用‘同心圆法’评价闪电定位系统的探测效率

高乐高

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摘
要：作为雷电研究及灾害预警的关键设备，闪电定位系统（简称LLS）在国内的电力及气象系统得到了普遍应用，但是对其探测效率目前尚没有切实有效的评价方法。为了解决这一问题，本文从实践出发，利用计算机软件技术，采用‘同心圆法’对上海地区SAFIR3000 LLS的探测效率进行了客观评价，得出结论：
    （1）随着距离增大，LLS的探测效率逐渐下降，定位误差和所探测到的平均电流强度增大；
    （2）SAFIR3000 LLS对云地闪的探测效率比较低下，其有效探测范围只有120公里左右，远没有达到其生产厂商所宣称的效果；
    （3）用‘同心圆法’评价LLS的探测效率具有科学性，值得在雷电探测及研究领域进行推广。

关键词：闪电定位系统；探测效率；同心圆法；雷电

引
言

雷电是自然界里常见的自然现象，但是对于雷电，人类还了解得太少。闪电定位系统（Lightning Location System，以下简称为LLS）是用于研究雷电的重要技术工具，目前国内据此对各地的闪电分布情况做了一些研究，取得一些成果，但由于LLS到目前为止还不成熟，各种技术参数不统一，得出的结论往往是众说纷纭，甚至相互矛盾。因此，需要对包括探测效率在内的LLS的各项技术参数进行标定和评价，为未来建立全国统一的雷电观测网络做技术准备。

所谓LLS的探测效率，根据中国气象局“闪电定位系统实验考核办法”，指的是LLS在地面观测站周围10公里范围内所探测到的闪电数占地面观测站观测到记录的闪电数量的百分比。按照考核办法的规定，要求探测效率应该达到95％以上，定位精度在500米以下。但这一考核办法在具体操作细则上没有规定，且容易受到时间、天气、人员、设备状态等各项因素的影响，可操作性不强。针对这一问题，目前国内做了一些研究：

1 目前国内对LLS的一些研究

按照其出现的时间先后的顺序，“目前LLS采用的定位原理主要有三种，分别为磁定向法（MDF）、时差定位法（TOA）以及磁定向和时差联合定位法（IMPACT）”[1]。MDF法，因为定位精度较差，现在已很少单独采用；目前大部分国产LLS采用TOA法定位，而国际上先进的LLS一般采用IMPACT法。由于对IMPACT法了解程度不深，目前国内对于LLS的研究大多是用计算机模拟TOA法的原理进行[2] [3]。这些研究侧重于理论，缺乏实践的检验，而且重点在于定位误差的评估，对于LLS的探测效率谈得很少。更有甚者，试图用雷暴日的数据来定义LLS的探测效率[4]，真是可谓“失之毫厘谬以千里”了。

在这种情况下，上海市防雷中心从实践出发，根据实测数据对当地LLS的探测效率进行了评价。

2 具体的研究过程

2.1　上海地区LLS简介

“雷电产生的电磁波可以被划分为高频波段和低频波段，这两种波段的电磁波都可以被用来做雷电定位。目前国内生产和使用的主要为低频/甚低频（LF/VLF）波段的闪电二维定位系统，如中国华云公司的LD－II型雷电定位仪；国外已研制出甚高频（VHF）波段的闪电空间三维的定位系统，如芬兰维萨拉公司生产的SAFIR3000型闪电系统”[5] 。上海市气象局采用SAFIR3000 LLS，定位原理是IMPACT法，自2005年以来投入使用，其三个探头的布局如图1所示：
   
   

如图1所示，这三个探头布置成的三角形基本上把上海的主体部分包含在内，其中，从崇明点到南汇点的距离是113公里，从南汇点到海盐点的距离是116公里，从海盐点到崇明点的距离是151公里。据其生产厂商宣称，这套系统在以上海为中心的方圆200公里范围以内，在8000米高度以下的空间内，对闪电的探测效率可以达到80~90％。但实际效果究竟怎样呢？

2.2 对LLS探测效率的评价

从2005年到2008年9月，上海这套LLS共测得29673个云地闪，所有这些云地闪的经纬度坐标平均值是：北纬31.0572度，东经121.2390度，即所有云地闪的中心，称之为“实际中心点”。这个实际中心点基本处于三个探头的中心位置上，绝大部分云地闪都分布在以实际中心点为中心的半径300公里范围之内。以实际中心点为圆心，以20公里为基数依次递增作为半径，划分出一系列同心圆环，如图2所示：
   
   

经计算得到这些圆环各自的面积及其中分布的云地闪数量、分布密度、定位误差和负地闪的平均电流强度，如表1所示：

圆环序号	近距(kM)	远距(kM)	圆环面积(kM2)	云地闪数量	云地闪分布密度	平均定位误差(m)	负电流平均强度(kA)
1	0	20	1256.64	1053	0.838	751	-22.13
2	20	40	3769.91	2378	0.631	614	-21.87
3	40	60	6283.19	3538	0.563	644	-21.88
4	60	80	8796.46	3957	0.45	668	-23.76
5	80	100	11309.73	3477	0.307	765	-26.66
6	100	120	13823.01	4110	0.297	1013	-28.91
7	120	140	16336.28	3107	0.19	1256	-34.55
8	140	160	18849.56	2541	0.135	1463	-37.92
9	160	180	21362.83	2174	0.102	1755	-39.95
10	180	200	23876.1	1570	0.066	1931	-46.13
11	200	220	26389.38	856	0.032	2215	-50.42
12	220	240	28902.65	531	0.018	2480	-55.23
13	240	260	31415.93	252	0.008	2840	-63.6
14	260	280	33929.2	100	0.003	3125	-57.03
15	280	300	36442.47	27	0.001	3742	-67.22

表1　各圆环的相关参数
   

据表1可知，第一个圆环的面积为1256kM2，在此区域内LLS共测得了1053个云地闪，分布密度是0.838个/ kM2。同理可获取云地闪在其它各圆环内的分布密度，其与距离的关系如图3所示：
   
   

从图3可见，随着距离实际中心点越来越远，LLS所探测到云地闪的分布密度逐渐下降。假设这套LLS在20公里以内的探测效率是100％（实际上这是不可能的），则在第二个圆环内的探测效率为 0.631/0.838×100％＝75.3％，在第三个圆环内为 0.563/0.838×100％＝67.2％，在第四个圆环内为 0.45/0.838×100％＝53.7％。由于整个上海区域都在四个圆环以内，所以整个上海区域的探测效率为：

（100％×1257＋75.3％×3770＋67.2％×6283＋53.7％×8796）/(1257＋3770＋6283＋8796)＝64.9％

也就是说，即使按照最理想的情况（在20公里内的探测效率是100％）计算，在整个上海的范围内探测效率顶多只有64.9％。如果将圆环半径的基数定得更小一些（比如10公里），这个数据还要下降。由此可以证明，这套系统探测云地闪的技术指标根本没有达到其生产厂商所宣称的效果。

2.3  用‘同心圆’法平均LLS探测效率的科学性

用‘同心圆法’评价LLS的探测效率，其科学原理是：随着距离实际中心点越来越远，各个同心圆所划分的圆环面积越来越大，所跨的范围也越来越广，在东西南北各个方位上都有分布，即使在某些区域云地闪的分布密度比较高，根据概率理论，这些区域会跨越多个圆环，所以相邻圆环之间的云地闪分布密度应该是比较均匀的，不应该有很大的差异。但实际情况是，不同的圆环云地闪分布密度相差很大，这种现象所发生的原因只能用LLS的探测效率随距离递增而下降来解释。

有的同志可能对此心存疑虑：如果云地闪恰好在圆心位置分布密度比较高，会否对评价结果产生影响呢？

我们认为，这种可能性微乎其微（因为圆心区域占整个探测范围区域的比例很小）；退一步说，即使出现这种情况，我们也可以通过调整圆环半径的基数来消除其影响。所以我们认为这个分析方法是科学有效的。

为了进一步验证我们的观点，我们将各个圆环中LLS所测云地闪的平均定位误差和距离的关系绘制示意图如下：
   
   

从图4可见，随着距离越来越远，LLS对云地闪的定位误差越来越大，这和探测效率逐渐下降的趋势是相一致的。

云地闪根据其电流的极性可以分为正地闪和负地闪两种类型，其中负地闪是主体。将各个圆环中的负地闪的平均电流强度和距离的关系绘制示意图如下：
   
   

从图5可见，随着距离越来越远，LLS所探测到的负地闪的平均电流强度越来越大。这很容易理解，因为当距离远时，只有那些电流强度大的云地闪才有可能被探测到。

从图5还可以看到，当距离在60公里以内时，所探测到的负地闪的平均电流强度在 －22 kA左右；当距离超过60公里时，这个平均电流强度开始逐渐增大。这说明在距离实际中心点半径60公里以内，LLS对云地闪的漏测是偶然的，大电流或小电流的云地闪都有可能被漏测；而在60公里以外，LLS对云地闪的漏测就成为一种必然，小电流的云地闪探测不到，所以所测得的负地闪的平均电流强度越来越大。从这个意义上来说，这套LLS的有效探测范围只有60×2＝120公里，在120公里以外时，所探测到的云地闪的电流强度的分布情况和实际情况不一样。

3 结论及讨论

经过上面的分析过程，可以得到以下结论：（1）随着距离实际中心点越来越远，LLS对闪电的探测效率逐渐下降，定位误差越来越大，所探测到的平均电流强度越来越大；（2）SAFIR3000闪电定位系统对于云地闪的探测效率比较低下，其有效探测范围只有120公里左右，远没有达到设备的生产厂商所宣称的效果；（3）‘同心圆法’在评价LLS的探测效率方面有一定的科学性，值得在雷电探测及研究领域进行推广。

需要注意的是，以上分析过程是对LLS探测效率的评价而不是评估，其结论是定性的而不是定量的。通过以上分析过程，可以得到上述的三个结论，但是这套LLS的探测效率到底是多少，这个属于定量评估，不在本文的探讨范围之内。

至于为什么这套系统对于云地闪的探测效率不高，经分析，“在雷电发生的过程中，云间闪产生的电磁波主要集中在高频频段，而云地闪既可以产生高频也可以产生低频频段的电磁波，所以低频频段的雷电电磁脉冲辐射主要是由云地闪产生的”[5]。“SAFIR3000系统的工作带宽主要在甚高频波段，因此在探测云间闪方面有独到的优势”[6]，对于掌握整个雷暴发生的全过程比较有利（这也是它为什么声称为“全雷电探测系统”的原因），但是探测云地闪不是它的强项，它在这个方面的应用效果并不是很理想。上海市气象局也认识到了这个问题，已经将该套LLS升级换代到新一代的产品。在研究利用LLS的过程中将我们的经验和教训贡献出来，和国内雷电研究领域的同仁共享，并请多多批评指教。

参考文献

［1］
张义军、孟青、马明等. 2006. 闪电探测技术发展和资料应用. 应用气象学报. 17(5): P611～P620

［2］
杨波、邱实、宁军等. 2006. 雷电定位误差及探测效率评估. 解放军理工大学学报. 7(5): P506～P510　　

［3］
梁华、张涛、姚延锋等. 2007. 雷电定位误差评估与实例分析. 干旱气象. 25(4):Ｐ56～Ｐ61

［4］
冯民学、韦海容、焦圣明. 2008. 南京市雷电定位资料的对比分析. 南京气象学院学报. 31(2)151～P157

［5］
吴翠红、左申正、万玉发. 2002. LLS布网方案设计的技术探讨. 气象. 28(6): P9～P13

［6］
沐俊山、雷治平、张存华.2004. 雷电监测预警系统的原理及应用.导弹试验技术. 3: P60～P62

作者简介：

高磊（1976—），男，硕士，工程师，研究方向：雷电防护及预警、计算机软件开发。

阿甘

高兄果然厉害。

crazy

支持了。。。

srjd09

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