菏澤市閃電定位探測與人工觀測雷暴對比分析

程萌

摘 要：該文通過對2007-2013年菏澤地區(qū)9個(gè)區(qū)縣人工觀測雷暴資料和閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測資料的數(shù)理統(tǒng)計(jì)，重點(diǎn)分析了人工觀測雷暴日、閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測的雷暴日特征。結(jié)果表明：閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測獲取的雷暴日數(shù)遠(yuǎn)大于人工觀測的數(shù)據(jù)；閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測的雷電日局限于探測方法和設(shè)備的靈敏性，而人工觀測的雷暴日局限于個(gè)人差異和地形影響，均不能完全客觀反映各地區(qū)雷電活動(dòng)規(guī)律；兩者綜合篩選后的雷暴日能客觀真實(shí)反映各地雷電活動(dòng)特征，在此基礎(chǔ)上獲得了有效反映雷電活動(dòng)規(guī)律的雷暴日及雷擊大地密度參數(shù)，為雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與防雷設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：閃電定位；人工觀測；雷暴日；菏澤市

中圖分類號(hào) P427.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2016）10-0151-03

雷電是自然界大氣中發(fā)生的瞬間放電過程，并伴有聲、光、電的出現(xiàn)，它被聯(lián)合國公布為十大自然災(zāi)害之一。在現(xiàn)代生活中，雷電不僅對人畜的生命安全構(gòu)成威脅，還對電力、通信、電子、建筑等許多行業(yè)都有著大影響，因此雷電活動(dòng)規(guī)律及其防護(hù)問題一直為人們所關(guān)注[1-2]。

雷暴日是反映雷電活動(dòng)規(guī)律的重要參數(shù)，是雷電科學(xué)研究和防雷工程設(shè)計(jì)的重要參數(shù)指標(biāo)。20世紀(jì)70年代，Nishino、Noggle和Proctor等科學(xué)家采用高頻、甚高頻、低頻技術(shù)的天線定位系統(tǒng)測量閃電位置[3]。而近年來閃電定位系統(tǒng)的建設(shè)，為該項(xiàng)工作的檢驗(yàn)研究提供了基礎(chǔ)。問楠臻等利用廣州市雷電監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)，按1km2的網(wǎng)格進(jìn)行區(qū)域劃分，通過加權(quán)得到地閃密度[4]；陳家宏等提出了網(wǎng)格法統(tǒng)計(jì)雷電日方法，并與傳統(tǒng)人工觀測雷電日進(jìn)行了對比分析[5]；樊榮等從落雷密度的概念出發(fā)，利用克里金（Kriging）插值法，計(jì)算任一經(jīng)緯度上的多年平均雷暴日數(shù)，并使用C#語言編制出計(jì)算落雷密度的軟件[6]；還有些學(xué)者通過對各地的雷擊大地年平均密度和多年平均雷暴日的分析，總結(jié)出了符合當(dāng)?shù)靥攸c(diǎn)的兩者的關(guān)系[7-10]。但是當(dāng)前對于閃電定位系統(tǒng)和人工觀測雷暴日的科學(xué)性進(jìn)行檢驗(yàn)的較少，為此，本文采用2007-2013年菏澤地區(qū)9個(gè)氣象觀測站人工觀測的雷暴日資料和閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測的雷暴日資料進(jìn)行分析，以期找出能夠反映雷電活動(dòng)規(guī)律的雷暴日參數(shù)。

1 資料來源

1.1 人工觀測資料 人工觀測資料的平均雷暴日來源于觀測人員的觀測數(shù)據(jù)，1d內(nèi)只要觀測到一次或一次以上的雷聲就算是一個(gè)雷暴日。該數(shù)據(jù)有記錄的時(shí)間長，延續(xù)性好。但人工觀測也有局限性：首先，人的監(jiān)聽范圍通常半徑為15～20km，再遠(yuǎn)的雷聲不容易聽到；其次，隨著城市建設(shè)的發(fā)展，大量氣象觀測站由原先的遠(yuǎn)離城區(qū)變?yōu)槌墙蓟虺菂^(qū)，各種噪音給準(zhǔn)確判斷雷暴帶來較大的困難。

1.2 閃電監(jiān)測數(shù)據(jù) 山東省閃電定位系統(tǒng)是LD-II型閃電定位系統(tǒng)，主要由13個(gè)分布在全省各地的閃電定位儀、1個(gè)中心數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和圖形顯示終端構(gòu)成，采用磁定向時(shí)差遙測法進(jìn)行閃電定位，各個(gè)定位儀將接收到的閃電信息和GPS時(shí)間信息，通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送至中心站計(jì)算機(jī)，通過中心數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的計(jì)算，得到閃擊的時(shí)間、位置、強(qiáng)度、極性等參數(shù)。該系統(tǒng)時(shí)鐘同步精度可達(dá)到0.1μs，山東省內(nèi)大部分地區(qū)閃電探測效率理論值為95%，定位精度可達(dá)到300m。閃電定位系統(tǒng)覆蓋范圍較廣，監(jiān)測精度較高，但閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測閃電受其探測方法和自身設(shè)備影響，可能會(huì)導(dǎo)致探測正負(fù)閃頻次出現(xiàn)增加現(xiàn)象，同時(shí)受城市環(huán)境影響也可能會(huì)誤測。

2 結(jié)果與分析

分別從人工觀測資料和閃電定位原始資料中統(tǒng)計(jì)出2007-2013年逐年雷暴日數(shù)（圖1），人工觀測雷暴日最大值為2009年的47d，最小值為2012年的26d，年際變化不大，閃電定位雷暴日最大值為2007年的182d，最小值為2012年的101d，年際變化較大。同一年兩者最大差值為146d，最小差值為75d，所有年份閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測的雷暴日遠(yuǎn)大于人工觀測的雷暴日。

由于人的聽力范圍大致為15～20km，選取距離觀測臺(tái)站20km以內(nèi)的閃電定位資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，與人工觀測雷暴日進(jìn)行對比（圖2），兩者的差距減小，但差值依然較大，同一年中雷暴日最大差值為60d，最小差值為43d。

江臘寶將安徽省閃電定位數(shù)據(jù)按照雷電流的大小分為10個(gè)等級(jí)，研究得出可用I≥20KA作為雷暴日的閾值，來計(jì)算雷暴日并作為服務(wù)應(yīng)用[11]。鑒于閃電定位系統(tǒng)容易受其它電磁波的干擾，且雷電流較小、距離較遠(yuǎn)的情況下儀器的靈敏性較差，雷電流較大容易產(chǎn)生誤動(dòng)作，或把回?fù)粽`當(dāng)成主放電等原因，通過對菏澤市閃電定位資料與人工記錄雷暴日逐站分析，雷電流幅值范圍為20～30KA時(shí)，幾乎所有臺(tái)站的記錄都包括在內(nèi)（圖3）。在圖2的基礎(chǔ)上，篩選20～30KA的雷電流對應(yīng)的雷暴日數(shù)，對比發(fā)現(xiàn)，兩者的差距較小，吻合程度較好。

通過以上對比分析看出，同一區(qū)域內(nèi)閃電觀測數(shù)據(jù)中幅值在20～30KA范圍內(nèi)的雷電流對應(yīng)的雷暴日數(shù)與人工觀測的雷暴日數(shù)吻合程度較好，基本一致，更能科學(xué)反映雷電活動(dòng)規(guī)律。

3 以具體評(píng)估對象為實(shí)例確定雷擊大地密度

根據(jù)雷擊大地的年平均密度的含義即1a里某一確定地區(qū)的地閃次數(shù)，通過閃電定位系統(tǒng)提供的1a中某地區(qū)的地閃次數(shù)再除以該地區(qū)的面積可以得到更為精確的雷擊大地的年平均密度。計(jì)算公式如下：

4 結(jié)論與討論

（1）通過對閃電定位數(shù)據(jù)多次的選擇和篩選，發(fā)現(xiàn)同一區(qū)域內(nèi)閃電觀測數(shù)據(jù)中幅值在20～30KA范圍內(nèi)的雷電流對應(yīng)的雷暴日數(shù)與人工觀測的雷暴日數(shù)能較好的吻合，基本一致，更能科學(xué)地反映雷電活動(dòng)規(guī)律。

（2）利用雷電流幅值在20～30KA范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，得到的某地的雷擊大地密度更科學(xué)，可為研究此處的雷電活動(dòng)規(guī)律提供參考。

（3）山東省閃電定位系統(tǒng)在全省范圍內(nèi)有13個(gè)閃電定位儀，隨著該系統(tǒng)的進(jìn)一步完善，閃電定位儀的增加，該系統(tǒng)同步精度和定位精度將進(jìn)一步減小，閃電探測效率也將進(jìn)一步提升，為雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的各參數(shù)的選取提供更準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)，評(píng)估結(jié)論也更科學(xué)。另外，鑒于雷達(dá)數(shù)據(jù)的廣泛使用，如何利用雷達(dá)資料對閃電定位資料進(jìn)行篩選還有待于進(jìn)一步研究。

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