张科杰 谢超 郑琦玉
(1 湖北省防雷中心，武汉 430074；
2 武汉天宏防雷检测中心发展有限公司，武汉 430074)
雷电是具有高电压、强电磁辐射等特性的一种自然界长距离放电现象，常常会对地面建筑物、电子电气设备等产生危害，甚至威胁人的生命[1]。为了深入了解闪电现象、减少灾害损失，雷电监测技术在我国从20世纪80年代开始研究并得到迅速的发展。我国当前布设的雷电定位监测系统主要有电力部门的LLS系统、气象部门使用的ADTD系统以及全球闪电定位系统(WWLLN)。其中，ADTD系统作为气象部门雷电业务数据的主要来源，其监测站点布设的早已超过100个[2]。近年来，国内已有不少专家学者对该系统的运行状况及探测效率进行了理论研究。冯民学等[3]依据人工观测雷暴日数据，对江苏省闪电定位资料进行评估分析，得出各探测站点的平均效率；
崔逊等[4]对比分析两套闪电定位系统的精度认为，ADTD闪电定位系统定位数据和全球闪电定位系统(WWLLN)数据并无明显差异；
朱传林等[5]利用计算机仿真比较了正方形、梯形、星形及不规则四边形 4 种几何布网结构的误差分布，对湖北省三维闪电定位网的布网结构科学合理性进行了讨论；
蔡力等[6]通过几何模型对重庆地区的一套雷电定位网络的定位误差进行分析；
并采用基于“随机数”的 Monte Carlo 法对网络覆盖区域的定位精度进行模拟，验证了几何模型所得结果的正确性；
张坚等[7]利用人工观测雷暴与闪电定位系统监测雷暴数据，采用TS评分和KSS’评分标准，对江淮地区2010—2013年两种资料的一致性进行了对比，得出了两种资料在空间运用上的差异；
王志超等[8]利用中国气象局ADTD雷电定位网2012—2016年京津冀地区13个雷电定位仪探测到的134余万次地闪回击资料，对北京站雷电定位仪的探测效率和全网在北京地区的雷电定位效率进行了统计分析，得出了北京地区闪电定位仪的探测效率为85%～95%等相关结论。上述研究在对该系统和多种闪电定位数据的对比分析方面，以及基于该系统的工作原理采用几何模型分析法分析定位误差方面提供了很多有意义的结论。
湖北省ADTD闪电定位监测系统于2006年初建成并投入使用，该系统由中科院空间科学与应用研究中心研制，其通过监测云地闪辐射的甚低频(VLF)信号，经波形判断给出闪电信号到达传感器的精确时间[9-10]，再通过中心定位处理软件采用时差测向混合定位算法来实现地闪回击定位。同时，该系统还能对地闪回击电幅值、极性、陡度等参数进行监测。目前，此套闪电定位监测系统为湖北区域雷电灾害风险评估、雷灾事故鉴定、区域雷暴天气特征研究等方面提供了数据支持。但在实际项目运用和雷电灾害调查等工作中发现，该系统监测的数据存在一定程度的偏差。为了能更加精准地运用湖北地区雷电监测资料，本文利用2006—2019年湖北省地闪回击监测数据，探讨了该系统的定位精度、分析了主要监测参数质量，期望为本省雷电灾害调查、雷电风险区划等工作提供更精准的参考依据。
1.1 资料来源
本研究使用的资料包括:①2006—2019年湖北省地闪回击监测数据，包括单次回击发生的时间、经纬度定位、强度、陡度等数据，本文中云地闪均指云层对地面发生放电的闪击，称为地闪回击，数据来源于湖北省ADTD闪电定位系统，该系统在湖北省内布设有13个监测子站，根据站点布置的位置分布，图1给出了采用几何法得出了该系统在湖北地区的探测效率。该系统理论定位精度约为300 m，雷电流幅值和波前陡度值，采用多站信号强度归一化(100 km)处理方法，雷电流幅值和波前陡度值网内相对误差小于15%。对这些数据已经过质控处理，剔除了雷电流500 kA以上、强度或陡度为0的数据[11]。②文中所用的地理信息位置来源于Google Earth，定位位置为接闪杆所处位置经纬度，建筑高度信息来源于各项目竣工后的公示资料。
图1 湖北省地闪回击理论探测效率
1.2 分析方法
(1)采用网格法[12]和雷击案例验证法[13]，对湖北地区的地闪回击监测的精度进行研究。利用现有高层建筑引雷相关研究理论，选取湖北省内不同地区的高层建筑参考点，对所选参考点周边的地闪回击活动状况进行分析，提取地闪回击资料数据包括地闪回击发生的时间、地点经纬度信息。通过对多个参考点区域内的地闪回击次数空间分布进行统计，利用地图工具和数理分析软件，将区域地闪回击分布网格化，作出区域内的地闪回击次数分布图，以确定密度最高区域与该参考点实际定位之间的距离和方位，得出系统的定位精度偏差范围。同时，通过对已有的数次雷击事故的事故地位置信息与地闪回击定位数据进行比对，验证定位精度。
考虑到选取参考点周边建筑或地形对地闪回击位置的影响，根据建筑参考点易遭受雷击的程度[14-16]，以及使用地闪回击资料最短时间长度和对探测效率相关要求的规定[13]，确定以下参考点选取原则：①以参考点为中心3 km半径范围内所选参考点为最高建构筑物；
②参考点最高尖端处有金属物体，容易触发上行雷电；
③参考点建成或在建过程中成为区域最高建筑后有5年以上的地闪回击监测资料；
④参考点位置的地闪回击监测系统探测效率在95%以上。
根据以上选取原则，本文选取龟山电视塔、民生银行大厦、孝感电视塔、荆门黑山塔四个参考点附近监测到的地闪回击为研究对象。其中，龟山电视塔塔高221.2 m，立于龟山之上，东临长江，塔顶海拔标高311.4 m，相对高度280 m。民生银行大厦位于汉口城区，建筑总高度333.3 m，建成时为华中区域第一高楼，该参考点周边各个方向均为城区钢筋混凝土建筑，地面环境相似。孝感电视塔位于孝感市长征路广电大楼旁边，六边形组合钢塔，塔高180 m。荆门广播电视发射台发射塔位于黑山山顶，也称黑山塔，该塔高158 m，海拔高度638 m，塔身为钢结构，是荆门的城市之顶。以上建筑均满足参考点选取的4个条件。
(2)采用定性分析法[17]，对湖北省云地闪电监测系统2006—2019年监测数据的时空分布规律进行统计分析。统计分析数据包括回击发生的时间、位置、强度等信息。分别对地闪回击的正负闪占比、时间分布、强度分段累积率进行统计，将统计结果与湖北雷暴天气特征具有相似性的省市同监测系统闪电定位资料进行比较。由于雷电通常与降水有密切关系[18]，同时结合地闪回击时间分布与湖北降水等天气活动状况规律的相关性，验证该系统所测数据在时空分布变化趋势的可信度。
2.1 定位精度分析
随着科学技术进步和观测手段增多，近年来，张长秀等[12]利用广东电网地闪资料和高速摄像机对广州塔附近的地闪回击进行了统计和观测，提出了高层建筑增加了该区域的雷击次数相关结论。高层建筑的出现会改变下垫面的等电位面，高层建筑建成后，平行于大地表面的等电位面在高层建筑位置就会发生弯曲[19]。同时高层建筑的尖端容易激发上行闪电并对周围区域的下行闪电有吸引[16]，理论上高层建筑所在位置应该有一个地闪回击的集中区域。
龟山电视塔和孝感电视塔截止目前为止，依然是3 km半径范围内的最高建筑，故地闪回击资料统计时间长度为2006年1月至2019年12月。民生银行大厦地处金融中心，2014年后其周边有高层建筑陆续建成，为了避免周边环境变化对地闪回击数据的影响，故该参考点地闪回击资料选取2006年1月至2013年12月。荆门黑山塔始建于2014年，故该参考点的统计时间为2014年1月至2019年12月。为了能揭示上述参考点附近地闪回击密集性，参考检测设备定位理论精度，以及相关标准中对建筑物周边500 m定义为地闪回击影响区域的界定[20]，本文适当扩大统计区域，调取了以参考点为中心2 km半径范围内的地闪回击数据，利用Surfer软件作出了该区域的每平方公里的回击次数等值线图(图2)。
图2 龟山电视塔(a)、黑山塔(b)、孝感电视塔(c)、民生银行大厦(d)4 km×4 km范围地闪回击次数(五角星表示各参考点实际位置)
由图2可知，4个参考点附近地闪回击的高值中心均偏离了参考点所在位置。通过经纬度信息计算两点间距离可知，龟山电视塔回击次数高值中心位置位于实际位置西南方向190 m；
民生银行大厦回击次数高值中心位置位于实际位置西南方向524 m；
孝感电视塔回击次数高值中心位置位于实际位置西南方向1548 m；
荆门黑山塔回击次数高值中心位置位于实际位置西北方向1384 m。其中，龟山电视塔和荆门黑山塔处于一定高度的山体上，其回击次数等势图与各自对应山体结构走势有很好的对应性，说明该系统在大区域的定位中有一定准确度。
为了进一步印证上述高值中心即为上述参考点受特定环境影响而产生的可能性，而不是受周边其他环境因素的影响，我们根据实际位置与高值中心的偏差距离和方位，对原有的经纬度点进行了偏移。选取上述高值中心经纬度，对上述4个区域绘制了回击次数等势图。由图3可看出，各区域内4 km×4 km范围内只存在一个回击次数高值区域。由此可进一步判断，所选参考点周边无其他易引雷环境，上文中得出的偏差值即为各自参考点附近地闪回击的误差范围。
图3 修正后龟山电视塔(a)、黑山塔(b)、孝感电视塔(c)、民生银行大厦(d)4 km×4 km范围地闪回击次数
通过以上4个超高建筑的雷击环境检验，得出该系统能反映大尺度区域的雷电活动状况，实际定位精度要大于300 m的理论值。定位精度还与参考点所处位置距离各监测台站的距离、周边地形相关，武汉周边的台站分布较多，同时武汉地处平原地区，山体丘陵较少，而荆门处于鄂西边缘，山体从荆门开始往西逐渐增多，密集度相对较高，而荆门、孝感的参考点位置距离相对于武汉的定位精度较低。
高层建筑通常在较小区域范围内对地闪有明显的吸引作用，致使高建筑周围地闪密度更大；
同时，高层建筑吸引了原本落于周边区域的地闪回击，又使得高层建筑周边的地闪回击密度有明显的低值区。为了进一步研究湖北ADTD监测系统监测数据的可靠性，图4a给出了龟山电视塔周边8 km范围内的逐公里不同环状区域的地闪回击密度分布规律，结果显示，参考点1 km半径范围内的地闪回击密度明显大于区域均值，1～2 km半径范围内的环状区域地闪回击密度明显降低，处于均值以下，2～3 km区域是雷击大地密度最小的区域，4 km以后的区域则在均值上下波动，说明该塔对1 km范围内的地闪回击有明显的吸引作用，使得1～4 km区域有一个明显的低值区，其监测结果与理论一致。
观测表明，高层建筑顶端更容易触发上行闪电[16,21]，高塔上的电流峰值受高塔反射、折射作用的影响，导致电流波最大峰值的增强[16]，且大部分发生于高建筑物上的上行闪电为负极性闪电[21]，Diendorfe[14]对Gaisberg塔的地闪回击极性观测验证了这一结论。通过对龟山电视塔周边逐公里环状区域地闪回击统计研究发现，塔周边1 km范围内的平均雷电流强度最大，且平均雷电流大小往远端呈现明显降低的趋势，3 km半径范围内的递减幅度明显，正闪比例在4 km半径范围内呈现逐公里递增趋势，之后进入无规律变化状态，如图4b所示。结合密度分布和强度分布规律，可以基本判断，龟山电视塔对周边4 km半径范围内的地闪有明显的改变作用，系统监测结果显示的相关变化规律与理论及文献[16]、[21]异地相关试验研究结论一致，进一步验证了该系统监测数据的监测精度。
图4 龟山电视塔逐公里地闪回击密度分布(a)、平均强度与正闪比例分布(b)
2.2 定位精度验证
为了进一步探索该系统对雷电定位位置的精确性，本文搜集了有地闪回击监测数据以来的部分雷电灾害案例，并随机选取了9项资料较为规整的案例。通过对实际雷电灾害发生的时间、地点与监测的结果进行比对分析，来验证该监测系统的定位精度。本文将地球假设为近似的球体，地球半径取R=6371 km。考虑到地球弧度，则地球上任意两经纬度点之间的距离D可按如下公式计算：
D=Rarcos[cos(LatA)cos(LatB)cos(LonA-LonB)+
sin(LatA)sin(LatB)]
式中，LonA为实际雷击位置经度，LatA为实际雷击位置纬度，LonB闪电定位系统定位回击位置经度，LatB为系统定位回击位置纬度。表1给出了湖北省9起雷电灾害事故案例相关数据。
表1 湖北9起雷击事故定位数据信息
通过对雷灾事故的发生时间进行了解，利用GPS设备获取受灾地点定位信息后，以雷灾发生位置为中心，统计了2 km半径范围内的地闪回击数据。以新洲区某高校为列，此次雷击事故发生于2018年8月31日傍晚18:45左右，故我们对这一天事故发生地傍晚18:40—18:50的闪电进行了查询，如表2所示。数据表明，该区域2 km半径范围内共监测到6次地闪回击，均为负极性闪电，最小回击强度29.9 kA，最大回击强度66.9 kA，6次数据定位方式均为四站定位。其中，17:46 监测到的一次闪电，距离雷击事故实际位置最近，为406 m。据此，我们可以判断，此次闪电为此次雷电灾害事故发生的损害源的概率远高于其余5次雷击的概率。
表2 武汉市新洲区某高校雷击事故点2 km半径范围内闪电数据
以此类推，在这些案例中，实际位置与最近回击监测位置的距离均在2000 m以内，其中，最近的案例回击位置距离实际位置仅22 m，两者相距最远为1363 m。为了更加直观反映实际雷击位置和定位雷击位置的距离和方位特征，将上述定位信息转化为直角坐标系，坐标原点为每次雷击点的实际位置，分布在不同象限的蓝色点为监测到地闪回击的最近点位置，X轴为东西方向偏差距离，Y轴为南北方向偏差距离，如图5所示。
图5 监测系统定位雷击位置偏差散点分布
由图可知，实际雷击位置与定位雷击位置的偏差方位无规律性，同时，监测数据与实际发生的时间、位置虽然大于理论值，但均未出现较大偏差，进一步说明了该系统在实际应用中具有一定的准确性。
综上，从4个参考点网格法获取的误差以及9个雷击案例验证法获取的定位精度可以看出，山区的定位精度误差大于平原地区。其原因可能是，ADTD闪电定位监测系统是通过2个以上子站接收到雷电发生后的电磁信号进行判断与筛选，进行混合定位。电磁信号受到地形的影响，会延长雷电电磁信号传播的时间[22]，从而导致监测系统对位置的定位出现更多的偏差。从实际雷击点与定位网对应的定位偏差数据可知，上述地点平均定位误差为669 m。其中，平原地区定位平均误差为539 m，山区定位平均误差为1384 m，山区定位误差明显大于平原地区。因此，在实际雷电灾害调查闪电资料获取中，山区应适当扩大事故点的统计半径范围。
为了进一步研究该系统其他监测参数的探测质量，我们对该系统主要监测数据的特征分布进行了统计，采用定性分析法将统计数据与其他系统监测结果进行了对比研究。
3.1 极性及时间分布特征
2006—2019年，湖北ADTD闪电监测系统共监测到地闪回击5706274次，其中正闪占比5.07%，该比例与周边省份河南4.74%、安徽4.18%、湖南4.90%、江西3.36%观测数据较为一致[23]，上述省份的统计值均为同参数监测设备的监测值，同时，湖北与上述各省雷暴天气特征相似[23]，参考实验室间比对判定数据质量的原则，说明该系统在地闪极性的监测上具有一定准确性。与此同时，湖北地闪极性比例监测值与国内其他省市如贵州4.39%[24]、重庆5%[25]、南宁4.55%[26]等地多年平均数据也较为一致，同时与全国地闪回击正地闪占比5%左右的平均观测数据吻合[27]。
地闪的小时与各月次数分布规律通常与气温的昼夜变化和季节变化呈正相关性，通过对地闪回击小时与各月次数的统计研究，能检验该系统探测地闪回击的效率。图6给出湖北省2006—2019年地闪回击各月与小时次数占比分布及变化趋势。从中可见，湖北地闪回击次数的年分布呈单峰型(图6a)，地闪回击主要发生在4—9月，其中7月和8月是雷电活动最为频繁的两个月，这一特征与江苏[28]、云南[29]安徽、湖南、江西、河南等地区[23]规律均相似。同时，雷电的发生，特别是地闪回击，与区域降水特征关系密切[18,30]，吴翠红[31]、高媛[32]等分别对湖北多年的降水进行了统计分析，其降水年分布特征显示，湖北地区的降水主要也是发生在4—9月，其中7月最多，8月次之，这一规律与雷电活动的规律相吻合。
图6 湖北省地闪回击各月(a)、时(b)次数占比分布及变化趋势
从小时地闪次数占比分布看(图6b)，地闪回击主要发生在14:00—20:00，04:00—12:00为地闪回击发生较少时段，两者差异化明显。该项监测结果与南宁[26]、江苏[28]、湖南[33]、上海[34]等地的监测系统统计的当地的小时地闪次数占比分布规律一致。同时，该系统监测的湖北省地闪回击小时次数占比分布规律与湖北的降水分布[32]特征一致性程度很高。
由图6中正负闪占比的趋势线可以看出，正闪在地闪回击发生较少的时段和月份分布比例较高，在地闪回击多发时段和月份占比明显降低，该项观测结果与王娟[27]等人对全国地闪回击数据研究的规律一致。
形成这一种分布规律的可能原因是，湖北地处我国中部地带，属亚热带季风气候，四季分明。从季节分布来看，湖北夏季湿润炎热，水汽充足，且昼夜温差大，促进了大气的垂直上升运动，这些因素为降水和雷电的发生提供了充要条件。从时间分布来看，由于午后14:00左右地表温度达到最高值，大气在这个时段处于最不稳定时期，强对流运动及大气垂直上升运动在这时候最为剧烈，较其他时段更容易发生强对流天气事件。故雷电的发生主要在夏季，而午后至傍晚是一天中雷电最易发时段。
3.2 雷电流累积概率分布特征
IEEE根据全球闪电的分布规律，提出了雷电流(地闪回击)幅值累积概率分布公式[35]：
(1)
式(1)中，P为大于某一雷电流幅值的累积概率(%)；
I为雷电幅值电流(kA)；
a为中值电流，即雷电流幅值大于a的概率为50%；
b(b>1)为雷电流幅值累积概率曲线拟合指数。根据湖北ADTD多年雷电监测数据，利用最小二乘法，得出湖北地区适用的地闪回击雷电流幅值累积概率分布公式中a、b变量的取值分别为29.94和 3.33[36]。选取0～200 kA幅值范围内的闪电数据，以及IEEE推荐表达式，分别绘制了IEEE推荐曲线与湖北实测的雷电流幅值累积概率分布曲线。从图7可见，湖北ADTD监测的雷电流累积概率与IEEE推荐的分布公式显示的累积概率分布曲线吻合度处于较高水平，一致性水平超过99.5%，平均差值为0.3%。其中，在0～120 kA幅值范围内，湖北ADTD监测系统监测到的雷电流幅值要偏大于IEEE推荐值，120 kA以后则偏小，两者最大偏差比为10～20 kA强度段，偏差比为1.52%，其余强度段的偏差均小于1%，处于一个较小的误差范围。
综上可知，湖北省ADTD闪电定位监测系统在对雷电流极性的观测判断以及月、时变化趋势上，与周边省市其他监测系统监测的资料一致性较好，且与湖北省降水的月、时分布趋势吻合度很高。同时，雷电流强度累积概率分布与IEEE推荐的函数表达式拟合度较高，说明该系统在基本面参数的监测结果有较强的可信度。
本文使用ADTD监测系统地闪回击资料，采用网格法、雷击案例验证法和定性分析法，对该系统在湖北省2006—2019年监测数据的质量进行了研究，利用雷电灾害数据对定位精度进行了验证，同时，对地闪回击时间、强度分布规律分析，得出结论如下：
(1)选取的4个高层建筑参考点周边地闪回击数据显示，回击次数高值区与参考点实际位置均有偏差。最小偏差直线距离最小为190 m，最大为1548 m，4个参考点中有3个参考点的定位偏差大于该系统的理论误差范围，偏差方位角无固定规律。
(2)龟山电视塔单个参考点周边回击数据表明，参考点1 km半径范围内的地闪密度明显大于该区域均值，1～2 km半径范围内的环状区域地闪密度明显降低。同时，在0～4 km半径区间，1 km以内的平均雷电流强度最大，正闪比最低，由于闪电的多回击现象，多回击闪电的首次回击强度往往大于后续回击强度，可能是形成该区域平均强度偏大的原因之一。
(3)从多个雷电灾害事件对应的监测数据看，雷灾事故中心2 km半径范围内均能在对应时间查询到相关地闪回击数据，地闪回击点距离事故中心最小直线距离22 m，最大直线距离1363 m，该系统的监测数据能为雷电灾害提供辅助依据，但精度无法满足对致灾地闪回击事件的精确辨识。
(4)由本文所选高层建筑参考点以及雷灾事故实际雷击点与定位网对应的定位偏差数据可知，该系统的平原地区定位平均误差为539 m，山区定位平均误差为1384 m，山区定位误差明显大于平原地区。因此，在实际雷电灾害调查闪电资料获取中，山区应适当扩大事故点的统计半径范围。
(5)该系统在对雷电流极性判断与国内同气候特征区域其他系统监测结论一致性较好，时间分布特征与湖北省降水特征吻合度较高，雷电流强度累积率概率分布特征与IEEE吻合度一致性水平超过99.5%，说明该系统在对地闪回击的时空分布监测、强度和极性监测等方面具有一定准确性。
需要指出的是，闪电定位误差是根据相关理论或积累的地闪资料的显示规律来进行分析的，同时由于选取的分析参考点数量有限，得出的相关误差范围多为理论分析值。该系统在今后的使用中，应注意避免采用单一指标来判断雷击点，宜将时间和位置两个参数结合判定。而如何获取更精准定位和更为确定的地闪回击参数则为下一步研究的方向。
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