2007—2020年寧夏地閃數(shù)據(jù)質(zhì)量控制及時間特征分析

姚肖萌，周積強，厚軍學，魏 巍，楊 勇，柳佳俊

(1.寧夏回族自治區(qū)氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，銀川 750002；2.銀川市氣象局，銀川 750002；3.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，銀川 750002)

0 引言

閃電定位系統(tǒng)是指利用閃電回擊輻射產(chǎn)生的聲、光、電磁場特性遙測閃電回擊放電參數(shù)的一種監(jiān)測雷電發(fā)生的自動化氣象探測設(shè)備，定位系統(tǒng)可監(jiān)測雷電發(fā)生的時間、位置、強度和極性等。隨著探測技術(shù)的發(fā)展和科技人員對雷電科學認識的深入，閃電定位系統(tǒng)探測范圍由原來僅探測地閃擴展至云閃和地閃探測。隨著觀測技術(shù)提升和氣象觀測方式調(diào)整，2012年開始對寧夏雷電天氣現(xiàn)象的觀測取消了人工觀測，全部改由閃電定位系統(tǒng)自動觀測。閃電定位系統(tǒng)的建設(shè)和運行對認識雷電活動規(guī)律、開展雷電預(yù)警等具有重要意義[1-3]，同時對開展雷電災(zāi)害風險評估、雷擊災(zāi)害調(diào)查和科普宣傳等提供了科學技術(shù)支撐[4]。

閃電定位監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)前需進行質(zhì)量控制，主要目的是將誤探的地閃數(shù)據(jù)進行剔除。系統(tǒng)一般情況下會將誤探測的數(shù)據(jù)記錄成為小幅值地閃。國內(nèi)外眾多學者均對小幅值地閃數(shù)據(jù)進行過研究。李家啟[5]等在開展閃電定位資料質(zhì)量控制中將小幅值地閃數(shù)據(jù)范圍定義為閃電電流絕對值在5 kA以下。候永祥[6]等將小幅值地閃定義為雷電流強度絕對值在2 kA以下的地閃。李京校[7]等在統(tǒng)計正地閃時將雷電流強度小于10 kA的數(shù)據(jù)記錄進行了剔除。張有業(yè)[8]等在進行雷電分布特征分析時，剔除雷電流強度絕對值小于2 kA的數(shù)據(jù)。劉蕓[9]等在研究閃電定位資料中小幅值地閃范圍時將小幅值地閃雷電流強度取值為-10～2 kA。QX/T 405-2017《雷電災(zāi)害風險區(qū)劃技術(shù)指南》中要求閃電定位數(shù)據(jù)質(zhì)量控制時應(yīng)剔除雷電流強度絕對值在0～2 kA的數(shù)據(jù)。同時國外學者對于小幅值地閃數(shù)據(jù)的定義分為雷電流強度絕對值為2 kA或者10 kA以下的地閃數(shù)據(jù)。對于雷電流強度較大的地閃數(shù)據(jù)在《雷電災(zāi)害風險區(qū)劃技術(shù)指南》中要求剔除200 kA以上的閃電數(shù)據(jù)。SAFIR300定位系統(tǒng)將大于300 kA的閃電電流一律記為300 kA。

文章利用2007—2020年寧夏閃電定位系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)集，統(tǒng)計了雷電流強度絕對值小于10 kA的小幅值地閃次數(shù)；分析了1～10 kA小幅值地閃逐年次數(shù)和當年占比變化情況；分別分析了雷電流強度在300 kA和300 kA以上大幅值地閃分布情況；提出了應(yīng)將雷電流強度絕對值小于6 kA和大于300 kA的地閃數(shù)據(jù)剔除作為寧夏地閃數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的方法。使用該方法對寧夏閃電定位數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制，對比分析了質(zhì)量控制前后地閃雷電流強度數(shù)據(jù)統(tǒng)計變化。最后文章分析了2007—2020年寧夏地閃次數(shù)年度、季節(jié)、月度、日和24 h分布特征，對寧夏雷電活動研究和防雷減災(zāi)工作提供參考。

1 資料來源

2006年10月寧夏布設(shè)完成閃電定位監(jiān)測系統(tǒng)[10]，2007年1月正式投入試運行。2015年6月并入中國雷電定位系統(tǒng)開始并網(wǎng)監(jiān)測。該系統(tǒng)是中國科學院空間中心雷電研究室研制的ADTD型雷電定位監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用磁定向、時差法和綜合分析算法對寧夏全域全天候進行實時閃電定位監(jiān)測。探測儀分別建設(shè)在銀川、中衛(wèi)、同心、鹽池、六盤山氣象站觀測場。系統(tǒng)能記錄地閃發(fā)生時間、經(jīng)緯度位置、雷電流極性、峰值強度、雷電流上升陡度等參數(shù)信息。系統(tǒng)時間精度達到了0.1 μs，回擊分辨力3 ms，測向精度0.5°，平均定位精度300 m，探測范圍0～600 km，平均探測范圍300 km。文章使用的數(shù)據(jù)來自2007—2020年寧夏閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法

結(jié)合小幅值雷電研究現(xiàn)狀[11]，文章將小幅值雷電流定為地閃雷電流強度絕對值小于10 kA的地閃，將雷電流強度絕對值大于200 kA的地閃定為大幅值地閃。

2.1 小幅值地閃次數(shù)和占比總體分析

將雷電流強度(1～10 kA)按照間隔步長1 kA對占總地閃數(shù)據(jù)次數(shù)和比例進行如下分析：1 kA以下地閃數(shù)據(jù)為4次，占比接近0.0%；2～3 kA以下地閃數(shù)據(jù)分別為12次、14次，占比為0.01%；4～5 kA以下地閃數(shù)據(jù)分別為18次、24次，占比為0.01%；6 kA以下地閃數(shù)據(jù)為48條，占比為0.04%；7 kA以下地閃數(shù)據(jù)為129條，占比為0.11%；8 kA以下地閃數(shù)據(jù)為340條，占比為0.29%；9 kA以下地閃數(shù)據(jù)為710條，占比為0.60%；10 kA以下地閃次數(shù)為1305次，占比達到1.10%；5～10 kA地閃次數(shù)和占比接近成倍遞增的變化趨勢。

2.2 小幅值地閃次數(shù)和占比年度分析

將雷電流強度(1～10 kA)按照間隔步長1 kA對小幅值地閃數(shù)據(jù)逐年次數(shù)和比例進行如下分析：2 kA以下地閃次數(shù)在2008年、2014年、2018—2020年為0，其余年份在1～3次不等；4 kA以下地閃次數(shù)在2014年、2018—2020年為0，其余年份在1～4次不等；6 kA以下地閃次數(shù)在2018年、2020年為0，其余年份在1～12次不等；10 kA以下地閃次數(shù)最少次數(shù)為9次，出現(xiàn)年份為2019年，最大次數(shù)為358次，出現(xiàn)年份為2007年，年平均次數(shù)為14次。圖1為雷電流強度在6 kA以下地閃次數(shù)的逐年次數(shù)和當年占比分布圖，可以看出隨著6 kA以下地閃次數(shù)增加，當年占比也逐漸增加，最大出現(xiàn)在2015年，大于0.14%。

圖1 雷電流6 kA以下地閃次數(shù)逐年次數(shù)和當年占比分布圖

2.3 大幅值雷電分布及占比分析

200 kA以上地閃次數(shù)為316次，占全部地閃次數(shù)比例0.26%，平均強度為277.27 kA。300 kA以上地閃次數(shù)為75次，占全部地閃次數(shù)比例0.06%，平均強度為400.57 kA。

2.4 質(zhì)量控制方法

根據(jù)小幅值和大幅值雷電流強度出現(xiàn)次數(shù)和逐年總占比分析，結(jié)合國內(nèi)外小幅值雷電流地閃數(shù)據(jù)確定方法，將寧夏小幅值雷電流強度確定為絕對值強度在6 kA以下，大幅值雷電流強度確定為300 kA以上作為寧夏閃電定位監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法。表1為寧夏閃電定位數(shù)據(jù)質(zhì)量控制前后統(tǒng)計結(jié)果對比分析。其中負地閃次數(shù)從106，557次減少至106，466次，共減少91次。正地閃次數(shù)從12，346次減少至12，314次，共減少32次。總共地閃次數(shù)減少123次，占總地閃比為0.10%。負地閃雷電流強度從643.31 kA減少至297.47 kA。負地閃雷電流強度從947.60 kA減少至296.65 kA。數(shù)據(jù)經(jīng)質(zhì)量控制后消除了雷電流強度絕對值在小幅值和大幅值范圍的地閃數(shù)據(jù)，剔除數(shù)據(jù)比例為0.10%。

表1 寧夏閃電定位數(shù)據(jù)質(zhì)量控制前后對比 kA

3 地閃時間特征

3.1 地閃年度分布特征

地閃次數(shù)年度分布情況如下：2007—2009年為逐年下降，并且下降幅度較大；2010—2012年進入上升階段；2012—2020年，僅2018年地閃次數(shù)有增加外其余年份表現(xiàn)為逐年遞減；其中地閃次數(shù)最大為18，319次，出現(xiàn)年份為2007年；地閃次數(shù)最小為2452次，出現(xiàn)年份為2017年；年平均地閃次數(shù)為8484次。圖2為2007—2020年寧夏地閃次數(shù)逐年分布圖。

圖2 2007—2020年寧夏地閃次數(shù)逐年分布圖

3.2 地閃季節(jié)分布特征

地閃次數(shù)季節(jié)分布和比例從大到小依次為夏季、秋季、春季、冬季。地閃次數(shù)依次為92，374次、16，682次、9712次、12次，占總地閃比例依次為78%、14%、8%、約0%。寧夏地閃主要發(fā)生在夏季，比例達到78%，冬季發(fā)生次數(shù)最少，四季地閃發(fā)生次數(shù)平均為29，695次。

3.3 地閃月度分布特征

寧夏地閃全年均有發(fā)生，但分布情況具有明顯差異：7—8月寧夏地閃為多發(fā)月份；8月地閃次數(shù)最多，次數(shù)達50，015次；7月地閃次數(shù)次之，次數(shù)達31，519次；1—3月、11—12月地閃次數(shù)較少，最少次數(shù)為3次，出現(xiàn)月份為12月。地閃月平均為9898次。圖3為2007—2020年寧夏地閃次數(shù)月度分布圖。

圖3 2007—2020年寧夏地閃次數(shù)月度分布圖

3.4 地閃日分布特征

從地閃發(fā)生日分布(圖4)情況來看，在各月上旬后半段和下旬后半段時間發(fā)生地閃次數(shù)較多，月中旬發(fā)生地閃次數(shù)相對較少。其中地閃次數(shù)最多為6178次，出現(xiàn)在25日。地閃次數(shù)最少為1932次，出現(xiàn)在18日。平均地閃次數(shù)為3832次。

圖4 2007—2020年寧夏地閃次數(shù)日分布圖

3.5 地閃24 h分布特征

地閃次數(shù)24 h均有發(fā)生，具有明顯的時間分布特征：00：00—12：00地閃次數(shù)發(fā)生較少，其中00：00—05：00，地閃次數(shù)逐漸穩(wěn)定減少；13：00—23：00地閃次數(shù)大幅增加，最高峰出現(xiàn)在15：00；15：00—23：00地閃發(fā)生次數(shù)逐漸穩(wěn)定減少；地閃次數(shù)24 h分布最大值為11，418次，出現(xiàn)在15：00；地閃次數(shù)24 h分布最小值為890次，出現(xiàn)在05：00；24 h平均地閃發(fā)生次數(shù)為4949次。圖5為2007—2020年寧夏地閃次數(shù)小時分布圖。

圖5 2007—2020年寧夏地閃次數(shù)24 h小時分布圖

4 結(jié)束語

閃電定位數(shù)據(jù)對雷電預(yù)警、雷電活動規(guī)律、雷電科學認識和防雷減災(zāi)等工作有重要的科學支撐作用。文章使用2007—2020年寧夏閃電定位資料，分析了雷電流強度絕對值在10 kA以下的小幅值地閃逐年次數(shù)和占比分布，及其300 kA以上大幅值地閃次數(shù)分布情況，結(jié)合當前相關(guān)小幅值雷電確定方法，經(jīng)綜合分析提出剔除雷電流絕對強度在6 kA以下和300 kA以上地閃數(shù)據(jù)作為寧夏地閃數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法。文章對比分析了經(jīng)質(zhì)量控制前后地閃雷電流強度描述性統(tǒng)計特征變化，經(jīng)質(zhì)量控制剔除地閃數(shù)據(jù)占比為0.10%；分析了2007—2020年寧夏地閃年度、季節(jié)、月度、日和24 h分布特征，從2012年以來寧夏地閃監(jiān)測數(shù)據(jù)逐年減少，發(fā)生季節(jié)主要集中在夏季和秋季，在7—8月雷電活動頻繁，在15：00左右雷電活動最為強烈。最后寧夏冬季雷電也時有發(fā)生。