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。     

DDW1闪电定位系统及性能评估

北京华云东方探测技术有限公司于2016—2018年在广东组网建设了DDW1闪电定位系统, 对一次雷暴过程的观测表明，DDW1定位数据与雷达回波强回波区之间在空间分布上具有较好的一致性。进一步利用2018年中国气象科学研究院在广州从化地区获得的触发闪电试验数据和全闪定位数据对DDW1闪电定位系统性能进行了评估，验证了其探测效率、定位精度等指标。结果表明：对于6次包含有回击过程的人工触发闪电事件，DDW1闪电定位系统全部探测到，地闪探测效率为100%；对于这6次触发闪电中的所包含的27次回击过程，该闪电定位系统共探测到17次，回击探测效率约为63%，对这些回击过程的平均定位误差约为464 m，电流反演误差为1149%；对比高精度全闪探测数据，DDW1的全闪探测效率为50%。     

闪电定位真实地表修订算法的检验评估

采用2017年中国气象局雷电野外科学试验基地的广东闪电综合观测试验(简称:GCOELD)的人工触发闪电观测数据,对粤港澳大湾区的闪电定位探测误差进行评估,并进一步检验真实地表的地形修订算法的可靠性。结果表明:(1)针对36次人工触发闪电事件的回击过程,粤港澳闪电定位网的探测效率为61.11%;距离探测误差平均值约为348.7 m,雷电流在(0～5 kA]的回击,探测精度最低。(2)利用人工触发闪电数据对真实地表修订算法进行检验,发现真实地表修订算法对闪电定位误差的修订效果明显,平均修正误差为145.7 m,修订后的位置更接近真实的闪电发生的位置。     

2006—2011年广州人工触发闪电

2006—2011年夏季在广州野外雷电试验基地开展了广东综合闪电观测试验 (GCOELD)。试验期间,针对人工触发闪电进行了近距离声、光、电、磁特征等综合测量,对自动气象站电源线和信号线上产生的感应电压特征进行了观测和分析,并对广东省地闪定位网的探测效率和定位精度与人工触发闪电进行了比对和校验。试验结果表明:人工触发闪电回击峰值电流范围为-31.93~-6.67 kA,回击电流波形的半峰宽度的范围为6.18~74.19 μs,10%—90%的上升时间范围为0.24~2.25 μs。触发闪电的上行正先导的发展速度在104~105 m/s量级;人工触发闪电的回击过程在架空电源线路 (1200 m长,2 m高) 上产生的感应过电压可达十几千伏;广东电网闪电定位系统对人工触发闪电事件的探测效率为95%,平均定位误差为759 m,闪电定位系统反演得到的电流峰值与实际测量的电流峰值平均相对偏差为16.3%。     

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。     

粤港澳闪电定位系统与深圳高塔雷电光学观测对比分析

介绍了粤港澳闪电定位系统布点情况、定位方法、探测参量及指标以及深圳高塔雷电观测系统的概况。利用2016年9月2日3次高塔接闪的光学(高速摄像)观测数据与闪电定位系统数据从回击探测效率、定位误差、云地闪识别和首次回击判断4个方面进行对比。结果发现:粤港澳闪电定位系统对深圳高塔的回击探测效率约为92.9%,定位误差优于300 m,云地闪识别准确率84.6%,但首次回击的判断准确率不理想。     

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。     

广东野外雷电综合观测试验十年进展

雷电野外科学试验是认识雷电发生、发展物理过程及其致灾机理的重要途径,也是开展真实雷电电磁环境下雷电防护技术测试的重要方式。自2006年开始,中国气象科学研究院和广东省气象局在广州野外雷电试验基地,持续合作开展了雷电野外综合观测试验,在人工触发闪电和自然闪电物理过程及其雷电防护技术测试试验等方面取得了若干研究结果。十年期间共成功触发闪电94次,回击电流峰值最大值为42 kA,平均值为16 kA;分析给出了自然闪电预击穿过程电场变化脉冲特征类型和差异;观测发现高建筑物上行连接先导可达几百米甚至超过1 km,其发展速度可达106 m/s量级,下行先导与上行连接先导的连接呈多样性;雷电防护技术测试试验表明人工触发闪电近距离电磁场耦合在架空线路上的感应电压达到千伏量级,多回击、长连续电流和地电位抬升是造成浪涌保护器(SPD)损害的主要因素;闪电定位系统探测性能的评估结果显示粤港澳闪电定位系统的闪电和回击的探测效率分别为96%和89%,定位误差算术平均值为532 m,回击电流强度的估算值约为真实值的0.63倍。     

一次“晴天霹雳”致死事件分析

对2017年广州从化地区一次"晴朗"天气下的闪电致死事件进行调查分析发现,这次事件是闪电首先击中一棵大树,然后击中附近人员头顶致死。根据目击者描述的时间和位置,利用闪电低频电场变化探测阵列的定位数据和广东电力等系统的雷电定位数据,结合广州番禺雷达观测资料,确定此事件是由一次含有7次回击的地闪过程的首次回击造成,其电流峰值强度为-30.9 kA。闪电起始于13.0 km高度的云内,经约600 ms云内发展过程后闪电通道从云体延伸出来,云砧区边缘（0 dBz）到回击点水平距离约300 m,降水区边缘（18 dBz）到回击点水平距离约1.8 km。使用雷击现场等效电路模型,计算旁络闪击空气击穿场强可击穿空气与人头部连接为通路,根据电路分流原理,如果雷电流击中13 m高的大树后流经到"跳点"（树干上方1/4）处后,则有13.2 kA雷电流直接闪击到受害者身上,同时还承受了78.3 kV跨步电压伤害,而距离雷击点10 m远的目击者仅承受1.3 kV跨步电压。      

北京闪电综合探测网(BLNET):网络构成与初步定位结果

北京闪电综合探测网(Beijing Lightning NETwork, 简称BLNET)由10个观测站组成, 每个子站主要由闪电快、慢电场变化测量仪(也称快、慢天线)和闪电甚高频(VHF)辐射探测仪构成, 实现了对闪电的多频段的综合观测。本文首先详细介绍了BLNET的网络构成, 然后利用蒙特卡罗法对网络的定位误差进行了理论分析, 模拟结果表明网络内部水平定位误差小于200 m, 网络外部100 km处水平定位误差小于3 km, 最后利用Chan氏算法和Levenberg-Marquardt算法相结合的方法, 对发生在2013年7月7日的一次雷暴过程分别进行了地闪和云闪定位, 将定位结果和对应时次的雷达回波进行比较, 发现地闪和云闪都出现在大于30 dBZ的雷达回波区, 表明了探测网络和定位方法的可靠性。     

闪电定位系统布网方案设计的技术探讨

以闪电定位系统的定位原理和误差分析方法的基础，利用系统布设客观分析软件的自动选站和误差计算功能，比较了以不同方式组成的闪电监测网在一定范围内的定位误差。结果显示，除了系统本身存在的方位和时间误差外，布设子站的数目、几何形状、站距的大小对定位精度的影响均非常明显，与系统采取的定位算法也有很大关系。同时，提出并采取“一子多主，多叉组合”的技术策略，以湖北省为例，对闪电定位系统布网方案设计进行技术探讨。     

基于DBSCAN与网格搜索的雷电定位算法

定位精度是评价雷电定位网络的重要指标之一,定位算法直接影响雷电探测结果的精度。雷电监测系统探测数据误差不可避免,传统定位算法不具备抗误差干扰能力,迭代计算易发散,定位结果精度不高。为了满足实际应用需求,提出一种新的雷电定位算法DG-LLA（DBSCAN and grid-search lighting location algorithm）,在定位计算中引入DBSCAN（density-based spatial clustering of applications with noise）方法与网格搜索方法。通过仿真与国家雷电监测网实际定位结果对比分析定位算法性能。结果表明:到达时间差（time difference of arrival,TDOA）法和Taylor级数展开法定位误差较大,仿真区域的均方根误差分别为982 m和668 m;定位中引入DBSCAN方法后,均方根误差明显减小为406 m,引入DBSCAN方法和网格搜索方法后,均方根误差减小为349 m;在相同回击数据条件下,算法DG-LLA与国家雷电监测网相比定位数量更多,回击数据的利用率从43.4%提升到51.5%,新增定位结果周围雷达回波特征较强,定位精度更高。     

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。     

A PARAMETRIC METHOD OF SITE ERROR ESTIMATION FOR A LIGHTNING LOCATION SYSTEM

In this paper,a parametric method of site error estimation is developed for a lightning location system (LLS)which consists of three or more direction finders (DFs) and one position analyzer (PA). The site error for eachDF is a function of bearings measured by the DF, and is assumed to be limited-term harmonics. The problemof site error estimation is reduced to a non-linear unconstrained minimization problem by employing the eigentechnique (Orville Jr., 1987). The site error can be found directly by minimizing the objective function. By using the data set obtained with the LLS of three DFs in Beijing area during the summer of 1988, thesite error correction curves for all DFs were found. About 4900 lightning flashes detected by the three DFswere used. The results showed that about 95% of the flash residuals of the sample were within ± 1 degree aftercorrections. The lightning locations with site error corrections were more consistent with the corresponding radarechoes than those without corrections.     

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。     

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。     

COMPARISON OF SINGLE-STATION LIGHTNING LOCATION WITH THREE-STATION MEASUREMENTS AND RADAR DATA

A single-station or monostatic lightning detection and ranging system (M-LDARS),that is based on Wait's wave propagation theory and arrival-time differences between sky- and ground-wave atmospherics,has been developed by the University of Science and Technology of China (USTC).Lightning location by the system was compared with a three-station lightning location (TLL) system during July and August 1991 in Beijing,under the support of Chinese Academy of Meteorological Sciences (CAMS).The experimental results show that M-LDARS system can be used to observe direction,distance,intensity and polarity of cloud-to-ground strokes with good confidence for ranges less than about 250 km.90 percent of M-LDARS location points were within radar echoes,i.e.about 90% of the points were inside of the 0 dB isoline or outside,but within 10 km of the 0 dB isopleth.Average direction deviation and relative average deviation of distance between the single- and three-station measurements are respectively 12.8° and 14.1%.     

基于地闪数据的雷电流幅值累积频率公式探讨

利用2007年和2008年浙江省气象部门闪电定位系统的地闪监测数据,应用Matlab数学软件中的曲线拟合工具箱,以最小二乘法原理对IEEE推荐公式和我国规程推荐公式进行最优化拟合,得出前者拟合效果优于后者的结论。通过分析IEEE推荐公式计算结果与实际值之间的相对误差,发现正闪雷电流幅值累积频率在(1kA,270kA)范围内相对误差绝对值较小,最大不超过10%;而负闪雷电流幅值累积频率在(-1kA,-300kA)范围内相对误差绝对值较大,最大值约为38%。针对上述情况,利用数学软件拟合出负闪(-1kA,-300kA)相对误差曲线的近似函数,修正了原累积频率公式,大幅度减小了其相对误差。其适用范围也从原来的(2kA,200kA)放宽至正闪(1kA,270kA)、负闪(-1kA,-300kA)。     

北京多频段闪电三维定位网及一次雷暴过程的闪电时空演化特征

北京多频段闪电三维定位网（Beijing Broadband Lightning NETwork,简称BLNET）是一个研究和业务相结合的区域性全闪三维定位网。2015年,对BLNET硬件、站网布局及定位算法等方面进行了更新升级,提高了传感器的灵敏度,提升了软件的运算效率和站网的探测性能。升级后的BLNET不仅具备了对云闪、地闪脉冲类型的快速识别和电流峰值估算等功能,也实现了对闪电辐射源脉冲的三维实时定位,以及通道可分辨的闪电放电过程精细定位。对2017年7月7日一次雷暴过程的闪电辐射源脉冲实时三维定位结果分析表明,这次雷暴过程一共观测到11902次闪电,以云闪为主,地闪占总闪的28%,正地闪较少,仅占总地闪的5%,在雷暴成熟期,最大闪电频数高达927 flashes (6 min)?1。通过对比分析闪电辐射源位置和对应时刻的雷达回波,发现辐射源基本集中在强回波范围内。对一次正地闪的精细定位表明,该正地闪初始阶段表现出明显的预击穿过程,闪电辐射源的始发位置位于海拔高度约5.4 km,随后通道向上发展,在约10 km高度,通道开始沿着水平发展。对一次负地闪的精细定位表明,初始阶段放电首先从约7.1 km高度处始发,通道向南水平发展,同时部分负先导分支向下发展,约38 ms后,通道短暂停止发展,17 ms后,通道始发处重新激发。以上结果表明,BLNET不仅具备对整个雷暴生命史闪电活动的三维实时定位和监测,而且可以实现对闪电三维放电通道的精细定位。