張 悅 呂偉濤* 陳綠文 武 斌 齊 奇 馬 穎 張 陽 鄭 棟 顏 旭 孟 青

1)(中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室/雷電物理和防護工程實驗室， 北京 100081)2)(中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所， 廣州 510641)

引 言

閃電定位系統是目前雷電監(jiān)測的主要手段，其觀測資料可用于雷電災害防護、對流天氣監(jiān)測預警及云物理和閃電活動特征等方面研究[1-3]。閃電定位系統探測性能的檢驗是有效應用閃電定位資料的重要依據，也能夠為系統升級改進提供可參考的量化指標。近年國內外學者利用多種資料和方法對閃電定位系統進行評估[4-12]，其中人工觸發(fā)閃電和高塔(或高建筑物)閃電的觀測資料具有可準確測量且擁有真值的特征。

人工觸發(fā)閃電指在適宜雷暴條件下人為引發(fā)到地面的閃電[13]，可直接利用電流傳感器測量其雷電流[14-15]。觸發(fā)閃電過程不包含自然下行地閃的首次回擊，與自然上行閃電過程類似[16]，通常由初始階段開始，伴隨初始連續(xù)電流和初始連續(xù)電流脈沖發(fā)展入云，后續(xù)可能包含下行先導/回擊等過程[17]。由于人工觸發(fā)閃電發(fā)生位置已知、時間可測，通道電流可直接測量[18-19]，因此作為校驗閃電定位系統性能的有效手段，可得到真實客觀的結果。已有許多學者利用該方法對國內外多套閃電定位系統的探測效率、定位精度、電流峰值反演結果(ILLS)的精度、云閃/地閃判別的正確率進行評估[13,20-25]。

粵港澳閃電定位系統(Guangdong-Hongkong-Macau Lightning Location System，GHMLLS)是對廣東地區(qū)雷電活動進行實時監(jiān)測的業(yè)務系統之一。本文基于2014—2019年中國氣象局雷電野外科學試驗基地廣州從化人工觸發(fā)閃電試驗所獲資料，對GHMLLS的探測性能進行評估。

1 資料和方法

1.1 GHMLLS簡介

GHMLLS采用芬蘭維薩拉公司的產品，由粵港澳三地的氣象部門共同建設。截至2012年，系統共有17個探測子站[11]。2018年該系統增加兩個探測子站[26]。GHMLLS采用時差-方向綜合定位方法，可實時探測云閃、地閃及回擊所在位置的經緯度、GPS時間、極性、電流強度，并可區(qū)分云閃和地閃。圖1為GHMLLS探測子站及人工觸發(fā)閃電試驗場分布。由圖1可以看到，GHMLLS有15個站位于試驗場偏南方向，各站與試驗場的距離為28～260 km，平均距離為146 km。

圖1 GHMLLS探測子站分布及人工觸發(fā)閃電試驗場位置Fig.1 Distribution of sensors in GHMLLS and experiment site for artificially triggered lightning

已有研究利用不同資料對GHMLLS探測能力進行評估：Zhang等[11]利用2012—2014年人工觸發(fā)閃電資料評估2012年升級后GHMLLS的探測效率、定位精度和ILLS精度，發(fā)現探測能力明顯提高，但ILLS偏低；郭宏博等[27]利用2016年深圳高塔雷電觀測系統資料對GHMLLS進行評估，發(fā)現回擊探測效率約為92.9%(13/14)，GHMLLS定位誤差小于300 m；陳綠文等[26]利用2016—2017年廣州高建筑物雷電觀測資料對GHMLLS進行評估，結果顯示GHMLLS的閃電和回擊探測效率分別為93%(214/229)和93%(449/481)，對下行閃電首次回擊的定位誤差平均值為361 m，下行閃電繼后回擊和上行閃電回擊的定位誤差均在300 m以內。

1.2 人工觸發(fā)閃電試驗

本研究的人工觸發(fā)閃電資料來自在中國氣象局雷電野外科學試驗基地廣州從化人工引雷試驗場的外場試驗，該試驗場位于廣州從化北部的光聯村，自2006年初次引雷成功以來持續(xù)進行，為研究雷電的物理特性、開展各種雷電防護和效應試驗提供了有利條件。試驗采用火箭拖帶細金屬導線的方法，包括地面觸發(fā)和空中觸發(fā)兩種方式，其中地面觸發(fā)閃電的接地點為引流桿，空中觸發(fā)閃電的雷擊位置存在不確定性[23]。試驗中，人工觸發(fā)閃電的雷電流、電場、磁場、GPS時間信息通過示波器進行同步記錄，且同時利用高速攝像和普通攝像機在一定距離遠處的光學觀測點進行記錄[28-29]。

評估中僅選擇接地點在引流桿上、含有回擊過程、擁有雷電流波形資料的地面觸發(fā)閃電個例，且排除GHMLLS系統調試和維護時段。2014—2019年資料中共選取50次符合上述標準的地面觸發(fā)閃電。

圖2a是50次觸發(fā)閃電的回擊數量分布。由圖2a可知，50次觸發(fā)閃電共包含265次回擊，其中16%(8/50)只有1次回擊,84%(42/50)具有多次回擊，在42次具有多次回擊的觸發(fā)閃電事件中，具有3次回擊的比例最高，約為17%；單次觸發(fā)閃電中包含的回擊數量最多為14次。圖2b為回擊間時間間隔分布，時間間隔多低于100 ms，最大值為503 ms。

圖2 50次人工觸發(fā)閃電回擊數量(a)和回擊間時間間隔(b)Fig.2 Number of return strokes in 50 artificially triggered lightning flashes(a) and time interval between return strokes(b)

1.3 研究方法

為利用人工觸發(fā)閃電對GHMLLS探測性能進行評估，需將50次觸發(fā)閃電與GHMLLS的探測結果進行匹配，方法與Chen等[22]類似：確認每次觸發(fā)閃電回擊的GPS時間，在GHMLLS定位記錄中搜索與回擊事件的時間偏差不超過2 ms的定位匹配記錄，將與引流桿之間的距離超過50 km的記錄剔除。

利用經過匹配后的記錄可從探測效率、定位精度、回擊ILLS的精度、云閃/地閃判別4個角度對GHMLLS在2014—2019年的探測性能進行評估。

2 GHMLLS性能評估

2.1 探測效率

表1是2014—2019年GHMLLS對人工觸發(fā)閃電的探測情況，表中LLS(lightning location system,閃電定位系統)-CG和LLS-IC分別表示被GHMLLS判別為地閃回擊和云閃的記錄。50次觸發(fā)閃電GHMLLS有定位記錄的為48次(96%)，265次回擊GHMLLS有定位記錄的為233次(88%)。由表1可知，對于觸發(fā)閃電的探測效率，2015年較低，為92%，2014年最低，僅為86%，2016—2019年均達到100%；對于回擊探測效率，除2016年僅為57%外，其他5年均在80%以上。各年閃電和回擊探測效率間差異較大可能由樣本量不同導致。

表1 2014—2019年GHMLLS對人工觸發(fā)閃電的探測Table 1 GHMLLS detection of flashes and return strokes in artificially triggered lightning experiment during 2014-2019

對于2014—2019年人工觸發(fā)閃電過程的265次回擊，電流峰值直接測量值(IDM)的分布如圖3a所示。由圖3a可以看到，人工觸發(fā)閃電回擊的IDM為3.1～46.0 kA，算術平均值為15.8 kA，幾何平均值為14.0 kA，且主要集中在5～20 kA，其中10～15 kA回擊數量最多。

圖3b為GHMLLS在IDM各區(qū)間的回擊探測效率。由圖3b可知，當回擊IDM>35 kA時，回擊探測效率為100%(6/6)；當回擊IDM為5～35 kA時，探測效率在各區(qū)間均達到78%以上；當回擊IDM<5 kA 時，探測效率最低，為11%(1/9)。因此，回擊IDM較小時，GHMLLS的探測效率較低。若僅統計2014—2019年IDM>5 kA的256次人工觸發(fā)閃電回擊事件，GHMLLS的回擊探測效率可達91%(232/256)。

圖3 50次人工觸發(fā)閃電中265次回擊的IDM分布(a)和GHMLLS在各區(qū)間回擊的探測效率(b)Fig.3 Distribution of IDM of 265 return strokes in 50 artificially triggered lightning flashes(a) and corresponding GHMLLS detection efficiency(b)

2.2 定位精度

本文265次人工觸發(fā)閃電回擊中，233次有對應的GHMLLS定位記錄，其定位誤差為8～4410 m。圖4為GHMLLS探測子站和2014—2019年265次人工觸發(fā)閃電回擊定位位置分布及各方向定位誤差箱線圖。由定位位置8 km×8 km及2 km×2 km放大圖可知，GHMLLS定位的多數回擊相對于真實值均偏向西南方向，占總數的75%(174/233)，這和陳綠文等[26]基于2016—2017年廣州高建筑物地閃個例對GHMLLS的評估結果相似；其中LLS-CG和LLS-IC的偏西南方向的數量均分別占總數的75%。由各方向定位誤差箱線圖可知，GHMLLS探測的相較于真實值偏西南方向的回擊定位誤差平均值最小，為233 m；偏東南方向的回擊定位誤差平均值最大，為673 m。總體看，GHMLLS對人工觸發(fā)閃電回擊的定位誤差算術平均值和幾何平均值分別為279 m和193 m，中值為202 m；定位誤差在200 m以內的數量約占總數的50%，500 m以內的數量約占總數的90%。

將233次人工觸發(fā)閃電回擊的GHMLLS定位位置的算術平均值與實際雷擊位置進行對比，發(fā)現存在西南方向的系統偏差，偏西約170 m和偏南約50 m。利用該系統偏差對233次定位結果逐條進行校正，重新計算的定位誤差算術平均值和幾何平均值分別為198 m和108 m，中值為103 m；定位誤差在100 m以內的數量約占總數的50%，200 m以內的數量約占總數的80%。

2014—2019年GHMLLS對人工觸發(fā)閃電回擊定位中，約85%由5個及以上站點探測得到，其定位誤差的算術平均值和幾何平均值分別為233 m 和171 m。圖5a為GHMLLS對人工觸發(fā)閃電回擊的定位誤差與探測站點數量的散點圖。由圖5a可以看到，定位誤差最大的兩次記錄中可用于定位的站點分別為4站和6站，且LLS-IC主要被6個及以下站點探測到，大多數記錄的定位誤差低于500 m。圖5b為利用定位站點數量對定位誤差分類的箱線圖。由圖5b可知，定位誤差的最小值為8 m，最大值為4410 m，算術平均值和幾何平均值分別為279 m 和193 m，3～4個站點的定位誤差更大。隨著定位站點數量的增加，3～6個站的定位誤差逐漸減?。?站及以上站點數量的定位誤差趨于穩(wěn)定，中值均小于200 m。

圖4 GHMLLS探測子站和2014—2019年265次人工觸發(fā)閃電回擊定位位置分布及各方向定位誤差箱線圖(N為樣本量，+為異常值，下同)Fig.4 Location of GHMLLS sensors and reported locations for 265 return strokes in artificially triggered lightning and box plot of location errors in four directions during 2014-2019(N denotes sample size,+ denotes outliers,the same hereinafter)

將233次人工觸發(fā)閃電回擊的GHMLLS定位記錄按照IDM大小分為10類，分別統計其定位誤差(圖6)。由圖6可以看到，隨IDM的增大，定位誤差總體呈減小趨勢。IDM大于10 kA的各組，定位誤差的中值在230 m以內；IDM在10 kA以下的回擊，定位誤差平均值和中值分別為349 m和332 m。若將各組內的異常值剔除，剩下的221次回擊定位誤差平均值和中值分別為215 m和184 m。

圖5 2014—2019年GHMLLS對人工觸發(fā)閃電回擊的定位誤差與探測站點數關系散點圖(a)和箱線圖(b)Fig.5 Scatter plot(a) and box plot(b) of relationship between the location error of GHMLLS for return strokes in artificially triggered lightningand number of reporting sensors during 2014-2019

2.3 ILLS的精度

GHMLLS有定位記錄的233次人工觸發(fā)閃電回擊，IDM為4.5～46.0 kA，圖7為2014—2019年人工觸發(fā)閃電回擊探測的ILLS和IDM對比。由圖7可知，GHMLLS對人工觸發(fā)閃電回擊記錄的ILLS全部偏低，ILLS和IDM相關系數為0.93，存在顯著正相關關系(達到0.01顯著性水平)；通過截距為0的線性擬合，二者關系為ILLS=0.65×IDM，R2為0.97，這與張悅等[30]將廣東電網閃電定位系統和GHMLLS資料進行對比的結果類似。對于16次LLS-IC，ILLS和IDM相關系數為0.89，存在顯著正相關關系(達到0.01顯著性水平)；通過截距為0的線性擬合,二者關系為ILLS=0.63×IDM，R2為0.91。

圖6 2014—2019年GHMLLS對人工觸發(fā)閃電回擊事件定位誤差與IDM關系(黑色小矩形表示僅有1個樣本的類別)Fig.6 Box plot of relationship between the location error and IDM during 2014-2019(the small black rectangle denotes the category with only one sample)

圖7 2014—2019年人工觸發(fā)閃電回擊事件電流峰值的GHMLLS反演結果ILLS和直接測量值IDM對比Fig.7 Scatter plot of relationship between LLS-inferred peak current of GHMLLS(ILLS) anddirect measurement peak current(IDM) during 2014-2019

將233次回擊按照IDM大小分為10類，分別統計每類ILLS的相對偏差，由于所有ILLS均偏低，因此相對偏差值均為負數。0～20 kA范圍內ILLS的相對偏差較大，平均值為-38%；20～50 kA范圍內相對偏差稍小，平均值為-33%。隨IDM增強，ILLS相對偏差的降低并不顯著。整體看，2014—2019年ILLS相對偏差為-79%～-10%，算術平均值和中值分別為-37%和-36%。Zhang等[11]利用2012—2014年70次人工觸發(fā)閃電回擊事件對GHMLLS的ILLS精度進行評估，得出其相對偏差絕對值為4%～76%，平均值和中值分別為39%和40%，與本文結果差異不顯著。

由以上分析可知，GHMLLS的ILLS整體上相對IDM偏低約35%，應用ILLS資料時建議除以0.65進行校正。校正后重新計算每次回擊的ILLS相對偏差，仍對10類IDM范圍的相對偏差進行統計，結果見圖8。由圖8可知，校正后GHMLLS的ILLS相對偏差為-67%～38%，相對偏差絕對值為0～67%，算術平均值和中值分別為15%和12%。

2.4 云閃/地閃判別

2014—2019年GHMLLS對人工觸發(fā)閃電回擊的定位記錄共233次，云閃/地閃判別正確率如表2所示。由表2可知，GHMLLS對人工觸發(fā)閃電回擊事件的判別正確率在2014，2016年和2018年均達到100%，2014—2019年GHMLLS的判別正確率為93%。

圖8 2014—2019年GHMLLS對人工觸發(fā)閃電回擊的ILLS校正后的相對偏差與IDM關系(黑色小矩形表示僅有1個樣本的類別)Fig.8 Box plot of relationship between the error of ILLS of GHMLLS after correction and IDM during 2014-2019(the small black rectangle denotes the category with only one sample)

表2 2014—2019年GHMLLS對人工觸發(fā)閃電回擊的云閃/地閃判別正確率Table 2 Classification accuracy of cloud-to-ground and intra-cloud lightning detected by GHMLLS for return strokes in artificially triggered lightning during 2014-2019

將GHMLLS有對應定位記錄的233次回擊中217次LLS-CG和16次LLS-IC分別統計，結果如表3所示。由表3可知，LLS-IC的IDM和ILLS的平均值(中值)分別為LLS-CG的0.71倍(0.66倍)和0.66倍(0.61倍)；LLS-IC的ILLS的相對偏差平均值為LLS-CG的1.1倍；LLS-IC的定位站點數量平均值為LLS-CG的0.67倍；LLS-IC的定位誤差平均值(中值)為LLS-CG的2.1倍(1.4倍)。

總體看，與LLS-CG相比，LLS-IC的IDM更低，且可用于定位的站點數量更少、定位誤差更大，ILLS的精度更低。

表3 2014—2019年人工觸發(fā)閃電回擊的LLS-CG和LLS-IC特征Table 3 Characteristic statistics of return strokes in artificially triggered lightning of LLS-CG and LLS-IC from 2014 to 2019

3 結 論

本文選取2014—2019年中國氣象局雷電野外科學試驗基地廣州從化人工觸發(fā)閃電試驗的50次閃電個例，對GHMLLS探測性能進行評估分析，結果表明：

1) GHMLLS對人工觸發(fā)閃電和回擊的探測效率分別為96%(48/50)和88%(233/265)；回擊IDM小于5 kA時探測效率最低(僅為11%)，回擊IDM大于35 kA時，回擊探測效率可達100%。

2) GHMLLS對人工觸發(fā)閃電回擊定位誤差的算術平均值、幾何平均值和中值分別為279 m，193 m 和202 m；觸發(fā)閃電試驗場附近的定位存在西南方向的系統偏差，偏西約170 m和偏南約50 m，校正后定位誤差的算術平均值、幾何平均值和中值分別為198 m，108 m和103 m。

3) GHMLLS對人工觸發(fā)閃電回擊電流峰值的反演結果ILLS全部偏低，與IDM相比，ILLS相對偏差的平均值和中值分別為-37%和-36%，但ILLS和IDM相關系數為0.93，存在顯著正相關關系(達到0.01 顯著性水平)。截距為0的線性擬合表明ILLS與IDM存在65%的比例關系，利用該系數對ILLS的系統偏差進行校正，校正后ILLS相對偏差絕對值的平均值和中值分別為15%和12%。

4) GHMLLS對人工觸發(fā)閃電回擊的判別正確率為93%(217/233)，LLS-IC的IDM更低，可用于定位的站點更少，定位精度和ILLS的精度更低。

總體上，GHMLLS的探測效率和定位精度較好，云閃/地閃判別正確率較高，但ILLS存在明顯系統偏差，使用GHMLLS的ILLS資料時，建議將其除以0.65，以獲得更為可靠的分析結果。為深入分析GHMLLS的ILLS系統偏低的原因，下一步將通過開展人工觸發(fā)閃電的遠場電磁場測量，探討影響ILLS的不同因素。