Comparison of Cloud-to-Ground Lightning Parameters and Detection Performance of Two Lightning Location Systems in Yunnan Province
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摘要: 根据2017—2020年云南省ADTD二维和VLF/LF三维闪电定位系统观测资料，对比两套系统地闪回击参数分布差异。在实际回击位置和雷电流强度信息难以获得的情况下，研究利用两套系统反演资料对相同回击事件的识别匹配和时空阈值选取方法，分析相对定位偏差。结果表明：两套系统的回击密度、雷电流幅值在滇东、滇西南和滇西北等地的空间分布差异明显，由三维系统得到的回击密度较大，但二维系统雷电流幅值均值更高。两套系统均以单回击地闪占比更高，正地闪中的单回击地闪比重较负地闪更大，三维系统对于0~5 kA负回击小幅值电流的探测效率有所提高。通过采用10 km、1 ms的时空阈值匹配窗口，得到两套系统对于同一次回击的相对定位时间差主要集中在0.05 ms内，距离偏差集中在1 km内。系统匹配回击在滇中、滇西南的时空偏差较小，滇西北的偏差较大。从回击极性、相关系数、相对误差、幅值比及幅值累积概率等方面，分析得到两套系统对于相同回击事件的电流强度反演结果一致性较好，验证了应用系统反演资料对于同一回击事件的识别匹配方法是客观可靠的。Abstract: Based on observational data from the ADTD 2D and VLF/LF 3D lightning location systems in Yunnan Province from 2017 to 2020, this study compared the differences in the distribution of cloud-toground (CG) lightning parameters between the two systems. In situations where obtaining information on the actual location and current intensity of lightning is challenging, this study researched the identification and matching method and spatiotemporal threshold selection method for the same CG lightning stroke event by using inversion data from both systems. The detection efficiency of both systems was also analyzed. The results show significant differences in the spatial distribution of CG lightning stroke density and lightning current amplitude between the two systems in eastern, southwestern, and northwestern Yunnan. While the 3D system showed a higher lightning stroke density, the 2D system recorded a higher average lightning current amplitude. Both systems'positioning data revealed a higher proportion of singlestroke CG lightning, with a higher proportion of positive CG lightning compared with negative CG lightning. The detection efficiency of the 3D system for small amplitude currents (0-5 kA) with negative lightning strokes has been improved. By using a spatiotemporal threshold matching window of 1 ms and 10 km, we found that the positioning distance deviation of the two systems for the same stroke event was mainly concentrated within 1 km, and the time difference was within 0.05 ms. The temporal and spatial deviation of matched return strokes was relatively small in central and southwestern Yunnan but larger in northwestern Yunnan. Considering parameters such as lightning stroke polarity, correlation coefficient, relative error, amplitude ratio, and cumulative probability of amplitude, we found that the two systems had good consistency in the inversion results of current intensity for the same return stroke, indicating that the identification and matching method for the same lightning stroke event was objective and reliable.
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图 4 复杂地形地区的雷电流幅值分布
a.正回击；b.负回击。箱体上、下端线代表第95%分位数、5%分位数；箱体自下而上的边线代表下四分位数、上四分位数；箱体内部的横线代表中位数；箱体内部的代表均值。
图 6 两套系统在云南省的正、负回击电流幅值分布（a）、各片区正回击电流分布（b）、各片区负回击电流分布（c）
箱体上、下端线代表第95%分位数、5%分位数；箱体自下而上的边线代表下四分位数、上四分位数；箱体内部的横线代表中位数；箱体内部的代表均值。
图 9 两套系统对同一次回击定位偏差的空间分布
a.距离差≤0.5 km的匹配回击点；b. 距离差＞3 km的匹配回击点；c.时间差≤0.05 ms的匹配回击点; d.时间差＞0.1 ms的匹配回击点。
图 11 匹配正、负回击电流幅值分布
箱体上、下端线：代表第95%分位数、5%分位数；箱体自下而上的边线：代表下四分位数、上四分位数；箱体内部的横线：代表中位数；箱体内部的代表均值。
表 1 云南省ADTD和VLF/LF闪电定位系统的技术参数
闪电定位仪 闪电类型 探测参数信息 理论子站探测范围 理论探测精度 理论探测效率 ADTD二维闪电定位系统 地闪回击 时间、经纬度、极性、雷电流幅值 0~300 km，平均150km 水平：＜400 m 90% VLF/LF三维闪电定位系统 地闪回击、云闪辐射点 时间、经纬度、极性、雷电流幅值、云闪高度 0~300 km 水平：＜300 m
垂直：＜500 m90% 
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表 2 2017—2018年两套系统的地闪回击记录质量控制
闪电定位系统 总回击次数 0~10 kA正回击 质控前 质控后 剔除比 次数 占比 ADTD二维闪电定位系统 771 236 566 105 26.6% 116 0.02% VLF/LF三维闪电定位系统 2 139 057 1 747 876 18.3% 69 703 3.3% 闪电定位系统 |I|＞200 kA回击 二站定位回击记录 次数 占比 次数 占比 ADTD二维闪电定位系统 5 183 0.67% 200 481 26.0% VLF/LF三维闪电定位系统 3 354 0.16% 359 665 16.8%
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表 3 2017—2020年两套系统经质控后的地闪回击参数对比
闪电定位系统 ADTD二维闪电定位系统 VLF/LF三维闪电定位系统 总回击 正回击 负回击 总回击 正回击 负回击 回击次数 1 150 641 次数 占比 次数 占比 3 276 712 次数 占比 次数 占比 79 327 6.9% 1 071 314 93.1% 458 979 14.0% 2 817 733 86.0% 归闪后地闪数 总地闪 正地闪 负地闪 总地闪 正地闪 负地闪 776 205 次数 占比 次数 占比 1 999 788 次数 占比 次数 占比 77 632 10.0% 698 573 90.0% 429 950 21.5% 1 569 838 78.5%
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表 4 复杂地形地区雷电流幅值参数对比
项目 回击次数/次 ≤20 kA探测记录占比/% ＞50 kA探测记录占比/% 正回击 负回击 正回击 负回击 正回击 负回击 二维 三维 二维 三维 二维 三维 二维 三维 二维 三维 二维 三维 德钦 135 1 804 391 4 057 0.0 10.8 0.0 28.7 86.7 50.4 65.2 11.1 贡山 70 1 027 267 1 783 0.0 10.0 0.0 19.8 88.6 39.3 73.4 14.1
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表 5 2017—2020年两套系统的单回击、多回击地闪分布特征
ADTD二维闪电定位系统 VLF/LF三维闪电定位系统 包含回击次数 正地闪条数 负地闪条数 包含回击次数 正地闪条数 负地闪条数 1（单回击） 75 981 469 015 1（单回击） 404 481 966 908 2 1 609 149 959 2 22 619 320 708 3 40 45 055 3 2 310 127 544 4 2 18 928 4 408 66 524 5 0 8 396 5 99 37 613 6 0 3 929 6 30 20 998 7 0 1 719 7 1 12 392 8 0 855 8 2 7 334 9 0 384 9 0 4 262 10 0 173 10 0 2 389 ＞10 0 160 ＞10 0 3 166 合计 77 632 698 573 合计 429 950 1 569 838
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表 6 10 km、1 ms窗口下两套系统对同一次回击匹配结果的相对定位时空偏差
距离偏差量a/km 匹配回击数 占比/% 匹配时间差b/ms 匹配回击数 占比/% ≤0.1 8 056 1.0 0 29 737 3.6 ≤0.5 168 914 20.4 ≤0.005 595 672 71.8 ≤1 447 829 54.0 ≤0.01 713 709 86.0 (1，2] 250 302 30.2 (0.01，0.05] 82 688 10.0 (2，3] 64 009 7.7 (0.05，0.10] 20 670 2.5 > 3 67 153 8.1 ＞0.1 12 226 1.5
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表 7 10 km、50 ms窗口下两套系统对同一次回击匹配结果的相对定位时空偏差
距离偏差量a/km 匹配回击数 占比/% 匹配时间差b/ms 匹配回击数 占比/% ≤0.1 8 193 1.0 0 29 234 3.4 ≤0.5 171 044 20.0 ≤0.05 786 340 92.1 ≤1 454 004 53.2 ≤0.1 806 997 94.5 (1，2] 256 959 30.1 ≤1.0 819 163 96.0 (2，3] 68 340 8.0 (1.0，10.0] 3 342 0.4 > 3 74 241 8.7 (10.0，50.0] 31 039 3.6
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表 8 两套系统已匹配回击的幅值差异对比
参数 相关系数 幅值比（三维/二维） 相对误差/% 均值 中值 正回击 0.924 1.03 0.5 3.1 负回击 0.772 1.07 2.6 5.0
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图(13) / 表(8)
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