劉 蕓，丁 旻，曾 勇，張淑霞，黃 鈺

（貴州省防雷減災(zāi)中心，貴州貴陽(yáng) 550081）

貴州省閃電定位資料中小幅值地閃范圍研究

劉 蕓，丁 旻，曾 勇，張淑霞，黃 鈺

（貴州省防雷減災(zāi)中心，貴州貴陽(yáng) 550081）

采用2006—2015年貴州省ADTD閃電定位資料，應(yīng)用Matlab軟件中的曲線(xiàn)擬合工具箱對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)正態(tài)分布擬合，利用非參數(shù)正態(tài)分布檢驗(yàn)中的Kolmogorov—Smirnov檢驗(yàn)方法（簡(jiǎn)稱(chēng)K?S檢驗(yàn)方法）分析各區(qū)間擬合效果，最終確定貴州省閃電定位系統(tǒng)資料的“小幅值地閃”干擾區(qū)間為－10～2kA，該結(jié)論為貴州省閃電資料修正提供理論依據(jù)，在使用ADTD閃電定位資料時(shí)可先將此區(qū)間誤差數(shù)據(jù)剔除。該研究為利用閃電定位資料確定雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃提供重要參考。

地閃；閃電定位資料；小幅值；質(zhì)量控制；對(duì)數(shù)正態(tài)分布；K?S校驗(yàn)

0 引言

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)開(kāi)始逐步建設(shè)基于時(shí)差側(cè)向原理的閃電定位系統(tǒng)。ADTD型時(shí)差側(cè)向定位系統(tǒng)自20世紀(jì)90年代開(kāi)始在我國(guó)投入使用。貴州省于 2006年開(kāi)始先后建成了ADTD閃電定位系統(tǒng)，并加入國(guó)家閃電監(jiān)測(cè)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了地閃時(shí)間、位置、強(qiáng)度及極性等主要參數(shù)的監(jiān)測(cè)，在研究貴州省雷電活動(dòng)規(guī)律、雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警、雷災(zāi)鑒定和防護(hù)技術(shù)的應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用。而隨著閃電定位資料深度分析運(yùn)用，研究人員發(fā)現(xiàn)存在云閃放電所產(chǎn)生的閃電對(duì)地閃數(shù)據(jù)的干擾，需要將這部分云閃誤探為地閃的資料（通常稱(chēng)為“小幅值地閃”）剔除［1－2］。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為雷電流幅值概率分布符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布［3－4］。在20世紀(jì)80年代提出了部分云閃可能被誤測(cè)為地閃［5］。Carey等指出，除非能確定強(qiáng)度在10kA以?xún)?nèi)的正閃為地閃，否則小的正閃將被定為云閃［6－7］；1972年P(guān)opolansky根據(jù)歐洲、澳洲和美國(guó)觀測(cè)結(jié)果，提出雷電流服從正態(tài)分布，對(duì)小幅值地閃界定為2 kA以下數(shù)值；IEEE建議剔除雷電流幅值在－2～2kA的地閃數(shù)據(jù)［8－10］；欒健等研究重慶地區(qū)閃電數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，10 kA以下部分的閃電數(shù)據(jù)對(duì)整體數(shù)據(jù)的擬合效果仍存在干擾，剔除5 kA以下的閃電數(shù)據(jù)后擬合效果最佳［11－12］。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者在研究閃電定位資料中對(duì)“小幅值地閃”范圍給予不同的定義，但均在－10～10kA范圍內(nèi)，因此本文僅該范圍內(nèi)的雷電流幅值進(jìn)行分析。

1 資料來(lái)源及分析方法

貴州省閃電定位系統(tǒng)于2006年開(kāi)始建設(shè)，目前由12套ADTD閃電定位儀組成，基本覆蓋全省，分別為：桐梓、遵義、畢節(jié)、六盤(pán)水、貴陽(yáng)、安順、都勻、息烽、威寧、盤(pán)縣、三穗、榕江。這些定位系統(tǒng)均能監(jiān)測(cè)到200km范圍內(nèi)地閃發(fā)生的時(shí)間、方位、強(qiáng)度、電磁輻射信號(hào)、經(jīng)緯度位置、極性等參數(shù)。

本文應(yīng)用Matlab數(shù)學(xué)軟件中的曲線(xiàn)擬合工具箱進(jìn)行對(duì)數(shù)正態(tài)分布擬合，以及非參數(shù)正態(tài)分布檢驗(yàn)中的Kolmogorov—Smirnov檢驗(yàn)方法（簡(jiǎn)稱(chēng)K?S檢驗(yàn)方法）對(duì)2006—2015年貴州省雷電流幅值在－10～10kA范圍內(nèi)的閃電定位資料進(jìn)行分析，找出“小幅值地閃”干擾區(qū)間，并對(duì)剔除“小幅值地閃”干擾區(qū)間的閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，重新得到小幅值閃電數(shù)據(jù)的特征，以確定閃電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。

2 閃電分布特征分析

2.1 閃電頻次分布

2006—2015年監(jiān)測(cè)到閃電4990938次，表1統(tǒng)計(jì)出－10～10kA的閃電共發(fā)生了407527次，占總閃電數(shù)的8.17%；－8～8kA的閃電共發(fā)生307809次，占總閃電數(shù)的6.17%；－5～5kA的閃電共發(fā)生110351次，占總閃電數(shù)的2.21%，而－4～4kA、－3～3kA、－2～2kA的閃電分別發(fā)生了50658次、12525次、485次，分別占總閃電數(shù)的1.01%、0.25%、0.01%。

2.2 閃電時(shí)間分布

因2006年閃電定位資料加入了電力系統(tǒng)閃電監(jiān)測(cè)資料，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)明顯多于其他年份，為保證分析的可靠性，后續(xù)分析將2006年閃電定位資料進(jìn)行單獨(dú)分析。

表1 不同幅值雷電流閃電頻次及其占總閃電數(shù)的比例Tab.1 The Frequency of Lightning Current and the Proportion of the Total Lightning Number

圖1為2007—2015年閃電年分布的統(tǒng)計(jì)圖，（a）～（e）分別對(duì)應(yīng)于－10～10kA、－8～8kA、－5～5kA、－4～4kA、－3～3kA、－2～2kA的閃電年分布的統(tǒng)計(jì)圖。從圖1中可以看出，閃電頻數(shù)呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)，波動(dòng)區(qū)間為891～2812。

3 對(duì)數(shù)正態(tài)分布分析與K?S檢驗(yàn)

國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)為雷電流幅值概率分布符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布，所以本文將雷電流幅值進(jìn)行對(duì)數(shù)正態(tài)分布擬合，尋找其干擾區(qū)間，進(jìn)而對(duì)雷電流幅值進(jìn)行質(zhì)量控制。主要分析過(guò)程為：將2007—2015年貴州省閃電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的雷電流幅值取對(duì)數(shù)，運(yùn)用Matlab軟件對(duì)不同雷電流幅值區(qū)間分段進(jìn)行正態(tài)分布擬合，通過(guò)比較擬合效果圖，找出干擾數(shù)據(jù)區(qū)域，并予以刪除。最后，對(duì)刪除干擾區(qū)間后的數(shù)據(jù)與擬合曲線(xiàn)進(jìn)行K?S檢驗(yàn)。

3.1 對(duì)數(shù)正態(tài)分布分析

圖2為2007—2015年總閃電數(shù)據(jù)的雷電流幅值對(duì)數(shù)正態(tài)分布擬合曲線(xiàn)，圖中I為雷電流幅值，單位kA，LnI為雷電流幅值的對(duì)數(shù)，n為閃電次數(shù)。采用Matlab中的對(duì)數(shù)正態(tài)分布函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

從圖2中可以得出，雷電流幅值的對(duì)數(shù)與閃電頻數(shù)符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布，橫坐標(biāo)2～3之間和4.5～6之間出現(xiàn)了偏移。因此需要對(duì)雷電流幅值分段進(jìn)行擬合統(tǒng)計(jì)，找出干擾區(qū)間，并加以刪除。為了找到不滿(mǎn)足對(duì)數(shù)正態(tài)分布的具體區(qū)間，下面分別對(duì)刪除10kA以下，8kA以下，5kA以下，4kA以下，3kA以下，2kA以下的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)正態(tài)分布擬合，比較各區(qū)間的擬合效果。

圖3（a）～（f）分別為剔除負(fù)閃數(shù)據(jù)－10kA、－8kA、－5kA、－4kA、－3kA、－2kA的統(tǒng)計(jì)擬合圖。從擬合結(jié)果可以得出：決定系數(shù)（R?square）隨著剔除雷電流幅值的減小，從0.9896逐漸減小到了 0.9634；校正后的決定系數(shù)（Adjust?Rsquare），也隨著剔除數(shù)據(jù)的減小而減??；標(biāo)準(zhǔn)差（RMSE）隨著剔除數(shù)據(jù)的減少而增加。這說(shuō)明，

負(fù)閃數(shù)據(jù)在剔除－10kA時(shí)的決定系數(shù)和校正后的決定系數(shù)最大、最接近1，標(biāo)準(zhǔn)差最小，其擬合效果是最好的。

圖4（a）～（f）分別為剔除正閃數(shù)據(jù)10kA、8kA、5kA、4kA、3kA、2kA的統(tǒng)計(jì)擬合圖。從擬合結(jié)果可以得出：決定系數(shù)（R?square）隨著剔除數(shù)據(jù)的減小從0.9897逐漸增加到了0.9901；校正后的決定系數(shù)（Adjust?Rsquare），也隨著剔除數(shù)據(jù)的減小而增大；標(biāo)準(zhǔn)差（RMSE）隨著剔除數(shù)據(jù)的減少而減少。這說(shuō)明，負(fù)閃數(shù)據(jù)在剔除2kA時(shí)的決定系數(shù)和校正后的決定系數(shù)最大、最接近1，標(biāo)準(zhǔn)差最小，其擬合效果是最好的。

綜上分析結(jié)果表明，貴州省閃電定位資料中雷電流幅值的干擾區(qū)間，即“小幅值地閃”干擾區(qū)間為－10～2kA。

3.2 K?S校驗(yàn)

圖5為剔除干擾區(qū)間（－10～2kA）后的閃電數(shù)據(jù)擬合統(tǒng)計(jì)圖，從圖中可以得出：剔除雷電流幅值－10～2kA閃電數(shù)據(jù)后，與圖2比較，統(tǒng)計(jì)特征與擬合曲線(xiàn)之間的偏移現(xiàn)象明顯好轉(zhuǎn)，決定系數(shù)為0.989，校正后的擬合系數(shù)為0.9889，標(biāo)準(zhǔn)差為1225。

運(yùn)用MATLAB對(duì)剔除干擾區(qū)間（－10～2kA）后的閃電數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行K－S檢驗(yàn)，結(jié)果顯示，擬合相似度高達(dá)95.28%，擬合能夠通過(guò)置信度為95%的K—S檢驗(yàn)。

4 結(jié)論

（1）選取2006—2015年貴州省ADTD閃電定位資料，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)，得出貴州省在2006—2015年共發(fā)生地閃4990938次，其中－10～10kA的閃電共發(fā)生了 407527次，占總閃電數(shù)的8.17%。隨著雷電流幅值的逐漸降低，發(fā)生閃電的頻次和占總閃電數(shù)的比例均呈減少趨勢(shì)。

（2）分別對(duì)－10～10kA、－5～5kA、－4～4kA、－3～3kA、－2～2kA的閃電逐年進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從年分布的統(tǒng)計(jì)圖中可以得出，閃電頻數(shù)呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)，波動(dòng)區(qū)間為891～2812。

（3）對(duì)貴州省2006—2015年ADTD閃電定位資料中的雷電流幅值進(jìn)行對(duì)數(shù)正態(tài)分布擬合，通過(guò)擬合結(jié)果得出雷電流幅值為－10～2kA區(qū)間與對(duì)數(shù)正態(tài)分布擬合曲線(xiàn)偏移比較明顯；剔除－10～2kA閃電數(shù)據(jù)后，重新對(duì)閃電定位數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)正態(tài)分布函數(shù)擬合，結(jié)果顯示，擬合相似度高達(dá)95.28%，擬合能夠通過(guò)置信度為95%的K－S檢驗(yàn)。

（4）貴州省“小幅值地閃”范圍界定為區(qū)間－10～2kA，建議在閃電定位資料時(shí)將此區(qū)間的誤差數(shù)據(jù)刪除。

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Study of the Small Amplitude Range of Cloud?to?ground Lightning Location Data in Guizhou Province

Liu Yun，Ding Min，Zeng Yong，Zhang Shuxia，Huang Yu
（Lighting Protection and Disaster Mitigation Center in Guizhou，Guiyang 550081，China）

Using the 2006—2015 ADTD lightning location data in Guizhou Province，fitting the data with the log normal distribution by using the curve fitting toolbox of Matlab software，using non?parametric normal distribution test of Kolmogorov?Smirnov test method（K?S test）to analyze the interval fitting effect.The interference interval of the“small amplitude cloud?to?ground lighting”of lightning location system in Guizhou province ranges in－10～2kA. This conclusion provides theory basis for lightning data correction in Guizhou Province.The data in this error burst can be removed when using ADTD lightning location data.This study provides an important reference for determining the lightning disaster risk zoning based on lightning location data.

cloud?to?ground lighting； lighting location data； smallamplitude； quality control； logarithmic distribution；K?S testing

P427.32

A

1673－8047（2016）03－0053－08

2016－07－21

貴州省氣象局青年基金項(xiàng)目（QN［2016］14）

劉蕓（1990—），女，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)槔纂姺雷o(hù)科學(xué)與技術(shù)。