寧波市閃電資料修正和分析

周　承,吳大中,唐　赟,陳　飛,管金龍（.象山縣氣象局,寧波　象山　5700；.南京信息工程大學(xué),　南京　00；.淮安市氣象局,江蘇　淮安　00；.北侖區(qū)氣象局,寧波　寧波5800）

寧波市閃電資料修正和分析

周承1,吳大中2,唐赟3,陳飛4,管金龍1
（1.象山縣氣象局,寧波象山315700；2.南京信息工程大學(xué),南京210044；3.淮安市氣象局,江蘇淮安223001；4.北侖區(qū)氣象局,寧波寧波315800）

摘要：閃電定位儀在雷電研究中主要提供已發(fā)生的雷暴的信息，它與大氣電場(chǎng)儀一樣是二十四小時(shí)不間斷工作，能夠提供雷電發(fā)生時(shí)間、位置、雷電流強(qiáng)度、波形陡度、誤差等更多的信息，對(duì)雷電發(fā)生的時(shí)間、季節(jié)、區(qū)域等分布特點(diǎn)的研究有較多的貢獻(xiàn)。目前我國(guó)多個(gè)省市都已布站建網(wǎng)，這對(duì)分析研究全國(guó)雷電天氣十分有利。介紹寧波市ADTD閃電定位系統(tǒng)的基本原理和應(yīng)用，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)閃電閃擊數(shù)、閃電發(fā)生和持續(xù)時(shí)間、回?fù)糸g隙時(shí)間間隔等數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選修正，把修正后的資料和大氣電場(chǎng)儀數(shù)據(jù)以及人工記錄雷暴日出具進(jìn)行比對(duì)。根據(jù)修正后的資料進(jìn)行分析得出寧波市閃電發(fā)生的時(shí)空分布特征。

關(guān)鍵詞：閃電定位儀；電流強(qiáng)度；閃擊數(shù)；閃電的時(shí)空分布特征

1　儀器介紹

1.1ADTD閃電定位系統(tǒng)介紹

閃電定位系統(tǒng)主要用來(lái)探測(cè)云地閃，在探測(cè)過(guò)程中能區(qū)分出閃電的正負(fù)性，該系統(tǒng)主要應(yīng)用于氣象、航天、航空、通訊、林業(yè)、電力、建筑等領(lǐng)域。ADTD閃電定位網(wǎng)由ADTD閃電定位儀、中心數(shù)據(jù)處理站、用戶(hù)數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)及圖形顯示終端組成。工作原理是利用閃電回?fù)糨椛涞穆?、光、電磁?chǎng)特性來(lái)遙測(cè)閃電回?fù)舴烹妳?shù)，時(shí)實(shí)記錄雷電發(fā)生的時(shí)間、位置、強(qiáng)度和極性等指標(biāo)。并把記錄的閃電數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信送到中心數(shù)據(jù)處理站進(jìn)行交匯處理。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可全天候、長(zhǎng)期、連續(xù)運(yùn)行，并且準(zhǔn)確度較高。

1.2寧波市的閃電定位儀系統(tǒng)介紹

在2009年浙江省寧波市氣象局建成自己的閃電定位儀系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)調(diào)試后于7月份開(kāi)始記錄有效數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用的是定向時(shí)差聯(lián)合法探測(cè)系統(tǒng)，由4個(gè)站組成閃電定位網(wǎng)，系統(tǒng)中的單個(gè)測(cè)站的探測(cè)半徑約為150km，站點(diǎn)分別位于余姚市（東經(jīng)121.1787，北緯30.0486）、北侖區(qū)小港鎮(zhèn)（東經(jīng)121.7486，北緯29.9460）、寧?？h（北緯29.311，東經(jīng)121.435）、象山縣的氣象觀測(cè)站（北緯29.4776，東經(jīng)121.8841）。該系統(tǒng)通過(guò)多個(gè)探測(cè)站測(cè)得閃電回?fù)魰r(shí)的電磁場(chǎng)發(fā)出的方位角和脈沖到達(dá)各站點(diǎn)的精確時(shí)間差，進(jìn)行不同組合后聯(lián)合定位，進(jìn)行定位的主要方法為“二站振幅”、“二站混合”、“三站混合”和“四站算法”。

2　閃電定位儀觀測(cè)資料的修正

2.1 修正的方法

任何系統(tǒng)都會(huì)由于本身系統(tǒng)誤差原因或者由于周?chē)h(huán)境影響等等造成數(shù)據(jù)上的誤差，為了能夠提高我們系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，用盡可能接近真實(shí)的數(shù)據(jù)來(lái)分析寧波當(dāng)?shù)亻W電發(fā)生的時(shí)空分布規(guī)律，我們首先要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析修正。

（1）Kenneth[3]等人研究美國(guó)閃電定位網(wǎng)的觀測(cè)結(jié)果得到:強(qiáng)度在10kA以下的正閃有90%是云閃，強(qiáng)度20kA以上的正閃有90%是地閃，強(qiáng)度10kA到20kA之間的有云閃或者地閃；強(qiáng)度小于-10kA的負(fù)閃是云地閃。在我們的生活中云地閃和云閃的強(qiáng)度較大，對(duì)我們的環(huán)境設(shè)備造成的破壞影響也是最大，因此，文中把絕對(duì)值強(qiáng)度小于10kA的閃電進(jìn)行刪除。

（2）根據(jù)寧波當(dāng)?shù)氐臍庀蟓h(huán)境地理?xiàng)l件，我們把研究中的一次地閃閃擊小于4次的數(shù)據(jù)定為無(wú)效數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除。

（3）地閃持續(xù)時(shí)間跟地閃閃擊數(shù)、地理環(huán)境和氣象環(huán)境有很大的關(guān)聯(lián)。多閃擊地閃的各閃擊間隙，在無(wú)連續(xù)電流的情況下是50ms左右，變化范圍為3-380ms。據(jù)大量的觀測(cè)資料顯示:一次地閃的持續(xù)時(shí)間平均為0.2s左右，其變化范圍在0.01-2s[2]。因此我們對(duì)閃擊間隙和一次地閃的持續(xù)時(shí)間的后續(xù)回?fù)舻人a(chǎn)生的記錄進(jìn)行有效剔除。

2.2修正后的數(shù)據(jù)和人工數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)

通過(guò)軟件編程[3]，我們對(duì)寧波市2009年到2013年的閃電定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正篩選處理。我們把處理后的數(shù)據(jù)跟大氣電場(chǎng)儀數(shù)據(jù)，以及人工記錄的雷暴日的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，通過(guò)圖1我們可以看到在趨勢(shì)上幾種數(shù)據(jù)基本相同，這樣印證了我們處理后的資料的有效性。

圖 1　經(jīng)過(guò)修正的閃電定位儀資料與大氣電場(chǎng)儀資料、人工記錄雷暴日的數(shù)據(jù)

3　寧波市閃電時(shí)空分布特征

3.1寧波市地閃特征分析

通過(guò)對(duì)修正后的寧波市閃電定位資料分析，得出寧波市的地閃特征為:寧波市2009年至2013年間寧波市共發(fā)生地閃次數(shù)為362081次，在地閃中高達(dá)93.24%的閃擊均為負(fù)地閃，正地閃僅占約6.76%，正負(fù)地閃的比為7.25:100。從雷暴日分布圖可以看到，寧波的雷暴日數(shù)各月分布都不均勻，全年每月均有雷暴發(fā)生，主要分布在6到9月份，高峰集中在7到8月份，7、8月份雷暴日數(shù)占全年總數(shù)的46%。3、4、5、6、9月份為雷暴發(fā)生的易發(fā)期，1、2、10、11、12月為雷暴發(fā)生的少發(fā)期。

3.2 地閃的日、月時(shí)間分布特征

圖2　2009年-2013年寧波市閃電日變化圖

圖3　2009年－2013年寧波市閃電月變化圖

根據(jù)寧波市雷電監(jiān)測(cè)資料整理出的2009年-2013年全市閃電日變化圖逐時(shí)分析表明閃電的發(fā)生存在明顯的日變化特征，寧波主要的閃電活動(dòng)發(fā)生在午后至前半夜，發(fā)生概率明顯高于后半夜和上午。雷暴的峰值出現(xiàn)在14時(shí)到15時(shí)，谷值出現(xiàn)在6時(shí)到7時(shí)左右。負(fù)地閃的變化趨勢(shì)和總地閃的變化趨勢(shì)較為一致，在一天中地閃發(fā)生主要集中在13點(diǎn)到20點(diǎn)，該時(shí)段的發(fā)生頻數(shù)占到總頻數(shù)的68.9%。主要原因是午后到傍晚是太陽(yáng)輻射導(dǎo)致地面熱力條件發(fā)展到最旺盛的時(shí)段，強(qiáng)對(duì)流天氣多數(shù)在午后得到發(fā)展。在全年中7、8月份雷電達(dá)到峰值，發(fā)生數(shù)量占到全年雷電總數(shù)的62%，1、2、11、12月份為雷電的少發(fā)期，出雷會(huì)發(fā)生在3月份左右。

3.3地閃空間分布特征

寧波市陸域平均地閃密度為5.34個(gè)／平方公里。從全市的地閃密度等值線(xiàn)線(xiàn)圖上可以看出，海曙區(qū)、江東區(qū)、寧海局部、鄞州區(qū)中心區(qū)及東部的地閃密度大于其他地區(qū)，地閃密度大部分在每平方公里30次以上，大大高于全市的平均密度。在寧波地區(qū)中寧?？h的雷擊密度最大，跟他的地理環(huán)境關(guān)系密切，寧?？h坐落在天臺(tái)山脈和四明山脈之間，其地理位置背山靠海，屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，屬于雷暴的多發(fā)區(qū)。

4　結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹寧波市ADTD閃電定位系統(tǒng)的基本原理和應(yīng)用，根據(jù)修正后的資料進(jìn)行分析進(jìn)一步得出寧波市閃電發(fā)生的時(shí)空分布特征：

（1）寧波市2009年至2013年間共發(fā)生地閃362081次，地閃中負(fù)地閃所占比例高達(dá)93.24%，正地閃僅占約6.76%。

圖 4　寧波市閃電密度圖

（2）寧波市的雷暴初日發(fā)生主要集中在2、3月份，寧波的雷暴終日主要集中在10、11月份。寧波市的閃電發(fā)生從6月開(kāi)始增多，在7、 8月份達(dá)到峰值，從9月數(shù)量開(kāi)始減少，全年中1月、11月、12月的閃電發(fā)生次數(shù)最少，這說(shuō)明寧波的雷暴具有明顯的季節(jié)特征，主要發(fā)生在春夏兩個(gè)季節(jié)其中以夏季為最多。

（3）在一天之中寧波的閃電頻數(shù)最主要集中在13點(diǎn)到20點(diǎn)，峰值發(fā)生在14點(diǎn)到15點(diǎn)。

（4）寧波市全年地閃的平均強(qiáng)度變化不大，基本在15-25KA之間波動(dòng)，每月正閃則變化較大。地閃中負(fù)地閃占總數(shù)的72%強(qiáng)度主要集中在5-30KA，正地閃強(qiáng)度則主要集中在5-20KA。

（5）海曙區(qū)、江東區(qū)、寧海局部、鄞州區(qū)中心區(qū)及東部的地閃密度大于其他地區(qū)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Kenneth L.Commins，Senior Member，IEEE，and Martin J. Murphy.An Overview of Lightning Locating Systems:History，Techniques，and Data Uses，With an In-deep Look at the U.S. NLDN.IEEE transcations on electromagnetic compatibility，VOL.51，NO.3，auguest 2009.

[2]陳渭民.雷電學(xué)原理[M].北京:氣象出版社.2006:144-266.

[3]樓順天，姚若玉，沈俊霞.MATLAB7.x程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2007(08).

作者簡(jiǎn)介：周承（1987-），男，江蘇泰興人，工程碩士在讀，研究方向：電子與通信工程。