王學(xué)良張科杰張義軍朱傳林

1）（湖北省防雷中心，武漢430074）

2）（中國(guó)氣象科學(xué)研究院，北京100081）

雷電定位系統(tǒng)與人工觀(guān)測(cè)雷暴日數(shù)統(tǒng)計(jì)比較

王學(xué)良1）＊張科杰1）張義軍2）朱傳林1）

1）（湖北省防雷中心，武漢430074）

2）（中國(guó)氣象科學(xué)研究院，北京100081）

為了利用雷電定位系統(tǒng)（lightning location system，LLS）資料統(tǒng)計(jì)人工觀(guān)測(cè)雷暴日數(shù)，采用湖北省2007—2012年LLS監(jiān)測(cè)資料，選取25個(gè)氣象站為圓心，統(tǒng)計(jì)其不同監(jiān)測(cè)半徑（r）圓區(qū)域內(nèi)LLS監(jiān)測(cè)的雷電日數(shù)，并與人工觀(guān)測(cè)雷暴日數(shù)進(jìn)行比較。結(jié)果表明：r≤7km時(shí)，LLS監(jiān)測(cè)平均年雷電日數(shù)小于人工觀(guān)測(cè)平均年雷暴日數(shù)；r≥8km時(shí)，LLS監(jiān)測(cè)平均年雷電日數(shù)大于人工觀(guān)測(cè)平均年雷暴日數(shù)；r＝22km圓區(qū)域內(nèi)年平均雷電日數(shù)可替代最大年雷暴日數(shù)。根據(jù)r＝7km，r＝8km圓區(qū)域內(nèi)LLS監(jiān)測(cè)的年雷電日數(shù)、年平均地閃密度資料，分別采用直接替代法、地閃密度法和該文提出的二元法計(jì)算年雷暴日數(shù)，結(jié)果顯示：二元法效果最好。二元法計(jì)算的2007—2012年25個(gè)站平均年雷暴日數(shù)與人工觀(guān)測(cè)相等，平均差異為7.4%；二元法計(jì)算的2013年年雷暴日數(shù)與人工觀(guān)測(cè)相差0.8d，平均差異為12.3%。

雷電定位系統(tǒng)；人工觀(guān)測(cè)；雷暴日數(shù)

引 言

雷暴是一種伴有多種天氣現(xiàn)象的中小尺度天氣過(guò)程，雷電是雷暴天氣最基本的特征［1］。雷電的發(fā)生會(huì)產(chǎn)生高電壓、大電流和強(qiáng)烈的電磁輻射，對(duì)人類(lèi)生活和設(shè)施產(chǎn)生直接或間接的影響［2］。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和微電子設(shè)備的廣泛運(yùn)用，因雷電所造成的危害和損失日趨嚴(yán)重，已成為最嚴(yán)重的10種自然災(zāi)害之一［3］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)高壓輸電線(xiàn)路由于雷擊引起的跳閘次數(shù)占總跳閘次數(shù)的40%～70%，雷電已經(jīng)成為嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要因素［4］。在美國(guó)雷擊死亡人數(shù)僅次于因山洪、洪水引發(fā)的死亡人數(shù)，雷電已經(jīng)成為氣象災(zāi)害中造成人員傷亡的重要因素［5］。因此，雷暴起電機(jī)制、雷電發(fā)生發(fā)展及其時(shí)空分布特征和雷電防護(hù)技術(shù)等一直是大氣電學(xué)領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容［6］。年平均雷暴日數(shù)是反映雷電活動(dòng)的重要參數(shù)，是防雷技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中防雷分類(lèi)和防雷工程設(shè)計(jì)的重要依據(jù)之一［7］。

國(guó)外研究表明，聽(tīng)力好的人可以聽(tīng)到20km以外的雷聲，聽(tīng)力不好的人可能聽(tīng)不到5km處的雷聲，另外也和雷聲大小、背景噪音及傳播路徑有無(wú)障礙等因素有關(guān)［8］。在雷暴日人工觀(guān)測(cè)中，盡管受到氣象站點(diǎn)的疏密、觀(guān)測(cè)人員聽(tīng)力差異及背景噪音等因素的影響，但年平均雷暴日數(shù)作為描述雷電活動(dòng)的唯一長(zhǎng)期記錄，仍是雷電防護(hù)工程設(shè)計(jì)、雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、雷暴氣候變化研究以及其他工程領(lǐng)域中一個(gè)重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。隨著雷電探測(cè)特別是對(duì)地閃探測(cè)和定位方面實(shí)現(xiàn)了突破，關(guān)于雷暴過(guò)程中云地閃特征的研究已經(jīng)開(kāi)展［9］。雷電定位系統(tǒng)（LLS）可以給出地閃的位置、強(qiáng)度、極性和回?fù)舸螖?shù)等信息［10］。世界上第1套LLS于1987年在美國(guó)建成，1993年我國(guó)第1套國(guó)產(chǎn)LLS在安徽電網(wǎng)投入工程運(yùn)用［4，11］。ADTD（advanced direction finding on time difference）雷電定位系統(tǒng)是采用磁向和時(shí)差聯(lián)合法進(jìn)行雷電探測(cè)的第2代地閃定位系統(tǒng)。目前中國(guó)雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)已基本建成并投入業(yè)務(wù)化運(yùn)行，包含300多個(gè)ADTD雷電探測(cè)子站［12］。根據(jù)我國(guó)氣象部門(mén)要求，各級(jí)氣象臺(tái)站從2014年起取消雷暴、閃電的人工觀(guān)測(cè)項(xiàng)目。因此，在長(zhǎng)期人工觀(guān)測(cè)雷暴日的基礎(chǔ)上，研究LLS監(jiān)測(cè)的雷電日數(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工觀(guān)測(cè)雷暴日數(shù)的方法更顯迫切。

國(guó)內(nèi)不少學(xué)者對(duì)人工觀(guān)測(cè)雷暴日數(shù)與LLS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)系都進(jìn)行了深入研究。陳家宏等［13］、尹麗云等［14］分別利用福建省和滇中地區(qū)資料，統(tǒng)計(jì)得出了不同網(wǎng)格內(nèi)的雷電日數(shù)為年平均雷電日數(shù)和最大年雷電日數(shù)。李家啟等［15］通過(guò)對(duì)重慶地區(qū)有關(guān)資料的分析，提出了人工觀(guān)測(cè)雷暴日數(shù)遠(yuǎn)小于閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)獲取的數(shù)據(jù)。余海軍等［8］對(duì)雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與人工觀(guān)測(cè)雷電日數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析得出，在半徑為7km圓區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測(cè)雷電日數(shù)能較好地接近人工觀(guān)測(cè)雷電日數(shù)。但上述文獻(xiàn)多數(shù)采用某一區(qū)域內(nèi)LLS監(jiān)測(cè)雷電日數(shù)替代該地區(qū)的人工觀(guān)測(cè)雷電日數(shù)。為此，根據(jù)湖北省25個(gè)氣象站1983—2012年人工觀(guān)測(cè)雷暴日數(shù)和2007—2012年不同半徑圓區(qū)域內(nèi)LLS監(jiān)測(cè)的年雷電日數(shù)、地閃密度資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，旨在建立LLS監(jiān)測(cè)的年雷電日數(shù)與人工觀(guān)測(cè)年雷暴日數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，從而為人工觀(guān)測(cè)年雷暴日數(shù)資料延續(xù)、雷暴氣候變化研究、防雷工程設(shè)計(jì)以及雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供參考。

1 資料與方法

1.1 資 料

采用LLS監(jiān)測(cè)資料年限為2007—2012年，人工觀(guān)測(cè)雷暴日數(shù)資料年限為1983—2012年。LLS監(jiān)測(cè)資料來(lái)源于湖北省ADTD系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)包含13個(gè)探測(cè)子站，單站探測(cè)范圍約為150km，組網(wǎng)后網(wǎng)內(nèi)理論定位精度優(yōu)于300m［16－17］。人工觀(guān)測(cè)雷暴日數(shù)資料來(lái)源于湖北省各氣象站地面觀(guān)測(cè)資料，上述資料均由湖北省氣象信息與技術(shù)保障中心提供。

1.2 統(tǒng)計(jì)方法

人工觀(guān)測(cè)雷暴日規(guī)定，在1日內(nèi)（20：00—次日20：00，北京時(shí)，下同）只要聞雷聲（包含云閃）1次或多次，就統(tǒng)計(jì)為1個(gè)雷暴日［18］。LLS監(jiān)測(cè)雷電日規(guī)定，在1日內(nèi)（20：00—次日20：00）LLS監(jiān)測(cè)的閃電次數(shù)大于等于1次時(shí)，就統(tǒng)計(jì)為1個(gè)雷電日。選取湖北省LLS理論探測(cè)效率在95%以上（見(jiàn)圖1，紅色虛線(xiàn)為湖北省界線(xiàn)），且在2007—2012年，沒(méi)有搬遷過(guò)的25個(gè)氣象站。以各氣象站的經(jīng)緯度為圓心，在2～20km半徑范圍內(nèi)每間隔1km，在20～40km半徑范圍內(nèi)每間隔2km，統(tǒng)計(jì)各氣象站不同監(jiān)測(cè)半徑圓區(qū)域內(nèi)年雷電日數(shù)、年平均雷電日數(shù)，25個(gè)站平均年雷電日數(shù)、各站年地閃次數(shù)及年平均地閃次數(shù)。根據(jù)各氣象站年平均地閃次數(shù)與其對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)半徑圓面積之比，得出各站年平均地閃密度，單位為次／（km2·a）。

圖1 湖北省LLS理論探測(cè)效率示意圖Fig.1 The schematic diagram of theoretical detection efficiency of LLS in Hubei Province

根據(jù)2007—2012年人工觀(guān)測(cè)雷暴日數(shù)資料，統(tǒng)計(jì)歷年各站年雷暴日數(shù)、年平均雷暴日數(shù)和25個(gè)站平均年雷暴日數(shù)。年最大雷暴日數(shù)為1983—2012年各站最大年雷暴日數(shù)，25個(gè)站平均為平均最大年雷暴日數(shù)。

采用最小二乘法，求得線(xiàn)性回歸方程Y＝bx＋a或Y＝b1x1＋b2x2＋a，Y是通過(guò)回歸方程計(jì)算得到的人工觀(guān)測(cè)年雷暴日數(shù)，x，x1，x2為L(zhǎng)LS監(jiān)測(cè)的年雷電日數(shù)或年平均地閃密度，a，b，b1，b2為回歸系數(shù)。通過(guò)F＝R2／（1－R2）·（n－m－1）／m，對(duì)線(xiàn)性回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)［19－20］。F為服從自由度（m，n－m－1）的F分布，F(xiàn)值越大，回歸效果越好，R為相關(guān)系數(shù)，n為樣本量，m為自變量個(gè)數(shù)。

2 人工觀(guān)測(cè)雷暴日數(shù)

2.1 人工觀(guān)測(cè)雷暴日數(shù)與氣候標(biāo)準(zhǔn)值

世界氣象組織認(rèn)為30年長(zhǎng)度可以消除氣候的年變化，建議各國(guó)以30年為標(biāo)準(zhǔn)，為政府部門(mén)以及科研工作者提供氣候標(biāo)準(zhǔn)值。氣候標(biāo)準(zhǔn)值定義為30年氣候要素的平均，可以用來(lái)描述氣候以及作為現(xiàn)在氣候條件的參考對(duì)象［21］。為了探討2007—2012年人工觀(guān)測(cè)雷暴日數(shù)與氣候標(biāo)準(zhǔn)值差異是否顯著，能否代表某地區(qū)或區(qū)域雷暴氣候標(biāo)準(zhǔn)值，根據(jù)25個(gè)站2007—2012年6年平均人工觀(guān)測(cè)年平均雷暴日數(shù)和各相應(yīng)站點(diǎn)1983—2012年30年平均人工觀(guān)測(cè)的年平均雷暴日數(shù)，采用單因素方差分析方法［19］，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得出，F(xiàn)＝2.31＜F（1，48）0.01＝7.20。說(shuō)明上述6年的年平均雷暴日數(shù)與30年的年平均雷暴日數(shù)差異不顯著。因此，各氣象站2007—2012年6年平均人工觀(guān)測(cè)年平均雷暴日數(shù)不屬于異常氣候狀況，可以代表一定地區(qū)或區(qū)域雷暴日數(shù)氣候平均值。

2.2 雷暴日數(shù)與雷電日數(shù)相等半徑范圍

根據(jù)研究，雷聲通常只在距離地閃8～15km的范圍內(nèi)被聽(tīng)到，較好的情況下能達(dá)到20km［22］。因此，以各氣象站為圓心，以不同監(jiān)測(cè)距離為半徑（r），在r為2～20km范圍內(nèi)，每間隔1km分別統(tǒng)計(jì)25個(gè)站的不同半徑圓區(qū)域內(nèi)LLS監(jiān)測(cè)年平均雷電日數(shù)，并與該站人工觀(guān)測(cè)年平均雷暴日數(shù)進(jìn)行比較，從中找出兩者數(shù)值相差最小及其對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)半徑。假設(shè)25個(gè)站的r是符合正態(tài)分布的樣本集，可以求得超過(guò)0.01顯著性水平區(qū)間。根據(jù)表1中r分布可知，r分布在3～15km之間。

表1 半徑r分布Table 1rof sample data

由于正態(tài)總體方差未知，須采用樣本方差估計(jì)總體方差，因此，根據(jù)樣本資料估計(jì)總體均值的范圍。其表達(dá)式［20］為

式（1）中，p為概率，為樣本的平均值，S為均方差，μ為總體均值，α為顯著性，當(dāng)α＝0.01，樣本量n＝25時(shí)，查分布表得根據(jù)表1有關(guān)資料計(jì)算并將其數(shù)據(jù)代入式（1），得

因此，人工觀(guān)測(cè)年平均雷暴日數(shù)與LLS監(jiān)測(cè)的年平均雷電日數(shù)相等的半徑范圍為6.4～10.2km，其概率為99%。

為研究LLS監(jiān)測(cè)的年平均雷電日數(shù)隨監(jiān)測(cè)半徑變化規(guī)律，根據(jù)不同監(jiān)測(cè)半徑圓區(qū)域內(nèi)的25個(gè)站平均年雷電日數(shù)，繪制圖2。由圖2可知，LLS監(jiān)測(cè)平均年雷電日數(shù)，隨著監(jiān)測(cè)半徑的增加呈自然對(duì)數(shù)函數(shù)增加。經(jīng)擬合，平均年雷電日數(shù)與監(jiān)測(cè)半徑呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，其表達(dá)式為

式（3）中，Yd為L(zhǎng)LS監(jiān)測(cè)平均年雷電日數(shù)，r為以氣象站為圓心的監(jiān)測(cè)半徑。由圖2可以看出，擬合曲線(xiàn)與監(jiān)測(cè)雷電日數(shù)曲線(xiàn)基本吻合，其相關(guān)系數(shù)R＝0.998，擬合效果十分明顯。

為尋找人工觀(guān)測(cè)平均年雷暴日數(shù)與LLS監(jiān)測(cè)平均年雷電日數(shù)相同的半徑距離，將歷年25個(gè)站人工觀(guān)測(cè)平均年雷暴日數(shù)29.6d（圖2），代入式（3），得到r＝7.039km，即圖2中擬合曲線(xiàn)與人工觀(guān)測(cè)平均年雷暴日數(shù)直線(xiàn)相交點(diǎn)。也就是說(shuō)，LLS監(jiān)測(cè)半徑為7.039km圓區(qū)域內(nèi)的平均年雷電日數(shù)與人工觀(guān)測(cè)平均年雷暴日數(shù)相同，與余海軍等［8］研究得出的r＝7km圓區(qū)域內(nèi)LLS雷電日數(shù)，能夠代替人工觀(guān)測(cè)雷暴日數(shù)結(jié)論一致。因此，在一定區(qū)域內(nèi)，可以采用LLS監(jiān)測(cè)半徑r＝7km圓區(qū)域內(nèi)的年平均雷電日數(shù)替代人工觀(guān)測(cè)年平均雷暴日數(shù)。

圖2 平均年雷電日數(shù)隨監(jiān)測(cè)半徑變化Fig.2 The number of annual mean thunderstorm days changes with monitoring radius

3 雷電日數(shù)、地閃密度與雷暴日數(shù)對(duì)比

3.1 雷電日數(shù)與雷暴日數(shù)對(duì)比

由于人工觀(guān)測(cè)年平均雷暴日數(shù)與LLS監(jiān)測(cè)年平均雷電日數(shù)相等的監(jiān)測(cè)半徑范圍，99%的樣本在6.4～10.2km 范圍內(nèi)。因此，根據(jù)2007—2012年25個(gè)站，6～10km半徑圓區(qū)域內(nèi)LLS監(jiān)測(cè)年平均雷電日數(shù)（Tl）和人工觀(guān)測(cè)年平均雷暴日數(shù)（Td），表2列出了不同監(jiān)測(cè)半徑圓區(qū)域內(nèi)的各氣象站Tl與Td的比值，目標(biāo)比值為1。

由表2中的6～10km半徑圓區(qū)域內(nèi)各氣象站的Tl與Td的平均比值可以看出，監(jiān)測(cè)半徑在7km及以下時(shí)，其平均比值小于1，監(jiān)測(cè)半徑在8km及以上時(shí)，其平均比值大于1。因此，監(jiān)測(cè)半徑在7km及以下的圓區(qū)域內(nèi)，LLS監(jiān)測(cè)平均年雷電日數(shù)小于人工觀(guān)測(cè)平均年雷暴日數(shù)，監(jiān)測(cè)半徑在8km及以上的圓區(qū)域內(nèi)，LLS監(jiān)測(cè)平均年雷電日數(shù)大于人工觀(guān)測(cè)平均年雷暴日數(shù)。表2中監(jiān)測(cè)半徑r為7，8，9km時(shí)，Tl與Td的平均比值更接近目標(biāo)比值，與目標(biāo)比值分別相差－0.057，0.018和0.083。

表2 25個(gè)站雷電日數(shù)與雷暴日數(shù)對(duì)比Table 2 Comparison of the number of lightning days and the number of thunderstorm days at 25stations

3.2 雷電日數(shù)與最大年雷暴日數(shù)對(duì)比

根據(jù)1983—2012年25個(gè)站人工觀(guān)測(cè)最大年雷暴日數(shù)（Tdmax），將r在18～26km不同監(jiān)測(cè)半徑圓區(qū)域內(nèi)的Tl與Tdmax進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)r為20～24km時(shí)，Tl與Tdmax差值較?。ū?）。由表3可以看出，r≤20km時(shí)，各站Tl與Tdmax平均比值小于1；r≥22km時(shí)，各站Tl與Tdmax平均比值大于1。因此，r≤20km時(shí)，LLS監(jiān)測(cè)平均年雷電日數(shù)小于人工觀(guān)測(cè)平均最大年雷暴日數(shù)，r≥22km時(shí)，LLS監(jiān)測(cè)的平均年雷電日數(shù)大于人工觀(guān)測(cè)平均最大年雷暴日數(shù)。表3數(shù)據(jù)顯示，r＝22km時(shí)，LLS監(jiān)測(cè)的平均年雷電日數(shù)與人工觀(guān)測(cè)平均年最大雷暴日數(shù)僅相差0.1d，而且Tl與Tdmax平均比值最接近目標(biāo)比值，僅相差0.004。由此說(shuō)明，以氣象站為圓心，監(jiān)測(cè)半徑為22km時(shí)，圓區(qū)域內(nèi)的年平均雷電日數(shù)與該站的人工觀(guān)測(cè)的最大年雷暴日數(shù)誤差最小，因此，可采用r＝22km圓區(qū)域內(nèi)的LLS監(jiān)測(cè)雷電日數(shù)替代該站人工觀(guān)測(cè)最大年雷暴日數(shù)。

表3 不同監(jiān)測(cè)半徑平均年雷電日數(shù)與最大年雷暴日數(shù)對(duì)比Table 3 Comparison of the number of annual mean lightning days and the number of average maximum annual thunderstorm days for different monitoring radius

3.3 地閃密度與雷暴日數(shù)關(guān)系

“深度學(xué)習(xí)”(deep learning)的概念最初于1976年由美國(guó)學(xué)者羅杰·薩爾喬(Roger Saljo)和倫斯·馬頓(Ference Marton)提出[1]。“深度學(xué)習(xí)”不是指學(xué)習(xí)內(nèi)容的深度和難度，而是關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程和狀態(tài)，追求知識(shí)的主動(dòng)加工、深度理解和不斷地自我反思，關(guān)注學(xué)生應(yīng)用、分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造等高階思維的發(fā)展，是一種合理運(yùn)用合作、探究、展示和追問(wèn)等教學(xué)手段使學(xué)生全身心地投入，經(jīng)歷高階思維過(guò)程，并獲得深度體驗(yàn)的學(xué)習(xí)。

地閃密度（雷擊大地密度）是較為理想的雷電活動(dòng)參量，可以精確反映雷電活動(dòng)的頻度和強(qiáng)度，國(guó)際上的防雷設(shè)計(jì)均以該參數(shù)為基礎(chǔ)［11］。統(tǒng)計(jì)資料表明，監(jiān)測(cè)半徑為2～40km時(shí)，25個(gè)站平均地閃密度為3.9～4.1次／（km2·a），各監(jiān)測(cè)半徑平均地閃密度為4.0次／（km2·a）。監(jiān)測(cè)半徑為2～7km時(shí)，平均地閃密度為3.9次／（km2·a），監(jiān)測(cè)半徑為8～40km時(shí)，地閃密度為4.0～4.1次／（km2·a），即地閃密度隨著監(jiān)測(cè)半徑的變化不明顯。因此，以氣象站為圓心，r＝8km圓區(qū)域內(nèi)的地閃密度，可代表該站的地閃密度。

由于各地雷電氣候差異明顯，不同國(guó)家和地區(qū)地閃密度與年平均雷暴日數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)公式也不相同［12］。因此，根據(jù)2007—2012年25個(gè)站人工觀(guān)測(cè)年平均雷暴日數(shù)和25個(gè)站r＝8km圓區(qū)域內(nèi)的年平均地閃密度資料，采用最小二乘法，擬合出一元線(xiàn)性方程：

式（4）中，Td1是由地閃密度求得的人工觀(guān)測(cè)年平均雷暴日數(shù)，Ng為r＝8km圓區(qū)域內(nèi)年平均地閃密度。相關(guān)系數(shù)R＝0.6633，達(dá)到0.001顯著水平，剩余方差S2＝16.83。因此，可以根據(jù)各站r＝8km圓區(qū)域內(nèi)的年平均地閃密度資料，求得各相應(yīng)氣象站的人工觀(guān)測(cè)年平均雷暴日數(shù)。

4 雷暴日數(shù)統(tǒng)計(jì)方法

由上述分析可知，根據(jù)LLS監(jiān)測(cè)的相關(guān)參數(shù)，可采用兩種方法來(lái)統(tǒng)計(jì)人工觀(guān)測(cè)雷暴日數(shù)。一種是采用LLS監(jiān)測(cè)半徑r＝7km圓區(qū)域內(nèi)的年平均雷電日數(shù)，直接替代人工觀(guān)測(cè)年平均雷暴日數(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)直接替代法；第2種是根據(jù)r＝8km圓區(qū)域內(nèi)的年平均地閃密度資料，由式（4）計(jì)算得到的人工觀(guān)測(cè)年平均雷暴日數(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)地閃密度法。但上述兩種方法都是根據(jù)LLS監(jiān)測(cè)的單一參數(shù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算人工觀(guān)測(cè)年平均雷暴日數(shù)，且誤差較大。為了探尋一種更加合理、誤差更小的統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法，依據(jù)LLS相關(guān)參數(shù)，本文提出了二元法雷暴日數(shù)統(tǒng)計(jì)方法。

4.1 監(jiān)測(cè)半徑的確定

上述雷電日數(shù)與雷暴日數(shù)誤差分析表明，監(jiān)測(cè)半徑r在7～9km圓區(qū)域內(nèi)的LLS監(jiān)測(cè)平均年雷電日數(shù)與人工觀(guān)測(cè)的平均年雷暴日數(shù)相差最小。因此，根據(jù)25個(gè)站Td和r為7～9km監(jiān)測(cè)半徑內(nèi)的年平均雷電日數(shù)Tl、年平均地閃密度Ng，分別求出Tl與Td，Ng與Td的相關(guān)系數(shù)（表4）。由表4可以看出，r＝8km時(shí)，Tl與Td的平均差值的絕對(duì)值最小，僅差1d，Tl與Td的平均比值最接近目標(biāo)比值，僅差0.018，且Tl與Td，Ng與Td相關(guān)系數(shù)均比r為7km和9km高。因此，采用LLS監(jiān)測(cè)半徑r＝8km年平均雷電日數(shù)和年平均地閃密度來(lái)研究二元法雷暴日數(shù)統(tǒng)計(jì)方法。

表4 不同監(jiān)測(cè)半徑平均年雷電日數(shù)與平均年雷暴日數(shù)對(duì)比Table 4 Comparison of the number of annual mean lightning days and the number of annual mean thunderstorm days for different monitoring radius

4.2 二元法雷暴日數(shù)統(tǒng)計(jì)方法

根據(jù)25個(gè)站的Td和r＝8km的Tl，Ng數(shù)據(jù)，采用最小二乘法，建立二元線(xiàn)性回歸方程：

Td2＝0.344Tl＋0.947Ng＋15.248。 （5）式（5）中，Td2為回歸方程擬合的人工觀(guān)測(cè)年平均雷暴日數(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)擬合雷暴日數(shù)），Tl，Ng分別表示以氣象站為圓心，r＝8km的圓區(qū)域內(nèi)的LLS監(jiān)測(cè)的年平均雷電日數(shù)和年平均地閃密度。由于式（5）為二元線(xiàn)性回歸方程，故稱(chēng)為二元法雷暴日數(shù)統(tǒng)計(jì)方法。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，Td2與Tl，Ng復(fù)相關(guān)系數(shù)R＝0.8853，達(dá)到0.001顯著水平。由式（5）可知，Td2與Tl，Ng呈正相關(guān)，即隨著Tl，Ng的增加，Td2相應(yīng)增加。根據(jù)F＝R2／（1－R2）·（n－m－1）／m［15］，計(jì)算得到F＝39.86＞F（2，22）0.01＝5.72。說(shuō)明式（5）的回歸效果顯著。因此，在對(duì)某一地區(qū)或區(qū)域進(jìn)行雷電防護(hù)工程設(shè)計(jì)和雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，根據(jù)式（5）和r＝8km的Tl，Ng數(shù)據(jù)，就可計(jì)算出該地區(qū)或區(qū)域內(nèi)人工觀(guān)測(cè)年平均雷暴日數(shù)。

5 雷暴日數(shù)統(tǒng)計(jì)方法檢驗(yàn)與應(yīng)用

5.1 2007—2012年各站年平均雷暴日數(shù)對(duì)比檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)上述3種方法計(jì)算得到的年平均雷暴日數(shù)，分別與2007—2012年人工觀(guān)測(cè)年平均雷暴日數(shù)進(jìn)行比較（表5）。表5顯示，采用地閃密度法和二元法求得的25個(gè)站平均年雷暴日數(shù)與人工觀(guān)測(cè)平均年雷暴日數(shù)相等，均為29.6d，而采用直接替代法得到的平均年雷暴日數(shù)比人工觀(guān)測(cè)平均年雷暴日數(shù)少1.2d。由表5的平均比值可知，二元法的平均比值最接近目標(biāo)比值，僅相差0.007，直接替代法和地閃密度法的平均比值與目標(biāo)比值分別相差0.057和－0.018。

為對(duì)比3種方法計(jì)算得到的年雷暴日數(shù)，這里規(guī)定E1＝｜Tl－Td｜／Td×100%，E2＝｜Td1－Td｜／Td×100%，E3＝｜Td2－Td｜／Td×100%分別代表直接替代法、地閃密度法和二元法計(jì)算的年平均雷暴日數(shù)與人工觀(guān)測(cè)年平均雷暴日數(shù)的差異。由表5可知，直接替代法、地閃密度法和二元法的平均差異分別為18.7%，10.4%和7.4%，而且二元法求得的各站年平均雷暴日數(shù)與人工觀(guān)測(cè)年平均雷暴日數(shù)的差異在10%以下的站點(diǎn)有18個(gè)，占站點(diǎn)總數(shù)的72%，差異最大為20.5%，僅有1個(gè)站點(diǎn)；采用直接替代法求得各站差異在10%以下的站點(diǎn)僅有8個(gè)，占站點(diǎn)總數(shù)的32%，差異在20%以上的站點(diǎn)有11個(gè)，占站點(diǎn)總數(shù)的44%，差異在30%以上的站點(diǎn)有6個(gè)，占站點(diǎn)總數(shù)的24%；采用地閃密度法求得各站差異在10%以下的站點(diǎn)有15個(gè)，占站點(diǎn)總數(shù)的60%，差異在20%以上的站點(diǎn)有5個(gè)，占站點(diǎn)總數(shù)的20%，差異在30%以上的站點(diǎn)有2個(gè)。由此可知，采用3種方法統(tǒng)計(jì)計(jì)算的年平均雷暴日數(shù)，效果最好的是二元法，其次是地閃密度法，效果最差的是直接替代法。

表5 2007—2012年25個(gè)站Td與Tl，Td1，Td2對(duì)比檢驗(yàn)Table 5 Comparison and verification ofTdandTl，Td1，Td2from 2007to 2012at 25stations

將25個(gè)站Td與Td2繪制成圖3。圖3顯示，采用二元法計(jì)算的年平均雷暴日數(shù)與人工觀(guān)測(cè)年平均雷暴日數(shù)，絕大多數(shù)臺(tái)站吻合很好。說(shuō)明采用二元法計(jì)算得到25個(gè)站年平均雷暴日數(shù)與人工觀(guān)測(cè)年平均雷暴日數(shù)檢驗(yàn)效果十分明顯。

圖3 人工觀(guān)測(cè)與二元法計(jì)算年平均雷暴日數(shù)對(duì)比Fig.3 Comparison of the number of annual mean thunderstorm days of artificial observations and calculated by the binary method

5.2 2013年各站年雷暴日數(shù)對(duì)比檢驗(yàn)

統(tǒng)計(jì)2013年11—12月LLS監(jiān)測(cè)資料表明，以氣象站為圓心，r＝8km圓區(qū)域內(nèi)，僅有神農(nóng)架1個(gè)氣象站在11月發(fā)生過(guò)1次閃電，其他氣象站在2013年11—12月均無(wú)閃電發(fā)生。因此，2013年各氣象站人工觀(guān)測(cè)年雷暴日數(shù)、r＝8km LLS監(jiān)測(cè)的年雷電日數(shù)和地閃密度，均采用2013年1—10月的相關(guān)數(shù)據(jù)代替。

為進(jìn)一步檢驗(yàn)二元法計(jì)算各氣象站年雷暴日數(shù)的效果，根據(jù)2013年各站r＝8km圓區(qū)域內(nèi)的年雷電日數(shù)Tl和年平均地閃密度Ng，同樣將直接替代法、地閃密度法和二元法計(jì)算得到的年雷暴日數(shù)，分別與2013年人工觀(guān)測(cè)年雷暴日數(shù)進(jìn)行比較，并計(jì)算其比值和差異（表6）。由表6中25個(gè)站平均年雷暴日數(shù)可知，直接替代法計(jì)算的平均年雷暴日數(shù)比人工觀(guān)測(cè)平均年雷暴日數(shù)多0.6d，地閃密度法計(jì)算偏少2.8d，二元法計(jì)算偏少0.8d。直接替代法、地閃密度法和二元法的平均比值與目標(biāo)比值分別相差0.012，－0.059和－0.007，即二元法的比值最接近目標(biāo)比值。表6中的平均差異顯示，直接的平均差異最大為21.2%，地閃密度法的平均差異為16.2%，二元法的平均差異最小為12.3%。綜合3種方法檢驗(yàn)效果可知，效果最好的依然是二元法，其次是地閃密度法，效果最差的是直接替代法。

由表5和表6可以看出，3種方法計(jì)算的2013年平均差異，比2007—2012年平均差異偏大2.5%～5.8%，其中二元法差異偏大4.9%，其主要原因可能與雷暴日數(shù)年際變化較大有關(guān)。

表6 2013年25個(gè)站Td與Tl，Td1，Td2對(duì)比檢驗(yàn)Table 6 Comparison and verification ofTdandTl，Td1，Td2from 2007to 2013at 25stations

6 結(jié) 論

以氣象站經(jīng)緯度為圓心，統(tǒng)計(jì)各氣象站的不同半徑圓區(qū)域內(nèi)LLS監(jiān)測(cè)的年雷電日數(shù)，并與人工觀(guān)測(cè)年雷暴日數(shù)進(jìn)行對(duì)比，得出以下主要結(jié)論：

1）LLS監(jiān)測(cè)年平均雷電日數(shù)與人工觀(guān)測(cè)年平均雷暴日數(shù)相等的半徑范圍為6.4～10.2km，其概率為99%。監(jiān)測(cè)半徑r≤7km時(shí)，LLS監(jiān)測(cè)平均年雷電日數(shù)小于人工觀(guān)測(cè)平均年雷暴日數(shù)；r≥8km時(shí)，LLS監(jiān)測(cè)平均年雷電日數(shù)大于人工觀(guān)測(cè)平均年雷暴日數(shù)；r＝22km圓區(qū)域內(nèi)的年平均雷電日數(shù)可直接替代該站的最大年雷暴日數(shù)。

2）LLS監(jiān)測(cè)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)分析表明，可采用3種方法計(jì)算年平均雷暴日數(shù)。第1種采用LLS監(jiān)測(cè)半徑r＝7km圓區(qū)域內(nèi)的年平均雷電日數(shù)，直接替代年平均雷暴日數(shù)，即直接替代法；第2種根據(jù)各站r＝8km圓區(qū)域內(nèi)的年平均地閃密度資料，由一元回歸方程計(jì)算得到年平均雷暴日數(shù)，即地閃密度法；第3種根據(jù)r＝8km的Tl，Ng數(shù)據(jù)，由二元線(xiàn)性回歸方程計(jì)算得到年平均雷暴日數(shù)，即二元法。

3）根據(jù)2007—2012年和2013年25個(gè)站人工觀(guān)測(cè)年雷暴日數(shù)資料，對(duì)3種雷暴日數(shù)計(jì)算方法進(jìn)行應(yīng)用檢驗(yàn)，結(jié)果表明：二元法效果最好，其次是地閃密度法，效果最差的是直接替代法。采用二元法計(jì)算的2007—2012年25個(gè)站平均年雷暴日數(shù)與人工觀(guān)測(cè)平均年雷暴日數(shù)相同，平均差異為7.4%，2013年采用二元法計(jì)算的年雷暴日數(shù)與人工觀(guān)測(cè)年雷暴日數(shù)僅相差0.8d，平均差異為12.3%。

4）采用二元法計(jì)算2013年年雷暴日數(shù)與人工觀(guān)測(cè)年雷暴日數(shù)差異，比2007—2012年平均差異偏大4.9%，其主要原因可能與各氣象站的年雷暴日數(shù)年際變化較大有關(guān)。

電力部門(mén)LLS定位系統(tǒng)誤差平均為330～840m［23－24］，氣象部門(mén)的 ADTD 雷電定位系統(tǒng)的實(shí)際定位誤差及其對(duì)本文分析結(jié)果的影響，有待進(jìn)一步研究。

［1］ 馮桂力，陳文選，劉詩(shī)軍，等.山東地區(qū)閃電的特征分析.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2002，13（3）：347－355.

［2］ 許小峰.國(guó)家雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建設(shè)與技術(shù)分析.中國(guó)工程科學(xué)，2002，4（5）：7－13.

［3］ 馬明，呂偉濤，張義軍，等.1997—2006年我國(guó)雷電災(zāi)情特征.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2008，19（4）：393－400.

［4］ 陳家宏，張勤，馮萬(wàn)興，等.中國(guó)電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)與雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng).高電壓技術(shù)，2008，34（3）：425－431.

［5］ 高燚，張義軍，張文娟，等.我國(guó)雷擊致人傷亡特征及易損度評(píng)估區(qū)劃.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2012，23（3）：294－303.

［6］ 張義軍，周秀驥.雷電研究的回顧和進(jìn)展.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2006，17（6）：829－834.

［7］ 林維勇，黃友根，焦興學(xué)，等.GB50057—2010建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2011：8－59.

［8］ 余海軍，陳水明，朱建軍，等.雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)雷電日與人工記錄雷電日的比較.高電壓技術(shù)，2012，38（10）：2742－2748.

［9］ 蒙偉光，易燕明，楊兆禮，等.廣州地區(qū)雷暴過(guò)程云－地閃特征及其環(huán)境條件.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2008，19（5）：611－619.

［10］ 張義軍，孟青，馬明，等.閃電監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展和資料應(yīng)用.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2006，17（5）：611－620.

［11］ 童雪芳，王海濤，陳家宏，等.雷電定位系統(tǒng)地閃密度分布圖與雷擊故障相關(guān)性分析.高電壓技術(shù)，2009，34（12）：2924－2929.

［12］ 秦建峰，劉夢(mèng)雨，吳昊.ADTD雷電探測(cè)系統(tǒng)典型故障分析.氣象科技，2012，40（2）：180－184.

［13］ 陳家宏，馮萬(wàn)興，王海濤，等.雷電參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法.高電壓技術(shù)，2007，33（10）：6－10.

［14］ 尹麗云，許迎杰，張騰飛，等.一種新的雷電日及雷電參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法.氣象科技，2009，37（6）：739－743.

［15］ 李家啟，汪志輝，任艷，等.閃電定位系統(tǒng)與人工觀(guān)測(cè)雷電日參數(shù)對(duì)比分析.氣象科技，2012，40（1）：132－136.

［16］ 田芳，肖穩(wěn)安，馮民學(xué)，等.閃電定位觀(guān)測(cè)結(jié)果的修訂分析.華東電力，2008，36（6）：38－42.

［17］ 中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心.ADTD雷電探測(cè)儀用戶(hù)手冊(cè).北京：中國(guó)科學(xué)院，2004.

［18］ 中國(guó)氣象局.地面氣象觀(guān)測(cè)規(guī)范.北京：氣象出版社，2011：3－111.

［19］ 丁士晟.多元分析方法及其應(yīng)用.長(zhǎng)春：吉林人民出版社，1981：88－177.

［20］ 馬開(kāi)玉，張耀存，陳星.現(xiàn)代應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué).北京：氣象出版社，2004：57－131.

［21］ 張志富.國(guó)外氣候資料整編方法介紹——以美國(guó)、加拿大為例.干旱氣象，2009，27（4）：395－401.

［22］ 鐘穎穎，馮民學(xué)，周金奎，等.閃電定位資料與目測(cè)雷暴日的對(duì)比分析.氣象科學(xué)，2010，30（6）：851－855.

［23］ 陳綠文，張義軍，呂偉濤，等.閃電定位資料與人工引雷觀(guān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析.高電壓技術(shù)，2009，35（8）：1896－1902.

［24］ 樊靈夢(mèng)，李志峰，何宏明，等.雷電定位系統(tǒng)定位誤差分析.高電壓技術(shù)，2004，30（7）：61－63.

Comparison of the Number of Thunderstorm Days from Lightning Location System and Artificial Observations

Wang Xueliang1）Zhang Kejie1）Zhang Yijun2）Zhu Chuanlin1）

1）（Lightning Protection Center of Hubei Province，Wuhan430074）
2）（Chinese Academy of Meteorological Sciences，Beijing100081）

Using the lightning location system （LLS）monitoring data of Hubei Province from 2007to 2012and 1983－2012artificial observations，25meteorological stations with theoretical detection efficiency above 95%are selected to make a relative analysis on the number of thunderstorm days monitored by LLS with different monitoring radius（r）and artificial observations.Results show that annual mean thunderstorm days of artificial observations and LLS monitoring data agree mostly in the radius which range from 6.4km to 10.2km.In the circular area whenr＝7，8，9km，the difference is minimum，with the average difference of about 19%.Whenr≤7km，the annual mean thunderstorm days from LLS monitoring data is less than that of artificial observation，while it is more than artificial observation whenr≥8km，and it can replace the number of maximum annual mean thunderstorm days of artificial observations whenr＝22km.The ground flash density do not change significantly with the monitoring radius in the range of 2－40km，the annual mean flash density is 3.9－4.1times／（km2·a）and the average value is 4times／（km2·a）for each monitoring radius.According to data of LLS，3methods are suggested to calculate the number of annual mean thunderstorm days of artificial observations.The first method is using the number of annual mean thunderstorm days of LLS monitoring data whenr＝7km to represent the artificial observations directly，called direct substitution method.The second method is to calculate the number of annual mean thunderstorm days of artificial observations by the equation with one unknown quantity on the basis of the annual mean flash density data whenr＝8km，called ground flash density method.The third method is using the binary equation to calculate the number of annual mean thunderstorm days of artificial observations on the basis of the number of annual mean thunderstorm days and the annual mean flash density data whenr＝8km，called binary method.The examination shows that the binary method is the best，followed by the ground flash density method and the direct substitution method.The number of annual mean thunderstorm days of 25stations calculated by binary method from 2007to 2012are equal to that of artificial observations，and the average difference is 7.4%.In 2013，the gap of the number of annual mean thunderstorm days between binary method and artificial observation is 0.8d，and the average difference is 12.3%.

lightning location system （LLS）；artificial observations；the number of thunderstorm days

王學(xué)良，張科杰，張義軍，等.雷電定位系統(tǒng)與人工觀(guān)測(cè)雷暴日數(shù)統(tǒng)計(jì)比較.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2014，25（6）：741－750.

2014－04－02收到，2014－09－09收到再改稿。

湖北省雷電災(zāi)害防御科研專(zhuān)項(xiàng)（FL－Y－201401）

＊email：mxlhbfl＠163.com