陳星宇，林英鑒，樊江偉

(山東省煙臺市氣象局，山東 煙臺 264003)

閃電定位儀與人工觀測雷暴日的對比分析

陳星宇，林英鑒，樊江偉

(山東省煙臺市氣象局，山東 煙臺 264003)

該文提出了儀器法確定雷暴日的方法并對儀器和人工觀測雷暴日的差異進行了分析，得出儀器法測量的雷暴日數(shù)要高于人工觀測的數(shù)值，儀器法測量的雷暴日數(shù)更接近實際的雷暴日數(shù)。如果使得儀器觀測的雷暴日數(shù)接近人工觀測的雷暴日數(shù)，采用可聞距離11.6 km，電流幅值取大于15 kA的雷電流作為統(tǒng)計值可以得到較好的匹配效果。

雷暴日；閃電定位儀；人工觀測

1 引言

閃電是人們所認知的重要的自然災(zāi)害之一，有關(guān)閃電的特性和閃電的時空分布特征許多學(xué)者進行過分析[1-3]。年平均雷暴日數(shù)是表示某一區(qū)域雷電活動強弱特征的物理參數(shù)，是現(xiàn)有氣象業(yè)務(wù)和防雷工程領(lǐng)域的一個重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。按照世界氣象組織給出的定義，在本站聽到雷聲的觀測日叫做雷暴日。

我國長時間以來也采用人工觀測方式來確定雷暴日數(shù)，但是這種觀測方法存在著缺陷，觀測站點布局、觀測人員水平、地理地形、背景噪音都會影響觀測數(shù)據(jù)的準確度。

現(xiàn)今，閃電定位系統(tǒng)(LLS)廣泛應(yīng)用，但是國家還沒有制定應(yīng)用儀器觀測雷暴日數(shù)的標準和方法，因此，需要研究兩方面的內(nèi)容：①利用閃電定位系統(tǒng)確定雷暴日數(shù)時，取多大探測范圍內(nèi)發(fā)生的雷暴作為本站的雷暴是合適的；②儀器和人工確定的雷暴日數(shù)有何差異，造成這種差異的原因是什么。尹麗云[4]、陳家宏[5]應(yīng)用網(wǎng)格法對雷暴日進行了統(tǒng)計，但沒有分析與傳統(tǒng)雷暴日之間的關(guān)系。

2 資料選取及方法介紹

2.1 資料選取

山東全省現(xiàn)有13部閃電定位儀，2006年下半年開始運行，探測范圍覆蓋山東全省和周邊省份2/3區(qū)域。山東省絕大數(shù)區(qū)域的探測效率為95%，其周邊的探測效率為90%，如圖1所示。閃電定位儀能記錄主峰到達的精確時間，時間精度達到us級，定位誤差小于1 km。探測的參數(shù)包含落雷的經(jīng)度、緯度、雷電流幅值、地閃電流極性等。山東省閃電定位系統(tǒng)將每天探測到的閃電數(shù)據(jù)單獨存儲為一個txt文本。

圖1 山東全省閃電定位雷電監(jiān)測系統(tǒng)分布位置

應(yīng)用全省閃電定位數(shù)據(jù)中龍口站附近的閃電資料與該站人工觀測資料進行分析，資料的時間長度為6 a(2007—2012年)。閃電定位儀的觀測數(shù)據(jù)由山東省氣象臺提供，龍口站人工觀測資料由龍口市氣象局提供。

2.2 方法介紹

閃電定位儀探測到的地閃包含了落雷的經(jīng)度、緯度、落雷時間等，想要得到儀器記錄的雷暴日數(shù)，首先要將龍口觀測站(37.640 29° N，120.341 12°E)周邊一定范圍內(nèi)探測到的雷電數(shù)據(jù)甄選出來，然后仿照人工觀測雷暴日的概念，不管一天內(nèi)的落雷次數(shù)有多少，只要一天中在此范圍內(nèi)有落雷則記為一個雷暴日，如圖2所示，“+”代表觀測站，2007年5月10日探測的落雷點為“○”位置，2007年6月3日探測的落雷點如“?”位置，2 d在觀測站15 km范圍內(nèi)共探測到地閃12次，記為2個雷暴日，圓外的點將不再統(tǒng)計。這種方法統(tǒng)計的雷暴日數(shù)與所選面積是相關(guān)聯(lián)的，面積選取越大落雷次數(shù)越多，雷暴日數(shù)可能就會越大，所以取多大范圍內(nèi)的探測數(shù)據(jù)至關(guān)重要。傳統(tǒng)的雷暴日數(shù)的觀測范圍，是觀測員可聞的雷聲的范圍，在利用閃電定位資料統(tǒng)計雷暴日時也采用這一范圍。采用這種方法其好處是確保了人工和儀器的觀測范圍一致，具有可比性，二是延續(xù)了傳統(tǒng)雷暴日的概念。所以探測范圍的確定轉(zhuǎn)化為人所能聽到的雷聲的范圍。

圖2 儀器統(tǒng)計雷暴日示意圖

3 雷聲的可聞距離

根據(jù)聲線軌跡的斯涅耳定律，在無風大氣中，聲線軌跡完全取決于聲速的分布，假設(shè)地面溫度為300 K，溫度遞減率為6.5℃/km，若閃電產(chǎn)生于離地面6 km的云中，則地面雷聲可聞區(qū)在以閃電地面投影點為圓心，半徑為11.6 km的圓形區(qū)域內(nèi)。

4 兩種方法統(tǒng)計的年雷暴日數(shù)

按無風大氣中的聲線軌跡得出地面雷聲的可聞距離為11.6 km，通過對龍口觀測站以此為半徑的范圍內(nèi)發(fā)生的雷暴進行統(tǒng)計(表1)。

表1 閃電定位儀探測、人工觀測年雷暴日數(shù)(單位：d)

從表1可知，閃電定位儀記錄的最大的雷暴日數(shù)為63 d，而人工觀測雷暴日數(shù)最大的為22 d，且每年的雷暴日數(shù)，閃電定位儀記錄的數(shù)值均大于人工觀測數(shù)值的2～3倍，所以只考慮可聞范圍這一因素，兩種方法統(tǒng)計的年雷暴日數(shù)差異很大。

4.1 兩種統(tǒng)計方法的差異化分析

人工觀測的雷暴日數(shù)包含了地閃和云閃發(fā)生的總天數(shù)，閃電定位儀記錄的是一定范圍內(nèi)地閃發(fā)生的天數(shù)，按照這一原則，閃電定位儀記錄的雷暴日數(shù)應(yīng)該小于人工記錄的雷暴日數(shù)，而實際卻恰恰相反，造成這一差異的主要原因是什么呢？

人工觀測雷暴日數(shù)時，由于觀測人員的聽力有限，人為因素較重，加上受地形、環(huán)境噪聲的影響，導(dǎo)致雷聲的傳播受到阻礙，如果雷電聲波的能量較小，在傳播過程中還未到達地面就已經(jīng)耗散掉，造成觀測員無法聽到，可能導(dǎo)致雷暴日的漏測。

閃電定位儀探測的是雷電的磁場，而不是聲波，聲波的衰減對監(jiān)測設(shè)備并無影響，只要磁場的傳播不受影響，并且設(shè)備設(shè)置了較低的閾值時，發(fā)生的地閃都會被閃電定位儀捕捉到，并記錄發(fā)生地閃的經(jīng)緯度和時間。兩種觀測方法觀測對象不同，探測能力不同是產(chǎn)生差異化的主要原因。從以上的分析得出，應(yīng)用閃電定位儀確定的雷暴日數(shù)更接近實際中的雷暴日數(shù)。

4.2 儀器觀測雷暴日數(shù)的重新統(tǒng)計

如果使儀器記錄的雷暴日數(shù)接近人工觀測的雷暴日數(shù)，就要考慮聲波在空氣中的衰減。在相同的周邊環(huán)境中，雷電的能量越大，聲波的能量也越大，就更容易被人監(jiān)聽到。描述雷電強弱的一個指標就是雷電流強度，這一參數(shù)可以被閃電定位儀記錄到，現(xiàn)在我們假設(shè)小幅值的雷電流產(chǎn)生雷聲的聲強小，產(chǎn)生后很快耗散掉，并且不能被人耳監(jiān)聽到。剔除只發(fā)生小電流的雷電日數(shù)，通過對不同的雷電流幅值進行分析，定義小于15 kA的雷電流為小電流時的統(tǒng)計結(jié)果與人工雷暴日觀測結(jié)果比較接近。

按月統(tǒng)計后兩種逐月的雷暴日數(shù)見圖3。從圖3可知，2007年、2009年、2011年逐月雷暴日數(shù)比較接近，6 a中，1—4月，9—12月的月雷暴日得到了很好的匹配，其他月份差異相對較大。從逐年的雷暴日數(shù)(圖略)可知，2007年和2011年兩種方法觀測的雷暴日數(shù)完全相同，其他年份還是有差異存在。這種差異可能的來源還是受可聞距離的影響，由于雷雨天氣水汽含量的不同，導(dǎo)致不同季節(jié)不同時間的水汽含量不同，而水汽含量也影響聲音的傳播；此外在確定可聞距離時只考慮了無風條件下的情況，對于發(fā)生雷暴時的風向風力不好判別，導(dǎo)致可聞范圍的不確定，從而產(chǎn)生兩種觀測方式的雷暴日數(shù)的不同。

圖3 2007—2012年人工觀測與儀器統(tǒng)計的雷暴日數(shù)的逐月分布

總的來說，閃電定位儀測到的雷暴日數(shù)應(yīng)該更接近實際情況，因為測到的閃電電流表明已經(jīng)發(fā)生了地閃，只是由于聲波的衰減以及人為的因素、環(huán)境因素等而未被人觀測到。

5 結(jié)論

雷暴日數(shù)一直是防雷工程領(lǐng)域一個重要的參數(shù)，同時也是一直受到頗多非議的雷電參數(shù)，由于過去缺乏觀測手段，雷電日的觀測過于粗糙。隨著氣象觀測手段的不斷完善，使儀器觀測雷暴日數(shù)成為可能。傳統(tǒng)的人工觀測雷暴日觀測對象主要是聲波，而閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測閃電主要是對磁場進行觀測。聲波和磁場的傳播方式，觀測員的個體差異和設(shè)備的靈敏度，兩種監(jiān)測對象對周邊環(huán)境的要求，聲波和磁場的傳播速度、衰減等都是造成人工觀測與儀器觀測雷暴日數(shù)產(chǎn)生巨大差異的原因。

[1] 王慧.湖北黃岡地區(qū)2006—2011年閃電時空分布特征[J].沙漠與綠洲氣象，2013，7(1)：60-64.

[2] 丁德平，李迅，等.北京地區(qū)大氣電場的特征及雷電預(yù)警中的訂正分析[J].沙漠與綠洲氣象，2012，6(4)：68-63.

[3] 柴瑞，王振會，肖穩(wěn)安，等.大氣電場資料在雷電預(yù)警中應(yīng)用[J].氣象科技，2009，37(6)：724-728.

[4] 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)計方法[J].氣象科技，2009，37(6)：739-744.

[5] 陳家宏，鄭家松，馮萬興，等.雷電日統(tǒng)計方法[J].高電壓技術(shù)，2006，32(11)：115-118.

2014-06-25

陳星宇(1981—)，男，工程師，主要從事雷電防護、監(jiān)測及預(yù)警工作。

1003-6598(2015)01-0047-03

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