闪电定位系统资料的应用

通过文献收集,提出了验证闪电定位系统资料的可靠性或准确性的方法,另外根据目前防雷工作发展状况及社会需求,进一步总结了闪电定位系统资料的几种应用方向.     

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。     

基于实况资料的闪电定位系统定位精度分析

对江西省2013—2014年雷击造成死亡、因雷击造成气象仪器运行中断的个例进行回访和筛选,选取事故发生地点、时间确定的样本。与样本对应,在江西省闪电定位资料中选取同一时间段、同一地点附近的地闪,计算两者的经纬度差,并计算两点间距离。通过直击雷样本对比分析得出闪电定位最小定位误差平均为0.958 6 m。同时,通过对气象仪器电磁脉冲与雷电波侵入故障样本分析得出,4 km范围内的地闪有可能造成因雷电电磁脉冲对仪器设备的损坏。     

基于VLF/LF三维闪电监测定位系统的北京闪电特征分析

利用北京地区VLF/LF三维闪电监测定位系统的2015年1月—2016年12月的数据资料,分析北京地区总闪、云闪和地闪的时空分布和电流强度特征。结果表明:（1）北京地区闪电主要发生在6—9月,峰值出现在7月;一天中闪电高发时段在15时—次日02时,总闪频数的日变化存在3个峰值,分别出现在15、20时和次日02时。（2）北京地区总闪密度高值区主要集中在两个区域:①门头沟区中南部至昌平区中西部山前一带;②密云、顺义和平谷三区交界的山前一带。云闪和地闪密度的大值区也基本出现在这两个区域。（3）云闪高度主要集中在9 km以下,且3~6 km的云闪频数最多;云闪高度约在15 km以下时,平均雷电流强度随云闪高度的增大而增大,而超过15 km的平均雷电流强度随云闪高度增大而减小。（4）闪电雷电流强度主要集中在5~50 kA,雷电流强度大于100 kA的闪电很少发生;闪电频数高的时段平均雷电流强度较小,闪电频数低的时段平均雷电流强度较大。      

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。     

基于卫星资料的全球闪电定位系统探测效率评估

基于2005-2010年间OTD/LIS闪电观测数据,评估了同期全球闪电定位系统(World Wide Lightning Location Network,WWLLN)的平均探测效率,分别就全球和三大闪电高发区的闪电活动特征,对WWLLN的探测效率进行了讨论分析。OTD/LIS探测得到的全球闪电密度最高值在非洲地区,为160.7km^-2·a^-1;而WWLLN探测到的闪电密度的最高值在北美洲为15.7km^-2·a^-1。由于WWLLN探测系统子站在全球布网不均匀,在全球不同区域,WWLLN的探测效率不同。在东南亚地区,WWLLN的探测效率为8.62%;在非洲地区,WWLLN的探测效率为1.86%;在南北美洲,WWLLN的探测效率为7.18%。除此之外,随着月份的变化,不同地区WWLLN的探测效率也不尽相同。如在东南亚,12月的探测效率最高为13.78%;非洲地区2月探测效率最高为2.49%;南北美洲地区,10月探测效率最高为8.44%。随着站点的逐年增多和定位方法的改进,WWLLN的探测效率也在不断提高。3大闪电高发区WWLLN的探测效率呈现明显的逐年增高。     

2006-2009年南京地区闪电活动分布特征

利用2006-2009年江苏省闪电监测定位系统资料,对南京地区闪电活动特征进行了分析,发现闪电集中发生在6-8月的12-20时,其他各月闪电频数较低,这主要是由于南京夏季对流活动频繁,且在午后至傍晚的时间段内,气温偏高,较易产生强对流的雷暴天气等原因造成的.南京地区大部分区域的平均雷击大地密度值介于2～6次/(km²·a)之间,平均雷击大地密度极大值中心出现在江宁区,平均雷击强度值介于5～40kA之间,南京长江大桥附近出现了平均雷击强度极大值的中心,最大值达75kA以上.地形地貌、下垫面性质、水汽条件等因素可能是导致上述特征的主因.所获得的闪电活动特征闪电参数在雷电防护、雷击风险评估等领域具有一定的应用价值.     

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。     

基于DDW1全闪三维闪电定位系统的闪电活动探测分析

2020年12月,广东省ADTD(Advanced TOA and Direction)闪电定位系统升级改造为DDW1全闪三维闪电定位系统,于2021年1月业务运行,使得广东省拥有了闪电三维定位业务观测能力。DDW1闪电定位系统不仅在硬件性能、数据处理、探测效率和定位算法等方面有提高,同时还新增了闪电辐射源的三维定位功能。基于DDW1闪电定位系统观测数据和广州S波段双极化天气雷达资料,分别对广东省2021年闪电时空分布以及一次飑线系统云闪三维分布特征进行分析。分析结果表明,闪电活动主要出现在5—9月,占总数92.9%,闪电活动多发时段为13—18时,占总数53.1%;广东省闪电聚集区分布在地势较低的珠三角和粤西地区,地势高的山地地区闪电活动相对较少;云闪辐射源主要出现在强对流区底部,高度主要分布在1~5 km,占总数61.3%,一定程度上刻画了雷暴云中电荷区的分布情况。全闪定位结果与对应时刻雷达回波具有高度一致性。     

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。     

闪电发生的环境场特征及闪电活动的预报

利用2006—2015年6—8月章丘探空站逐日探空资料,计算了K指数、抬升指数、对流稳定度指数等6个环境参数,探讨了单个环境参数和多个环境参数组合与闪电活动的关系。结果表明：1）单个环境参数在一定数值范围内可作为闪电活动预报的指标,且较强的闪电活动更容易由大气的不稳定状态来预报;2）多个环境参数的组合可在一定程度上反映闪电活动的特征,闪电出现的概率随着达到大气不稳定临界值物理量参数个数的增多而增大,预报效果比单个参数更好;3）应用事件概率回归方法建立了闪电概率潜势预报方程,方程通过了α=0.01的显著性水平检验,通过检验和评估,闪电概率预报的TS评分达到78%,该方法的建立为闪电潜势预报提供了参考依据。     

北京地区闪电活动及其与强对流天气的关系

利用单站闪电定位系统Ｍ－ＬＤＡＲＳ监测１９９５～１９９７年夏季北京地区的闪电话动,分析结果表明,闪电频数的日变化与强对流天气发生有一定对应关系,不同类型的天气过程,如冰雹,暴雨发生时,闪电中地闪和云闪的比例有明显的差异,其中地闪中正,负闪和云闪中正,负闪的比例呈现一定的规律性。     

基于雷声到达时间差的单站闪电通道三维定位系统

利用麦克风阵列采集雷声信号,设计了一套由麦克风阵列和便携式数据采集存储设备组成的单站闪电通道三维定位系统,采用CCF相关函数法计算了雷声脉冲信号到达不同麦克风的时间差,通过最小二乘法获得声源的方向角和仰角信息,并结合声源与麦克风阵列的距离定位声源的三维位置。对一次包括8次回击的人工触发闪电过程进行了观测,得到多个声源点的三维定位信息。系统的定位结果与高速摄像的观测结果具有较好的一致性,定位方法合理、可行,为进一步研发便携式闪电通道三维定位系统奠定了基础。     

山西省闪电活动时空特征及其与地形的相关性分析

利用山西省2008—2011年的ADTD闪电定位数据,对省内闪电活动时空特征及其与地形的相关性进行了分析。结果表明:不同年份的闪电活动区域差别明显。2008年和2011年省内闪电活跃系数>0.8,闪电活动频繁。山西省中、东部地区闪电最为活跃,最大闪电密度超过4.5次/(km2·年)。负地闪频数明显高于正地闪,但后者平均强度更大。雷暴的产生需要局地加热过程,所以闪电月集中分布在对流旺盛的夏季,日变化峰值集中在午后。受地形抬升机制的影响,在数值上闪电密度与海拔呈现明显的正向线性关系,相关系数达0.9。在空间中闪电活跃区域与海拔变化剧烈的地方一致。因此,闪电活动与海拔高度的相关性实质是海拔梯度对雷暴发展提供抬升动力的体现。     

山地环境雷电活动特征分析——以三清山为例

三清山是世界自然遗产和世界级地质公园,旅游景区的客流量非常大,因而三清山的雷电监测预警工作尤为重要。为此,本文截取了三清山地闪数据,以1km~2网格为基本单元,得到各单元内2011~2015年期间的全部地闪频次、极性、强度等数值,来分析三清山雷电活动特征及地形对雷电活动的影响。研究表明:(1)2011~2015年的四个季节中,三清山正闪电比例大部分要高于江西省的正闪电比例值,其中冬季正地闪比例最高,春季次之。(2)三清山6~8月雷暴活动最为活跃,落雷密度极大值中心随着月份推移,其移动规律:北部→南部→最南部→北部。三清山落雷密度分布不均匀,整体呈“南高北低”的趋势。(3)落雷密度在海拔800m以下,随海拔的上升而减小,800m以上,随海拔上升整体上表现出明显的增长趋势。雷电流平均强度在1000m以下随海拔变化未表现出明显规律,而在1000m以上,雷电流强度随海拔上升逐渐增强,呈现明显的正相关性,其相关系数R达到0.9253。      

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。     

闪电定位系统及GPS在某防雷工程设计中的结合应用

通过在某防雷设计项目中应用闪电定位仪及GPS对建设项目的精细化的精度要求进行实际对比分析,提出实施精细化防雷工程设计的必要性和重要性。