基于DDW1全闪三维闪电定位系统的闪电活动探测分析.pdf
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1、徐黄飞,李建勇,周嘉健,等.基于DDW1全闪三维闪电定位系统的闪电活动探测分析J.热带气象学报,2023,39(4):643-652.文章编号:1004-4965(2023)04-0643-10基于DDW1全闪三维闪电定位系统的闪电活动探测分析徐黄飞1,李建勇1,周嘉健1,朱家杉1,邹庆彪1,杜赛2,谢宸浩3(1.广东省气象数据中心,广东 广州 510080;2.中国气象局广州热带海洋气象研究所,广东 广州 510641;3.广州市突发事件预警信息发布中心,广东 广州 511430)摘要:2020年12月,广东省ADTD(Advanced TOA and Direction)闪电定位系统升级改
2、造为DDW1全闪三维闪电定位系统,于2021年1月业务运行,使得广东省拥有了闪电三维定位业务观测能力。DDW1闪电定位系统不仅在硬件性能、数据处理、探测效率和定位算法等方面有提高,同时还新增了闪电辐射源的三维定位功能。基于DDW1闪电定位系统观测数据和广州S波段双极化天气雷达资料,分别对广东省2021年闪电时空分布以及一次飑线系统云闪三维分布特征进行分析。分析结果表明,闪电活动主要出现在59月,占总数92.9%,闪电活动多发时段为1318时,占总数53.1%;广东省闪电聚集区分布在地势较低的珠三角和粤西地区,地势高的山地地区闪电活动相对较少;云闪辐射源主要出现在强对流区底部,高度主要分布在15
3、 km,占总数61.3%,一定程度上刻画了雷暴云中电荷区的分布情况。全闪定位结果与对应时刻雷达回波具有高度一致性。关键词:闪电探测;全闪三维定位;DDW1系统;数据分析中图分类号:P427.3文献标志码:ADoi:10.16032/j.issn.1004-4965.2023.056收稿日期:2022-04-01;修订日期:2023-06-28基金项目:广东省重点领域研发计划(2020B1111200001);中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室开放课题(2021LASW-B02)共同资助通讯作者:李建勇,男,山东省人,高级工程师,主要从事大气探测设备保障和研发工作。Email:第39卷 第
4、4期2023年8月热 带 气 象 学 报JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGYVol.39,No.4Aug.,20231 1 引引言言利用闪电定位系统开展闪电活动探测一直是大气电学领域的重要手段。针对不同研究目的,全球出现了多种类型的闪电定位系统,研究人员基于这些闪电定位系统开展了大量观测试验,获取了多种类型的闪电观测资料,为推动闪电物理、闪电预报预警和闪电防护技术的研究提供了大量宝贵资料,并取得了一系列重要研究成果1-6。目前,国际上主流的闪电定位技术包括闪电VHF/UHF辐射源定位技术和地基VLF/LF闪电定位技术。VHF/UHF辐射源定位技术可以确定闪电放电通道的
5、三维时空演变特征,是目前最为精确的闪电定位技术,VLF/LF闪电定位技术则可实现大范围的区域或全球组网观测7-10。VHF/UHF辐射源定位技术中具有代表性的有美国新墨西哥州矿业学院(New Mexico Institute of Mining andTechnology)开发的雷电成像系统LMA(LightningMapping Array)11-13、肯 尼 迪 航 天 中 心(KennedySpace Center)开发的闪电探测和定距系统LDAR(Lightning Detection and Ranging)14-16、法国闪电探测和定位系统 SAFIR(System d Alert
6、e Fondrepar Interfermetrie Radioeletrique)17以及日本大阪大学(Osaka University)研制的闪电宽带干涉仪定位系统18-20。地基VLF/LF闪电定位技术中具有代表性的有美国国家闪电定位网 NLDN(NationalLightningDetectionNetwork)21-22、美 国 LosAlamos 实验室开发的闪电定位网 LASA(Los热 带 气 象 学 报第39卷Alamos Sferic Array)23、美国地球网络公司建设的EN(Earth Network)闪电定位系统、慕尼黑大学(University of Munich
7、)开发的欧洲闪电定位网LINET(Lightning Network)24-25和全球闪电定位网 WWLLN(WorldWideLightningLocationNetwork)26等。国内气象业务使用的闪电定位系统是由中国科学院空间科学研究中心和北京华云东方探测技术有限公司合作研发的 ADTD闪电定位系统27,该闪电定位系统已运行近十五年,为支撑各行业雷暴预报预警等气象服务做出了巨大贡献。随着对闪电物理的深入研究以及业务服务的精细化需求,仅靠该业务型闪电定位系统的独立运行,不足以为全国闪电活动研究提供所需数据。因此,国内涌现出了大量局地高精度研究型闪电定位系统,如中国科学院大气物理研究所的多
8、频段北京闪 电 三 维 定 位 网 BLNET(Beijing BroadbandLightning NETwork)28-30、中国科学院寒区旱区环境与工程研究所的同步快天线探测网31、中国气象科学研究院的闪电低频电场探测阵列系统LFEDA(Low-Frequency Electric field DetectionArray)32、中国科学技术大学雷电研究团队开发的江 淮 闪 电 定 位 网 JASA(Jianghuai Area SfericArray)以及粤港澳三方合建的粤港澳闪电定位系统 GHMLLS(Guangdong-Hongkong-MacaoLightning Locatio
9、n System)6等。各类研究型高精度闪电定位系统的出现,为国内闪电物理以及闪电预报预警服务研究提供了珍贵精细化资料。广东省ADTD闪电定位系统于2009年开始建设,2010年开始业务运行,运行至今为广东省闪电相关业务服务提供了大量数据,但由于设备老化和相关性能已经无法满足目前业务服务应用需求,且国内外也已经出现了众多优秀的闪电定位系统,急需用新型闪电定位系统代替ADTD系统。因此,2020年12月,北京华云东方探测技术有限公司将广东省 ADTD 闪电定位系统升级改造为DDW1闪电定位系统33。DDW1闪电定位系统不仅在硬件性能、数据处理、探测效率和定位算法方面有较大提高,同时还新增了云闪三
10、维定位功能。本文首先介绍DDW1闪电定位系统的硬件组成、站网布局和工作原理,其次基于升级改造的DDW1闪电定位系统和广东省地形等资料对2021年广东省闪电时空分布特征经行分析,最后利用S波段双极化天气雷达回波数据与云闪辐射源定位数据,对2021年5月4日一次飑线系统中的云闪辐射源定位结果进行分析。2 2 仪器介绍仪器介绍2.1 DDW1闪电定位仪DDW1闪电定位仪主要由磁环天线、平板天线、数据采集单元、供电电源、指北调节盘等模块组成。其中磁环天线是根据电磁感应定律探测大气中的磁场变化,平板天线是利用导体在电场中产生感应电荷的原理探测大气中的电场变化。该设备能够记录闪电发生的精确时间、方向和放电
11、波形特征等信息,其外观如图1所示。2.2 DDW1定位系统广东省DDW1闪电定位系统站点分布如图2所示,由梅州、珠海、惠州、韶关、江门、茂名、汕头、汕尾和肇庆等9个子站组成,站点平均间距为140km。每个子站布置有一台DDW1定位仪、一套数据接收软件和一套通信系统。DDW1定位系统架构如图3所示,DDW1闪电定位系统采用FPGA模块对各子站探测到的闪电信号进行全采集,实时处理分析并识别闪电信号的各项特征参数,由建设在广东省气象探测数据中心的中心站软件对各子站所获闪电电磁信号特征参数进行相似度匹配,再由优化定位算法计算得出定位结果。依据华云公司的产品说明,DDW1定位系统探测性能指标如表1所示,
12、DDW1图1 DDW1闪电定位仪外观644第4期徐黄飞等:基于DDW1全闪三维闪电定位系统的闪电活动探测分析定位系统可实现对地闪首次回击、地闪继后回击和云闪的三维定位,探测频段为VLF/LF,探测时间精度为0.1 s,地闪首次回击探测效率为100%,地闪继后回击探测效率为62%,云闪探测效率为52%,探测效率主要与站点布局和定位算法有关34-35。图2 广东省DDW1闪电定位系统站点分布26N25N24N23N22N21N20N110E112E114E116E118E图3 广东省DDW1定位系统架构DDW1定位系统子站端DDW1定位系统中心站端电磁场信号接收板数据采集与预处理板中心站处理器天线
13、端接收端采集处理端电场感应天线磁场感应天线GPS天线GPS时钟模块参数设置、状态数据接收、回击数据接收、定位计算、数据存储内网传输645热 带 气 象 学 报第39卷3 3 广东省闪电时空分布特征分析广东省闪电时空分布特征分析广东省DDW1定位系统于2020年12月初完成建设,并于2021年1月开始业务应用,本文分析的闪电数据均为DDW1定位系统在2021年业务运行获得。由于广东省1、2、11、12月闪电活动较少,因此本文主要对2021年310月的数据进行分析。3.1 时间分布特征广东省 2021年 310月正、负地闪回击和云闪次数的月变化与日变化如图4所示。由图4a可知,2021年310月广
14、东省闪电活动主要出现在59月,占总时间段的 92.9%。其中,正地闪回击次数在8月达到峰值(约27 200 fl/mon),负地闪回击次数在9月达到峰值(约44 080 fl/mon)。广东省正、负地闪回击次数在 9 月相差较大(差约24 000 fl/mon)。云闪活动次数在9月达到峰值(约57 120 fl/mon)。广东省正地闪回击、负地闪回击和云闪活动次数的变化趋势在38月基本保持一致,其中云闪次数比正负地闪回击次数多(平均多出 8 000 fl/mon),负地闪和正地闪回击次数基本接近(平均在22 300 fl/mon)。但在9月三者变化趋势有较大不同,云闪次数在 9 月达到 57
15、120fl/mon,是38月平均值28 200 fl/mon的2倍,负地闪回击次数在 9月达到 44 080 fl/mon,是 38月平均值22 400 fl/mon的2倍,而正地闪回击次数在9月则降低至19 800 fl/mon,是38月平均值22 500 fl/mon的1/2。可以发现,在雷暴多发时期,云闪和负地闪回击次数明显增加的时候,正地闪回击次数有明显降低。由图4b可知,广东省正地闪回击、负地闪回击和云闪次数日变化趋势基本一致,呈现中间高两边低的趋势,其中012、1824时两个时段为闪电频次较低的时段,云闪、正地闪回击和负地闪回击平均次数也非常接近,平均频次4 000 fl/h。13
16、18时(北京时间,下同)为闪电频次较高的时段,该时段发生的闪电次数占总数53.1%,而该时段仅占总时间段20.8%。1318时期间,云闪、正地闪回击和负地闪回击平均次数也相差较大,分别为24 868 fl/h、10 270 fl/h、15 580 fl/h,三者发生频次均在1516时达到顶峰,云闪峰值为27 350 fl/h,正地闪回击峰值为11 100 fl/h,负地闪回击峰值为18 100 fl/h。分析可知,一天中发生最多的主要是云闪、其次为负地闪回击,正地闪回击相对发生较少。3.2 空间分布特征本文采用 K-Medoids 聚类算法对广东省 310月的闪电空间分布特征进行了计算和绘制。
17、K-Medoids聚类算法是一种能够较好反映散点聚集特性的统计算法,相较网格法能够更好地体现散点的聚集分布特征,不会出现网格法中密度分布割裂的情况30,36。K-Medoids聚类算法会赋予每个闪电定位点一个空间分布特征值Di,通过计算所有定位点的特征值并进行归一化,再依据归一化后的特征值Din进行绘图,K-Medoids聚类算法原理如图5所示,设定搜索半径r后,统计点i在以其为中心搜索半径r内其他闪电定位点的总数ni,然后该点i的空间分布特征值为Di=nir2,计算出所有定位点特征值后进行归一化,归一化是为了更直观地体现不同时间段内闪电空间分布特征。表1 广东省DDW1定位系统探测性能指标序
18、号1234567参数闪电类型探测频段灵敏度时间精度首次回击探测效率继后回击探测效率云闪探测效率技术指标云闪、云地闪甚低频/低频300 km处5 kA回击电流0.1 s100%62%52%646第4期徐黄飞等:基于DDW1全闪三维闪电定位系统的闪电活动探测分析图5 K-Medoids聚类算法原理半径中心点i广东省2021年310月闪电空间分布特征如图6所示,搜索半径r设置为30 km(通过设置多个半径进行对比,且考虑广东省行政区级面积,平均1 000 km2,以及广东省全面部署的X波段相控阵雷达观测半径,平均30 km)。结合广东省地形对闪电空间分布特征进行分析,广东省地形如图7所示,地形图上用
19、红色椭圆标记出了各月闪电聚集区域。根据图 6a6b可知,34月广东省闪电聚集区为粤北的韶关市东部、清远市中南部以及粤西的茂名市与湛江市交界地带,结合地形图可知,34 月闪电聚集区分布在地势相对较低的区域(海拔 250 m 以下)。根据图 6c6h可知,510月广东省闪电聚集区主要集中在珠三角城市圈,结合地形图可知,510月的闪电聚集区同样分布在地势相对较低的区域(海拔250 m以下)。以上结果表明,2021年广东省闪电空间分布特征呈现为闪电聚集区多出现在海拔较低的珠三角以及粤西等地,而地势高的山地地区闪电活动相对较少,该结论与王东方等30结论接近,王东方等研究发现北京闪电密度高值区基本分布在海
20、拔200 m以下的平原地带。但该结论与费蕾蕾等36不同,费蕾蕾等研究发现香港地区闪电密度随海拔高度的增加有显著增长,研究结果的差异主要与分析区域地形特征与空间尺度大小不同有关。广东省地处图4广东省2021年310月正、负地闪回击及云闪活动次数月分布(a)和日分布(b)6543210闪电发生次数(fl/mon)234567891011024681012141618202224月份时次104正地闪回击次数负地闪回击次数云闪次数104正地闪回击次数负地闪回击次数云闪次数3.02.52.01.51.00.50闪电发生次数(fl/h)(a)(b)Definition:Radius=(max(x)-min
21、(x)30)2+(max(y)-min(y)30)2Di=ni Radius2Din=Di-min(D)max(D)-min(D)Normalization:Direplace the density of location ii means the i-th pointsNimeans the number of points in the circle with radius Di647热 带 气 象 学 报第39卷东亚季风区,地形北高南低,南部沿海,具备非常丰富的热量和水汽资源,使得雷暴系统在珠三角等海拔较低的区域更容易诞生和得到增强,导致闪电活动增加。此外,闪电活动集中在珠三角地区,说
22、明随着珠三角地区城市化进程的发展,城市的热动力条件对雷暴的诞生和增强产生了重要影响,也将导致闪电活动增加。24N23N22N21N20N110E112E114E116E24N23N22N21N20N110E112E114E116E(a)3月(b)4月110E112E114E116E110E112E114E116E110E112E114E116E110E112E114E116E24N23N22N21N20N24N23N22N21N20N24N23N22N21N20N24N23N22N21N20N(c)5月(d)6月(e)7月(f)8月648第4期徐黄飞等:基于DDW1全闪三维闪电定位系统的闪电活
23、动探测分析海拔(m)1 847622452283113-57广东省地形图25N24N23N22N21N20N109E110E111E112E113E114E115E116E117E图7 广东省地形图红色椭圆标记出了2021年310月广东省闪电聚集区。4 4一次飑线系统中云闪辐射源定位一次飑线系统中云闪辐射源定位资料分析资料分析DDW1定位系统新增了云闪辐射源的三维定位功能。本文利用DDW1定位系统在一次飑线系统中所获数据,结合广州S波段双极化天气雷达数据对云闪辐射源的分布特点进行了分析。云闪辐射源的高度信息对于研究雷暴云中电荷区分布具有重要价值。2021年 5月 4日 17时,广州及周边地区发
24、生了一次强雷暴过程,雷暴系统进入广州前已经在清远、肇庆一带形成了强对流天气系统。该系统南下进入广州地区后在有利的地形和天气条件下形成了飑线系统,通过天气雷达回波发现其具有明显的弓状特征。在 1720 时之间,共探测到1 300余次云闪,其二维空间分布和高度分布如图8所示。由图8a可知,云闪辐射源分布呈现明显图6广东省2021年310月闪电空间聚集分布图归一化空间分布特征值00.20.40.60.81.024N23N22N21N20N24N23N22N21N20N(g)9月(h)10月110E112E114E116E110E112E114E116E649热 带 气 象 学 报第39卷(a)(b)
25、图82021年5月4日1720时云闪辐射源二维空间分布(a)和高度分布(b)b图为a图中红色线的剖面,b图中红色椭圆标记出了云闪辐射源聚集区。24N23N22N21N20N归一化空间分布特征值1.00.80.60.40.20110E112E114E116E111E,21N117E,23N25.022.520.017.515.012.510.07.55.02.50(km)2120191817北京时的弓状,与飑线的雷达弓状回波一致,且呈现中间密两边疏的特征。由图8b可知,该飑线系统中云闪辐射源活动高度分布在海拔120 km的区域,并集中在海拔15 km的区域,约占总数61.3%,该发现与成勤等37
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