王汉堃 秦兆军 金 师



呼包鄂地区闪电定位资料误差分析及场地误差优化

王汉堃1秦兆军1金 师2

1.内蒙古自治区雷电预警防护中心，内蒙古 呼和浩特 010051 2.呼和浩特市气象局，内蒙古 呼和浩特 010051

对目前常用的磁定向法误差来源进行分析，通过对现有的呼包鄂地区2010-2014年闪电定位数据进行筛选，确定包头青山、东胜、和林格尔三个分析站点，建立分析样本，利用陈明理等基于Orville的本征值技术发展完善的场地误差优化模式进行优化，用对应的雷达资料和雷灾资料与订正后的定位资料进行对比。验证表明：经过场地误差优化后原本在强回波区域外的定位数据返回了强回波区域中，明显更符合实际情况，场地优化模式可以显著提高闪电定位资料的准确性，对今后的雷电监测预警、雷灾调查等工作都有积极的意义。

闪电定位；误差；优化

呼包鄂地区位于内蒙古自治区中西部的核心区域，包括包头市、呼和浩特市、鄂尔多斯市，呈品字形分布于黄河两岸，是内蒙古最具活力的城市经济圈，被誉为内蒙古的“金三角”地区。呼包鄂地区地型复杂，北部大青山和东南部蛮汉山为山地地形，黄河从中穿过，南部以平原为主，众多因素导致了呼包鄂地区雷电频发，年平均雷暴日在25天以上，属于中雷区，是全国防雷减灾工作的重点地区之一。近几十年来，由于对闪电现象的深入研究以及遥感遥测等技术的发展，在闪电探测特别是对地闪的监测定位方面取得很大的进展[2]。闪电定位系统的基本原理是依靠接收地闪回击发出的甚低频信号（VLF）来实现定位的。由于安装场地存在差异使得闪电定位系统在使用中存在较大误差，对闪电定位系统在实际工作中的应用产生了较大的影响，这就需要对这种定位误差的来源和处理方法进行深入研究，得出有效解决闪电定位系统存在探测误差的方法。呼包鄂地区采用的是北京华云东方探测技术有限公司开发的ADTD闪电定位系统，自2009年运行以来一直未开展系统的探测效率、误差分析等相关研究，闪电定位资料虽然已广泛的应用于雷击灾害风险评估、雷电灾害监测预警、雷灾技术调查等众多防雷业务中，但定位资料一直不够准确，给日常的防雷减灾业务带来了不必要的损失，闪电定位资料的准确性已成为制约其在相关业务中进一步应用的重要因素。

1 闪电定位资料误差分析

目前国内外常用的闪电定位方法有时差法、磁定向法及混合法，本文仅对磁定向法的误差进行分析和探讨。磁定向法是通过各方位探测器（DF）测量指向闪电位置的方位角，进而进行球面三角交汇来确定闪电位置的。

由于各种随机因素及站址周围场地环境的影响使实测方向具有两种不同误差，即随机误差和场地误差。随机误差只有1°左右。但因站址而引起的场地误差却可达5°～15°，甚至更高。[3]场地误差可看作两部分组成，一部分是由于DF本身天线的原因造成的旋转误差，这部分误差为常数；另一部分是由于测量场地周边环境因素的影响造成的误差，这部分误差是方位角的函数[4]。由于旋转误差为常数，比较容易订正，本文将着重围绕后一部分场地误差的优化方法展开，为方便描述，后文中所有提到场地误差除特别之外的全部为不包含旋转误差的场地误差。

2 基于本征值技术的场地误差优化模介绍

基于Orville的本征值技术[5]，1990年陈明理等发展完善了一套场地误差优化模式，对北京地区的闪电定位资料进行了优化处理，确定出场地误差曲线并优化闪电位置，发现该模式具有明显的场地误差处理功能[6]。

2011年张其林等利用该模式对甘肃平凉地区的闪电定位资料进行了优化和验证，收到良好的效果，证明该模式对于山地地形也有一定的适用性。但是，由于复杂地形的影响，不同地区的闪电定位系统误差各不相同，该模式在呼包鄂地区的适用性有待进一步验证。此外，本文采用了呼包鄂地区2011—2014年近200万条资料，对于场地误差的优化可靠性更强。[7]

2.1 不考虑场地误差下的优化模式

在不考虑场地误差的情况下，闪电定位资料只存在随机误差，为便于表示，用i表示探测站的序号，用j表示该探测站监测到的地闪序号，那么有：

其中：θij表示第探测器i监测到的第j个地闪的方位角；αij表示探测器（DF）i与第j个地闪真实的方位角，eij为探测器（DF）i探测地闪j产生的随机误差。

记地闪j的经纬度坐标为（Lj，φj）=（经度，纬度），探测器（DF）i的坐标（Ldi，φdi）=（经度，纬度），那么αij可表示为：

最终Orville[5]推导出对应第j个地闪的优化位置P（Lj，φj）为：

2.2 考虑场地误差下的优化模式

考虑到场地误差的情况，探测角与实际方位存在如下关系：

其中：Nf表示地闪样本数，表示场地误差存在情况下探测器i监测到的第j个地闪的测量角，θij表示经场地误差订正后的角度，为探测器i监测到的第j个地闪的场地误差。

我们假定系统具有下列形式的场地误差：

Nh为傅里叶基数项数。这样，对于某一个的值，由（5）-（9）可知第j个闪电最小的的值为，于是对所有闪电样本可建立目标函数ƒ。

3 场地优化模式应用

3.1 定位资料来源

基础数据源于内蒙古自治区气象局ADTD闪电定位系统2011-2014年的闪电定位观测资料。通过对原始数据反复筛选，确定包头青山、东胜、和林格尔3个订正目标站点，并筛选出大量同时性较好的回击数据，在筛选中还发现2013年8月11日闪电定位数据多达60688条，剔除掉无用数据依旧包含大量有效数据，适合用于雷达回波的对比验证。

根据历年研究资料表明，负地闪发生的区域在回波强度大于35 dbz，云顶高度7 km以上，但由于雷达资料的原因，本文选取了呼和浩特雷达站回波强度大于35 dbz，云顶高度超过8 km的雷达资料用于对比验证。

3.2 闪电定位资料场地误差的优化

通过对数据的筛选和计算，最终得出包头青山、东胜、和林格尔三个站点的场地误差曲线如下：

图1 各站点误差曲线

其中：横坐标为实测方位角，纵坐标为场地误差。坐标0点从上到下依次对应包头青山、东胜、和林格尔。

从图1可以看出，各站点的场地误差均在10°以内。利用图1的结果和公式（8）就可以对每一个探测站闪电定位资料场地误差进行优化，然后重新交汇就可以求得经过订正后的闪电定位资料。[9]

3.3 雷达资料对比验证

由于雷达回波资料为6分钟一组，通过闪电定位资料的分析发现，2013年8月11日00：00—00：08、2013年8月11日5：40—5：48两个时间段的闪电定位样本数据量较大，位置也相对集中，与雷达数据对比验证效果比较明显。[10]因此，确定2013年8月11日00：00—00：08、2013年8月11日5：40—5：48两个时间段的雷达资料进行对比验证，效果如图2、图3：

图2

图3

图2为实测数据与雷达回波叠加效果，图3为经场地优化模式后数据与雷达回波效果叠加，由图2与图3比可以看出，部分原本在雷达强回波区域外的探测点返回了强回波区域内，明显更接近于实际情况。对站点闪电定位资料场地误差优化效果比较明显。

3.4 雷灾资料验证

2013年9月9日13：40左右，呼和浩特市海拉尔大街华泰4S店院遭受雷击，造成部分设备损坏，直接经济损失6万余元。有人目击称当时看到院内杆塔遭受直接雷击，根据现场勘查及相关数据，杆塔接地线实测剩磁为2.0T，并在断接卡处有熔痕，说明杆塔确实有大电流流过。根据当日闪电定位资料显示，当日在13：30—13：50分在雷击点附近共监测到三次地闪，坐标如表1。

表1 监测到雷击点附近闪电坐标

其中最接近雷击点的228号地闪距离雷击点的距离近2公里，229号地闪距离雷击点的距离近4.7公里。在228号地闪数据中包含了本次优化站点和林格尔和包头青山两个站点的回击数据，229号地闪数据中包含了和林格尔、包头青山和东胜三个站点的回击数据，由于229号数据中和林格尔的回击数据探测时间上存在明显误差，应予以剔除.因此，我们对228号数据和229号数据中优化站点的回击数据利用误差曲线优化后重新交汇，得出新的闪电定位数据为：228号数据（经度：40.8297，纬度111.613）、229号数据（40.8114，111.6013）。进过优化后的228号地闪距离雷击点的距离为1.1公里，229号地闪距离雷击点的距离近3公里，更接近与实际情况。但由于目前可以用于对比验证的直击雷在案例仅有一例，因此雷灾案例的对比验证结果可能存在一定的偶然性，仅能用于参考。

4 结论与思考

本文主要利用了2011—2014年呼包鄂地区闪电定位资料，经过对数据的反复筛查保留同时性较好的数据后建立数据样本，确立包头青山、东胜、和林格尔三个目标站点，通过场地误差优化模式对数据样本进行优化，绘制出包头青山、东胜、和林格尔三个站点的场地误差曲线，进过误差曲线对闪电定位资料进行场地误差订正后，重新进行交汇并与选取的雷达云顶高度和回波强度进行对比验证。验证表明，该模式在地形复杂呼包鄂地区同样具有一定的适用性。但在验证试验中发现，当天气过程较弱，闪电分布较分散的个别情况下，优化后的定位资料依旧无法返回雷达强回波区，原因一直没有找到，希望在日后的工作中能够进一步的完善和探讨。

[1]许小峰．国家闪电监测网的建设与技术分析[J]．中国工程科学，2002（5）：7-13．

[2]张义军，孟青，马明，等．闪电探测技术发展和资料应用[J]．应用气象学报，2006，17（5）：611-620．

[3]张其林，刘晓东，刘明远，王静．甘肃平凉闪电定位资料误差分析及其优化[J]．气象科技，2011，39（6）：808-813．

[4]陈明理，刘欣生，郭昌明，等．确定闪电定位系统场地误差的参数化方法[J]．高原气象，1990，9（3）：207-319．

[5]Orville R E．An analytical solution to obtain the optimum source location usingmultiple direction finders on a spherical suface [J]．J Geophys Res，1987，92（9）；10877-10866．

[6]陈明理，刘欣生，郭昌明．北京地区闪电定位系统场地误差及其结构分析[J]．气象学报，1933，51（1）：66-74．

[7]Schutte T．An experimental stydy of the angle correction of the direction findersof the LLP system in Sweden[C]//Institute of High Tension Research，Uppsala，Sweden，UURIE，1984：158-184．

[8]冯民学，韦海容，焦圣明，等．南京市闪电定位资料的对比分析[J]．南京气象学院学报，2008，31（2）：151-157．

[9]田芳，肖稳安，冯民学，等．闪电定位仪观测结果的修订分析[J]．华东电力，2008，36（6）：38-42．

[10]徐洪泽．江苏闪电定位网资料的分析与研究[D]．南京：南京信息工程大学，2007．

Error analysis of lightning location data and optimization of site error in the area of

Wang Hankun1Qin Zhaojun1Jin Shi2

1. Inner Mongolia Autonomous Region lightning protection center，Inner Mongolia Hohhot 010051 2. Hohhot Meteorological Bureau，Inner MongoliaHohhot 010051

The analysis of the sources of error of magnetic orientation method are used，based on the existing hu-bao-e area 2010-2014 lightning location data screening，analysis to determine the three stations in Baotou Dongsheng，Castle Peak，Helingeer，established by Chen Mingli and sample analysis，the eigenvalue of Orville technology development site error optimization model optimization based on the comparison with the location information corresponding to the radar data and lightning disaster data and revised. Results show that after site error of optimized positioning data originally in the strong echo area outside the back of strong echo area，significantly more in line with the actual situation，site optimization model can significantly improve the accuracy of lightning location data，have a positive significance for the future of the lightning monitoring and early warning，disaster investigation work.

lightning location；error；optimization

P427.32；P412

A

1009-6434（2016）11-0153-04