WWLLN與江蘇省ADTD閃電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析

崔遜,高金閣,樊榮

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WWLLN與江蘇省ADTD閃電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析

崔遜①*,高金閣①,樊榮②

① 南京信息工程大學(xué) 大氣物理學(xué)院,江蘇 南京 210044;

② 湖州市氣象局,浙江 湖州 313000

2013-03-10收稿,2013-04-13接受

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41275009)

利用WWLLN(World-Wide Lightning Location Network,全球閃電定位網(wǎng))與江蘇省ADTD(Active Divectory Topology Diagrammer,活動(dòng)目錄拓?fù)鋱D)閃電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù),對(duì)2006—2009年江蘇省閃電活動(dòng)年際變化、月際變化、日變化和空間分布、以及探測(cè)效率和探測(cè)精度等展開(kāi)研究討論。結(jié)果表明,WWLLN探測(cè)的閃電時(shí)空分布趨勢(shì)與ADTD保持較好的一致性:江蘇省白天發(fā)生的閃電次數(shù)略高于晚上;閃電主要集中發(fā)生在6—8月,仲夏閃電最為活躍;一天中閃電頻次峰值時(shí)間段出現(xiàn)在16時(shí)(北京時(shí)間)左右;江蘇省閃電分布呈現(xiàn)明顯的地域性,閃電密度高值區(qū)位于省內(nèi)偏西和偏南地區(qū),大致與江蘇省經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的地域分布相吻合。總體上,WWLLN探測(cè)到的閃電頻次和閃電密度值比ADTD小一個(gè)數(shù)量級(jí)。隨著WWLLN全球測(cè)站數(shù)目的逐年增加以及WWLLN定位技術(shù)的升級(jí)完善,WWLLN探測(cè)效率和探測(cè)精度逐步提高。WWLLN探測(cè)效率與回?fù)綦娏鳂O性和強(qiáng)度大小有關(guān)聯(lián)。

WWLLNADTD時(shí)空分布探測(cè)效率探測(cè)精度

雷暴是自然界中頻繁發(fā)生的一種高強(qiáng)度的對(duì)流天氣現(xiàn)象(Novak,2007)。伴隨著雷暴的發(fā)生,會(huì)引發(fā)強(qiáng)烈瞬變的電磁脈沖。同時(shí)雷暴過(guò)程通常伴隨著大風(fēng)、龍卷、強(qiáng)降水、冰雹以及雷電等災(zāi)害性天氣活動(dòng)。每年雷電造成的災(zāi)害都多有發(fā)生,常常引起嚴(yán)重的后果。不僅干擾通訊、輸電、航空飛行、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等的安全運(yùn)行,有時(shí)還引發(fā)火災(zāi)、擊毀建筑、擊斃人畜等。聯(lián)合國(guó)十年減災(zāi)委員會(huì)已將雷電列為“最為嚴(yán)重的十大自然災(zāi)害之一”(王潤(rùn)等,2000)。雷電也是我國(guó)危害程度僅次于暴雨洪澇、氣象地質(zhì)災(zāi)害的第三大氣象災(zāi)害。

作為經(jīng)濟(jì)大省,江蘇省位于我國(guó)大陸東部沿海中心、長(zhǎng)江下游,東瀕渤海,東南與上海和浙江毗鄰,西連安徽,北接山東,是長(zhǎng)江三角洲地區(qū)的重要組成部分。江蘇省處于亞熱帶向暖溫帶的過(guò)渡區(qū),四季分明,是閃電多發(fā)省份。一旦發(fā)生雷擊事故,對(duì)人身生命安全及社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成的危害不可估量。以往對(duì)江蘇省閃電活動(dòng)的監(jiān)測(cè)手段方法比較單一,大多僅僅局限于氣象部門(mén)ADTD閃電定位網(wǎng)或其他探測(cè)網(wǎng)的獨(dú)立觀測(cè)數(shù)據(jù)研究。因此,用近年發(fā)展迅速的全球閃電定位網(wǎng)WWLLN(World-Wide Lightning Location Network)與江蘇省氣象部門(mén)ADTD(Active Divectory Topology Diagrammer,活動(dòng)目錄拓?fù)鋱D)閃電定位系統(tǒng)資料相互對(duì)比分析,對(duì)江蘇省閃電活動(dòng)特征進(jìn)行研究,更有利于加深對(duì)江蘇省閃電活動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)和理解,為積極做好防雷減災(zāi)工作,建立相關(guān)的防雷設(shè)施提供更加可靠的理論依據(jù)。

現(xiàn)今,閃電定位技術(shù)日趨豐富:從地面電場(chǎng)儀到空中電場(chǎng)儀,從地基閃電定位系統(tǒng)到天基的衛(wèi)星觀測(cè),從最初的單站觀測(cè)到后來(lái)的組網(wǎng)多站定位,從開(kāi)始的磁定向(MDF,Magnetic Direction Finding)到后來(lái)的時(shí)差法(TOA,Time of Arrival)再到現(xiàn)在的聯(lián)合定位(IMPACT,IMProved Accuracy from the Combination of MDF and TOA Technology)。英國(guó)氣象局利用到達(dá)時(shí)間差法ATD(Arrival Time Differences),通過(guò)原子時(shí)鐘計(jì)時(shí)和電話線傳輸閃電波形數(shù)據(jù),建立了7個(gè)測(cè)站對(duì)歐洲大部分地區(qū)的閃電進(jìn)行探測(cè)(Lee,1986a,1986b,1989)。以ATD定位技術(shù)為基礎(chǔ),美國(guó)國(guó)家閃電定位系統(tǒng)(NLDN,National Lightning Detection Network)采用的是GPS計(jì)時(shí)技術(shù),并運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將雷電VLF波形傳送至中央測(cè)站進(jìn)行處理定位(Cummins et al.,1998;Chronis and Anagnostou,2003)。國(guó)內(nèi)酈嘉誠(chéng)等(2012)、金敏等(2012)、李京校等(2013)分別分析了江蘇五市,北京及其周邊地區(qū),中國(guó)的地閃定位資料,并從地閃的時(shí)空分布特征及強(qiáng)度分布區(qū)間等方面進(jìn)行了研究。陳聰?shù)?2015)利用全球水資源和氣候中心提供的多年閃電衛(wèi)星格點(diǎn)資料,分析了全球閃電與對(duì)流層上部NO和O3體積分?jǐn)?shù)的時(shí)空分布特征及其相關(guān)性。

WWLLN是近年來(lái)投入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的全球閃電定位系統(tǒng)。利用WWLLN資料,Lay et al.(2004)研究認(rèn)為WWLLN能有效探測(cè)到全球范圍的強(qiáng)閃。Rodger et al.(2006)發(fā)現(xiàn)WWLLN可以捕捉到全球12%的精靈閃電。Jacobson et al.(2006)通過(guò)對(duì)WWLLN資料的分析發(fā)現(xiàn)WWLLN全球?qū)崟r(shí)連續(xù)觀測(cè)閃電的作用能在很大程度上彌補(bǔ)其在探測(cè)效率較低方面的不足。Sergio et al.(2010)將WWLLN閃電定位數(shù)據(jù)與美國(guó)國(guó)家閃電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,得到WWLLN探測(cè)效率逐年提高的結(jié)論。

圖1　2009年WWLLN測(cè)站的全球分布Fig.1　Global distribution of WWLLN stations in 2009

本文通過(guò)對(duì)2006—2009年WWLLN/ADTD閃電定位資料進(jìn)行匹配處理,對(duì)比分析兩套閃電定位系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的江蘇省閃電活動(dòng)的時(shí)空分布特征,并對(duì)影響WWLLN探測(cè)效率和探測(cè)精度的因素進(jìn)行分析討論。本文研究目的旨在通過(guò)對(duì)WWLLN與江蘇省ADTD閃電定位系統(tǒng)多年數(shù)據(jù)的對(duì)比分析,加深對(duì)江蘇省閃電活動(dòng)特征及規(guī)律的認(rèn)知和理解,同時(shí)也為日后WWLLN數(shù)據(jù)的可靠性及評(píng)價(jià)體系在我國(guó)國(guó)內(nèi)的研究和應(yīng)用提出指導(dǎo)性建議。

1　全球閃電定位系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1全球閃電定位系統(tǒng)發(fā)展概況

全球閃電定位系統(tǒng)(WWLLN)是由美國(guó)華盛頓大學(xué)研究和開(kāi)發(fā)的一套旨在全球范圍實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)閃電活動(dòng)的定位系統(tǒng)(Rodger et al.,2005)。該系統(tǒng)利用時(shí)間組到達(dá)法TOGA(Time Of Group Arrival),對(duì)閃電發(fā)生時(shí)輻射的甚低頻VLF(3～30 kHz)電磁波信號(hào)接收處理,進(jìn)行閃電定位。圖1為2009年WWLLN測(cè)站的全球分布,圖中每一個(gè)黑點(diǎn)代表WWLLN的一個(gè)測(cè)站。目前全球分布著50個(gè)WWLLN測(cè)站,有6個(gè)測(cè)站位于亞洲地區(qū),分別位于中國(guó)、日本、新加波境內(nèi)。我國(guó)的三個(gè)測(cè)站分別位于北京、南京、蘭州。從圖1中可以看出,全球WWLLN測(cè)站分布并不均勻,且測(cè)站布站間距比較大,這是由于WWLLN測(cè)站接收到的是閃電輻射發(fā)出的甚低頻VLF波段的電磁信號(hào),而這一波段的電磁信號(hào)能在EIWG中以低衰減速度穩(wěn)定傳播,這一特征使得WWLLN測(cè)站間的分布距離可以達(dá)到上千公里(Crombie,1964;Lay et al.,2004)。

WWLLN自投入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)以來(lái),其全球測(cè)站數(shù)目逐年增加,測(cè)站數(shù)目的變化見(jiàn)表1,這也使得WWLLN能夠更加有效地對(duì)全球范圍內(nèi)閃電活動(dòng)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)。

表1WWLLN站點(diǎn)數(shù)目年際變化表

Table 1Interannual change in the number of WWLLN stations

年份測(cè)站數(shù)目20026200311200419200523200628200730200832200938201042201148至今50

1.2WWLLN探測(cè)原理簡(jiǎn)介

WWLLN通過(guò)探測(cè)閃電輻射的VLF(3～30 kHz)電磁脈沖信號(hào)對(duì)閃電進(jìn)行定位。圖2為模擬天電輻射脈沖得到的天電波形隨傳播距離增加的變化,可見(jiàn),傳播距離逐漸增加,從r=0到r=10 000 km。在傳播距離為零的理想情況下,天電波形不存在任何衰減失真,隨著傳播距離r的增加,天電波形振幅衰減越來(lái)越大,畸變也越來(lái)越嚴(yán)重?；谝陨显?Richard et al.(2002)采用了TOGA定位技術(shù)對(duì)閃電進(jìn)行探測(cè)。WWLLN測(cè)站主要由天線、GPS接收器以及過(guò)程控制計(jì)算機(jī)組成。選址需在良導(dǎo)體高層建筑頂端安裝一根1.5 m長(zhǎng)的拉桿天線,對(duì)天電的垂直電場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。將測(cè)得的閃電輻射垂直電場(chǎng)波形信號(hào)傳輸至標(biāo)準(zhǔn)16位計(jì)算機(jī)聲卡中進(jìn)行采樣分析,利用GPS精確計(jì)時(shí),確定天電的觸發(fā)時(shí)間,從而得到閃電發(fā)生的時(shí)間和位置(Rodger et al.,2004)。

圖2　TOGA模擬示意圖Fig.2　TOGA simulation schematic diagram

2　資料說(shuō)明與分析方法

本文所使用的WWLLN數(shù)據(jù)來(lái)自南京信息工程大學(xué)氣象樓頂?shù)腤WLLN服務(wù)器實(shí)時(shí)采集的全球閃電定位數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)信息包括閃電發(fā)生的日期、時(shí)間、緯度、經(jīng)度4個(gè)參數(shù),時(shí)間分辨率為1 μs。江蘇省氣象部門(mén)使用ADTD閃電定位系統(tǒng)對(duì)閃電進(jìn)行觀測(cè),ADTD由9個(gè)測(cè)站組成,主站位于南京(118.48°E,32.00°N),采用定向時(shí)差聯(lián)合法對(duì)閃電進(jìn)行觀測(cè),單站的探測(cè)范圍約為150 km(李芳和黃興友,2009),ADTD可以給出閃電發(fā)生的日期、時(shí)間、緯度、經(jīng)度、強(qiáng)度等參數(shù),ADTD的時(shí)間分辨率為0.1 μs。江蘇省ADTD閃電定位系統(tǒng)測(cè)站位置具體見(jiàn)圖3。

圖3　江蘇省ADTD閃電定位網(wǎng)站點(diǎn)分布Fig.3　Distribution of ADTD lightning location network stations in Jiangsu

閃電數(shù)據(jù)資料顯示,WWLLN探測(cè)到的是總閃信息,ADTD給出的是地閃資料。因此,需要對(duì)兩套不同的閃電定位數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。本文以ADTD閃電定位數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)值,認(rèn)為ADTD對(duì)閃電的探測(cè)效率為100%。對(duì)兩套系統(tǒng)的閃電定位數(shù)據(jù)指定一個(gè)空間范圍:116～122°E,30～36°N。這個(gè)矩形區(qū)域包含了江蘇省及其周邊地區(qū)。閃電定位數(shù)據(jù)從2006年1月1日至2009年12月31日。

與之前早期研究WWLLN探測(cè)精度方法不同的是,本文選取0.5 ms作為WWLLN/ADTD兩套系統(tǒng)閃電定位數(shù)據(jù)的時(shí)間匹配窗口,并沒(méi)有選取空間匹配窗口。這主要是因?yàn)閃WLLN/ADTD時(shí)間分辨率都很高(微秒量級(jí)),ADTD是0.1 μs,WWLLN的時(shí)間分辨率是1 μs,故0.5 ms的小時(shí)間窗口足以作為兩套閃電定位數(shù)據(jù)相匹配的主要參數(shù)。當(dāng)WWLLN數(shù)據(jù)中閃電發(fā)生的時(shí)刻在ADTD中同一天閃電發(fā)生時(shí)刻前后0.5 ms內(nèi),就認(rèn)為這次閃電是WWLLN捕捉到的地閃。為了保證數(shù)據(jù)質(zhì)量,江蘇省ADTD閃電定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格的預(yù)處理過(guò)程。比如:剔除不完整和受損的閃電數(shù)據(jù),刪除雷電流幅值在500 kA以上的數(shù)據(jù)(這部分?jǐn)?shù)據(jù)容易被云閃信號(hào)污染)。

圖4　2006—2009年WWLLN(a)和ADTD(b)的閃電次數(shù)年際變化Fig.4　Interannual variation of lightning frequency from 2006 to 2009:(a)WWLLN;(b) ADTD

3　江蘇省閃電時(shí)間分布特征對(duì)比

3.1閃電年際活動(dòng)特征對(duì)比

對(duì)WWLLN/ADTD閃電原始定位資料處理后,分別統(tǒng)計(jì)了2006—2009各年江蘇省白天(06—18時(shí);北京時(shí)間,下同),晚上(18時(shí)—次日06時(shí))及全天的閃電頻次,得到有關(guān)閃電頻次的年際變化數(shù)據(jù)。圖4是2006—2009年WWLLN/ADTD觀測(cè)到的江蘇省白天、晚上及全天閃電頻次的年際變化曲線,可見(jiàn),2006—2009年江蘇省閃電的頻次相差很大,WWLLN探測(cè)的年閃電頻次均值為50 449次,最多年份是2009年(79 171次)。ADTD探測(cè)的年閃電頻次均值為666 089次,最多年份是2007年的738 160次。兩套系統(tǒng)記錄的閃電頻次相差一個(gè)數(shù)量級(jí)。從年際變化趨勢(shì)上看,WWLLN探測(cè)到的閃電頻次逐年增加,記錄的閃電頻次最高年份(2009年)是最低年份(2006年)的2.72倍,這與WWLLN測(cè)站數(shù)目的逐年增加和系統(tǒng)閃電定位技術(shù)的升級(jí)更新密不可分。ADTD觀測(cè)到的閃電頻次2006年與2007年相仿,2008年記錄到的閃電頻次明顯低于前兩年,說(shuō)明江蘇省2008年閃電發(fā)生的數(shù)目較少,2009年閃電頻次又有所增加。

通過(guò)對(duì)比可以清楚地看到,WWLLN/ADTD探測(cè)到的江蘇省地閃晝夜年際變化趨勢(shì)基本與全天年際變化趨勢(shì)相吻合,這也從側(cè)面驗(yàn)證了我們對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理方法的合理性。WWLLN/ADTD四年閃電晝夜比值分別為1.65和1.33,說(shuō)明江蘇省閃電多發(fā)生于白天。兩套定位系統(tǒng)探測(cè)的閃電晝夜次數(shù)差別都不大,這與青藏高原地區(qū)閃電晝夜比為2.0,晝夜差別大的情況不同(張鴻發(fā)等,2005)。

圖5是WWLLN在江蘇省的逐年探測(cè)效率變化趨勢(shì),可以看出,2006—2009年WWLLN探測(cè)效率逐年提高,地閃的探測(cè)效率從2006年的3.95%提高到2009年的11.58%,這是由于WWLLN測(cè)站數(shù)目的不斷建設(shè)導(dǎo)致全球測(cè)站密度的增加引起的。2007—2008年探測(cè)效率增幅最大,這主要是因?yàn)閃WLLN于2007年底定位技術(shù)經(jīng)過(guò)一次較大的升級(jí)更新,從而使得2007—2008年探測(cè)效率較其他年份增幅比較大。從圖5還可以看出,WWLLN在江蘇省白天的探測(cè)效率要比晚上高。

圖5　2006—2009年WWLLN江蘇省逐年探測(cè)效率Fig.5　Yearly detection efficiency of WWLLN in Jiangsu from 2006 to 2009

3.2閃電月際活動(dòng)特征對(duì)比

圖6　2006—2009年WWLLN(a)和ADTD(b)閃電次數(shù)的月際變化Fig.6　Monthly variation of lightning frequency from 2006 to 2009:(a) WWLLN;(b) ADTD

對(duì)WWLLN/ADTD閃電原始定位資料處理后,統(tǒng)計(jì)了2006—2009年各月閃電頻次,再進(jìn)行平均得到各月年均閃電次數(shù)。圖6為2006—2009年WWLLN/ADTD觀測(cè)到的江蘇省閃電次數(shù)月際分布,可以看出,各月閃電頻次ADTD較WWLLN大一個(gè)數(shù)量級(jí)。從閃電頻次月際分布趨勢(shì)上看,WWLLN和ADTD保持較好的一致性:江蘇省閃電月際分布主要呈現(xiàn)單峰型特征,兩套定位系統(tǒng)主峰均出現(xiàn)在8月。如圖6a所示,WWLLN探測(cè)到的閃電數(shù)據(jù)從2月開(kāi)始增多,3月達(dá)到一個(gè)小峰值,隨后稍有下降,6月又有所上升,7月又增幅最大,閃電次數(shù)于8月達(dá)到頂峰,9月閃電次數(shù)迅速減少,11月又達(dá)到一個(gè)小峰值,12月到次年1月WWLLN探測(cè)到的閃電極少,其中6—8月是閃電高發(fā)期,發(fā)生的閃電約占全年總數(shù)的83.09%。圖6b所示,ADTD記錄到的閃電數(shù)據(jù)同WWLLN類(lèi)似,也是從2月起開(kāi)始增多,3—5月持續(xù)緩慢增加,6月起快速增加,與WWLLN相同的是,閃電頻次7月增幅較大,8月達(dá)到頂峰,9月閃電次數(shù)迅速減少,11月也達(dá)到一個(gè)小峰值,同樣12月到次年1月閃電極少,6—8月是閃電高發(fā)期,其間發(fā)生的閃電次數(shù)約占全年總數(shù)的88.48%,總體上看,6—8月是江蘇省閃電高發(fā)期,3、4、5、9月是閃電活躍期,10月至次年2月是閃電低發(fā)期。

可以看出,WWLLN/ADTD閃電定位系統(tǒng)均表明:江蘇省閃電活動(dòng)季節(jié)性特征非常明顯,閃電主要發(fā)生在春夏兩季,夏季閃電活動(dòng)最為活躍。產(chǎn)生此現(xiàn)象的主要原因是江蘇省境內(nèi)河網(wǎng)密布,水汽豐沛,有太湖、固城湖、洪澤湖等諸多較大水體。每年開(kāi)春至夏末,在副熱帶高壓控制下,太陽(yáng)輻射強(qiáng),地面和近地層空氣的溫度相較于水體溫度急劇升高,地面溫度較高成為熱源,河流湖泊等水體表面溫度較低成為冷源,造成局部溫度上的差異,形成小型垂直環(huán)流系統(tǒng),易引起強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生。這樣的地理環(huán)境與氣候條件下江蘇省夏季成為閃電多發(fā)季節(jié)。

以江蘇省氣象局ADTD閃電定位數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)值,根據(jù)0.5 ms時(shí)間窗口匹配繪制出WWLLN在江蘇省探測(cè)效率逐月變化趨勢(shì),如圖7所示。從圖7中可以看出,與WWLLN捕捉到的閃電頻次的月際分布恰恰相反,在江蘇省境內(nèi),WWLLN探測(cè)效率春秋冬三季要明顯高于夏季,盛夏江蘇境內(nèi)的探測(cè)效率呈現(xiàn)谷值,而冬季W(wǎng)WLLN探測(cè)效率是一年中最高的,于11月達(dá)到峰值,其次為春季。分析原因,這可能與江蘇省冬季發(fā)生的閃電頻次雖然很少,但大多為強(qiáng)閃有關(guān),且正閃發(fā)生的比例在四季中是最多的。我們推測(cè),WWLLN的探測(cè)效率可能與閃電強(qiáng)度與極性有關(guān)聯(lián)。具體將在第5節(jié)中進(jìn)一步加以研究。

圖7　2006—2009年WWLLN江蘇省逐月探測(cè)效率Fig.7　Monthly detection efficiency in Jiangsu of WWLLN from 2006 to 2009

3.3閃電日活動(dòng)特征對(duì)比

由于WWLLN閃電定位資料給出的時(shí)間是格林尼治世界時(shí),將WWLLN時(shí)間轉(zhuǎn)化為東八區(qū)的北京時(shí)間,按照整點(diǎn)時(shí)段統(tǒng)計(jì)每小時(shí)內(nèi)平均發(fā)生的閃電次數(shù)。圖8分別為WWLLN/ADTD觀測(cè)到的2006—2009年江蘇省閃電次數(shù)日變化,是四年不同時(shí)段發(fā)生閃電次數(shù)的平均日變化曲線。

圖8　2006—2009年WWLLN(a)和ADTD(b)閃電次數(shù)的日變化Fig.8　Diurnal variation of lightning frequency from 2006 to 2009:(a) WWLLN;(b) ADTD

圖8a所示,WWLLN的觀測(cè)結(jié)果顯示閃電次數(shù)峰值出現(xiàn)在16時(shí)左右,各小時(shí)段內(nèi)都有可能出現(xiàn)閃電。圖8b表明ADTD閃電日變化呈現(xiàn)單峰型特點(diǎn),13—20時(shí)閃電活動(dòng)最為頻繁,占日均閃電數(shù)的75.83%,并且在16時(shí)左右閃電頻次達(dá)到峰值,而在02時(shí)—次日11時(shí)閃電發(fā)生的次數(shù)較少。這主要是由于正午太陽(yáng)輻射較強(qiáng),午后陸地表面受日照加熱升溫,在12時(shí)地表溫度開(kāi)始驟增,并且在13時(shí)左右升溫更為顯著,大氣靜力不穩(wěn)定度加強(qiáng),在近地層形成不穩(wěn)定層結(jié),促進(jìn)對(duì)流發(fā)展,這種熱力抬升作用形成觸發(fā)機(jī)制,易產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流性天氣,閃電活動(dòng)也開(kāi)始發(fā)展,到達(dá)16時(shí)左右強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)展成熟,閃電活動(dòng)也達(dá)到峰值。這說(shuō)明午后這段時(shí)間是江蘇省閃電集中發(fā)生期,因此需要在這段時(shí)間加強(qiáng)雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警與防護(hù)工作。半夜及上午,江蘇省地面輻射冷卻,低層空氣趨于穩(wěn)定,地表和空氣溫差不足以形成不穩(wěn)定層結(jié),對(duì)流活動(dòng)較弱,因此閃電活動(dòng)較少。

從圖8還可以看出,2006—2009年江蘇省發(fā)生的閃電頻次存在著明顯的日變化。WWLLN探測(cè)到的閃電峰值為4 413次,ADTD峰值為57 165次。從日變化峰值來(lái)看,ADTD探測(cè)到的閃電頻次也比WWLLN大一個(gè)數(shù)量級(jí)。將圖8a與圖8b進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)WWLLN與ADTD閃電頻次日變化趨勢(shì)相類(lèi)似,且一天中峰值出現(xiàn)的時(shí)刻都是16時(shí),這說(shuō)明WWLLN也可以相對(duì)準(zhǔn)確地探測(cè)到江蘇省一天內(nèi)閃電活躍程度的變化趨勢(shì),WWLLN與ADTD均表明江蘇省16時(shí)是閃電高發(fā)時(shí)間。盡管兩套系統(tǒng)探測(cè)到的閃電次數(shù)不同,WWLLN比ADTD小一個(gè)數(shù)量級(jí),但一天當(dāng)中閃電頻次的變化趨勢(shì)是大致相同的,說(shuō)明WWLLN在探測(cè)閃電日變化趨勢(shì)上與ADTD存在較好的一致性。

4　江蘇省閃電的空間分布特征對(duì)比

圖9　2006—2009年WWLLN(a)和ADTD(b)年均閃電密度Fig.9　Annual lightning density from 2006 to 2009:(a) WWLLN;(b) ADTD

將江蘇省所處的矩形區(qū)域(116～122°E,30～36°N)劃分成0.25°×0.25°的576個(gè)經(jīng)緯網(wǎng)格,這一區(qū)域正好與江蘇省ADTD高探測(cè)效率地區(qū)相吻合。經(jīng)過(guò)TIN插值,分別計(jì)算得到2006—2009年WWLLN/ADTD江蘇省平均閃電密度分布,如圖9所示。從圖9可以看出,WWLLN/ADTD呈現(xiàn)出的江蘇省閃電密度分布的共同特征如下:江蘇省閃電密度分布具有明顯的區(qū)域性。閃電密度西部地區(qū)要高于東部,南部地區(qū)要高于北部。這與江蘇省經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的地域分布相吻合,說(shuō)明江蘇省西部與南部更需要加強(qiáng)雷電防御措施。江蘇省蘇北平原地區(qū)以及沿海部分地區(qū)閃電較少。究其原因,主要與城市下墊面有關(guān)。江蘇省西部與南部地區(qū)多丘陵低山地形,白天太陽(yáng)輻射向空中反射量少于北部平原,熱量積累后,丘陵地區(qū)的地形往往是由低山四面環(huán)繞,低山的存在阻礙了濕熱空氣向外的逸散,從而加快了對(duì)流的形成。而且,江蘇省主要水體也集中分布在省內(nèi)的西部與南部地區(qū),有太湖、洪澤湖等較大水體存在。在太陽(yáng)輻射下,由于陸地與水體比熱容性質(zhì)的不同,陸地與水體增降溫的程度也相差很大,易形成冷熱源在水平和垂直方向上的差異,從而形成對(duì)流。再加上江蘇省西部與南部城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較其他地區(qū)高,城市熱島效應(yīng)顯著,影響江蘇省的天氣系統(tǒng)大多是來(lái)自西面或西南面,易造成流經(jīng)城市上空的氣團(tuán)阻滯和抬升,促使對(duì)流發(fā)展形成雷暴云,導(dǎo)致閃電頻發(fā)。所以,在江蘇省西部與南部地區(qū)相較于蘇北及沿海部分地區(qū)多雷暴發(fā)生。

將圖9a與圖9b進(jìn)行比較,分析WWLLN較ADTD在江蘇省境內(nèi)的探測(cè)精度。可以看出,相比于ADTD的結(jié)果來(lái)看,WWLLN未能有效探測(cè)到江蘇中部閃電高發(fā)地區(qū)。分析原因,這一探測(cè)精度差異與WWLLN自身的特性有關(guān),WWLLN是全球范圍的大尺度閃電定位系統(tǒng),探測(cè)精度誤差往往在上百甚至上千公里,探測(cè)精度上的差異還與WWLLN探測(cè)到的閃電具有峰值高的局限性有關(guān)。總體上看,WWLLN探測(cè)到的閃電密度值要比ADTD小一個(gè)數(shù)量級(jí)。WWLLN可以大致捕捉到與ADTD相一致的江蘇省閃電密度地域變化。

5　影響WWLLN探測(cè)效率和探測(cè)精度的因素分析

因?yàn)閃WLLN測(cè)站所接收到的天電波形,往往是在EIWG中遠(yuǎn)距離傳播經(jīng)過(guò)衰減與色散之后的波形信號(hào),所以WWLLN閃電定位數(shù)據(jù)中不包含閃電的電流強(qiáng)度和極性等參數(shù)。故本節(jié)認(rèn)為ADTD閃電數(shù)據(jù)中的電流強(qiáng)度和極性就是與之相匹配的WWLLN探測(cè)到的地閃電流強(qiáng)度和極性。以10 kA閃電強(qiáng)度為橫坐標(biāo)單元繪制出WWLLN地閃探測(cè)效率隨電流強(qiáng)度的變化趨勢(shì),如圖10所示。從圖10可以看出,WWLLN對(duì)于正負(fù)地閃的探測(cè)效率存在差異,正閃平均探測(cè)效率為15.02%,負(fù)閃平均探測(cè)效率為12.61%,WWLLN對(duì)正閃的探測(cè)效率要高于負(fù)閃。當(dāng)電流強(qiáng)度較小時(shí),電流強(qiáng)度介于-20 kA與20 kA之間,WWLLN對(duì)地閃的探測(cè)效率僅為0.07%,可見(jiàn)WWLLN對(duì)于電流強(qiáng)度較小的地閃探測(cè)敏感度很低。當(dāng)?shù)亻W回?fù)綦娏鞣逯荡笥?0 kA,WWLLN對(duì)地閃的探測(cè)效率平均值為17.79%,其中正閃探測(cè)效率為19.82%,負(fù)閃平均探測(cè)效率為15.76%。當(dāng)電流峰值大于100 kA時(shí),WWLLN正負(fù)地閃探測(cè)效率分別為21.43%、17.28%。由此可見(jiàn),WWLLN對(duì)于正地閃的探測(cè)效率要高于負(fù)地閃,WWLLN探測(cè)效率隨電流峰值的增大而增加。這是由于峰值電流較小的閃電不太容易觸發(fā)WWLLN測(cè)站,強(qiáng)閃輻射的電磁波的振幅較大,更容易觸發(fā)WWLLN的接收站采集到信號(hào)。

圖10　2006—2009年WWLLN探測(cè)效率隨峰值電流變化趨勢(shì)Fig.10　Detection efficiency trend with the peak current of WWLLN from 2006 to 2009

從WWLLN探測(cè)效率的年際變化趨勢(shì)來(lái)看,WWLLN探測(cè)效率是逐年增加的,這與WWLLN全球測(cè)站數(shù)目的逐年增加與定位技術(shù)的升級(jí)更新有密不可分的關(guān)系。從WWLLN探測(cè)精度來(lái)看,WWLLN發(fā)展初期,對(duì)閃電定位精度的誤差往往在上千公里,隨著WWLLN全球測(cè)站數(shù)目的增加以及定位技術(shù)的升級(jí)完善,WWLLN探測(cè)精度逐步提高,現(xiàn)在的探測(cè)精度在百公里左右,其最終探測(cè)精度目標(biāo)在10 km(Abreu et al.,2010)。

6　結(jié)論與討論

本文利用2006—2009年WWLLN/ADTD定位網(wǎng)閃電定位資料,以ADTD閃電定位數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)值,對(duì)比分析江蘇省閃電活動(dòng)的時(shí)空分布特征,并對(duì)WWLLN的探測(cè)效率和探測(cè)精度進(jìn)行評(píng)估,通過(guò)分析得到以下主要結(jié)論:

1)江蘇省閃電活動(dòng)晝夜差別并不大,白天閃電頻次略高于晚上;江蘇省閃電活動(dòng)季節(jié)變化特征非常明顯,閃電主要在春末仲夏期間發(fā)生,閃電月際變化呈現(xiàn)單峰型特征,6—8月是閃電高發(fā)期(WWLLN

探測(cè)到的閃電約占全年閃電頻次的83.09%,ADTD為88.48%);江蘇省一天中閃電頻次峰值時(shí)間段出現(xiàn)在16時(shí)左右,閃電高發(fā)時(shí)間段主要集中在當(dāng)?shù)匚绾?3—20時(shí),閃電谷值區(qū)出現(xiàn)在02時(shí)—次日11時(shí)的時(shí)段。

2)WWLLN/ADTD閃電定位系統(tǒng)均揭示江蘇省閃電密度高值區(qū)位于省內(nèi)偏西和偏南地區(qū),大致與江蘇省經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的地域分布相吻合,這些地區(qū)更需重視防御雷電。

3)WWLLN探測(cè)效率逐年提高,冬季探測(cè)效率最高。探測(cè)效率與回?fù)綦娏鳂O性和強(qiáng)度大小有關(guān)聯(lián)。WWLLN對(duì)正地閃的探測(cè)效率要高于負(fù)地閃;回?fù)綦娏鞣逯翟酱?WWLLN探測(cè)效率也相應(yīng)地增加。

4)總體上,WWLLN探測(cè)到的閃電頻次和閃電密度值比ADTD小一個(gè)數(shù)量級(jí)。隨著WWLLN全球測(cè)站數(shù)的逐年增加以及WWLLN閃電定位技術(shù)的升級(jí)完善,WWLLN探測(cè)效率和探測(cè)精度將會(huì)逐步提高。

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Thunderstorms are a type of convective weather phenomenon that happen frequently in nature with high intensity.The United Nations Committee for Disaster Reduction has referred to lightning as “one of the ten worst natural disasters”.Jiangsu Province is in the transition zone between the subtropical and warm temperate zones,and is one of the provinces in China most frequently affected by lightning.As a relatively wealthy province in economic terms,the electrical infrastructure(power grid,electrical equipment etc.) of Jiangsu is also well-developed.Therefore,when lightning-related accidents occur,incalculable harm can be caused not only to personal safety but also socioeconomically.

To develop a deeper understanding of the laws governing lightning activities in Jiangsu Province,as well as improve lightning protection and disaster reduction services,the present study set about analyzing the lightning characteristics of the region(interannual variation,monthly variation and daily variation),based on data from two sources:the Advanced Time of Arrival and Direction System(ADTD) and the Worldwide Lightning Location Network(WWLLN).The ADTD data were provided by Jiangsu Meteorological Department,whose time zone is Beijing standard time(BST).Because the time zone of the WWLLN is Greenwich Mean Time(GMT),we converted GMT to Beijing time.The study spanned a period of four years,from 2006 to 2009,throughout contiguous Jiangsu Province.When carrying out the study,the detection efficiency of ADTD was assumed to be 100% because the ADTD data were considered to be the “ground truth”,and a time-matching window of 0.5 ms was chosen for the lightning location data of WWLLN/ADTD(i.e.,when lightning observed by WWLLN occurred 0.5 ms before or after that of ADTD,the flash was considered to have been captured by WWLLN).The WWLLN and ADTD data were then processed and analyzed for the study period.

The analysis confirmed that WWLLN favors high peak current return stroke lightning discharges.Meanwhile,WWLLN could not distinguish the lightning polarity.For example,it was unable to distinguish a positive flash from a negative flash.The polarity could,however,be determined by simultaneous observation with ADTD.WWLLN showed good correspondence with ADTD in terms of the temporal and spatial distribution of lightning activities.Specifically:the frequency difference between day and night was not large;the number of lightning flashes occurring during the day was slightly higher than at night;and the lightning mostly occurred in the period from June to August,especially midsummer,which was clearly the most active season.The amount of lightning detected by WWLLN from June to August was about 83.09% of the total amount in one year,while the amount of lightning detected by ADTD was 88.48%.During a day,the highest peak of lightning appeared at roughly 04:00 PM Lightning mainly occurred in the period between 13:00 BST and 20:00 BST,while low-level activity occurred between 02:00 BST and 11:00 BST on the second day.The lightning flash density in Jiangsu Province was higher in western regions than in eastern regions,and also higher in southern regions than in northern regions.Besides,those regions with frequent occurrence of lightning activity roughly coincided with the most economically developed parts of Jiangsu Province.The cloud-to-ground detection efficiency of WWLLN was shown to improve greatly from the first to the fourth year of the study,with an overall detection efficiency of cloud-to-ground flashes increasing from 3.95% in 2006 to 11.58% in 2009,possibly due to the increased number of stations and upgrading of the algorithm.The detection accuracy of WWLLN is now approximately 100 km,but its ultimate goal is an accuracy of 10 km.

On the whole,the lightning density determined by WWLLN was much lower than that of ADTD,Compared to ADTD,WWLLN failed to detect the high incidence of lightning in the central area of Jiangsu,The difference in the detection accuracy is related to the characteristics of WWLLN itself;WWLLN is a large-scale(worldwide) lightning location system whose detection accuracy is often hundreds or even thousands of kilometers,The detection efficiency was related to the polarity and strength of the return stroke,The detection efficiency of positive ground flashes was higher than that of negative ground flashes,Meanwhile,the greater the peak current of the return stroke was,the more accurate the detection efficiency of WWLLN would be.

worldwide lightning location network;advanced time of arrival and direction system;temporal and spatial distribution;detection efficiency;detection accuracy

(責(zé)任編輯：張福穎)

Comparison and analysis of lightning characteristics in Jiangsu Province based on data from the Worldwide Lightning Location Network and the Advanced Time of Arrival and Direction System lightning location network

CUI Xun1,GAO Jinge1,FAN Rong2

1SchoolofAtmosphericPhysics,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China;2HuzhouMeteorologicalBureau,Huzhou313000,China

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130310002

*聯(lián)系人，E-mail:cx.871012@163.com

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