ADTD數(shù)據(jù)計算雷暴日與目測雷暴日的均一性分析

朱華亮，華連生，溫華洋，龐文靜，梁 麗，孔芹芹

(1.安徽省氣象信息中心，安徽 合肥 230031；2.中國氣象局氣象探測中心，北京 100081)

引 言

雷電災(zāi)害是“聯(lián)合國國際減災(zāi)十年”公布的影響人類活動的嚴(yán)重災(zāi)害之一[1]。在任何給定時刻，世界上都有1800多場雷雨正在發(fā)生，每秒大約有100次雷擊[2]。據(jù)統(tǒng)計，中國每年因雷電造成的人員傷亡達上千人，財產(chǎn)損失約70～100億元[3-5]。因此，加強雷電現(xiàn)象的監(jiān)測與預(yù)警，開展有效的雷電防護工作尤為重要。我國氣象站從建國初期就開始對雷電現(xiàn)象進行人工觀測記錄，根據(jù)《地面氣象觀測規(guī)范》規(guī)定[6]，在1日內(nèi)(20:00至次日20:00，北京時，下同)只要聞雷聲1次或多次，就記錄為1個雷暴日，形成的雷暴日數(shù)是目前描述雷電活動的唯一長期記錄。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人工觀測項目正在逐步被自動觀測系統(tǒng)取代。2013年地面氣象觀測業(yè)務(wù)調(diào)整后，取消雷暴日的人工觀測，采用ADTD(advanced TOA and direction system)閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測雷電現(xiàn)象的活動[7]。然而，雷暴日是反映當(dāng)?shù)乩纂娀顒宇l繁程度及其強度的物理參數(shù)，在防雷工程設(shè)計、雷擊風(fēng)險評估和雷電科學(xué)研究中應(yīng)用廣泛[8-9]，短時間內(nèi)還不可被取代，所以，利用閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)來延續(xù)雷暴日數(shù)據(jù)的研究更為迫切。

關(guān)于閃電定位資料能否替代人工觀測的雷暴日，很多研究從兩種資料的差異、原因及關(guān)系等方面進行了探討，發(fā)現(xiàn)兩種觀測數(shù)據(jù)的分布趨勢大體相同，具有較好的一致性，且呈現(xiàn)不規(guī)則的片狀函數(shù)關(guān)系，認(rèn)為閃電定位數(shù)據(jù)替代人工觀測雷暴日具有較好的合理性和可行性[10-16]，并可通過直接替代法、地閃密度法或二元法等將閃電定位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為年雷暴日數(shù)[17-19]。然而，大多數(shù)研究側(cè)重于閃電定位數(shù)據(jù)與人工觀測雷暴日之間的差異性分析及轉(zhuǎn)換關(guān)系，而對于通過閃電定位數(shù)據(jù)計算的年雷暴日數(shù)與人工觀測年雷暴日數(shù)之間的均一性卻鮮有探討。均一的長序列氣象資料是氣候變化研究的基礎(chǔ)[20-21]，為此，本文對全國范圍內(nèi)的閃電定位數(shù)據(jù)與人工觀測雷暴日之間的關(guān)系進行研究，形成ADTD監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工觀測年雷暴日數(shù)之間的關(guān)系式，旨在探討通過ADTD監(jiān)測數(shù)據(jù)計算的年雷暴日數(shù)與人工觀測年雷暴日數(shù)之間的均一性，以期為全國各地區(qū)的年雷暴日數(shù)資料序列延長、雷電防護工程設(shè)計、雷暴氣候變化分析以及雷電災(zāi)害風(fēng)險評估提供參考。

1 資料與方法

1.1 資 料

全國共有843個國家基準(zhǔn)氣候站和國家基本氣象站，各氣象站自1961年以來有完整的人工觀測雷暴日記錄，至今已經(jīng)積累了約60 a的雷暴日數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)為各地的雷電災(zāi)害風(fēng)險評估、防雷工程設(shè)計和雷電科學(xué)研究等發(fā)揮了不可或缺的作用。2013年全國地面氣象觀測業(yè)務(wù)改革后取消了雷暴日的人工觀測。因此，選取全國843個國家基準(zhǔn)氣候站和國家基本氣象站1961—2013年人工觀測雷暴日資料作為研究對象，其中631個國家基本氣象站的資料用于最優(yōu)匹配半徑的確定和年雷暴日數(shù)轉(zhuǎn)換公式的構(gòu)建，212個國家基準(zhǔn)氣候站用于轉(zhuǎn)換公式的效果評估。人工觀測雷暴日資料均經(jīng)過“臺站、省級、國家級”的三級質(zhì)量控制，資料的完整性為100%。

ADTD閃電定位系統(tǒng)是由中國科學(xué)研究院空間科學(xué)與應(yīng)用研究所研制的第2代地閃定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用磁向和時差聯(lián)合法進行閃電探測。2010年，全國已建成近300套ADTD閃電探測子站，初步形成全國閃電監(jiān)測網(wǎng)，并投入業(yè)務(wù)應(yīng)用，截止2018年底，全國已布設(shè)400余套ADTD閃電探測子站，對全國范圍內(nèi)的閃電探測能力進一步提升，其中中部和東部地區(qū)ADTD站點以150 km基線組網(wǎng)，西部地區(qū)ADTD站點以300 km基線組網(wǎng)，具體分布如圖1。因此，選取ADTD系統(tǒng)監(jiān)測的全國范圍內(nèi)2010—2018年閃電定位數(shù)據(jù)作為研究對象，其中2010—2013年ADTD閃電定位數(shù)據(jù)用于年雷暴日數(shù)轉(zhuǎn)換公式的構(gòu)建和驗證，2014—2018年ADTD閃電定位數(shù)據(jù)用于年雷暴日數(shù)序列的延長。為保證ADTD監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性，需對其進行質(zhì)量控制。有研究發(fā)現(xiàn)閃電定位系統(tǒng)會將一些電流值較小的云閃記錄為地閃，稱為“小幅值地閃”，本文采用2005年IEEE所推薦的界定值，剔除電流幅值小于2 kA的數(shù)據(jù)[22-24]。另據(jù)研究發(fā)現(xiàn)[25]，閃電定位數(shù)據(jù)中電流強度小于10 kA的正地閃也可能來源于云閃的干擾，對這一部分?jǐn)?shù)據(jù)同樣進行剔除。此外，ADTD數(shù)據(jù)中有一些閃電數(shù)據(jù)電流幅值大于200 kA，而大于200 kA的閃電一般認(rèn)為誤差較大[26]，因此對這一部分?jǐn)?shù)據(jù)也進行剔除。

圖1 全國ADTD閃電定位系統(tǒng)站點分布Fig.1 Distribution of stations for ADTD lightning location system in China

1.2 方 法

1.2.1 最優(yōu)匹配半徑確定方法

閃電是云與云之間、云與地之間或者云體內(nèi)各部位之間的強烈放電現(xiàn)象，發(fā)生閃電時閃電通道的溫度非常高，周圍的空氣被加熱迅速膨脹，就會產(chǎn)生雷聲，亦即閃電和雷聲同時發(fā)生[27]。由于人的感官觀測范圍有限，通常只能聽到其周圍15 km范圍內(nèi)的雷聲，較好的情況下能達到20 km，而ADTD監(jiān)測閃電的范圍遠(yuǎn)大于人耳聽到雷聲的范圍，為得到ADTD數(shù)據(jù)計算雷暴日和人工觀測雷暴日相匹配的范圍，需對不同半徑范圍內(nèi)統(tǒng)計得到的雷暴日與人工觀測雷暴日進行匹配分析。在處理ADTD數(shù)據(jù)時，規(guī)定1日內(nèi)(20:00至次日20:00)ADTD監(jiān)測的閃電次數(shù)大于或等于1次，就記為1個雷電日。以區(qū)域內(nèi)氣象站所處位置為圓心，在1～40 km半徑范圍內(nèi)每間隔1 km，統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)氣象站不同監(jiān)測半徑R下的年雷電日數(shù)，計算區(qū)域內(nèi)不同半徑R下年雷電日數(shù)與年雷暴日數(shù)的均方誤差(MSER)，并取MSER最小的監(jiān)測半徑R為與人工觀測雷暴日最匹配的范圍，亦即最優(yōu)匹配半徑。具體計算公式如下：

(1)

式中：Tdij(d)為第i個氣象站第j年人工觀測的雷暴日數(shù)；TRij(d)為監(jiān)測半徑R下第i個氣象站第j年統(tǒng)計的雷電日數(shù)；m為區(qū)域內(nèi)的站點數(shù)；j為年份(j=1,2,3,4分別對應(yīng)2010，2011，2012，2013年)；N*為正整數(shù)集。

1.2.2 懲罰最大F檢驗(PMFT)法

為探究基于ADTD數(shù)據(jù)延長的年雷暴日數(shù)序列相對于人工觀測序列是否發(fā)生突變，采用PMFT方法對2013年前后的雷暴日數(shù)序列進行均一性檢驗。PMFT方法[28-29]經(jīng)驗性地考慮了時間序列的一階滯后自相關(guān)，并嵌入多元線性回歸算法，能夠用于檢驗、訂正包含一階自回歸誤差數(shù)據(jù)序列的多個間斷點(平均突變)。該方法進行序列突變點檢驗，可以不使用參考序列，且有效地避免了斷點位置對置信度的影響。具體檢驗方法如下：

設(shè)隨機變量εt獨立且服從均值為0，方差為σ2的高斯分布，對于存在線性趨勢β的年雷暴日數(shù)序列{Xt}，要檢驗序列在2013年是否存在突變點，作如下假設(shè)：

原假設(shè)(H0)：

H0:Xt=μ+βt+εtt=1961,1962,…,2018

(2)

備擇假設(shè)(Ha):

(3)

式中：t表示年份；μ、μ1、μ2為趨勢線的截距，其中μ1≠μ2。當(dāng)Ha為真時，則2013年就為突變點，用△=|μ1-μ2|來表示平均突變的大小，其檢驗統(tǒng)計量(PF)為：

PF=P(k)Fc(k)

(4)

式中：k=2013；P(k)是一個經(jīng)驗構(gòu)造的懲罰因子，具體見參考文獻[28]；統(tǒng)計量Fc(k)為服從自由度為1和55的F分布，其構(gòu)造如下：

(5)

1.2.3 評估指標(biāo)

(6)

2 基于ADTD數(shù)據(jù)的年雷暴日數(shù)擬合公式

2.1 雷暴日與雷電日的最優(yōu)匹配半徑

中國幅員遼闊，緯度跨度較廣，距海遠(yuǎn)近差距較大，加之地形復(fù)雜，雷暴日的分布也不盡相同。為得到ADTD監(jiān)測雷電日和人工觀測雷暴日的最優(yōu)匹配半徑，以省為單位，將全國分為28個區(qū)域(不包含香港、澳門和臺灣地區(qū))，其中北京、天津和河北作為一個區(qū)(京津冀)，上海和江蘇作為一個區(qū)(滬蘇)。應(yīng)用公式(1)得到各區(qū)域的最優(yōu)匹配半徑見表1，發(fā)現(xiàn)各地區(qū)對應(yīng)的最優(yōu)半徑不盡相同，大部分省份的最優(yōu)匹配半徑為9～15 km，其中新疆、青海和西藏地區(qū)對應(yīng)最優(yōu)匹配半徑較大，重慶地區(qū)對應(yīng)的最優(yōu)匹配半徑最小。這是由于新疆、青海和西藏等地區(qū)人稀地廣，多為高原和山脈，地形起伏較大，布設(shè)的ADTD閃電定位儀間距較大，形成的閃電定位網(wǎng)對該地區(qū)閃電的探測效率較低，導(dǎo)致較大范圍內(nèi)的雷電日數(shù)與人工觀測雷暴日數(shù)一致，而重慶地區(qū)以山地為主，對雷聲的傳播具有較大的阻隔作用，導(dǎo)致觀測員監(jiān)聽到的雷聲范圍較小，進而造成最優(yōu)匹配半徑較小。

表1 2010—2013年中國各地區(qū)ADTD監(jiān)測雷電日和人工觀測雷暴日的最優(yōu)匹配半徑Tab.1 Optimal matching radius between thunderstorm days calculated using data from ADTD and artificial thunderstorm days in different regions of China during 2010-2013

2.2 年雷暴日數(shù)擬合公式的建立

目前，關(guān)于閃電定位數(shù)據(jù)與人工觀測雷暴日數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系的研究中，有研究指出二元法對人工觀測雷暴日的擬合效果最好[18-19]。為此，根據(jù)最優(yōu)半徑對應(yīng)的年雷電日數(shù)T和年地閃密度Ng(最優(yōu)半徑內(nèi)的年云地閃電次數(shù)與其對應(yīng)面積之比)，建立年雷電日數(shù)T、年地閃密度Ng與年雷暴日數(shù)Td的二元線性回歸方程，其中建模樣本為2010—2013年的國家級基本氣象站人工觀測數(shù)據(jù)和ADTD監(jiān)測數(shù)據(jù)。表2列出各地區(qū)回歸方程的擬合結(jié)果，各地區(qū)的回歸方程均通過顯著性水平為0.05的F檢驗，回歸系數(shù)均通過顯著性水平為0.05的t檢驗。大部分地區(qū)的回歸方程的擬合優(yōu)度R2較高，而重慶、四川等地形較為復(fù)雜的地區(qū)，以及新疆、西藏等ADTD站點較為稀疏的地區(qū)，回歸方程的擬合優(yōu)度R2偏低。在均方根誤差RMSE方面，絕大部分站點的RMSE小于10.0 d，而在ADTD站點稀疏和地形較為復(fù)雜的地區(qū)，RMSE偏大?？傮w表明，利用年雷電日數(shù)和年地閃密度建立的年雷暴日數(shù)擬合方程較為合理。

2.3 年雷暴日數(shù)擬合公式的效果評估

表2 2010—2013年中國各地區(qū)二元線性回歸方程的擬合結(jié)果Tab.2 Fitting results of binary linear regression equations in different regions of China during 2010-2013

表3 2010—2013年中國各地區(qū)基于基準(zhǔn)氣候站觀測資料的年雷暴日數(shù)擬合公式的效果檢驗Tab.3 The effect test of the fitting formula of annual thunderstorm days based on the observation data of the base climate stations in each region of China during 2010-2013

3 年雷暴日數(shù)延長序列的均一性檢驗

利用2014—2018年ADTD監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過各地區(qū)年雷暴日數(shù)擬合公式，對843個氣象站2014—2018年的年雷暴日數(shù)進行計算，得到各氣象站2014—2018年的年雷暴日數(shù)序列。采用PMFT法對843個氣象站1961—2018年的年雷暴日數(shù)序列進行均一性檢驗，以2013年作為斷點，判斷2014—2018年的延長序列與1961—2013年的人工觀測序列相比是否有明顯的跳變。采用公式(4)計算了843個站點的檢驗統(tǒng)計量，結(jié)果顯示843個站點中有776個站點的檢驗統(tǒng)計量小于顯著性水平為0.05的臨界值11.05，表明這些站點的年雷暴日數(shù)序列在2013年前后無明顯跳變，占比達92.1%，僅有67個臺站的延長序列相比人工觀測序列有明顯跳變，這些站點主要集中在新疆、青海、西藏等地區(qū)(圖2)，其中新疆、青海和西藏地區(qū)分別有23個、7個和10個非均一站點(記為Ⅰ類非均一站點)，占該區(qū)域內(nèi)站點數(shù)比分別達34.9%、20.0%、34.5%。這是由于新疆、青海和西藏等地區(qū)的ADTD站點布局較為稀疏，對閃電的探測效率較低，定位誤差較大，加之復(fù)雜地形的影響，導(dǎo)致年雷暴日數(shù)的延長序列值相對人工觀測序列值的偏差較大，進而造成了序列的非均一性。從圖2還可以看出，剩余27個年雷暴日數(shù)序列未通過均一性檢驗的站點分布在云南、四川、東南沿海等地區(qū)，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)主要有3種原因造成這部分站點的年雷暴日數(shù)序列非均一：一是人工觀測序列在2003—2013年存在異常點所致(記為Ⅱ類非均一站點)，如廣東省汕頭氣象站在2011年人工觀測的年雷暴日數(shù)只有21.0 d，與前后年份相比，明顯偏少，造成了序列的不均一，類似這種情況的站點共有19個；二是氣象站周邊的ADTD閃電定位儀的探測性能下降所致(記為Ⅲ類非均一站點)，如河北省蔚縣氣象站、重慶市酉陽氣象站、四川省色達氣象站和云南省瀾滄氣象站，其人工觀測序列的年平均雷暴日數(shù)分別為45.1、50.1、77.9和101.6 d，而延長序列的年平均雷暴日數(shù)分別為25.1、25.8、44.6和66.0 d，延長序列相比人工觀測序列的年雷暴日數(shù)明顯減少，表明站點周邊的ADTD閃電定位儀監(jiān)測到的閃電回?fù)舸螖?shù)較少，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)這4個氣象站觀測場內(nèi)或附近均布設(shè)有ADTD閃電定位儀且布設(shè)時間都較早，ADTD閃電定位儀的探測性能有所下降，導(dǎo)致在氣象站周圍監(jiān)測到的閃電回?fù)舸螖?shù)較少；三是延長序列中某年擬合的年雷暴日數(shù)異常偏高所致(記為Ⅳ類非均一站點)，如四川省綿陽氣象站的人工觀測年平均雷暴日數(shù)為30.4 d，2014—2018年計算的年雷暴日數(shù)分別為33.0、34.0、36.0、36.0和73.0 d，2018年的年雷暴日數(shù)相對前幾年明顯偏高，造成了序列的非均一性，類似這種情況的站點還有四川省溫江氣象站。此外，浙江省玉環(huán)氣象站和云南省昭通氣象站的年雷暴日數(shù)序列也未通過均一性檢驗，造成序列非均一的具體原因不明(記為Ⅴ類非均一站點)。檢驗結(jié)果總體表明，除新疆、青海和西藏等地區(qū)外，其余地區(qū)利用二元法延長的年雷暴日數(shù)序列與人工觀測序列相比無明顯跳變，均一性較好。

圖2 1961—2018年中國年雷暴日數(shù)序列均一和非均一的站點分布Fig.2 Distribution of meteorological stations with homogeneity or heterogeneity of annual thunderstorm days sequence in China during 1961-2018

4 結(jié)論與討論

(1)研究發(fā)現(xiàn)各地區(qū)ADTD監(jiān)測雷電日和人工觀測雷暴日的最優(yōu)匹配半徑不盡相同，大部分省份的最優(yōu)匹配半徑介于9～15 km之間，這與鐘穎穎等[11]研究發(fā)現(xiàn)觀測員通常只能聽到8～15 km范圍內(nèi)的雷聲的研究結(jié)論一致。新疆、青海和西藏等地區(qū)由于人稀地廣，地形起伏較大，多為高原和山脈，布設(shè)的ADTD閃電定位儀間距較大，形成的閃電定位網(wǎng)對該地區(qū)閃電的探測效率較低，定位誤差較大，導(dǎo)致較大范圍內(nèi)的雷電日數(shù)與人工觀測雷暴日數(shù)一致，故新疆、青海和西藏等地區(qū)的雷電日和雷暴日最優(yōu)匹配半徑較大。

(2)利用2010—2013年的國家基本氣象站人工觀測數(shù)據(jù)和ADTD監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立的年雷暴日數(shù)擬合方程對大部分地區(qū)具有較高的擬合優(yōu)度R2和較低的均方根誤差RMSE，而新疆、青海和西藏等地區(qū)由于地形復(fù)雜、ADTD站點布局較為稀疏等原因，回歸方程的擬合優(yōu)度R2有所偏低，均方根誤差RMSE有所偏大。經(jīng)2010—2013年的獨立樣本檢驗發(fā)現(xiàn)，回歸方程計算的年平均雷暴日數(shù)與人工觀測年平均雷暴日數(shù)在空間上具有相同的分布規(guī)律，絕大部分地區(qū)的年雷暴日數(shù)計算值與人工觀測值的平均絕對誤差小于10.0 d，平均相對誤差小于30.0%，但新疆、青海和西藏等地區(qū)的平均絕對誤差和平均相對誤差都較大?？傮w表明，除新疆、青海和西藏等地區(qū)外，基于年雷電日數(shù)、年地閃密度建立的二元回歸方程對年雷暴日數(shù)的擬合效果較好，可用于雷暴日數(shù)序列的延長。

(3)利用PMFT方法對843個氣象站1961—2018年的年雷暴日數(shù)序列進行均一性檢驗，結(jié)果顯示843個站點中有776個站點的序列在2013年前后無明顯跳變，占比達92.1%，有67個臺站的延長序列相比人工觀測序列有明顯跳變，這些站點主要集中在新疆、青海、西藏、東南沿海等地，造成序列非均一的原因有高山阻隔、ADTD探測站網(wǎng)稀疏、ADTD探測儀探測性能下降等?？傮w表明，利用二元法延長的年雷暴日數(shù)序列與人工觀測序列相比無明顯跳變，均一性較好。

在國家級氣象站1961—2013年的人工觀測年雷暴日數(shù)序列中，仍可能存在因觀測方式改變、臺站遷移等原因造成的非均一點，后期可繼續(xù)采用PMFT檢驗法對人工觀測序列進行均一性檢驗，找出序列非均一的年份，分析其原因，并完成序列的均一性訂正，形成均一的長序列年雷暴日數(shù)數(shù)據(jù)集，為雷暴氣候變化分析、防雷工程設(shè)計、雷擊風(fēng)險評估和雷電科學(xué)研究提供科學(xué)依據(jù)。