北京地区雷电定位系统场地误差及其结构分析

本文利用1988,1989两年北京地区雷电定位系统(LLS)探测到的雷电资料,采用作者在文献[10]中提出的参数化方法,分别计算了该系统中各定向仪(DF)的场地误差曲线。结果表明,场地误差曲线不仅是测量方位角的偶周期函数,而且包含着奇周期的成份。同时还表明,同一场地具有相对稳定的误差曲线。 文中还讨论了场地误差产生的原因,并首次提出偶极辐射是产生场地误差的主要原因的观点,推导出了它可能产生的场地误差的函数形式。用此理论可很好地解释实际计算出的各站场地误差曲线的结构特征。     

一种多站雷电定位系统探 测效率的估算方法

通过分析多站雷电定位系统MDF的特点,提出影响多站雷电定位系统探测效率的因素主要有两个方面:1)波形判据及阈值的设置;2)DF场地环境及其本身的时间分辨率。本文提出了一种估算系统因第二种因素存在时的探测效率的方法。用此方法分别计算和分析了北京DF网络三年来的探测效率。结果表明:1)该系统中各DF站在正常情况下(不考虑第一种因素)探测效率约为70％左右;2)若有大量干扰DF的探测效率会大大降低。     

The characteristics of ground flashes in Beijing and Lanzhou regions

Over twenty thousand lightning location data obtained by using Lightning Location System (LLS) from Lanzhou and Beijing regions have been analysed to ascertain the characteristics of ground flashes in both regions. The strength of positive flashes is 5 times higher in Lanzhou than in Beijing. The strength of positive flashes is 3 times and 2.2 times as large as negative flashes in Beijing and in Lanzhou respectively. It has been found that the strength of positive and negative flashes is submitted to the normal distribution, and is independent of the characteristics of thunderstorm. So the lightning, strength obtained by DF may be used to forecast the coming of thunderstorm. Although the stroke number in both regions decreases as exponent regulation, the maximum number of return stroke for one lightning in Beijing is more than that in Lanzhou. The peak flash rate occurs in late afternoon for both regions, but the maximum and minimum flash rate appeared an hour earlier in Beijing than in Lanzhou.The relationship between DF display and lightning radiation electric field, discharge current is obtained.     

甘肃平凉闪电定位资料误差分析及其优化

利用陈明理等提出的场地误差优化模式,对2001年甘肃省地形起伏较大的平凉地区地闪定位资料进行了优化处理,并选取雷达回波强度大于35 dBz、回波顶高超过7 km的区域作为优化效果验证参考。结果表明,未经场地误差优化的闪电位置远离对应雷达回波数十公里,而优化后对应的闪电位置进入或接近雷达的强回波区,显然更接近于真实情况,优化以后的方位探测器测向角平均偏差可达05°左右。场地误差优化模式能有效地优化闪电定位资料,这对进一步提高雷电临近预警具有积极的意义。     

大气折射对甚高频闪电定位的影响分析

利用GPS探空仪实测数据计算大气折射率的高度廓线,建立大气折射误差模型。并分析大气折射效应对方向交汇、到达时间差以及综合法3种甚高频闪电定位方法测量精度的影响。结果表明,对于定位距离,大气折射对方向交汇法的影响最大,误差最大值可达到116.52m,平均误差为30.18m;大气折射对时间差法的影响最小,误差最大值约为44.70m,平均值为12.32m;对综合法的影响介于二者之间,误差最大值约为58.90m,平均值为16.74m。在综合法中,选取离闪电源较远测站进行方向交汇的定位误差是选取较近站点的定位误差的1.6倍,因此应当选取近站点。考虑到GPS授时误差,要保证大气折射对闪电定位造成定位误差小于GPS时间同步带来的误差,3种闪电定位方法的站间距应分别不大于28km、60km、45km。     

深圳市闪电定位资料误差分析及其优化

利用场地误差优化模式对深圳地区的地闪定位资料进行优化处理。首先对深圳市闪电定位系统进行简单介绍,然后利用改进的传输线模式对真实地表环境下的闪电辐射电磁场进行计算,以分析深圳市闪电定位系统的场地误差,最后基于定位误差和场地误差模式对闪电定位数据进行定位误差订正。结果表明不同方位角上的不规则地形对继后回击电磁场波形具有不同影响,随着表征地形粗糙程度的高度均方根的增加,电场的峰值下降,波形的上升沿时间增加。同时,电场波形上升沿时间也会随着方位角的变化而变化,这可能会给时间到达法的定位带来一定误差。为了验证该算法的合理性,对该系统覆盖的区域进行了闪电定位数据优化精度的时空分布分析和评估。结果表明这种优化方案是可行的、可靠的,优化后的闪电定位精度明显提高。     

浙江省两套闪电定位系统地闪数据对比

针对2009—2013年浙江省气象部门和电力部门闪电定位系统 (lightning location system, LLS) 监测的地闪 (cloud-to-ground lightning, CG lightning) 数据,从时空分布及探测效率等方面对两者进行对比。结果表明:电力部门LLS监测的年平均地闪频次稳定大于气象部门LLS监测的年平均地闪频次。从空间分布看,沿海平原和金衢盆地等平原地带,两者的地闪密度相近;在杭州和衢州交界地区,气象部门LLS监测的地闪密度稳定大于电力的地闪密度;在其他地区 (如浙西北、浙中南部和浙南等大部分地区),电力部门LLS监测的地闪密度稳定大于气象部门LLS监测的地闪密度。利用雷暴日数对两者的探测能力对比可知,气象部门LLS对一些较弱雷暴天气过程中的地闪有漏测可能。利用雷击跳闸记录对比分析,电力部门LLS逐年探测效率稳定高于气象部门LLS的探测效率,两者相差约6%。     

Interaction between adjacent lightning discharges in clouds

Using a 3D lightning radiation source locating system (LLS), three pairs of associated lightning discharges (two or more adjacent lightning discharges following an arbitrary rule that their space-gap was less than 10 km and their time-gap was less than 800 ms) were observed, and the interaction between associated lightning discharges was analyzed. All these three pairs of associated lightning discharges were found to involve three or more charge regions (the ground was considered as a special charge region). Moreover, at least one charge region involved two lightning discharges per pair of associated lightning discharges. Identified from electric field changes, the subsequent lightning discharges were suppressed by the prior lightning discharges. However, it is possible that the prior lightning discharge provided a remaining discharge channel to facilitate the subsequent lightning discharge. The third case provided evidence of this possibility. Together, the results suggested that, if the charges in the main negative charge region can be consumed using artificial lightning above the main negative charge regions, lightning accidents on the ground could be greatly reduced, on the condition that the height of the main negative charge region and the charge intensity of the lower positive charge region are suitable.     

一种新的雷电日及雷电参数统计方法

为更好地应用雷电定位系统的自动监测数据统计雷电日及雷电参数,利用滇中地区1987～2006年49个气象站点雷电观测资料和2005～2006年闪电定位探测资料,在对比分析气象观测雷电资料与闪电定位探测雷电资料的基础上,提出了一种新的适用于自动监测雷电日的统计方法--网格法.网格法划分统计区域详细、合理,其雷电日统计值与传统气象雷电日有可比性.长期气象雷电日资料是选定网格大小的参考标尺,滇中地区取0.175°×0.175°网格统计值为其年平均雷电日,取0.3°×0.3°网格统计值为其最大雷电日.用网格法对雷电参数进行统计结果显示:滇中地区雷电日和雷电密度有显著的局地变化特征,地闪密度与闪电强度成反比关系.此结论为防雷工程设计、雷电灾害评估和雷电成因分析提供了较好的理论基础.     

一次人工触发闪电事件的定位误差分析

利用一次包含8次回击过程的人工触发闪电事件的近距离光电观测数据,分析了广东省气象闪电定位系统对其回击过程的定位结果。结果表明,回击过程探测效率约为75%(6/8),回击平均定位误差约为3768m。为了分析定位误差来源,通过对比分析的方法,逐次引入各探测子站原始记录重新进行定位计算,发现剔除误差较大的探测子站后,平均定位误差为2192m,比原来降低42%。     

An online model correction method based on an inverse problem: Part I—Model error estimation by iteration

Errors inevitably exist in numerical weather prediction (NWP) due to imperfect numeric and physical parameterizations. To eliminate these errors, by considering NWP as an inverse problem, an unknown term in the prediction equations can be estimated inversely by using the past data, which are presumed to represent the imperfection of the NWP model (model error, denoted as ME). In this first paper of a two-part series, an iteration method for obtaining the MEs in past intervals is presented, and the results from testing its convergence in idealized experiments are reported. Moreover, two batches of iteration tests were applied in the global forecast system of the Global and Regional Assimilation and Prediction System (GRAPES-GFS) for July-August 2009 and January-February 2010. The datasets associated with the initial conditions and sea surface temperature (SST) were both based on NCEP (National Centers for Environmental Prediction) FNL (final) data. The results showed that 6th h forecast errors were reduced to 10% of their original value after a 20-step iteration. Then, off-line forecast error corrections were estimated linearly based on the 2-month mean MEs and compared with forecast errors. The estimated error corrections agreed well with the forecast errors, but the linear growth rate of the estimation was steeper than the forecast error. The advantage of this iteration method is that the MEs can provide the foundation for online correction. A larger proportion of the forecast errors can be expected to be canceled out by properly introducing the model error correction into GRAPES-GFS.     

地闪定向仪（DF）的测站定向误差及应用

由于地闪定向仪(DF)网络已广泛使用,而国内目前又无方便有效的定向误差估计方法,本文试图用气象台站资料寻找一种方便可行的定性判断方法,并给出测站可能的定向误差分布图。同时,我们还用DF网络的资料作了包括其工作范围内的雷暴日和落雷密度在内的统计分析,得到的落雷密度在考虑实际情况后与用其它方法得到的结果相吻合。     

雷电流幅值概率分布特征及累积概率分段修订

为了研究雷电流幅值概率分布特性及雷电流幅值累积概率曲线拟合效果,以满足防雷工程设计和雷击风险评估工作需要,根据湖北省2007—2013年雷电定位系统(Lightning Location System,LLS)监测的雷电流幅值资料,统计分析了雷电流幅值累积概率和密度分布特征。结果表明:正闪和负闪电雷电流幅值累积概率分布差异较大,负闪电雷电流幅值累积概率分布比正闪电更集中,负闪和总闪电的雷电流幅值累积概率分布曲线基本相同;雷电流幅值强度大部分集中在10~50kA。根据IEEE推荐的雷电流幅值累积概率分布表达式,拟合了不同极性的雷电流幅值累积概率分布公式。雷电流幅值小于110kA时,采用IEEE拟合公式计算的雷电流幅值累积概率与实测值间的相对误差较小;雷电流幅值大于110kA时,计算值与实测值间的相对误差随雷电流幅值的增加而增大。采用该文给出的分段修订公式,计算在110kA以上的雷电流幅值累积概率与实测值间的相对误差在2%以内。由IEEE推荐表达式拟合雷电流幅值累积概率分布和概率密度分布时,负闪和总闪电雷电流幅值累积概率分布拟合效果明显比正闪电好,其原因可能与正闪电分布特性有关。     

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.     

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。     

时间差闪电监测网的误差分析和布局优化

在时间差闪电定位算法的基础上, 采用蒙特卡罗模拟方法, 实现了对闪电定位误差的定量评估。详细分析了闪电定位系统中测站数目、布站方式和站址基线长度3个因素对定位结果的影响。研究表明:定位误差与测站数目、布站方式和基线长度有密切关系。当测站数目一定时, 矩形加中心站的布站方式定位结果较好; 当布站方式一定时, 测站数目越多定位误差越小; 在仪器允许的探测范围内, 基线越长, 覆盖区域越大, 定位误差越小。闪电定位误差的定量分析研究, 为闪电监测网的站址选择、子站布设等实际工作提供了重要参考依据。     

雷达资料时间循环同化应用于闪电落区等研究初探

为研究夏季雷暴天气条件下的对流、降水、闪电的发展过程,有效使用高时空分辨率的遥感手段,如多普勒雷达、闪电定位仪等,利用中尺度数值模式ARPS及敏感的数据同化系统ADAS将VCP21模式下每6 min一次的雷达基数据资料进行时间循环同化,模拟得到相对可靠的三维空间、每10 min输出一次的对流云初步性态描述信息;进而结合目前公认的感应及非感应起电机制,通过云中电场强度与同化得到的云内相态模拟资料之间粗略微分关系,设定放电阈值,初步得到放电主要落点等信息;把本次模拟结果与江苏省闪电定位系统(LLS)实测资料做了对比,发现二者具有一定的可比性:(1)实测30 min内共有78次闪电,感应起电机制下共模拟出40次,非感应起电下有76次且首发时间较早。这也说明了非感应起电机制更易于雷暴云内电荷的衍生;(2)30 min内两种机制下模拟得到雷电发生的主要位置差别不大,和实测基本一致。     

雷电定位系统的设计

为解决雷电定位系统大体积和不方便安装的问题,提出了采用新型闪电传感器AS3935设计雷电定位系统的新方法。当闪电发生时,GPS模块获取经纬度、高度、时间,AS3935测量地闪到探测器的距离。探测器把数据打包,以无线TCP通信方式传输到中心站。中心站利用多圆相交法计算闪电的经纬度和高度,然后使用C#语言和JavaScript语言在中心站软件上实现Google地图。Google地图利用经纬度获取闪电的地址,同时中心站把闪电信息存入数据库。实验表明,该系统定位性能良好,减少了探测器的体积,降低系统成本,适合于实际运用。     

江苏省地闪密度及雷电流幅值分布

从雷电防护中重点关心的地闪密度和雷电流幅值两个方面进行分析,引入时间权重法结合人工观测雷暴日资料和闪电定位仪资料,给出地闪密度分布情况并依此绘制江苏省雷区分布图,对照Anderson经验公式拟合雷电流幅值概率分布情况.结果表明:江苏省地闪密度的分布趋势是南部比北部多,西部比东部多;洪泽湖周边、太湖和宁镇丘陵周边是江苏省雷电防护重点区域.江苏省雷电流幅值概率分布符合Anderson经验公式,幅值主要在20～40kA范围内变化.     

A forecast error correction method in numerical weather prediction by using recent multiple-time evolution data

The initial value error and the imperfect numerical model are usually considered as error sources of numerical weather prediction (NWP). By using past multi-time observations and model output, this study proposes a method to estimate imperfect numerical model error. This method can be inversely estimated through expressing the model error as a Lagrange interpolation polynomial, while the coefficients of polynomial are determined by past model performance. However, for practical application in the full NWP model, it is necessary to determine the following criteria: (1) the length of past data sufficient for estimation of the model errors, (2) a proper method of estimating the term "model integration with the exact solution" when solving the inverse problem, and (3) the extent to which this scheme is sensitive to the observational errors. In this study, such issues are resolved using a simple linear model, and an advection-diffusion model is applied to discuss the sensitivity of the method to an artificial error source. The results indicate that the forecast errors can be largely reduced using the proposed method if the proper length of past data is chosen. To address the three problems, it is determined that (1) a few data limited by the order of the corrector can be used, (2) trapezoidal approximation can be employed to estimate the "term" in this study; however, a more accurate method should be explored for an operational NWP model, and (3) the correction is sensitive to observational error.