闪电定位网定位效率评估

霍涛 唐笑男 王志超

（1.长沙市气象局 湖南省长沙市 410205 2.中国气象局气象探测中心 北京市 100081）

闪电是大自然中一种放电现象，也是严重的自然灾害之一，所以闪电监测和定位技术是研究闪电物理的重要手段，同时也对雷暴大风、龙卷、冰雹等强对流灾害性天气的预警预报有重要作用。为更好的针对闪电相关气象服务和科研，了解闪电定位网的定位效能，因此需要对闪电定位网的定位效能进行评估。评估闪电定位网的重要指标是其定位效率，是指探测到的回击数量占实际发生的闪电数量的百分比。地闪定位网定位效率进行评估最常用的方法是以人工引雷和地面光学观测为主的观测实验验证方法。人工引雷可以分析探测网络内的定位效率，禹继等利用广东从化人工引雷资料，评估了升级前后的粤港澳闪电定位系统，回击的探测效率从40%提升到了90%。地面观测主要以闪电光/电同步观测为主，其中光学观测用来记录地闪回击放电通道，同步的电场变化资料可以提供闪电的极性和回击数。

国内很多学者对不同设备、不同布站方式、不同地闪采集阈值以及不同处理软件的两套闪电定位系统的探测效率进行过对比分析。赵伟等利用电力部门雷击跳闸记录对比分析，电力部门闪电定位监测数据（LLS）逐年探测效率稳定并且高于气象部门的探测效率， 两者相差约6%。刘岩利用雷灾资料对比发现，ADTD型闪电定位仪监测到的闪电记录较LD-Ⅱ型在受灾点距离、误差方面都较好。但由于目前两套不同闪电定位系统存在差异,无法准确分析目标闪电定位系统的站点数目、布置位置及站间距对其探测效率的影响。因此本文想通过对两套同设备、同参数、不同布局的ADTA闪电定位系统进行对比分析，以初步研究定位系统布站合理性和探测效率。

1 资料及方法

1.1 闪电定位数据

气象部门的国家级闪电监测网在湖南省总共布设10套闪电定位仪，布局如图1-2。除此之外，长沙市气象局在整个长沙地区也布设10套闪电定位仪。为比较省市两套站网对长沙地区闪电探测效果，首先进行数据筛选，选取定位方式为三站或四站定位的有效数据，探测数据为2017年-2018年定位在长沙地区的全部闪电。

图1：长沙市站网分布

图2：湖南省国家站网分布

1.2 统计方法

在实际应用过程中，多个闪电定位仪组成的闪电定位网可以划分成多个3站组成的子网络。针对长沙地区闪电定位网的布局，将研究区域划分为20km×20km的区块，并将这10个闪电定位仪划分为不同的3站子网络，对不同闪电定位仪在不同区块的探测效率进行计算，并统计全网在该区块的定位效率。

本方法通过对历史数据的分析，忽略了仪器类型、阈值设置和地形因素等对闪电定位网的定位效率的影响。由于闪电定位仪本身对弱电流探测能力有限，历史数据仅包含可探测的强峰值电流闪电，而忽略了较多的弱电流地闪。

对于长沙市局域网的闪电定位系统对于雷电探测效率，计算方法从统计所探测到的闪电密度、累计强度和平均强度的分布来研究。将长沙整个地区划分为1km×1km的区块，使用落点统计办法，统计出每个网格上闪电数量。

2 结果分析

2.1 探测效率分析

国家站网中长沙站对于整个长沙地区探测效率方差分布见图3，在闪电定位仪有效率探测范围内，绝大部分区域均方差小于15%，可见定位效率算法有良好的自洽性，定位效率评估接近真实值。

图3：探测效率方差分布图

图4为长沙站和国家站网探测效率分布情况，可以看到长沙站能探测全区大部分闪电，尤其在东部探测效率较好，在全区中部及西部大部探测效率较差，在距离较近的区域探测效率最低。整体看只有东部部分地区探测效率为60%以上，中西部地区探测效率低于30%。而在国家站网对长沙地区探测效率来看，全区效率均为均匀，基本效率都是在60%以上，基本可以探测定位长沙地区闪电。

图4：长沙站和国家站网探测效率分布

闪电定位仪的定位效率既与回击的发生距离和方位角有关，同时也与回击本身的强度有关，闪电定位仪自身设置的动态范围会忽略近距离的部分强回击和远距离的弱回击信号。因此单站闪电定位仪在近处和远处的探测效率都较低，而在相对合适的距离范围探测效率较高。

从图5闪电定位效率与距离的关系图可以看到，在距离在0-140km范围内，探测效率都在40%以上。在距离较近20km范围时，探测效率仅为40%左右，是探测效率最低的。定位效率随着距离的变化是先增加后减小的，在40-80km之间探测效率是最好的，可达到70%以上。80km以外探测效率是开始减小的，长沙站140km以外无法定位回击信号。

图5：闪电定位效率与距离的关系

闪电定位仪的定位效率也随方位角的变化而变化，图6给出了定位效率与方位的关系。在探测范围内，将100km范围内各区块划分为12个方向，统计各个方向闪电定位仪的定位效率。在东部地区探测效率较高，定位效率在60%，其他方向效果不理想。闪电定位仪定位效率随方位角变化的巨大差异与仪器设置，安装环境，地形因素和站网布局等关系密切。图7给出了站网对于弱电流探测分布情况，发现对于20KA以下弱电流探测能力不强。

图6：定位效率与方位的关系

图7：弱电流探测分布

2.2 两套站探测数据对比

2017年1月-2018年12月，国家站网总闪次数为32556次，长沙市级闪电定位网为41940次。国家站网正闪为1418次，负闪为31138，市级网正闪为2628次，负闪为39312次。国家站网正闪平均强度为74.53KA，负闪平均强度为47.94KA;市级网正闪平均强度为40.87KA，负闪平均强度为28.83KA。图8给出了两套站探测闪电强度的分布情况，可以看出两套站比较一致的是探测到闪电强度相对集中在-50KA到-10KA，但峰值稍有不同，市局站网最集中的为-20KA左右，而国家站网峰值集中在-30KA。

图8：探测闪电强度分布

2.3 两套站网探测闪电分布情况

对于国家站网和市局局域站网探测效率分析是对于站网布局有重要意义，而站网探测结果分布的分析也可以比对出两套站网差异所在。从两套站网闪电定位密度分布图9来看，国家站闪电密度分布较相对均匀，市局站网闪电密度分布集中在中部地区。再比较两套站累计强度（图略）与密度分布较一致，国家站网探测强度累计值分布较市局站网分布均匀。但是平均强度分布来看（图略），市局站网分布明显更加均匀。

图9：长沙站和国家站闪电密度分布

3 结论

本文利用国家站网和长沙市局站网的两套ADTD闪电定位网，对长沙地区2017-2018年闪电定位资料进行分析，对长沙地区的闪电定位效率进行评估，同时分析了两套站网闪电定位仪的探测结果分布情况。结论如下：

长沙站闪电定位仪探测效率随距离和方位角的变化而变化。在闪电定位仪20km范围内，探测效率较低仅能达到40%。闪电定位仪的探测效率又逐渐随着探测距离的增加而增加，在40～80km范围达到最大效率。在80km以外的范围，闪电定位仪的定位效率开始逐渐下降，闪电定位仪有效探测范围为140km。在方向上，闪电定位仪在地区东部的探测效率优于西部，探测效率最大值出现在东南到东北方向间，为60-80%。定位效率最低为西南偏西方向，定位效率为20%。利用两套站网探测的资料所得到的闪电密度和强度分布来看，国家站网闪电密度较市级站网均匀，市级站网对于探测弱电流回击优于国家站网。

本文对闪电定位效率和分布特征的分析可以很好的订正闪电密度产品，同时对整个探测网络的站网优化布局、设备安装环境调查起到积极的作用。但是市局站网历史观测数据量较少，对闪电探测效率评估比较有限。改善闪电定位仪的探测灵敏性，使其能探测到更多的弱电流回击放电过程，并增加探测基站密度，可以有效改善探测效率，以提高强天气过程的监测和预警预报。另外，未来还可进行一些区域性的闪电观测实验或人工引雷资料对评估结果进行修正。