雷电监测定位系统的基础上,对雷电实时定位结果进行了探讨.     

雷电定位系统与人工观测雷暴日数统计比较

为了利用雷电定位系统 (lightning location system,LLS) 资料统计人工观测雷暴日数,采用湖北省2007—2012年LLS监测资料,选取25个气象站为圆心,统计其不同监测半径 (r) 圆区域内LLS监测的雷电日数,并与人工观测雷暴日数进行比较。结果表明:r≤7 km时,LLS监测平均年雷电日数小于人工观测平均年雷暴日数;r≥8 km时, LLS监测平均年雷电日数大于人工观测平均年雷暴日数;r=22 km圆区域内年平均雷电日数可替代最大年雷暴日数。根据r=7 km,r=8 km圆区域内LLS监测的年雷电日数、年平均地闪密度资料,分别采用直接替代法、地闪密度法和该文提出的二元法计算年雷暴日数,结果显示:二元法效果最好。二元法计算的2007—2012年25个站平均年雷暴日数与人工观测相等,平均差异为7.4%;二元法计算的2013年年雷暴日数与人工观测相差0.8 d,平均差异为12.3%。     

闪电定位仪与人工观测雷暴日的对比分析

该文提出了仪器法确定雷暴日的方法并对仪器和人工观测雷暴日的差异进行了分析,得出仪器法测量的雷暴日数要高于人工观测的数值,仪器法测量的雷暴日数更接近实际的雷暴日数。如果使得仪器观测的雷暴日数接近人工观测的雷暴日数,采用可闻距离11.6 km,电流幅值取大于15 k A的雷电流作为统计值可以得到较好的匹配效果。     

上海市两套闪电定位系统探测能力对比分析

为综合评价上海市两套闪电定位系统(Vaisala和Earth Network Total Lightning System)对上海及周边地区地闪的探测能力,利用2015 2016年两套闪电定位系统数据,从地闪数据量、雷电强度、时空分布、空间匹配度和定位精度等多个方面展开对比。结果表明,在上海市范围内相同时间段内Vaisala探测到的地闪频次稳定大于Entls的,但在上海市区域外则相反。两套系统探测到地闪雷电流强度呈单峰分布,以10~20 k A区间内的雷电居多。从数据空间匹配度来看,上海北部地区及杭州湾南岸,Entls相对Vaisala地闪探测的匹配度达70%以上,在上海市范围内该匹配度降至20%左右。两套系统探测到的地闪定位误差大部分集中在5 km以内,且以0~2 km为主。雷暴过程中两套系统探测的地闪随时间变化趋势较为一致,且与雷达回波有一定的匹配度。因此,两套系统都能实现对上海及周边地区地闪的探测,但由于设备型号、探测技术和自身误差等方面的差异,数据量上有差异,需要长时间积累数据进行对比分析,才能更好地利用数据,为防雷减灾服务。     

基于人工引雷的粤港澳闪电定位系统性能评估

利用2014—2019年中国气象局雷电野外科学试验基地广州从化人工触发闪电试验所获资料,评估粤港澳闪电定位系统(Guangdong-Hongkong-Macau Lightning Location System,GHMLLS)性能,结果表明:GHMLLS对人工触发闪电和回击的探测效率分别为96%(48/50)和88%(233/265),回击位置定位误差的算术平均值、几何平均值和中值分别为279 m,193 m和202 m。对于触发闪电的回击过程,GHMLLS探测的回击电流峰值(I_LLS)全部偏低,与通道底部雷电流峰值的直接测量结果(I_DM)相比,I_LLS的相对偏差平均值(中值)为-37%(-36%),但I_LLS和I_DM相关系数为0.93,存在显著正相关关系(达到0.01显著性水平);截距为0的线性拟合结果表明I_LLS与I_DM存在65%的比例关系,利用该系数校正I_LLS,结果的相对偏差绝对值的平均值(中值)为15%(12%)。GHMLLS有对应定位记录的233次触发闪电回击中,16次定位结果为云闪,判别正确率为93%。被误判为云闪的回击的I_DM更低,可用于定位的站点数量更少,定位误差更大,I_LLS的精度更低。     

粵港澳闪电定位系统对高建筑物雷电的探测

利用安装于广州塔塔顶500 m的大气电场仪（简称电场）数据、广州双偏振雷达资料、粤港澳闪电定位系统数据和ERA5再分析资料等数据,对比分析了2020年8月15日和9月23日广州两次雷暴天气过程的地闪活动特征以及地闪活动与电场变化特征的关系。结果表明：由局地热力不稳定引起的“局地性雷暴”地闪频次低、伴随弱降水,而由中尺度系统引发的“系统性雷暴”地闪频次高、伴随短时强降水。两次过程的地闪频次和电场变化呈双峰分布,地闪爆发时电场变化显著,频域能量达到峰值。“系统性雷暴”的消亡阶段电场在正负极之间大幅度缓慢波动,呈现阻尼振荡（End Of Storm-Oscillation,EOSO）特征,而“局地性雷暴”消亡时电场未出现此特征。时域下电场剧烈变化和频域能量明显提高时,意味着雷暴云团正在靠近或附近有闪电发生;电场频域能量迅速减小且集中于低频段,表明雷暴正在消亡或远离测站。电场的时频特征对雷暴的生消具有指示性作用,为电场数据与其他资料融合应用于雷电风险预警予以参考。

     

广西VLF/LF和ADTD闪电定位系统对比分析

利用广西2016-2019年VLF/LF和ADTD两套闪电定位系统的地闪资料进行对比分析,并利用典型雷灾事故数据进行评估。结果表明,两套系统的监测结果均以负地闪为主,VLF/LF探测效率约是ADTD的2.6倍,尤其是正地闪以及弱地闪探测效率明显提高,VLF/LF地闪平均雷电流幅值较ADTD偏小且两者差异较大;在地闪频次及雷电流幅值的年变化和日变化上,两套系统的监测结果较为一致,月变化差异较大;在空间分布上,两套系统的地闪密度分布较为一致,雷电流幅值分布差异较大;雷灾事故评估表明VLF/LF定位的准确性和可靠性优于ADTD。     

人工观测与闪电定位探测雷暴日资料的对比分析

在对比分析人工观测雷暴日资料与闪电定位探测雷暴日资料的基础上,揭示了造成2种资料不一致的原因,并提出了应用闪电定位探测雷暴日资料时应注意的问题。研究结果认为,随着器测资料的积累。可提供1个客观的雷暴日分布场,从而改变人们对雷电分布的固有看法,以消除人工观测资料受多种因素影响而不够客观的局限。     

册亨县闪电定位资料与人工观测雷暴日的对比分析

利用2006—2011年贵州省闪电定位仪资料和册亨一般站人工观测雷暴日资料,对人工观测雷暴日与闪电定位仪监测到的雷电日、地闪密度等进行时间和空间上的分析,找出册亨县雷暴活动的相关规律。     

江西省闪电定位资料与人工观测雷暴日的对比分析

利用江西省81个气象站1984—2013年雷暴日观测资料和2010—2019年闪电定位资料,对比分析了3—19 km半径下闪电日数与雷暴日数的关系。结果表明,全省范围内闪电日数与雷暴日数相等的监测半径置信区间为10.1—11.5 km,监测半径为 10 km 和 11 km 时全省闪电日数与雷暴日数差异不显著,相对偏差最小。聚类分析表明,全省闪电日数与雷暴日数相等的半径可分为5个区域：R1—R5,对应闪电日数与雷暴日数相等的半径均值分别为14.5、9.4、9.6、10.5、10.2 km。     

闪电辐射频谱的观测与分析

1984年8月,利用我们研制的闪电数字信号接收设备,在合肥地区进行了观测。并使用微机对信号进行数字滤波、Fourier变换等处理。所接收的信号一类具有明显的回击脉冲,而另一类则无。从前者中挑选出21个典型信号作为个例进行分析,得出了这类信号及其振幅频谱的主要特点,并与理论结果和其他的模拟观测结果作了比较。