2007—2020年寧夏地閃數(shù)據(jù)質(zhì)量控制及時(shí)間特征分析

姚肖萌，周積強(qiáng)，厚軍學(xué)，魏 巍，楊 勇，柳佳俊

(1.寧夏回族自治區(qū)氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，銀川 750002；2.銀川市氣象局，銀川 750002；3.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，銀川 750002)

0 引言

閃電定位系統(tǒng)是指利用閃電回?fù)糨椛洚a(chǎn)生的聲、光、電磁場(chǎng)特性遙測(cè)閃電回?fù)舴烹妳?shù)的一種監(jiān)測(cè)雷電發(fā)生的自動(dòng)化氣象探測(cè)設(shè)備，定位系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)雷電發(fā)生的時(shí)間、位置、強(qiáng)度和極性等。隨著探測(cè)技術(shù)的發(fā)展和科技人員對(duì)雷電科學(xué)認(rèn)識(shí)的深入，閃電定位系統(tǒng)探測(cè)范圍由原來(lái)僅探測(cè)地閃擴(kuò)展至云閃和地閃探測(cè)。隨著觀測(cè)技術(shù)提升和氣象觀測(cè)方式調(diào)整，2012年開始對(duì)寧夏雷電天氣現(xiàn)象的觀測(cè)取消了人工觀測(cè)，全部改由閃電定位系統(tǒng)自動(dòng)觀測(cè)。閃電定位系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行對(duì)認(rèn)識(shí)雷電活動(dòng)規(guī)律、開展雷電預(yù)警等具有重要意義[1-3]，同時(shí)對(duì)開展雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、雷擊災(zāi)害調(diào)查和科普宣傳等提供了科學(xué)技術(shù)支撐[4]。

閃電定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)前需進(jìn)行質(zhì)量控制，主要目的是將誤探的地閃數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。系統(tǒng)一般情況下會(huì)將誤探測(cè)的數(shù)據(jù)記錄成為小幅值地閃。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者均對(duì)小幅值地閃數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)研究。李家啟[5]等在開展閃電定位資料質(zhì)量控制中將小幅值地閃數(shù)據(jù)范圍定義為閃電電流絕對(duì)值在5 kA以下。候永祥[6]等將小幅值地閃定義為雷電流強(qiáng)度絕對(duì)值在2 kA以下的地閃。李京校[7]等在統(tǒng)計(jì)正地閃時(shí)將雷電流強(qiáng)度小于10 kA的數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行了剔除。張有業(yè)[8]等在進(jìn)行雷電分布特征分析時(shí)，剔除雷電流強(qiáng)度絕對(duì)值小于2 kA的數(shù)據(jù)。劉蕓[9]等在研究閃電定位資料中小幅值地閃范圍時(shí)將小幅值地閃雷電流強(qiáng)度取值為-10～2 kA。QX/T 405-2017《雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃技術(shù)指南》中要求閃電定位數(shù)據(jù)質(zhì)量控制時(shí)應(yīng)剔除雷電流強(qiáng)度絕對(duì)值在0～2 kA的數(shù)據(jù)。同時(shí)國(guó)外學(xué)者對(duì)于小幅值地閃數(shù)據(jù)的定義分為雷電流強(qiáng)度絕對(duì)值為2 kA或者10 kA以下的地閃數(shù)據(jù)。對(duì)于雷電流強(qiáng)度較大的地閃數(shù)據(jù)在《雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃技術(shù)指南》中要求剔除200 kA以上的閃電數(shù)據(jù)。SAFIR300定位系統(tǒng)將大于300 kA的閃電電流一律記為300 kA。

文章利用2007—2020年寧夏閃電定位系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)集，統(tǒng)計(jì)了雷電流強(qiáng)度絕對(duì)值小于10 kA的小幅值地閃次數(shù)；分析了1～10 kA小幅值地閃逐年次數(shù)和當(dāng)年占比變化情況；分別分析了雷電流強(qiáng)度在300 kA和300 kA以上大幅值地閃分布情況；提出了應(yīng)將雷電流強(qiáng)度絕對(duì)值小于6 kA和大于300 kA的地閃數(shù)據(jù)剔除作為寧夏地閃數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的方法。使用該方法對(duì)寧夏閃電定位數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，對(duì)比分析了質(zhì)量控制前后地閃雷電流強(qiáng)度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)變化。最后文章分析了2007—2020年寧夏地閃次數(shù)年度、季節(jié)、月度、日和24 h分布特征，對(duì)寧夏雷電活動(dòng)研究和防雷減災(zāi)工作提供參考。

1 資料來(lái)源

2006年10月寧夏布設(shè)完成閃電定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[10]，2007年1月正式投入試運(yùn)行。2015年6月并入中國(guó)雷電定位系統(tǒng)開始并網(wǎng)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)是中國(guó)科學(xué)院空間中心雷電研究室研制的ADTD型雷電定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用磁定向、時(shí)差法和綜合分析算法對(duì)寧夏全域全天候進(jìn)行實(shí)時(shí)閃電定位監(jiān)測(cè)。探測(cè)儀分別建設(shè)在銀川、中衛(wèi)、同心、鹽池、六盤山氣象站觀測(cè)場(chǎng)。系統(tǒng)能記錄地閃發(fā)生時(shí)間、經(jīng)緯度位置、雷電流極性、峰值強(qiáng)度、雷電流上升陡度等參數(shù)信息。系統(tǒng)時(shí)間精度達(dá)到了0.1 μs，回?fù)舴直媪? ms，測(cè)向精度0.5°，平均定位精度300 m，探測(cè)范圍0～600 km，平均探測(cè)范圍300 km。文章使用的數(shù)據(jù)來(lái)自2007—2020年寧夏閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法

結(jié)合小幅值雷電研究現(xiàn)狀[11]，文章將小幅值雷電流定為地閃雷電流強(qiáng)度絕對(duì)值小于10 kA的地閃，將雷電流強(qiáng)度絕對(duì)值大于200 kA的地閃定為大幅值地閃。

2.1 小幅值地閃次數(shù)和占比總體分析

將雷電流強(qiáng)度(1～10 kA)按照間隔步長(zhǎng)1 kA對(duì)占總地閃數(shù)據(jù)次數(shù)和比例進(jìn)行如下分析：1 kA以下地閃數(shù)據(jù)為4次，占比接近0.0%；2～3 kA以下地閃數(shù)據(jù)分別為12次、14次，占比為0.01%；4～5 kA以下地閃數(shù)據(jù)分別為18次、24次，占比為0.01%；6 kA以下地閃數(shù)據(jù)為48條，占比為0.04%；7 kA以下地閃數(shù)據(jù)為129條，占比為0.11%；8 kA以下地閃數(shù)據(jù)為340條，占比為0.29%；9 kA以下地閃數(shù)據(jù)為710條，占比為0.60%；10 kA以下地閃次數(shù)為1305次，占比達(dá)到1.10%；5～10 kA地閃次數(shù)和占比接近成倍遞增的變化趨勢(shì)。

2.2 小幅值地閃次數(shù)和占比年度分析

將雷電流強(qiáng)度(1～10 kA)按照間隔步長(zhǎng)1 kA對(duì)小幅值地閃數(shù)據(jù)逐年次數(shù)和比例進(jìn)行如下分析：2 kA以下地閃次數(shù)在2008年、2014年、2018—2020年為0，其余年份在1～3次不等；4 kA以下地閃次數(shù)在2014年、2018—2020年為0，其余年份在1～4次不等；6 kA以下地閃次數(shù)在2018年、2020年為0，其余年份在1～12次不等；10 kA以下地閃次數(shù)最少次數(shù)為9次，出現(xiàn)年份為2019年，最大次數(shù)為358次，出現(xiàn)年份為2007年，年平均次數(shù)為14次。圖1為雷電流強(qiáng)度在6 kA以下地閃次數(shù)的逐年次數(shù)和當(dāng)年占比分布圖，可以看出隨著6 kA以下地閃次數(shù)增加，當(dāng)年占比也逐漸增加，最大出現(xiàn)在2015年，大于0.14%。

圖1 雷電流6 kA以下地閃次數(shù)逐年次數(shù)和當(dāng)年占比分布圖

2.3 大幅值雷電分布及占比分析

200 kA以上地閃次數(shù)為316次，占全部地閃次數(shù)比例0.26%，平均強(qiáng)度為277.27 kA。300 kA以上地閃次數(shù)為75次，占全部地閃次數(shù)比例0.06%，平均強(qiáng)度為400.57 kA。

2.4 質(zhì)量控制方法

根據(jù)小幅值和大幅值雷電流強(qiáng)度出現(xiàn)次數(shù)和逐年總占比分析，結(jié)合國(guó)內(nèi)外小幅值雷電流地閃數(shù)據(jù)確定方法，將寧夏小幅值雷電流強(qiáng)度確定為絕對(duì)值強(qiáng)度在6 kA以下，大幅值雷電流強(qiáng)度確定為300 kA以上作為寧夏閃電定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法。表1為寧夏閃電定位數(shù)據(jù)質(zhì)量控制前后統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)比分析。其中負(fù)地閃次數(shù)從106，557次減少至106，466次，共減少91次。正地閃次數(shù)從12，346次減少至12，314次，共減少32次?？偣驳亻W次數(shù)減少123次，占總地閃比為0.10%。負(fù)地閃雷電流強(qiáng)度從643.31 kA減少至297.47 kA。負(fù)地閃雷電流強(qiáng)度從947.60 kA減少至296.65 kA。數(shù)據(jù)經(jīng)質(zhì)量控制后消除了雷電流強(qiáng)度絕對(duì)值在小幅值和大幅值范圍的地閃數(shù)據(jù)，剔除數(shù)據(jù)比例為0.10%。

表1 寧夏閃電定位數(shù)據(jù)質(zhì)量控制前后對(duì)比 kA

3 地閃時(shí)間特征

3.1 地閃年度分布特征

地閃次數(shù)年度分布情況如下：2007—2009年為逐年下降，并且下降幅度較大；2010—2012年進(jìn)入上升階段；2012—2020年，僅2018年地閃次數(shù)有增加外其余年份表現(xiàn)為逐年遞減；其中地閃次數(shù)最大為18，319次，出現(xiàn)年份為2007年；地閃次數(shù)最小為2452次，出現(xiàn)年份為2017年；年平均地閃次數(shù)為8484次。圖2為2007—2020年寧夏地閃次數(shù)逐年分布圖。

圖2 2007—2020年寧夏地閃次數(shù)逐年分布圖

3.2 地閃季節(jié)分布特征

地閃次數(shù)季節(jié)分布和比例從大到小依次為夏季、秋季、春季、冬季。地閃次數(shù)依次為92，374次、16，682次、9712次、12次，占總地閃比例依次為78%、14%、8%、約0%。寧夏地閃主要發(fā)生在夏季，比例達(dá)到78%，冬季發(fā)生次數(shù)最少，四季地閃發(fā)生次數(shù)平均為29，695次。

3.3 地閃月度分布特征

寧夏地閃全年均有發(fā)生，但分布情況具有明顯差異：7—8月寧夏地閃為多發(fā)月份；8月地閃次數(shù)最多，次數(shù)達(dá)50，015次；7月地閃次數(shù)次之，次數(shù)達(dá)31，519次；1—3月、11—12月地閃次數(shù)較少，最少次數(shù)為3次，出現(xiàn)月份為12月。地閃月平均為9898次。圖3為2007—2020年寧夏地閃次數(shù)月度分布圖。

圖3 2007—2020年寧夏地閃次數(shù)月度分布圖

3.4 地閃日分布特征

從地閃發(fā)生日分布(圖4)情況來(lái)看，在各月上旬后半段和下旬后半段時(shí)間發(fā)生地閃次數(shù)較多，月中旬發(fā)生地閃次數(shù)相對(duì)較少。其中地閃次數(shù)最多為6178次，出現(xiàn)在25日。地閃次數(shù)最少為1932次，出現(xiàn)在18日。平均地閃次數(shù)為3832次。

圖4 2007—2020年寧夏地閃次數(shù)日分布圖

3.5 地閃24 h分布特征

地閃次數(shù)24 h均有發(fā)生，具有明顯的時(shí)間分布特征：00：00—12：00地閃次數(shù)發(fā)生較少，其中00：00—05：00，地閃次數(shù)逐漸穩(wěn)定減少；13：00—23：00地閃次數(shù)大幅增加，最高峰出現(xiàn)在15：00；15：00—23：00地閃發(fā)生次數(shù)逐漸穩(wěn)定減少；地閃次數(shù)24 h分布最大值為11，418次，出現(xiàn)在15：00；地閃次數(shù)24 h分布最小值為890次，出現(xiàn)在05：00；24 h平均地閃發(fā)生次數(shù)為4949次。圖5為2007—2020年寧夏地閃次數(shù)小時(shí)分布圖。

圖5 2007—2020年寧夏地閃次數(shù)24 h小時(shí)分布圖

4 結(jié)束語(yǔ)

閃電定位數(shù)據(jù)對(duì)雷電預(yù)警、雷電活動(dòng)規(guī)律、雷電科學(xué)認(rèn)識(shí)和防雷減災(zāi)等工作有重要的科學(xué)支撐作用。文章使用2007—2020年寧夏閃電定位資料，分析了雷電流強(qiáng)度絕對(duì)值在10 kA以下的小幅值地閃逐年次數(shù)和占比分布，及其300 kA以上大幅值地閃次數(shù)分布情況，結(jié)合當(dāng)前相關(guān)小幅值雷電確定方法，經(jīng)綜合分析提出剔除雷電流絕對(duì)強(qiáng)度在6 kA以下和300 kA以上地閃數(shù)據(jù)作為寧夏地閃數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法。文章對(duì)比分析了經(jīng)質(zhì)量控制前后地閃雷電流強(qiáng)度描述性統(tǒng)計(jì)特征變化，經(jīng)質(zhì)量控制剔除地閃數(shù)據(jù)占比為0.10%；分析了2007—2020年寧夏地閃年度、季節(jié)、月度、日和24 h分布特征，從2012年以來(lái)寧夏地閃監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)逐年減少，發(fā)生季節(jié)主要集中在夏季和秋季，在7—8月雷電活動(dòng)頻繁，在15：00左右雷電活動(dòng)最為強(qiáng)烈。最后寧夏冬季雷電也時(shí)有發(fā)生。