呼包鄂地區(qū)閃電定位資料誤差分析及場地誤差優(yōu)化

王漢堃 秦兆軍 金 師

?

呼包鄂地區(qū)閃電定位資料誤差分析及場地誤差優(yōu)化

王漢堃1秦兆軍1金 師2

1.內蒙古自治區(qū)雷電預警防護中心，內蒙古 呼和浩特 010051 2.呼和浩特市氣象局，內蒙古 呼和浩特 010051

對目前常用的磁定向法誤差來源進行分析，通過對現(xiàn)有的呼包鄂地區(qū)2010-2014年閃電定位數(shù)據(jù)進行篩選，確定包頭青山、東勝、和林格爾三個分析站點，建立分析樣本，利用陳明理等基于Orville的本征值技術發(fā)展完善的場地誤差優(yōu)化模式進行優(yōu)化，用對應的雷達資料和雷災資料與訂正后的定位資料進行對比。驗證表明：經(jīng)過場地誤差優(yōu)化后原本在強回波區(qū)域外的定位數(shù)據(jù)返回了強回波區(qū)域中，明顯更符合實際情況，場地優(yōu)化模式可以顯著提高閃電定位資料的準確性，對今后的雷電監(jiān)測預警、雷災調查等工作都有積極的意義。

閃電定位；誤差；優(yōu)化

呼包鄂地區(qū)位于內蒙古自治區(qū)中西部的核心區(qū)域，包括包頭市、呼和浩特市、鄂爾多斯市，呈品字形分布于黃河兩岸，是內蒙古最具活力的城市經(jīng)濟圈，被譽為內蒙古的“金三角”地區(qū)。呼包鄂地區(qū)地型復雜，北部大青山和東南部蠻漢山為山地地形，黃河從中穿過，南部以平原為主，眾多因素導致了呼包鄂地區(qū)雷電頻發(fā)，年平均雷暴日在25天以上，屬于中雷區(qū)，是全國防雷減災工作的重點地區(qū)之一。近幾十年來，由于對閃電現(xiàn)象的深入研究以及遙感遙測等技術的發(fā)展，在閃電探測特別是對地閃的監(jiān)測定位方面取得很大的進展[2]。閃電定位系統(tǒng)的基本原理是依靠接收地閃回擊發(fā)出的甚低頻信號（VLF）來實現(xiàn)定位的。由于安裝場地存在差異使得閃電定位系統(tǒng)在使用中存在較大誤差，對閃電定位系統(tǒng)在實際工作中的應用產(chǎn)生了較大的影響，這就需要對這種定位誤差的來源和處理方法進行深入研究，得出有效解決閃電定位系統(tǒng)存在探測誤差的方法。呼包鄂地區(qū)采用的是北京華云東方探測技術有限公司開發(fā)的ADTD閃電定位系統(tǒng)，自2009年運行以來一直未開展系統(tǒng)的探測效率、誤差分析等相關研究，閃電定位資料雖然已廣泛的應用于雷擊災害風險評估、雷電災害監(jiān)測預警、雷災技術調查等眾多防雷業(yè)務中，但定位資料一直不夠準確，給日常的防雷減災業(yè)務帶來了不必要的損失，閃電定位資料的準確性已成為制約其在相關業(yè)務中進一步應用的重要因素。

1 閃電定位資料誤差分析

目前國內外常用的閃電定位方法有時差法、磁定向法及混合法，本文僅對磁定向法的誤差進行分析和探討。磁定向法是通過各方位探測器（DF）測量指向閃電位置的方位角，進而進行球面三角交匯來確定閃電位置的。

由于各種隨機因素及站址周圍場地環(huán)境的影響使實測方向具有兩種不同誤差，即隨機誤差和場地誤差。隨機誤差只有1°左右。但因站址而引起的場地誤差卻可達5°～15°，甚至更高。[3]場地誤差可看作兩部分組成，一部分是由于DF本身天線的原因造成的旋轉誤差，這部分誤差為常數(shù)；另一部分是由于測量場地周邊環(huán)境因素的影響造成的誤差，這部分誤差是方位角的函數(shù)[4]。由于旋轉誤差為常數(shù)，比較容易訂正，本文將著重圍繞后一部分場地誤差的優(yōu)化方法展開，為方便描述，后文中所有提到場地誤差除特別之外的全部為不包含旋轉誤差的場地誤差。

2 基于本征值技術的場地誤差優(yōu)化模介紹

基于Orville的本征值技術[5]，1990年陳明理等發(fā)展完善了一套場地誤差優(yōu)化模式，對北京地區(qū)的閃電定位資料進行了優(yōu)化處理，確定出場地誤差曲線并優(yōu)化閃電位置，發(fā)現(xiàn)該模式具有明顯的場地誤差處理功能[6]。

2011年張其林等利用該模式對甘肅平?jīng)龅貐^(qū)的閃電定位資料進行了優(yōu)化和驗證，收到良好的效果，證明該模式對于山地地形也有一定的適用性。但是，由于復雜地形的影響，不同地區(qū)的閃電定位系統(tǒng)誤差各不相同，該模式在呼包鄂地區(qū)的適用性有待進一步驗證。此外，本文采用了呼包鄂地區(qū)2011—2014年近200萬條資料，對于場地誤差的優(yōu)化可靠性更強。[7]

2.1 不考慮場地誤差下的優(yōu)化模式

在不考慮場地誤差的情況下，閃電定位資料只存在隨機誤差，為便于表示，用i表示探測站的序號，用j表示該探測站監(jiān)測到的地閃序號，那么有：

其中：θij表示第探測器i監(jiān)測到的第j個地閃的方位角；αij表示探測器（DF）i與第j個地閃真實的方位角，eij為探測器（DF）i探測地閃j產(chǎn)生的隨機誤差。

記地閃j的經(jīng)緯度坐標為（Lj，φj）=（經(jīng)度，緯度），探測器（DF）i的坐標（Ldi，φdi）=（經(jīng)度，緯度），那么αij可表示為：

最終Orville[5]推導出對應第j個地閃的優(yōu)化位置P（Lj，φj）為：

2.2 考慮場地誤差下的優(yōu)化模式

考慮到場地誤差的情況，探測角與實際方位存在如下關系：

其中：Nf表示地閃樣本數(shù)，表示場地誤差存在情況下探測器i監(jiān)測到的第j個地閃的測量角，θij表示經(jīng)場地誤差訂正后的角度，為探測器i監(jiān)測到的第j個地閃的場地誤差。

我們假定系統(tǒng)具有下列形式的場地誤差：

Nh為傅里葉基數(shù)項數(shù)。這樣，對于某一個的值，由（5）-（9）可知第j個閃電最小的的值為，于是對所有閃電樣本可建立目標函數(shù)?。

3 場地優(yōu)化模式應用

3.1 定位資料來源

基礎數(shù)據(jù)源于內蒙古自治區(qū)氣象局ADTD閃電定位系統(tǒng)2011-2014年的閃電定位觀測資料。通過對原始數(shù)據(jù)反復篩選，確定包頭青山、東勝、和林格爾3個訂正目標站點，并篩選出大量同時性較好的回擊數(shù)據(jù)，在篩選中還發(fā)現(xiàn)2013年8月11日閃電定位數(shù)據(jù)多達60688條，剔除掉無用數(shù)據(jù)依舊包含大量有效數(shù)據(jù)，適合用于雷達回波的對比驗證。

根據(jù)歷年研究資料表明，負地閃發(fā)生的區(qū)域在回波強度大于35 dbz，云頂高度7 km以上，但由于雷達資料的原因，本文選取了呼和浩特雷達站回波強度大于35 dbz，云頂高度超過8 km的雷達資料用于對比驗證。

3.2 閃電定位資料場地誤差的優(yōu)化

通過對數(shù)據(jù)的篩選和計算，最終得出包頭青山、東勝、和林格爾三個站點的場地誤差曲線如下：

圖1 各站點誤差曲線

其中：橫坐標為實測方位角，縱坐標為場地誤差。坐標0點從上到下依次對應包頭青山、東勝、和林格爾。

從圖1可以看出，各站點的場地誤差均在10°以內。利用圖1的結果和公式（8）就可以對每一個探測站閃電定位資料場地誤差進行優(yōu)化，然后重新交匯就可以求得經(jīng)過訂正后的閃電定位資料。[9]

3.3 雷達資料對比驗證

由于雷達回波資料為6分鐘一組，通過閃電定位資料的分析發(fā)現(xiàn)，2013年8月11日00：00—00：08、2013年8月11日5：40—5：48兩個時間段的閃電定位樣本數(shù)據(jù)量較大，位置也相對集中，與雷達數(shù)據(jù)對比驗證效果比較明顯。[10]因此，確定2013年8月11日00：00—00：08、2013年8月11日5：40—5：48兩個時間段的雷達資料進行對比驗證，效果如圖2、圖3：

圖2

圖3

圖2為實測數(shù)據(jù)與雷達回波疊加效果，圖3為經(jīng)場地優(yōu)化模式后數(shù)據(jù)與雷達回波效果疊加，由圖2與圖3比可以看出，部分原本在雷達強回波區(qū)域外的探測點返回了強回波區(qū)域內，明顯更接近于實際情況。對站點閃電定位資料場地誤差優(yōu)化效果比較明顯。

3.4 雷災資料驗證

2013年9月9日13：40左右，呼和浩特市海拉爾大街華泰4S店院遭受雷擊，造成部分設備損壞，直接經(jīng)濟損失6萬余元。有人目擊稱當時看到院內桿塔遭受直接雷擊，根據(jù)現(xiàn)場勘查及相關數(shù)據(jù)，桿塔接地線實測剩磁為2.0T，并在斷接卡處有熔痕，說明桿塔確實有大電流流過。根據(jù)當日閃電定位資料顯示，當日在13：30—13：50分在雷擊點附近共監(jiān)測到三次地閃，坐標如表1。

表1 監(jiān)測到雷擊點附近閃電坐標

其中最接近雷擊點的228號地閃距離雷擊點的距離近2公里，229號地閃距離雷擊點的距離近4.7公里。在228號地閃數(shù)據(jù)中包含了本次優(yōu)化站點和林格爾和包頭青山兩個站點的回擊數(shù)據(jù)，229號地閃數(shù)據(jù)中包含了和林格爾、包頭青山和東勝三個站點的回擊數(shù)據(jù)，由于229號數(shù)據(jù)中和林格爾的回擊數(shù)據(jù)探測時間上存在明顯誤差，應予以剔除.因此，我們對228號數(shù)據(jù)和229號數(shù)據(jù)中優(yōu)化站點的回擊數(shù)據(jù)利用誤差曲線優(yōu)化后重新交匯，得出新的閃電定位數(shù)據(jù)為：228號數(shù)據(jù)（經(jīng)度：40.8297，緯度111.613）、229號數(shù)據(jù)（40.8114，111.6013）。進過優(yōu)化后的228號地閃距離雷擊點的距離為1.1公里，229號地閃距離雷擊點的距離近3公里，更接近與實際情況。但由于目前可以用于對比驗證的直擊雷在案例僅有一例，因此雷災案例的對比驗證結果可能存在一定的偶然性，僅能用于參考。

4 結論與思考

本文主要利用了2011—2014年呼包鄂地區(qū)閃電定位資料，經(jīng)過對數(shù)據(jù)的反復篩查保留同時性較好的數(shù)據(jù)后建立數(shù)據(jù)樣本，確立包頭青山、東勝、和林格爾三個目標站點，通過場地誤差優(yōu)化模式對數(shù)據(jù)樣本進行優(yōu)化，繪制出包頭青山、東勝、和林格爾三個站點的場地誤差曲線，進過誤差曲線對閃電定位資料進行場地誤差訂正后，重新進行交匯并與選取的雷達云頂高度和回波強度進行對比驗證。驗證表明，該模式在地形復雜呼包鄂地區(qū)同樣具有一定的適用性。但在驗證試驗中發(fā)現(xiàn)，當天氣過程較弱，閃電分布較分散的個別情況下，優(yōu)化后的定位資料依舊無法返回雷達強回波區(qū)，原因一直沒有找到，希望在日后的工作中能夠進一步的完善和探討。

[1]許小峰．國家閃電監(jiān)測網(wǎng)的建設與技術分析[J]．中國工程科學，2002（5）：7-13．

[2]張義軍，孟青，馬明，等．閃電探測技術發(fā)展和資料應用[J]．應用氣象學報，2006，17（5）：611-620．

[3]張其林，劉曉東，劉明遠，王靜．甘肅平?jīng)鲩W電定位資料誤差分析及其優(yōu)化[J]．氣象科技，2011，39（6）：808-813．

[4]陳明理，劉欣生，郭昌明，等．確定閃電定位系統(tǒng)場地誤差的參數(shù)化方法[J]．高原氣象，1990，9（3）：207-319．

[5]Orville R E．An analytical solution to obtain the optimum source location usingmultiple direction finders on a spherical suface [J]．J Geophys Res，1987，92（9）；10877-10866．

[6]陳明理，劉欣生，郭昌明．北京地區(qū)閃電定位系統(tǒng)場地誤差及其結構分析[J]．氣象學報，1933，51（1）：66-74．

[7]Schutte T．An experimental stydy of the angle correction of the direction findersof the LLP system in Sweden[C]//Institute of High Tension Research，Uppsala，Sweden，UURIE，1984：158-184．

[8]馮民學，韋海容，焦圣明，等．南京市閃電定位資料的對比分析[J]．南京氣象學院學報，2008，31（2）：151-157．

[9]田芳，肖穩(wěn)安，馮民學，等．閃電定位儀觀測結果的修訂分析[J]．華東電力，2008，36（6）：38-42．

[10]徐洪澤．江蘇閃電定位網(wǎng)資料的分析與研究[D]．南京：南京信息工程大學，2007．

Error analysis of lightning location data and optimization of site error in the area of

Wang Hankun1Qin Zhaojun1Jin Shi2

1. Inner Mongolia Autonomous Region lightning protection center，Inner Mongolia Hohhot 010051 2. Hohhot Meteorological Bureau，Inner MongoliaHohhot 010051

The analysis of the sources of error of magnetic orientation method are used，based on the existing hu-bao-e area 2010-2014 lightning location data screening，analysis to determine the three stations in Baotou Dongsheng，Castle Peak，Helingeer，established by Chen Mingli and sample analysis，the eigenvalue of Orville technology development site error optimization model optimization based on the comparison with the location information corresponding to the radar data and lightning disaster data and revised. Results show that after site error of optimized positioning data originally in the strong echo area outside the back of strong echo area，significantly more in line with the actual situation，site optimization model can significantly improve the accuracy of lightning location data，have a positive significance for the future of the lightning monitoring and early warning，disaster investigation work.

lightning location；error；optimization

P427.32；P412

A

1009-6434（2016）11-0153-04