2021, Vol. 37
2. 中国气象局广州热带海洋气象研究所，广东 广州 510641
2. Guangzhou Institute of Tropical and Marine Meteorology, CMA, Guangzhou 510641, China
雷电是雷暴天气中发生的一种长距离瞬时放电现象，雷击过程产生的高电压、大电流和强电磁辐射不仅可造成人员伤亡，对航空、电力工业、计算机网络以及建筑物等也有很大危害[1-2]。随着电子和微电子设备越来越广泛的使用，雷击可能造成的影响也越来越严重，因此对雷电的监测和防护有非常重要的意义。同时，闪电探测新技术的发展、精细化闪电探测资料的应用、闪电资料的同化等也有助于对强对流灾害性天气的监测和预警[3-6]。闪电定位系统是目前探测闪电的主要设备。为了提高闪电定位资料的可靠性、有效利用率及实际的应用效果，同时也为今后各闪电定位数据之间进行校准提供理论依据，对闪电资料的质量进行评估和分析是至关重要的。
粤港澳大湾区是我国开放程度最高和经济活力最强的区域，具备建成国际一流湾区和世界级城市群的良好条件[7]。粤港澳大湾区地处南部沿海，终年气温较高，雷电活动频繁，且具有明显区域特征[8]。粤港澳闪电定位系统(GHMLLS)和广东电网地闪定位系统(GDLLS)是目前粤港澳大湾区的两套主要业务闪电定位系统。近年来，国内外学者对于闪电定位资料的性能评估已展开了许多研究，分析方法主要有四种[9]：第一种是闪电定位系统的自我评估，主要是从定位技术入手，对定位误差进行分析和优化[10-15]；第二种是利用人工触发闪电或击中高塔的闪电资料进行评估[16-22]；第三种是利用视频摄像或高速摄像资料进行评估[23-26]；第四种是不同闪电系统间的相互对比[27-36]，这种方法的优点是可对比的区域范围广，可用的样本量大。
以往对GHMLLS和GDLLS探测性能的评估分析主要利用第二、三种方法开展，评估地点仅限于广州地区。本文拟采用第四种分析方法，以粤港澳大湾区为主要研究区域，针对GHMLLS和GDLLS监测获得的2014—2018年粤港澳大湾区闪电探测数据，从探测效率、相对定位精度和电流峰值等角度对比两系统的地闪探测能力，为两套数据质量可靠性的验证和不同场景下的应用提供依据。
2 资料和方法 2.1 研究区域介绍粤港澳大湾区城市群由广东珠江三角洲地区的广州、深圳、珠海、佛山、东莞、中山、江门、惠州、肇庆9市及香港和澳门组成，简称“9+2”[37]。GHMLLS和GDLLS两套闪电定位系统都在该区域有很好的探测能力，两系统探测子站的分布如图 1所示，灰色区域为粤港澳大湾区。
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图 1 GHMLLS和GDLLS的探测子站分布 |
粤港澳闪电定位系统(GHMLLS)由广东省、香港、澳门气象部门自2005年开始共同建设，最初有5个探测子站，均采用IMPACT探头。2007年，增加了惠东子站；2012年，该系统增加了采用LS-700X系列探头的11个探测子站，LS-700X系列探头可同时探测地闪和云闪，提高了系统的探测能力；2018年，原有的IMPACT探头全部替换为LS-700X系列探头，并增加了两个子站[26]。目前，粤港澳闪电定位系统共有19个探测子站，采用的定位方法是时差-方向综合定位方法，可对闪电发生的时间、位置、极性、强度和云地闪识别等参数进行测量。Zhang等[21]基于2012—2014年的人工触发闪电观测结果，发现经过2012年升级后，在广州地区GHMLLS探测效率和定位精度都有明显提高，但是其探测的回击电流峰值较直接测量的结果偏低(利用70次回击的电流峰值的直接探测结果Id和GHMLLS探测的电流峰值Ic进行线性拟合得到二者有Id=1.55×Ic的线性关系)。陈绿文等[26]基于2016—2017年广州高建筑物雷电观测站获取的资料对GHMLLS系统的性能进行评估，结果表明系统对闪电和回击的探测效率均为93%，对下行闪电首次回击、继后回击及上行闪电回击的定位误差的平均值(中值)分别为361 m(188 m)、252 m(167 m)和294 m(173 m)。
广东电网地闪定位系统(GDLLS)由广东省电力部门于1996年开始建立，1997年正式投入使用，至今已积累20余年的历史观测资料[38]。2000年时该系统共有16个探测子站，2007—2010年系统进行升级改造后增加至27个。GDLLS系统也采用时差-方向综合定位方法探测闪电[17]，可对闪电发生的时间、位置、极性、强度等参数进行测量。Chen等[22]基于2007—2011年从化人工触发闪电及2009—2011年广州高建筑物雷电观测试验的数据对GDLLS系统进行了评估，结果表明系统对闪电和回击的探测效率分别为94%和60%，定位误差的平均值和中值分别为710 m和489 m，系统反演的回击电流峰值的相对偏差在0.4%~42%之间，相对偏差的算术平均值和几何中值分别为16.3%和19.1%。
2.3 研究方法为对GHMLLS和GDLLS两套闪电定位系统的地闪探测性能进行对比和评估，本文利用两系统2014—2018年的闪电探测数据，从探测效率、相对定位精度和电流峰值三个角度来进行具体研究。
由于GDLLS主要探测地闪而GHMLLS能同时探测地闪和云闪，因此在分析过程中利用系统的云闪/地闪标记位挑选出GHMLLS的所有地闪记录。对于选出的GHMLLS地闪记录，分别逐一在GDLLS系统同年探测的总记录中寻找能匹配的记录，匹配标准为两系统探测到的两次记录定位距离不超过10 km且时间差不超过0.5 ms。对于粤港澳大湾区内所有匹配上的记录，将两系统地闪回击的电流峰值进行拟合，发现总体上GHMLLS的电流峰值约为GDLLS的0.68倍。
为对两系统的地闪记录进行质量控制，本研究中借鉴其他研究人员的类似做法[39-41]，认为GDLLS闪电定位系统探测到的0~10 k A的正地闪记录是由云闪误判得到的，因此将这些数据从GDLLS地闪回击数据集中剔除；对于GHMLLS闪电定位系统探测到的地闪回击记录，考虑到2.2节提到的GHMLLS探测的电流峰值相对偏低的情况，根据上文提到的计算结果，也对应剔除GHMLLS 0~6.8 k A的正地闪回击记录。
本文首先对质量控制后的两系统5年地闪回击记录数据进行总体统计，再分别进行时间、空间上的对比，从而分析两套系统探测效率的差异；然后对两系统地闪回击记录进行匹配，分析相对定位精度及电流峰值的相关性。
3 结果与分析 3.1 探测效率对比表 1是2014—2018年粤港澳大湾区内GHMLLS和GDLLS探测的记录数对比。由于GDLLS只探测地闪、GHMLLS同时探测地闪和云闪，且两系统分别删掉了0~10 kA和0~6.8 kA的正地闪记录，因此统计时对质量控制前的总记录和质量控制后的地闪回击数分别进行计算，括号里的百分数代表质量控制后地闪回击记录数占本系统全年总记录数的比例。由表 1可看出，2014—2018年中，GHMLLS探测的地闪回击记录数占总记录数的比例为35%。对于5年内总记录，GHMLLS的探测总数是GDLLS探测总数的2.10倍；而单就地闪回击记录来说，GDLLS的探测总数是GHMLLS的1.24倍。
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表 1 2014—2018年粤港澳大湾区内GHMLLS和GDLLS探测的记录数对比 |
将两系统地闪回击记录中的正回击和负回击进一步进行区分和对比，由图 2可看出，在2014—2018各年，GHMLLS的总回击数都小于GDLLS；对于负、正回击数，GHMLLS也都分别小于GDLLS。对于两系统各年地闪回击总数，整体上从2014—2018年均呈下降趋势。5年内，GHMLLS的地闪回击记录中负回击和正回击分别占93%和7%;GDLLS的地闪回击记录中负回击和正回击分别占89%和11%。根据陈绿文等[26]的分析结果，两系统间正负地闪百分比的差异主要是由于GHMLLS对正地闪的探测效率较低。GDLLS探测的负回击和正回击数量分别是GHMLLS的1.19倍和1.88倍。
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图 2 2014—2018年大湾区内GHMLLS和GDLLS回击次数变化 |
图 3a~3c分别是2014—2018年大湾区内GHMLLS和GDLLS各月份5年平均总回击次数分布、负回击次数分布和正回击次数分布。可看出，各月份中，两套系统均是在5月探测到的回击数最多。
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图 3 2014—2018年大湾区内GHMLLS和GDLLS各月份5年平均总回击次数分布(a)、负回击次数分布(b)、正回击次数分布(c)及平均日变化(d) |
由图 3a可看出，在2014—2018年内各月份，GHMLLS探测的总回击数都小于GDLLS探测的总回击数，但二者在全年的变化趋势一致。5—8月是全年闪电的高发期，在此期间两系统探测总记录数的绝对差值较大。由图 3b和3c可看出，5年内在各月份GHMLLS探测的负、正回击数都小于GDLLS的记录数，两系统在全年的变化趋势一致性较好，在5—8月的闪电高发期，GDLLS、GHMLLS两系统负回击数比值为1.20，正回击数比值为1.94，这说明两系统在高发期对闪电负回击探测效率相近。
对2014—2018年分别进行每日各整点内闪电频次的统计，再对5年数据进行平均。由图 3d可看出，两系统回击数日变化分布都呈单峰型特征，且峰值都在15:00(北京时)左右，变化趋势一致性较高。各时段GDLLS回击数均大于GHMLLS回击数，且在17:00(北京时)的绝对差值最大。
3.1.2 探测记录空间分布对比图 4a和4b分别为GHMLLS和GDLLS两系统在2014—2018年平均回击数的密度分布。可看出，两系统探测回击数的总体分布情况相似，最高值都在广州市和东莞市附近。对于两系统的年平均回击数分布，GDLLS探测到的密度大于40 km-2·a-1的区域明显多于GHMLLS探测到的，且主要分布在广州市；大湾区内大部分区域也有明显的GDLLS探测密度大于GHMLLS的规律。
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图 4 2014—2018年GHMLLS(a)和GDLLS(b)探测到的回击密度分布 格点大小：0.05 °×0.05 °，单位：km-2·a-1。 |
为具体对两系统地闪回击密度进行对比，将图 4a、4b中各格点数据相除，得到图 5。由图 5可看出，2014—2018年在大湾区大多数区域，二者比值(GHMLLS/GDLLS)基本在0.5~1.0之间，其中多数大于0.75，这说明两系统在大湾区内探测效率相近，且GHMLLS探测到的回击数较少，这和3.1.1中两系统时间分布对比得到的规律相符合；在大湾区的边缘位置，例如东部、西北部，二者比值主要在0~0.75之间，说明这些区域二者地闪回击探测能力的差异更大，参考图 1中两系统的站点分布情况，可推测是因为GHMLLS的站点更集中在大湾区内部及周围较近区域，而GDLLS站点广泛分布在广东省各市，因此相比之下在这些边缘位置，GDLLS的探测能力较GHMLLS更强。
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图 5 2014—2018年GHMLLS和GDLLS平均回击数比值的分布 格点大小：0.05 °×0.05 °。 |
逐年对2014—2018年GHMLLS和GDLLS探测到的地闪回击记录进行匹配，匹配方法为对于每条GHMLLS的回击探测记录，在同年的GDLLS回击探测记录中遍历寻找与它定位距离不超过10 km且时间差不超过0.5 ms的对应记录(若能匹配到两条及以上，则优先选择两系统时间差最小的一条)。对匹配后的数据进行统计，发现在5年内，大湾区内匹配的地闪回击数据中，有87%的匹配时间差小于0.04 ms。对于两套系统匹配过程中出现的一条记录匹配上多条记录的情况，可能是因为某一套系统的多个探测子站探测到同一次回击过程，但是在子站与中心站进行数据通讯时有延时差异导致的。
表 2是2014—2018年粤港澳大湾区内GHMLLS和GDLLS探测的地闪回击数和匹配回击数，括号里的百分数代表匹配回击数占该系统探测总回击数的比例，在大湾区内，2014—2018年中两系统地闪回击匹配数占GHMLLS总回击数的67%，占GDLLS总回击数的54%。
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表 2 2014—2018年粤港澳大湾区内GHMLLS和GDLLS探测的回击数和匹配回击数 |
2014—2018年，两系统在大湾区内探测的回击匹配后，GDLLS与GHMLLS的定位结果之间的相对偏差量在2.5 km内的回击占91%，在1.5 km内的回击占84%。为对2014—2018年两系统定位偏差量的分布进行分析，计算大湾区及附近区域两系统匹配数据的偏差量并画出等值线图(图 6)。可看出，在广州、佛山和惠州三个城市的大部分区域，匹配到的两系统回击记录定位点平均偏差量在1.0 km以内；除肇庆市西北部的小部分区域，大湾区的其他区域内两系统回击记录定位点平均偏差量在1.5 km以内。由平均偏差量的1.0 km、1.5 km、2.0 km及2.5 km等值线分布可看出，偏差量最小的区域和两定位系统的探测范围中心基本重合，这说明在探测范围的中心，两系统对闪电回击的定位一致性更高。
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图 6 2014—2018年两系统回击匹配记录定位位置之间的相对偏差量的分布 |
图 7是2014—2018年大湾区GHMLLS和GDLLS探测的回击匹配后正负电流峰值间的相关性图，可看出对于两系统的负回击和正回击，匹配好的数据拟合程度都较好。用I1表示GDLLS探测到的回击的电流峰值，I2表示GHMLLS探测到的回击的电流峰值，两系统负回击和正回击的电流峰值分别有I1=1.47×I2和I1=1.45×I2的线性关系，R2分别为0.99和0.98；对于总回击，有I1=1.47×I2的线性关系，R2为0.99。
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图 7 2014—2018年大湾区GHMLLS和GDLLS探测的回击匹配后正负电流峰值的对比 |
根据图 7得到的两系统负、正回击电流峰值拟合系数对GHMLLS探测的负、正回击进行相应的校正。由于两系统回击匹配后，负、正回击电流强度在0~100 kA的频数都分别占总记录数的97.5%以上，因此以0~100 kA为范围、按照5 kA等间距划分，分别对两系统匹配后的负、正回击电流强度分布百分比进行统计，结果如图 8所示；将匹配后的两系统数据分别进行归闪，选取一次闪电中第一次回击的电流峰值为本次闪电的电流峰值。负、正地闪电流强度在0~100 kA的频数都分别占总记录的97.4%以上，因此以0~100 kA为范围、按照5 kA等间距划分，分别对两系统匹配后的负、正地闪电流强度分布百分比进行统计，结果如图 9所示。由图 8和图 9可看出，经过对GHMLLS电流峰值的校正后，两系统回击和地闪的电流峰值百分比的分布非常一致。
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图 8 2014—2018年大湾区GHMLLS和GDLLS负回击(a)和正回击(b)电流强度分布百分比 |
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图 9 2014—2018年大湾区GHMLLS和GDLLS负地闪(a)和正地闪(b)电流强度分布百分比 |
从负回击电流强度分布(图 8a)看出，各区间内两系统的负回击数所占百分比随着电流强度增大呈先增后减的变化特征，变化的峰值均在10~15 kA范围内；两系统探测的较弱负回击所占百分比(0~5 kA)较少，可能是因为探头对弱的负回击的探测能力较弱。除此之外，在10~25 kA及45~70 kA范围内，GHMLLS探测百分比均多于GDLLS。
从正回击电流强度分布(图 8b)看出，各区间内两系统的正回击数所占百分比都随着电流强度增大呈逐渐减小的变化特征。且在电流强度大于20 kA的各区间内，GDLLS探测百分比均多于GHMLLS。
与负、正回击的电流强度分布类似，各区间内两系统的负地闪和正地闪数所占百分比随电流强度也分别呈先增后减以及逐渐减小的变化特征。对于负地闪数所占百分比(图 9a)，两系统的变化峰值均在15~20 kA范围内；在10~25 kA范围内，GHMLLS探测百分比均多于GDLLS。对于正地闪数所占百分比(图 9b)，在电流强度大于20 kA的各区间内，GDLLS探测百分比均多于GHMLLS。
4 结论本文根据2014—2018年GHMLLS和GDLLS两套闪电定位系统的地闪观测资料对粤港澳大湾区范围内二者的地闪探测性能进行评估和对比，得出如下结论。
(1) GHMLLS探测的总记录明显多于GDLLS的总记录；但对于地闪回击记录，GDLLS的探测数则多于GHMLLS。在粤港澳大湾区，5年内GHMLLS探测总数是GDLLS探测总数的2.10倍；而单就地闪回击记录来说，GDLLS的探测总数是GHMLLS的1.24倍。
(2) 两套系统探测的地闪总回击、负回击和正回击的月分布和总回击的日变化特征基本一致。各月中，闪电高发期为5—8月；而日变化中，回击数的峰值出现在15:00(北京时)左右。
(3) 对两系统地闪回击记录逐一进行匹配后，发现对于大湾区内的大部分区域两系统定位位置之间的相对偏差量都在1.5 km以内，说明两系统对粤港澳大湾区闪电的定位位置一致性较好。
(4) 对于匹配后两系统的回击数据，负回击和正回击分别有GDLLS回击的电流峰值是对应的GHMLLS回击电流峰值的1.47倍和1.45倍的强线性关系，R2分别为0.99和0.98。
(5) 根据计算出的两系统负、正回击电流峰值的线性关系对GHMLLS回击的电流峰值进行校正后，两系统的电流强度分布有更好的一致性。在0~100 kA的电流峰值区间内，GHMLLS和GDLLS探测的负回击、负地闪数所占百分比随着电流强度增大都呈先增后减的变化特征；正回击、正地闪数所占百分比随着电流强度增大都呈逐渐减小的变化特征。
总体上，在粤港澳大湾区内，广东电网地闪定位系统在2014—2018年探测的地闪回击记录多于粤港澳闪电定位系统，但两套系统在各月份、各小时的时间分布和空间密度分布上都有较好的一致性，且匹配后的两系统地闪回击定位点偏差量在大湾区内也较小。对于匹配后的负、正回击电流峰值，二者有较强的线性关系。因此，两系统都能对大湾区及周边地区的地闪进行有效监测，但两系统的数据中都还存在一些云、地闪间的误判及系统自身误差的问题。此外，对于粤港澳大湾区闪电定位系统电流峰值的系统性偏低这一问题，在今后还应借助更多探测资料进行对比和深入研究。
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