内蒙古地区基于2_套闪电定位系统的资料对比分析＊

Science and Technology & Innovation ｜科技与创新
2024年 第04期
DOI ：10.15913/ki.kjycx.2024.04.039
内蒙古地区基于2套闪电定位系统的资料对比分析＊
宋昊泽，王汉堃，刘正源，东 方
（内蒙古自治区气候中心，内蒙古 呼和浩特 010051）
摘 要：雷电是一种强致灾性大气活动，对其进行准确定位、监测和分析十分重要。

通过对比分析2020年内蒙古地区ADTD （Advanced TOA and Direction system ）闪电定位系统和三维闪电定位系统的地闪资料发现，在闪电发生频次上，ADTD 闪电定位系统探测到的正、负地闪频次均少于三维闪电定位系统，且正地闪占总地闪的百分比在前者中低于后者。

但总体而言，2种闪电定位系统探测到的雷电频次的日变化是一致的，而地闪密度的高值区存在差异；在闪电电流强度对比上，ADTD 闪电定位系统探测到的正、负地闪平均电流强度分别大于和小于三维闪电定位系统，地闪电流强度高值区具有较高一致性。

利用实际雷电灾情资料对2套闪电定位资料进行验证，发现三维闪电定位系统的性能优于ADTD 闪电定位系统，这在定位误差上都有所体现。

关键词：内蒙古地区；闪电定位系统；雷电活动时空分布；定位误差
中图分类号：P427.3；P412 文献标志码：A 文章编号：2095-6835（2024）04-0135-04
——————————————————————————
＊［基金项目］内蒙古自治区气象局科技创新项目（编号：nmqxkjcx202330）
闪电放电过程产生频谱范围很宽的辐射电磁波，不仅在无线电频段有很强的辐射，甚至在X-射线和γ-射线高能辐射频段也有可探测到的辐射，从而为闪电遥感探测和定位提供了重要理论依据[1]，使雷电定位系统成为近20年来在雷电工程技术领域应用最广泛的雷电监测技术手段。

闪电定位系统的性能检验包括探测效率及探测精度等重要指标。

因为自然闪电事件发生的时间和位置具有很强的随机性，所以雷电科研和业务人员很难利用真实闪电进行验证。

利用雷达资料和高速摄像机拍
到的一次闪电，王宇等（2014）[2]
对北京闪电网观测资料的质量进行了初步分析；郑栋等（2016）[3]结合雷达回波
和人工引雷的实验数据对LFEDA 闪电定位系统的探测效率和定位精度进行了评估，对回击的探测效率为
95%，平面定位误差为102 m ；李京校等（2017）[4]
通过对
北京及其周边地区SAFIR 和ADTD 闪电定位资料进行对比分析发现，2套系统探测到的正、负地闪月变化和日变化特征一致，ADTD 闪电定位系统的高值区在空间分布上偏北，而SAFIR 系统的高值区偏南；顾宇丹等
（2018）[5]从地闪数据量、雷电强度、时空分布、空间匹配
度和定位精度等多个方面对上海市的Entls 闪电定位系统和Vaisala 闪电定位系统进行了对比发现，Entls 闪电定位系统对应在50 dBz 以上的回波区域，而Vaisala 闪电定位系统对应在30 dBz 以上的回波区域；朱彪等
（2018）[6]利用雷电流峰值记录仪数据对福建省三维闪
电定位系统和ADTD 闪电定位系统的资料进行对比分
析得出，2套系统探测到的地闪密度空间分布特征一致，三维系统探测到的地闪频次更少，平均定位误差为
2.75 km ；张华明等（2020）[7]
对山西省ADTD 二维闪电
定位系统和VLF 三维闪电定位系统探测资料的时空分布特征和电流强度对比分析后发现，2套系统的日分布（正地闪除外）、月分布及峰值时间基本一致，结合6起雷灾个例，2套系统的定位平均误差分别为1.38 km 和
1.48 km ；李庆申等（2020）[8]
利用雷达回波和人工触发
闪电事件对广东省DDW1闪电定位系统的探测效率和定位精度进行验证，DDW1闪电定位系统的地闪探测效率为100%，回击探测效率约为63%，回击过程的平均定位误差约为464 m 。

本文通过选取2020年内蒙古部分地区（呼和浩特市、包头市和乌兰察布市）ADTD 闪电定位系统和三维闪电定位系统探测到的地闪资料，希望通过对2套闪电定位系统的闪电频次、地闪密度、地闪电流强度、累积概率等方面的对比分析，并结合雷电灾情资料对2套闪电定位系统的探测精度进行初步分析，为今后内蒙古地区雷电观测站网布局、雷电监测、雷电灾害风险评估与区划等方面提供参考和依据。

1 资料与方法
1.1 闪电定位系统简介
ADTD 闪电定位系统由中国科学院空间科学与应用研究中心研制，采用时差法和定向时差联合法进行定位，仅能探测地闪，闪电监测网单站的探测范围为150 km ，其探测效率可达80%～90%，定位精度在
500 m 范围内[9]。

三维闪电定位系统由南京信息工程大·
·135
科技与创新｜Science and Technology & Innovation2024年第04期
学大气物理学院研制，采用电/磁信号融合的时差法进行定位，探测定位精度约为350 m。

因此，本文特选取2套闪电定位系统于2020年的闪电探测资料进行对比分析。

1.2 关键研究区域
三维闪电定位系统由13个探测子站和1个中心处理系统站构成，鉴于闪电定位系统在探测站周围一定范围内精度较高，在站网外随着距离的增大，探测效率逐渐下降，所以研究区域选择探测子站能够基本覆盖的内蒙古部分地区，包括呼和浩特市、包头市和乌兰察布市。

ADTD闪电定位系统在呼和浩特市、包头市和乌兰察布市及周边地区布设10个探测子站，同样能够覆盖研究区域，如图1所示。

图1 研究区域
1.3 闪电定位数据质量控制
在对闪电定位数据进行对比分析前，需要先对其进行质量控制。

对于ADTD闪电定位系统，一般认为大于200 kA的地闪数据误差较大，而小于2 kA的数据通常是云闪或其他干扰，因此本文仅对电流强度大于2 kA且小于200 kA的地闪数据进行统计。

而三维闪电定位系统探测到的地闪强度均小于200 kA，故仅需将小于2 kA的地闪数据剔除即可。

1.4 雷电灾情数据
根据内蒙古自治区气象局雷电灾害信息管理系统中所记录的2020年内蒙古地区雷电灾情中，共有10起发生于本文的研究区域内，因此利用这10起实际雷电灾情数据，每条雷电灾情数据包含日期、时间、地点等要素，对2套闪电定位系统的探测性能进行进一步验证。

2 闪电频次及其时空分布特征对比
2.1 闪电频次
2020年研究区域内闪电次数统计结果如表1所示。

从表1可以看出，ADTD闪电定位系统探测到的正地闪次数（7 770次）、负地闪次数（31 200次）均少于三维闪电定位系统数据（正地闪14 310次、负地闪46 346次）。

三维闪电定位系统的正地闪平均电流强度小于ADTD 闪电定位系统，负地闪平均电流强度（取绝对值）却大于ADTD闪电定位系统。

2套系统探测到的闪电极性也存在差异，三维闪电定位系统正地闪占总地闪的百分比（30.88%）大于ADTD闪电定位系统（19.94%）。

闪电定位系统
三维
ADTD 正地闪次数/次
14 310
7 770
正地闪平均
电流强度/kA
40.26
55.66
负地闪次数/次
46 346
31 200
负地闪平均
电流强度/kA
﹣44.88
﹣25.82
总地闪次数/次
60 656
38 970
正地闪占总地闪
百分比/%
30.88
19.94
表1 2020年三维闪电定位系统和ADTD闪电定位系统探测的地闪对比
2.2 闪电时间分布特征对比
为清晰看出内蒙古中部地区雷电活动的日变化状况，图2展示出2020年2套闪电定位系统中地闪次数的逐小时分布状况。

从图2可以看出，2个系统探测的地闪变化趋势总体一致，伴随着太阳辐射能的增加和累积，雷电活动逐渐频繁，自地方时08：00（北京时，下同）开始增加，到15：00—16：00时达到峰值，随后缓慢减少，于23：00至次日凌晨发生较少。

这与前人研究所揭示的结论相一致，只是内蒙古地区的开始上升时次有所滞后，这与内蒙古所处位置更加偏北有关。

对比2套闪电定位系统资料，与表1结果中展示的正地闪频次发生更多一致，三维闪电在02：00—19：00探测到的地闪次数均高于ADTD探测结果，在20：00至次日01：00，2套系统探测到的地闪次数几乎一致。

这在一定程度上反映了三维闪电比ADTD对闪电活动的发生更加敏感，这可能表明三维闪电系统更加精准，也有可能表明三维闪电系统存在较大的空报，这需要通过与实际雷电灾情的对比才能得到进一步的验证。

图2 2020年ADTD闪电定位系统和三维闪电定位系统
地闪次数日分布对比
2.3 闪电活动空间分布特征对比
为了反映雷电活动在空间上的分布特征，这里采用地闪密度这一统计量。

其是雷电灾害风险区划、雷电灾害风险评估的重要参数指标。

利用闪电定位资
6 000
5 000
4 000
3 000
2 000
1 000
地
闪
次
数
/
次
三维ADTD
00：00 04：00 08：00 12：00 16：00 20：00
北京时
··136
Science and Technology & Innovation｜科技与创新2024年第04期
料，将研究区域划分为1 km×1 km的网格，计算每个网格内所发生地闪的次数，即可得到地闪密度。

图3（a）为ADTD闪电定位系统地闪空间密度分布图，其探测到的地闪显著集中在包头市中部和南部、呼和浩特市西北部及乌兰察布市南部，地闪密度最大值出现在包头市中部，可达7.4次/（km2·年）。

图3（b）为三维闪电定位系统地闪空间密度分布图，其探测到的地闪主要分布在呼和浩特市北部、包头市东部和乌兰察布市中西部。

地闪密度最大值出现在包头市中部，约为9.6次/（km2·年）。

这2套闪电系统呈现出的地闪分布存在显著差异可能与站网布局有关，尤其是三维闪电定位系统，其站网内部探测效率相对较高，在站网外随着距离的增大探测效率逐渐降低。

（a）ADTD 闪电定位系统地闪密度空间分布图
（b）三维闪电定位系统地闪密度空间分布图图3 2020年ADTD闪电定位系统和三维闪电定位系统
地闪密度空间分布图
3 闪电电流强度及其时空分布特征
3.1 闪电电流强度时间分布对比
本章节更关注2套闪电定位资料在雷电电流强度上的特征对比。

从2套闪电定位系统地闪电流强度的日分布对比图（图4）可以看出，尽管闪电的发生频次呈现明显的日变化，但雷电电流强度在一日内并无显著差异，除了基于三维闪电定位系统的负地闪在午夜（22：00至次日04：00）表现出明显小值外，其余时刻仅呈现较小幅度波动。

对比2套闪电定位系统数据可以发现，ADTD探测到的正地闪强度（50～60 kA）强于其探测到的负地闪强度（绝对值25～35 kA），而三维闪电定位系统结果与此相反，负地闪电流强度（绝对值大于40 kA）强于正地闪电流强度（30～40 kA），这导致ADTD闪电定位系统探测的正（负）地闪雷电电流强度几乎在各个时段均强（弱）于三维闪电定位系统探测结果。

（a）ADTD闪电定位系统和三维闪电定位系统
正地闪电流日平均分布图
（b）ADTD闪电定位系统和三维闪电定位系统
负地闪电流日平均分布图
图4 2020年ADTD闪电定位系统和三维闪电定位系统
正、负地闪电流日平均分布对比图
3.2 闪电电流强度空间分布对比
与地闪密度的计算方法类似，为了探讨雷电电流强度的空间分布特征，计算了1 km×1 km面积内的平均雷电电流强度。

图5（a）为基于ADTD闪电定位系统的地闪强度空间分布图，大多数区域的地闪平均电流强度均小于20 kA，地闪电流强度大于80 kA的区域主要集中在包头市中部和南部、呼和浩特市西北部和南部及乌兰察布市南部。

图5（b）为三维闪电定位系统强度空间分布图，其探测到的地闪平均电流强度大于80 kA的区域面积更大，主要集中在包头市中部和南部、呼和浩特市中部和北部及乌兰察布市西部、中部和南部。

2套系统探测到的地闪高值区大致相同。

次/（km·年）次/（km·年）00：00 04：00 08：00 12：00 16：00 20：00
北京时
00：00 04：00 08：00 12：00 16：00 20：00
北京时
·
·137
4 利用雷电灾情记录对比
通过前面对2套闪电定位系统雷电特性的对比，发现除了一些基本特征呈现相一致以外，还有许多雷电活动特性存在较大不确定性。

为进一步对2套闪电定位系统的探测性能有所了解，本章选取了10起2020年发生于研究区域内的雷电灾情记录，每条灾情记录中记录了雷电发生时间（精确到秒）、地点（经纬度信息），从而深入掌握2套闪电定位系统的探测精度。

当2套闪电定位系统均探测到灾情时，则选取2套闪电定位数据中距离灾情发生地点最近的1条定位数据，定位数据的时间设置为灾情发生前后1 h，以此来计算2套闪电定位系统的定位误差，结果如表2所示。

由表2可以得出，二维闪电定位系统的平均定位误差为4.0 km，三维闪电定位系统的平均定位误差为1.9 km。

5 结论与讨论
利用2020年2套闪电定位系统探测到的地闪数据，对比分析了闪电的频次、时间分布、空间分布、电流强度分布等特征，并结合2020年的雷电灾情资料对2套闪电定位系统的探测效率和定位误差进行了对比分析，得到如下结论：①2020年ADTD闪电定位系统探测到的正、负地闪次数均少于三维闪电定位系统，但2套闪电定位系统探测到的地闪日变化趋势基本一致。

2套系统探测到的闪电极性存在差异，三维闪电定位系统正地闪占总地闪的百分比（30.88%）大于ADTD闪电定位系统（19.94%）。

②2套闪电定位系统探测到的地闪密度的高值区存在差异，初步分析可能与三维闪电定位系统的站网布局和定位算法引起的误差有关。

③ADTD闪电定位系统的正地闪平均电流强度大于三维闪电定位系统，而负地闪平均电流强度恰好相反。

④2套闪电定位系统探测到的地闪高值区比较集中，从电流强度空间分布来看，2套系统探测到的地闪高值区大致相同。

⑤利用雷电灾情资料分析得出，三维闪电定位系统的探测效率略高于ADTD闪电定位系统，三维闪电定位系统（平均误差4.0 km）的定位误差小于ADTD闪电定位系统（平均误差1.9 km）。

总体而言，2020年2套闪电定位系统探测到的地闪数据日变化趋势基本一致，频次特征、空间分布及电流强度分布存在差异。

受数据限制，本文仅选取了2020年的数据进行对比分析，结论具有一定的局限性。

次/（km·年）次/（km·年）
（a）ADTD闪电定位系统地闪强度空间分布图（b）三维闪电定位系统地闪强度空间分布图图5 ADTD闪电定位系统和三维闪电定位系统的地闪强度空间分布图
序号1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
名称
雷击跳闸事故1
某油库
风电场风机1
某光伏电站
丰镇巨宝庄
风电场风机2
某酒厂
雷击跳闸事故2
雷击跳闸事故3
雷击跳闸事故4
日期
2020-05-25
2020-06-18
2020-06-28
2020-07-16
2020-07-26
2020-08-09
2020-08-19
2020-08-28
2020-08-28
2020-10-10
时间
13：00：00
10：00：00
17：00：00
16：00：00
13：00：00
18：30：00
15：45：00
03：51：00
04：22：00
20：10：00
二维闪电定位系统定位误差/km
0.23
1.49
4.51
0.09
3.44
0.33
24.19
1.51
1.45
2.90
三维闪电定位系统定位误差/km
0.03
2.81
0.64
0.26
0.73
0.60
10.28
1.23
2.10
0.36
表2 ADTD闪电定位系统与三维闪电定位系统定位误差对比
（下转第142页）·
·138
降低的方向偏移；湿度变量向升高的方向偏移；降雪期间相对湿度接近饱和、风速小于3 m/s，风向不定；降雪后湿度大、风速小，大兴机场容易起雾，造成持续时间较长的低能见度天气现象；降雪期间和降雪后的低能见度天气现象皆是由天气因素造成的，与空气污染物无关。

④HYSPLIT模型模拟表明，高层干冷空气与低层暖湿空气的结合是该次降雪天气过程产生的主要原因；降雪后低层水汽稳定存在于本场上空，为降雪后起雾及低能见度天气现象提供水汽条件。

参考文献：
[1] 李瑶婷.广汉机场2017—2019年冬季低能见度特征及与地
面温度和风向关系初探[J].中国民航飞行学院学报，2022，
33（3）：39-42.
[2] 中国气象局.地面气象观测规范[M].北京：气象出版社，
2003.
[3] 夏静雯，高爱臻，厉侃.宁波市鄞州区63a降雪变化特征及
其影响因素分析[J].气象水文海洋仪器，2021，38（3）：64-66，69.
[4] 崔静思.台风“山竹”期间粤北降水水汽来源解析[J].农业灾
害研究，2022，12（7）：130-133.
————————
作者简介：蒋金亮（1996—），男，本科，助理工程师，研究方向为航空气象预报。

（编辑：丁琳）
—————————————————————————————————————————————————（上接第134页）
[4] CHEN T Q，GUESTIN C.XGBoost:a scalable tree
boosting system[C]//Proceedings of the 22nd ACM SIGKDD international conference on knowledge discovery and data mining（KDD 16）.Association for computing machinery，New York，USA，2016：785-794. [5] Friedman J H.Greedy function approximation:a
gradient boosting machine[J].The annals of statistics，2001，29（5）：1189-1232.
[6] Breiman L.Random forests[J].Machine learning，2001，
45（1）：5-32.
[7] PAVLYSHENKO ing stacking approaches for
machine learning models[C]//2018 IEEE second international conference on data stream mining & processin（DSMP）.Institute of electrical and electronics
engineers，Lviv，Ukraine，2018：255-258.
[8] 周芄，王勇.基于集成学习的用户信用卡违约预测模型研
究[J].井冈山大学学报（自然科学版），2022，43（4）：51-56.
[9] 周志华.机器学习[M].北京：清华大学出版社，2016.
[10] 张梦蝶.基于深度学习的共享单车用户需求预测及应用研
究[D].呼和浩特：内蒙古大学，2022.————————
作者简介：张鑫超（2003—），男，在读本科，研究方向为机器学习。

郑成（1996—），男，云南宣威人，硕士，高级工程师，研究方向为自然语言处理、计算机视觉、强化学习等。

通信作者：侯惠芳（1972—），女，博士，教授，研究方向为机器学习。

（编辑：王雨茜）
—————————————————————————————————————————————————（上接第138页）
参考文献：
[1] 郄秀书，刘冬霞，孙竹玲.闪电气象学研究进展[J].气象学
报，2014，72（5）：1054-1068.
[2] 王宇，郄秀书，王东方，等.北京闪电网的初步定位结果及定
位精度检验[C]//第31届中国气象学会年会.第31届中国气象学会年会S9 第十二届防雷减灾论坛——雷电物理防雷新技术.北京：中国气象学会，2014：88-93.
[3] 郑栋，史东东，张阳.LFEDA系统的初步定位结果及定位精
度检验[C]//第33届中国气象学会年会.第33届中国气象学会年会S19 雷电物理和防雷新技术——第十四届防雷减灾论坛.北京：中国气象学会，2016：915-918.
[4] 李京校，郭凤霞，扈海波，等.北京及其周边地区SAFIR和
ADTD闪电定位资料对比分析[J].高原气象，2017，36（4）：1115-1126.[5] 顾宇丹，虞敏，林文旻.上海市两套闪电定位系统探测能力
对比分析[J].气象与环境科学，2018，41（3）：126-131.
[6] 朱彪，曾金全，李丹，等.三维地闪监测数据分析与校验[J].
气象科技，2018，46（5）：868-874.
[7] 张华明，钱勇，刘恒毅，等.山西省两套闪电定位系统地闪监
测结果对比[J].干旱气象，2020，38（2）：346-352.
[8] 李庆申，陈宇涵，张阳，等.DDW1闪电定位系统及性能评
估[J].气象科技，2020，48（6）：788-794.
[9] 王娟，谌芸.2009—2012年中国闪电分布特征分析[J].气象，
2015，41（2）：160-170.
————————
作者简介：宋昊泽（1992—），男，工程师，研究方向为雷电监测预警、雷电灾害风险评估与区划。

（编辑：王雨茜）
··142。