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摘要
利用2012-2013年采集到的甚低频/低频雷电探测数据集，分析了哥伦比亚山区海拔0-5000米的雷电活动特征。通过观测不同海拔高度地闪的发生率来评估海拔高度对地闪发生的影响。研究地闪密度与海拔梯度矢量之间的关系之后，发现地闪密度与山的海拔高度之间有着密切的关系。
- 引言
如几项研究报道（Orville，1995; Christian and Latham，1998; Pierce，1970; Barreto and Torres，1996; Torres，1998; Younes，2002），闪电现象在热带地区发生的概率最大，其地闪的物理参数与世界其他地区观察到的物理参数存在差异，世界上发生闪电概率最大的地区是哥伦比亚的马格达莱纳河谷与委内瑞拉的卡尔通博中间的连接地带。除了地理位置外，该地区的山脉发源地具有很高的地闪密度，这是迄今为止在所报道的数据当中最高的(Aranguren et al., 2014).
以前的研究如 Bourscheidt et al., 2009; Bhavika, 2007; Dissing and Verbyla, 2003; Schulz and Diendorfer, 1999 ; Smorgonskiy et al., 2013，这些研究调查了世界上几个地区海拔和地形对闪电活动的影响。Bourscheidt等分析了巴西的雷电活动，考虑到海拔高度从0到1000米的区域；Bhavika提出了在南非海拔高达3000米的雷电密度的研究结果；Dissing and Verbyla研究了在阿拉斯加海拔超过2000米的雷电密度；Schulz和Diendorfer和Smorgonskiy等人研究了阿尔卑斯山脉的GFD与海拔之间的关系。本文进行了类似的分析，但考虑到另外两个条件，一是研究区位于热带（从北纬4到8°），这是世界闪电最活跃的地区。二是所测区域的海拔高度变化从0到5000米以上。Aranguren等人发现在哥伦比亚闪电活动非常密集，有多达60个地闪密集区，分析这与山谷和地形变化有关。本文首先重点介绍地形的影响，第二部分描述了由位于低地和山脉的传感器所构成的哥伦比亚闪电定位系统，第三部分研究GFD与海拔高度之间的关系
- 哥伦比亚雷电检测系统
2004年Holler和Betz等人和2009年Betz等人提出了一种名为LINET的新型VLF / LF（极低频/低频）雷电检测技术，定位的方法基于已知的到达时间（TOA）方法，后来使用改进后的算法，这样不仅提供关于观察到的闪电事件的水平（纬度，经度）位置的信息，而且还提供其垂直位置的信息。如Holler等人所述，LINET对来自涉及云对地闪电（CG）和云闪（IC）几个过程的VLF / LF信号很敏感，发现这些过程在相对较长的通道中流过强电流。正如几个作者（例如Uman和McLain，1969; Rakov和Dulzon，1987）针对CG的过程（或类似的VLF / LF脉冲）所研究的，发射源来自雷电流返回行程的底部。对于IC过程，不知道VLF / LF发射点位于哪里，但很明显，VLF / LF辐射是从对流云内的IC放电通道发出的。可以使用与传统TOA技术相同的依赖于传播速度和定时分辨率的3D TOA技术来鉴别IC和CG过程，这种探测技术与波形，信号幅度和极性无关。另一方面。该方法取决于某些几何条件，当传感器之间的基线短于约250公里时，鉴别是可靠的，这是确保网络区域中的传感器基线与传感器距离不远，其中最近的与传感器距离约120公里，但是IC和CG的发射源（在相同的2D位置）之间的TOA差异仍然大于统计的时序误差，高度误差通常低于500米，但可延伸至几公里，根据传感器的数量，基线和内部检测阈值，可以检测到低至约2 kA的非常弱的电流冲程。
2011年和2012年安装了10个VLF / LF磁场天线，覆盖了哥伦比亚领土的70％以上。传感器基线从120到420公里不等。 LINET传感器安装在哥伦比亚不同的地形，海拔高度为0至2800米之间。图1显示了本文研究的区域，闪电定位系统（LLS）具有最高的检测效率（DE）;这个区域覆盖131,923平方公里，最高海拔5278米（Nevado del Ruiz火山），在这一领域，LLS的基线从120到260公里。图2示出了位于研究区域中的五个传感器之间沿着基线的不同的高程剖面;可以注意到的是，基线的海拔高度差异从小于海拔100米到超过3500 米；三个传感器位于高于2000米的高度（波哥大2555米;里约内格罗2130米;和Tunja 2700米），而两个传感器位于中间和低地（Barrancabermeja 84米;Ibagueacute;1200米）。因此，在网络的中心区域（其中预期最高DE）的高程在很宽的范围内变化。表1描述了研究区域划分的高度间隔; 30％的区域低于500 米，17％为500至1000 米，27％为1000至2000 米，21％为2000至3000 米，5％为3000 米以上。海拔高度为0至1000 米的区域占研究总面积的47％。总检测负极性CG占65.1％。另一方面，有26.2％的区域位于2000 米以上，在这片区域检测到的负地闪占总检测负极性CG的11.6％。
在研究区域中部有非常小的一部分区域，其最小可检测峰值电流接近2 kA（图3），大部分区域在4 kA的轮廓内。如Diendorfer等人所述峰值电流分布的统计参数受网络探测效率的影响，其定义为闪电定位系统中报告的放电百分比（或分数）。通过使用Diendorfer等人的DE估计方法可以粗略估计最小可检测峰值电流为4 kA，表示近似探测效率为95％甚至更高（最小可检测峰值与上述“参考”累积峰值电流分布相比，2 kA的电流最有可能与99％的非常高的探测效率相关，但是精确的实际值是未知的）。相对探测效率也可以通过使用中值和平均峰值电流进行评估;如表1所示，从2012-2013年完整数据得出的中值和平均峰值电流分别为14.5 kA和19.1 kA;通过与Diendorfer等人的“参考”峰值电流分布进行比较，14.5 kA的中值峰值电流可能与探测效率接近95％有关。基于传感器基线的模拟探测效率的精确计算（图3）显示，研究区域内最大和最小探测效率之间的差异低于4％;考虑到不同高程间隔的传感器混合分布在整个区域，预期在各个时间段内，探测效率具有较小的差异。注意，平均峰值电流的中值在高度间隔上不同，高程越高，间隔值之间的差越大（在500米之间的间隔和3000米之间的间隔之间，中值峰值电流的最大偏差为2.2 kA）表明地形影响闪电定位系统的性能，真正的峰值电流随高度或两者而变化;然而，在高于3000米的间隔内，可以产生显著的DE效应，仅占报告总CG过程的1.4％。
图4给出了报告的位置误差的相对频率分布; 平均值，中位数和标准偏差值分别为0.246,0.186和0.302公里。哥伦比亚的闪电定位系统的标准误差是统计误差，不包括系统误差。
关于LLS性能，CG峰值电流分布估计中最常见的误差源之一是IC / CG鉴别误差。常规LLS使用基于波形分析的鉴别技术，其通常导致所报告的CG冲程的一部分实际上是由于错误分类的IC脉冲，主要出现在具有低峰值电流的过程。在这种情况下考虑的LLS使用独立于波形信号幅度和极性的3D分类方法;因此，最可能的分类误差是由几何条件引起的。哥伦比亚LLS的传感器位于高达2700米的高度，有必要分析几何条件带来的影响。给出相对于最近的传感器的水平的IC冲程高度，使得当最近的传感器仰角在0到2700m的宽范围内变化时，IC冲程高度不可比;此外，低海拔的IC冲程可能具有类似的TOA模式，例如山脉上的CG冲程。图5给出了哥伦比亚LLS提供的IC高程分布，使用的两个条件：（i）IC冲程位置坐标处的地形高程低于500米，（ii）相邻传感器的间距为500米或更低。最后的条件使IC过程高程相当，不受传感器高度的影响，因此，获得的高程分布可以作为LLS在低地的理想情况的参考。图5a显示了IC高度相对分布和传感器高度。可以注意到，在高于传感器高度的地方检测到了IC冲程，然而这些只是总检测到的IC冲程的非常小的部分。图5b显示了最高海拔的IC高程和累积频率值的累积分布。在所有检测到的IC冲程中，海拔低于3公里的IC冲程仅为0.12％（累积频率为0.0012），那么可以说，检测到的IC冲程的高度间隔与传感器的仰角间隔相比足够高。如果我们假设3 km的高程是可能发生分类误差的高度间隔，我们认为IC / CG高度间隔为10KM（最坏的情况），则可能由于错误分类的IC冲程引起的CG冲程的最大部分为1.2 ％。 如果我们假设分类误差的高度间隔较高，例如4公里，则由不正确分类导致的报告的CG冲程的部分将为4.4％。
使用2012年1月至2013年12月的两年闪电数据研究了地闪密度和其他一般参数。2012-2013年闪电数据集的GFD结果与哥伦比亚LLS的以前报告一致，但仅凭两年的数据不足以获得气候观测结论，仅作为参考。
- 地闪参数的变化与高度的关系
如表1所示，总体地闪活动的46.4％在500 米以下的海拔范围内，占所研究区域的30％。通过简单的计算与表1中的数据，在两年内研究的数据中海拔高度范围在1000米以下的平均负地闪密度为27.9次/平方公里。对于500-1000米的间隔，平均地闪密度为19.8，在1000-2000米间隔为15.7，对于2000-3000米间隔为8.6，而在3000米以上的间隔为5.01。
Aranguren等人通过利用LINET探测技术得到的2012 - 2013年闪电数据（描述了哥伦比亚的CG活动）;图6给出了通过使用3times;3平方公里的网格面积计算的地闪密度GFD（为了比较而移除低于10kA的电流）。通过考虑在1秒的时间间隔和10公里的距离间隔内的地闪过程，进行地闪冲程到发生闪电现象的分段。如Aranguren等人报道的获得的平均多重性为1.85。并且注意地形与地闪密度之间的密切关系。在马格达莱纳河谷的山脚下发现很高的GFD值，高达60 次/ km2每年。发现GFD值高于30 次/ km2每年的区域面积为14,922平方公里（约1658个计算网格）。GFD与当地的气象条件有关；今年上半年，哥伦比亚从南到北，下半年从北到南的热带交汇区（ITCZ）与巨大的山脉相互作用，导致造成雷暴频发。
从研究区域的GFD与高度的观察表明，在500至2000米的高度间隔观察到最大GFD值，最低值出现在高于3000米的高度。通过比较图1和图6可以注意到，山峦的最高部分GFD值很低，并且山峦最高部分被明确的划分在无闪电区域，在图6中非常明确。
Smorgonskiy等人讨论了瑞士和奥地利GFD与地形高程的关系，并提出了两种改进方法来评估两个变量之间的相关性; 其中一个称为“基于梯度为主的方法”，并比较两个矢量场nabla;Ng （GFD的梯度矢量）和nabla;h（高度梯度矢量）。在这个方法中nabla;Ng矢量几乎在任何地方垂直于高度轮廓，主要结论是矢量之间的角度低于pi;/2（因此高度和GFD梯度对齐）主要用于高海拔地区，对于较低的海拔地区而言则角度更小（更随机） 因此，得出的结论是GFD与高度一起增长。
使用上述方法，使用完整的研究区域研究哥伦比亚的GFD和高度相关性。图7显示了数字地形模型，基于地形分辨率为0.0008°，GFD达到非常高的值（约为50次 / km2每年）。图7a示出了地形模型和相应的GFD的3D视图;发现探测的GFD数据和山形特征匹配的很好，并且它与LLS报告的低位置误差一致。又如图7b的面积约为80公里times;45公里，其中高度从接近0到超过3500米，图中显示哥伦比亚山脉的不同地形。nabla;Ng和nabla;h矢量通过使用1times;1公里的单元格尺寸计算; nabla;Ng矢量由图1中的白色箭头示出。而nabla;h向量不显示。nabla;Ng梯度矢量的大小和整个图形在仰角变化时会发生改变。图8示出了在低（asymp;150米），中（asymp;1200米）和高（asymp;2800米）地形的在图7b中的三个缩放区域。请注意，在低地和高地上，nabla;Ng幅度远低于中高纬度地形;最高幅度在500至2000米的间隔内。在低地（图8中的低点），nabla;Ng矢量没有一个明确的模型，而在中部高原地带（图8中）观察到一个清晰的模型，注意nabla;Ng向量图像表示的是从山谷到山顶; 山脉的最高部分可以通过矢量收敛点轻松识别。在高地形（图8中高点）nabla;Ng向量显示出与中高纬度地形相似的模型，然而，幅度要小得多。图中GFD非常高的区域是基于不同的雷电定位系统观测到的，以前的几篇论文中，有7个地区也被认为是非常高的GFD地区（Barreto和Torres，1996; Torres，1998; Younes，2002; Aranguren等，2014）。
Smorgonskiy对阿尔卑斯山进行了同样的研究，如图7中的nabla;Ng向量模型。显示了哥伦比亚的高度轮廓线，从山谷到山顶。图9给出了整个研究区域的nabla;Ng和nabla;h向量之间的角度的频率分布（大约132,000平方公里）;这一范围区域包括低海拔地区（海拔高度lt;500米），中高原（海拔高度500米和2000米之间）和高原（海拔高度gt;2000米）。在低地，角度从0°到180°均匀变化时，高程与GFD之间的相关性差。相反，对于中高原情况，角度较小单元格出现的频率较高; 在完全中高纬度地区的有61％的单元格（56661个单元格）角度小于90度；最后，高原地区的情况表现出与中高原地区的情况相同，但低角度单元格出现的概率相对较小。来自热带地区的这一结果与Smorgonskiy等提出的结果非常相似。因此，即使在地理和气象条件截然不同的地区，GFD的值也有可能在山区（中高空情况下）明显增加。
正如Smorgonskiy等人所讨论的那样，对相同高度的地区一般不予区分，但雷电状况不同，可能会导致错误的结果。图7中GFD出现最大值与nabla;Ng梯度向量具有最大幅度（图8中高空地形区域）的高程点保持一致<!--
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