基于人工引雷的粤港澳闪电定位系统性能评估

张 悦 吕伟涛* 陈绿文 武 斌 齐 奇 马 颖 张 阳 郑 栋 颜 旭 孟 青

1)(中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室/雷电物理和防护工程实验室， 北京 100081)2)(中国气象局广州热带海洋气象研究所， 广州 510641)

引 言

闪电定位系统是目前雷电监测的主要手段，其观测资料可用于雷电灾害防护、对流天气监测预警及云物理和闪电活动特征等方面研究[1-3]。闪电定位系统探测性能的检验是有效应用闪电定位资料的重要依据，也能够为系统升级改进提供可参考的量化指标。近年国内外学者利用多种资料和方法对闪电定位系统进行评估[4-12]，其中人工触发闪电和高塔(或高建筑物)闪电的观测资料具有可准确测量且拥有真值的特征。

人工触发闪电指在适宜雷暴条件下人为引发到地面的闪电[13]，可直接利用电流传感器测量其雷电流[14-15]。触发闪电过程不包含自然下行地闪的首次回击，与自然上行闪电过程类似[16]，通常由初始阶段开始，伴随初始连续电流和初始连续电流脉冲发展入云，后续可能包含下行先导/回击等过程[17]。由于人工触发闪电发生位置已知、时间可测，通道电流可直接测量[18-19]，因此作为校验闪电定位系统性能的有效手段，可得到真实客观的结果。已有许多学者利用该方法对国内外多套闪电定位系统的探测效率、定位精度、电流峰值反演结果(ILLS)的精度、云闪/地闪判别的正确率进行评估[13,20-25]。

粤港澳闪电定位系统(Guangdong-Hongkong-Macau Lightning Location System，GHMLLS)是对广东地区雷电活动进行实时监测的业务系统之一。本文基于2014—2019年中国气象局雷电野外科学试验基地广州从化人工触发闪电试验所获资料，对GHMLLS的探测性能进行评估。

1 资料和方法

1.1 GHMLLS简介

GHMLLS采用芬兰维萨拉公司的产品，由粤港澳三地的气象部门共同建设。截至2012年，系统共有17个探测子站[11]。2018年该系统增加两个探测子站[26]。GHMLLS采用时差-方向综合定位方法，可实时探测云闪、地闪及回击所在位置的经纬度、GPS时间、极性、电流强度，并可区分云闪和地闪。图1为GHMLLS探测子站及人工触发闪电试验场分布。由图1可以看到，GHMLLS有15个站位于试验场偏南方向，各站与试验场的距离为28～260 km，平均距离为146 km。

图1 GHMLLS探测子站分布及人工触发闪电试验场位置Fig.1 Distribution of sensors in GHMLLS and experiment site for artificially triggered lightning

已有研究利用不同资料对GHMLLS探测能力进行评估：Zhang等[11]利用2012—2014年人工触发闪电资料评估2012年升级后GHMLLS的探测效率、定位精度和ILLS精度，发现探测能力明显提高，但ILLS偏低；郭宏博等[27]利用2016年深圳高塔雷电观测系统资料对GHMLLS进行评估，发现回击探测效率约为92.9%(13/14)，GHMLLS定位误差小于300 m；陈绿文等[26]利用2016—2017年广州高建筑物雷电观测资料对GHMLLS进行评估，结果显示GHMLLS的闪电和回击探测效率分别为93%(214/229)和93%(449/481)，对下行闪电首次回击的定位误差平均值为361 m，下行闪电继后回击和上行闪电回击的定位误差均在300 m以内。

1.2 人工触发闪电试验

本研究的人工触发闪电资料来自在中国气象局雷电野外科学试验基地广州从化人工引雷试验场的外场试验，该试验场位于广州从化北部的光联村，自2006年初次引雷成功以来持续进行，为研究雷电的物理特性、开展各种雷电防护和效应试验提供了有利条件。试验采用火箭拖带细金属导线的方法，包括地面触发和空中触发两种方式，其中地面触发闪电的接地点为引流杆，空中触发闪电的雷击位置存在不确定性[23]。试验中，人工触发闪电的雷电流、电场、磁场、GPS时间信息通过示波器进行同步记录，且同时利用高速摄像和普通摄像机在一定距离远处的光学观测点进行记录[28-29]。

评估中仅选择接地点在引流杆上、含有回击过程、拥有雷电流波形资料的地面触发闪电个例，且排除GHMLLS系统调试和维护时段。2014—2019年资料中共选取50次符合上述标准的地面触发闪电。

图2a是50次触发闪电的回击数量分布。由图2a可知，50次触发闪电共包含265次回击，其中16%(8/50)只有1次回击,84%(42/50)具有多次回击，在42次具有多次回击的触发闪电事件中，具有3次回击的比例最高，约为17%；单次触发闪电中包含的回击数量最多为14次。图2b为回击间时间间隔分布，时间间隔多低于100 ms，最大值为503 ms。

图2 50次人工触发闪电回击数量(a)和回击间时间间隔(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

为利用人工触发闪电对GHMLLS探测性能进行评估，需将50次触发闪电与GHMLLS的探测结果进行匹配，方法与Chen等[22]类似：确认每次触发闪电回击的GPS时间，在GHMLLS定位记录中搜索与回击事件的时间偏差不超过2 ms的定位匹配记录，将与引流杆之间的距离超过50 km的记录剔除。

利用经过匹配后的记录可从探测效率、定位精度、回击ILLS的精度、云闪/地闪判别4个角度对GHMLLS在2014—2019年的探测性能进行评估。

2 GHMLLS性能评估

2.1 探测效率

表1是2014—2019年GHMLLS对人工触发闪电的探测情况，表中LLS(lightning location system,闪电定位系统)-CG和LLS-IC分别表示被GHMLLS判别为地闪回击和云闪的记录。50次触发闪电GHMLLS有定位记录的为48次(96%)，265次回击GHMLLS有定位记录的为233次(88%)。由表1可知，对于触发闪电的探测效率，2015年较低，为92%，2014年最低，仅为86%，2016—2019年均达到100%；对于回击探测效率，除2016年仅为57%外，其他5年均在80%以上。各年闪电和回击探测效率间差异较大可能由样本量不同导致。

表1 2014—2019年GHMLLS对人工触发闪电的探测Table 1 GHMLLS detection of flashes and return strokes in artificially triggered lightning experiment during 2014-2019

对于2014—2019年人工触发闪电过程的265次回击，电流峰值直接测量值(IDM)的分布如图3a所示。由图3a可以看到，人工触发闪电回击的IDM为3.1～46.0 kA，算术平均值为15.8 kA，几何平均值为14.0 kA，且主要集中在5～20 kA，其中10～15 kA回击数量最多。

图3b为GHMLLS在IDM各区间的回击探测效率。由图3b可知，当回击IDM>35 kA时，回击探测效率为100%(6/6)；当回击IDM为5～35 kA时，探测效率在各区间均达到78%以上；当回击IDM<5 kA 时，探测效率最低，为11%(1/9)。因此，回击IDM较小时，GHMLLS的探测效率较低。若仅统计2014—2019年IDM>5 kA的256次人工触发闪电回击事件，GHMLLS的回击探测效率可达91%(232/256)。

图3 50次人工触发闪电中265次回击的IDM分布(a)和GHMLLS在各区间回击的探测效率(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次人工触发闪电回击中，233次有对应的GHMLLS定位记录，其定位误差为8～4410 m。图4为GHMLLS探测子站和2014—2019年265次人工触发闪电回击定位位置分布及各方向定位误差箱线图。由定位位置8 km×8 km及2 km×2 km放大图可知，GHMLLS定位的多数回击相对于真实值均偏向西南方向，占总数的75%(174/233)，这和陈绿文等[26]基于2016—2017年广州高建筑物地闪个例对GHMLLS的评估结果相似；其中LLS-CG和LLS-IC的偏西南方向的数量均分别占总数的75%。由各方向定位误差箱线图可知，GHMLLS探测的相较于真实值偏西南方向的回击定位误差平均值最小，为233 m；偏东南方向的回击定位误差平均值最大，为673 m。总体看，GHMLLS对人工触发闪电回击的定位误差算术平均值和几何平均值分别为279 m和193 m，中值为202 m；定位误差在200 m以内的数量约占总数的50%，500 m以内的数量约占总数的90%。

将233次人工触发闪电回击的GHMLLS定位位置的算术平均值与实际雷击位置进行对比，发现存在西南方向的系统偏差，偏西约170 m和偏南约50 m。利用该系统偏差对233次定位结果逐条进行校正，重新计算的定位误差算术平均值和几何平均值分别为198 m和108 m，中值为103 m；定位误差在100 m以内的数量约占总数的50%，200 m以内的数量约占总数的80%。

2014—2019年GHMLLS对人工触发闪电回击定位中，约85%由5个及以上站点探测得到，其定位误差的算术平均值和几何平均值分别为233 m 和171 m。图5a为GHMLLS对人工触发闪电回击的定位误差与探测站点数量的散点图。由图5a可以看到，定位误差最大的两次记录中可用于定位的站点分别为4站和6站，且LLS-IC主要被6个及以下站点探测到，大多数记录的定位误差低于500 m。图5b为利用定位站点数量对定位误差分类的箱线图。由图5b可知，定位误差的最小值为8 m，最大值为4410 m，算术平均值和几何平均值分别为279 m 和193 m，3～4个站点的定位误差更大。随着定位站点数量的增加，3～6个站的定位误差逐渐减小；6站及以上站点数量的定位误差趋于稳定，中值均小于200 m。

图4 GHMLLS探测子站和2014—2019年265次人工触发闪电回击定位位置分布及各方向定位误差箱线图(N为样本量，+为异常值，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)

将233次人工触发闪电回击的GHMLLS定位记录按照IDM大小分为10类，分别统计其定位误差(图6)。由图6可以看到，随IDM的增大，定位误差总体呈减小趋势。IDM大于10 kA的各组，定位误差的中值在230 m以内；IDM在10 kA以下的回击，定位误差平均值和中值分别为349 m和332 m。若将各组内的异常值剔除，剩下的221次回击定位误差平均值和中值分别为215 m和184 m。

图5 2014—2019年GHMLLS对人工触发闪电回击的定位误差与探测站点数关系散点图(a)和箱线图(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有定位记录的233次人工触发闪电回击，IDM为4.5～46.0 kA，图7为2014—2019年人工触发闪电回击探测的ILLS和IDM对比。由图7可知，GHMLLS对人工触发闪电回击记录的ILLS全部偏低，ILLS和IDM相关系数为0.93，存在显著正相关关系(达到0.01显著性水平)；通过截距为0的线性拟合，二者关系为ILLS=0.65×IDM，R2为0.97，这与张悦等[30]将广东电网闪电定位系统和GHMLLS资料进行对比的结果类似。对于16次LLS-IC，ILLS和IDM相关系数为0.89，存在显著正相关关系(达到0.01显著性水平)；通过截距为0的线性拟合,二者关系为ILLS=0.63×IDM，R2为0.91。

图6 2014—2019年GHMLLS对人工触发闪电回击事件定位误差与IDM关系(黑色小矩形表示仅有1个样本的类别)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)

图7 2014—2019年人工触发闪电回击事件电流峰值的GHMLLS反演结果ILLS和直接测量值IDM对比Fig.7 Scatter plot of relationship between LLS-inferred peak current of GHMLLS(ILLS) anddirect measurement peak current(IDM) during 2014-2019

将233次回击按照IDM大小分为10类，分别统计每类ILLS的相对偏差，由于所有ILLS均偏低，因此相对偏差值均为负数。0～20 kA范围内ILLS的相对偏差较大，平均值为-38%；20～50 kA范围内相对偏差稍小，平均值为-33%。随IDM增强，ILLS相对偏差的降低并不显著。整体看，2014—2019年ILLS相对偏差为-79%～-10%，算术平均值和中值分别为-37%和-36%。Zhang等[11]利用2012—2014年70次人工触发闪电回击事件对GHMLLS的ILLS精度进行评估，得出其相对偏差绝对值为4%～76%，平均值和中值分别为39%和40%，与本文结果差异不显著。

由以上分析可知，GHMLLS的ILLS整体上相对IDM偏低约35%，应用ILLS资料时建议除以0.65进行校正。校正后重新计算每次回击的ILLS相对偏差，仍对10类IDM范围的相对偏差进行统计，结果见图8。由图8可知，校正后GHMLLS的ILLS相对偏差为-67%～38%，相对偏差绝对值为0～67%，算术平均值和中值分别为15%和12%。

2.4 云闪/地闪判别

2014—2019年GHMLLS对人工触发闪电回击的定位记录共233次，云闪/地闪判别正确率如表2所示。由表2可知，GHMLLS对人工触发闪电回击事件的判别正确率在2014，2016年和2018年均达到100%，2014—2019年GHMLLS的判别正确率为93%。

图8 2014—2019年GHMLLS对人工触发闪电回击的ILLS校正后的相对偏差与IDM关系(黑色小矩形表示仅有1个样本的类别)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对人工触发闪电回击的云闪/地闪判别正确率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

将GHMLLS有对应定位记录的233次回击中217次LLS-CG和16次LLS-IC分别统计，结果如表3所示。由表3可知，LLS-IC的IDM和ILLS的平均值(中值)分别为LLS-CG的0.71倍(0.66倍)和0.66倍(0.61倍)；LLS-IC的ILLS的相对偏差平均值为LLS-CG的1.1倍；LLS-IC的定位站点数量平均值为LLS-CG的0.67倍；LLS-IC的定位误差平均值(中值)为LLS-CG的2.1倍(1.4倍)。

总体看，与LLS-CG相比，LLS-IC的IDM更低，且可用于定位的站点数量更少、定位误差更大，ILLS的精度更低。

表3 2014—2019年人工触发闪电回击的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 结 论

本文选取2014—2019年中国气象局雷电野外科学试验基地广州从化人工触发闪电试验的50次闪电个例，对GHMLLS探测性能进行评估分析，结果表明：

1) GHMLLS对人工触发闪电和回击的探测效率分别为96%(48/50)和88%(233/265)；回击IDM小于5 kA时探测效率最低(仅为11%)，回击IDM大于35 kA时，回击探测效率可达100%。

2) GHMLLS对人工触发闪电回击定位误差的算术平均值、几何平均值和中值分别为279 m，193 m 和202 m；触发闪电试验场附近的定位存在西南方向的系统偏差，偏西约170 m和偏南约50 m，校正后定位误差的算术平均值、几何平均值和中值分别为198 m，108 m和103 m。

3) GHMLLS对人工触发闪电回击电流峰值的反演结果ILLS全部偏低，与IDM相比，ILLS相对偏差的平均值和中值分别为-37%和-36%，但ILLS和IDM相关系数为0.93，存在显著正相关关系(达到0.01 显著性水平)。截距为0的线性拟合表明ILLS与IDM存在65%的比例关系，利用该系数对ILLS的系统偏差进行校正，校正后ILLS相对偏差绝对值的平均值和中值分别为15%和12%。

4) GHMLLS对人工触发闪电回击的判别正确率为93%(217/233)，LLS-IC的IDM更低，可用于定位的站点更少，定位精度和ILLS的精度更低。

总体上，GHMLLS的探测效率和定位精度较好，云闪/地闪判别正确率较高，但ILLS存在明显系统偏差，使用GHMLLS的ILLS资料时，建议将其除以0.65，以获得更为可靠的分析结果。为深入分析GHMLLS的ILLS系统偏低的原因，下一步将通过开展人工触发闪电的远场电磁场测量，探讨影响ILLS的不同因素。