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澳大利亚布里斯班1996—2010年的闪电密度
David Mackerras1
曾就职于圣卢西亚，昆士兰大学，电气工程学院
(2013年5月收到手稿;2013年10月修订)
此次研究从1995年至2010年，在澳大利亚布里斯班(27.3ordm;S, 153.0ordm;E)观测附近的闪电。研究过程中使用CGR3、CGR4闪电传感器和一个频率为500 Hz的CIGRE闪电计数器，主要测量闪电密度及其日、年变化。其中，使用CGR4传感器可以观测到距观测点约为400平方公里的圆形区域。直接测量的16年平均闪电密度的数据为：地闪密度为2.29km-2yr-1，云闪密度为2.81km-2yr-1，总闪电密度为5.1km-2yr-1，16年内平均云地闪比为1.56。依据2006年至2010年的数据，可看出地闪的发生率最可能为0.04，该比率16年的取值范围为0.02—0.17，平均值约0.06。根据总闪电密度的年平均变化可看出，约35%的闪电发生在1月至6月，约65%发生在7月至12月。分析总闪电密度的日变化数据，在17：00到18:00之间达到了预期峰值，在20:00到21:00之间达到了第二峰值。总闪电密度每年变化幅度较大，从1.4到12.2 km-2yr-1（幅度约为9:1）；平均年雷暴日为25，各年雷暴日的数量从14到31（幅度约为2:1）。虽然每年的闪电密度与雷暴日数量之间存在微弱的相关性，但依据雷暴日预测闪电密度仍具有较大的不确定性。研究还发现，16年中每年有近一半闪电发生两天左右。
引言
闪电放电一般分为负地闪、正地闪和云闪，这些闪电会产生电场效应和磁场效应，利用这些效应可以探测闪电。闪电放电时，由于简单传感器产生的响应与闪电到传感器的距离是对应的，所以电荷的广泛分布会阻碍简单传感器的工作。在本研究中，使用的传感器的有效范围是闪电到传感器的距离，超出此有效范围的就不予记录。从1995年至2010年，本研究利用CIGRE 500Hz, CGR3和CGR4三种传感器获取发生闪电的信息。在1995年至2011年期间，作者在距CBD南部约4km处的布里斯班郊区进行了闪电观测，从1995年1月至2004年1月使用CGR3闪电传感器，从2004年1月至2011年6月使用CGR4传感器。作者通过观察CGR4传感器探测的有效范围来判断负地闪(NGF)、正地闪(PGF)和云闪(CF)，并将每年的计数信息转换成闪电密度，用km-2yr-1表示。
仪器
研究使用的三个传感器都需要一个垂直天线来探测由附近闪电引起的电场和电磁辐射的变化。CIGRE 500Hz传感器的垂直天线形式(Barham和Mackerras 1972, Prentice et al.1975，Anderson et al.1979）已经在澳大利亚和其他国家使用了几十年，这类传感器网络已为澳大利亚提供了有关地闪和总闪电密度的大量信息。Prentice和Mackerras(1969)估计该传感器的有效范围为地闪30km、云闪20km，这一估计后来减少到18km(Kuleshov et al.2006)。
在1995年至2004年期间使用CGR3传感器，它能够探测到负地闪、正地闪和有效范围为14、16和12km的云闪；从2004年开始使用CGR4传感器(Mackerras et al.2009)。目前CGR4传感器探测的有效距离约为11.3km，有效面积约为400km2，因此 闪电密度km-2yr-1等于每年计数除以400。
最初用于CIGRE 500Hz传感器的垂直天线是一个直径38mm、长3.3m的铝管，其基部高度为1.75m(Anderson et al.1979)。Prentice等(1975)指出该天线的电特性为：对地电容Cae=57pF，有效高度ha=2.4 m,Cae ha=140 pFm。Cae ha的值控制着电场变化与天线电压变化之间的关系，所以在传感器电路中建立电场与电压的变化关系需要Cae ha的值。第二种垂直天线由PVC管组成，其外径为50mm，长3.33m，基部高度1.75m，有四条等距的绝缘线。绝缘线的外径为5mm，绞线直径为3mm，从基部绕着管道旋转到顶部，它与上面提到的垂直天线具有相同的电特性。第三种垂直天线主要用于自动气象站(AWS)的站点，包括一根长3.15m、直径50mm的铝管，其内部为直径50mm、长约5m、底部着地的PVC管。在气象局的AWS站点这种远离障碍物的平地上，铝管下端距离地面为1.62m (Mackerras et al.2009)。
此次研究选在昆士兰大学东面2公里处，将这些类型的天线垂直置于房屋旁并且将它们的高度设为可调。对类似天线也进行标定并与房屋内的天线比较，使所有的天线都具有上述电特性。
数据记录和处理
每天记录下闪电传感器的计数信息和观测数据，其中一个记录器记录带时间戳的闪电传感器的操作、听到雷声和看到闪电的信号。地闪密度(GFD),云闪密度(CFD)和总闪电密度(TFD)等于计数除以适当的有效面积(有效范围平方的pi;倍),所以传感器应有适当的有效范围。由于天线的电常数具有不确定性，分析得到闪电密度和有效面积比率的不确定性约为plusmn;30%，AWS站点的传感器的不确定性约为20%。
个别观察的结果和讨论
总结16年的观察
表1(a)总结了研究期间的六个月、年度和长期的平均闪电密度和雷暴日观测值。结果如下：16年的年均闪电密度为GFD=2.29 km-2yr-1, CFD=2.81 km-2yr-1,TFD=5.1 km-2yr-1，年均云、地闪之比为Z=1.56。每年1—6月平均TFD占当年TFD约0.35, 7—12月占约0.65。
2006年至2010年期间，地闪的发生率最可能为0.04，此时的测量结果也更可靠。根据1995年至2010年的测量结果，地闪的发生率在0.02—0.17之间,16年平均值约0.06，Kuleshov等人(2011)认为这一比率的实际值要比表1(a)中所显示的要高。与此同时，总闪电密度的年变化显著，例如2000年为1.4 km-2yr-1，而2004年为12.2 km-2yr-1，比例约为9:1。
调整在活跃雷暴中无法计算的云闪
在活跃的雷暴中，同时发生的负地闪和云闪所引起的电场变化有时会重叠，通常传感器将这种组合场的变化只分类为负地闪，而不计算云闪。然后估算每一次活跃雷暴中所遗漏的云闪数（NGF计数，G超过100），对云闪数进行近似调整。传感器完成任务所需的时间是Tg= 1.35s，忽略在这段时间内出现的云闪。NGF事件的平均间隔表示为G/Ts，Ts是雷暴持续时间，通常为2400s(40min)。因此，云闪被遗漏的概率(假设云闪和地闪的时间相互独立)为:
（1）
如果C是云闪总数，Cr是数据的记录，Cm是被忽略的数据。则，
（2）
C的式（2）的解: （3）
（4）
16年间记录的47次雷暴中，将超过100次NGF的计数代入方程从而估计遗漏的云闪数，并转换为等效的闪电密度。在最初得到的闪电密度和初始总闪电密度中加入这一遗漏的云闪密度，得到表1(b)中的调整值。调整使16年的年均云闪密度增加了19%（从2.81到3.34 km-2yr-1）,年均CFD/GFD增加了10%（从1.56到1.72）,年均总闪电密度增加了10%（从5.10到5.62 km-2yr-1）。
图1显示了从1995年至2010年的每月总闪电密度，特点为冬季的闪电密度低，春季和初夏的闪电密度相对较高。2004年1月的极高值发生在1月份的最后几天。此外，还应注意到每年变化较大。
图2显示了从7月到次年6月的月平均总闪电密度和地闪密度的变化，按月平均TFD和GFD值表示。值得注意的是，冬季值相对较低，而春季和初夏的值相对较高。如表1(a)所示，每年1月至6月间发生的闪电约占总闪电的35%，7月至12月间约占65%。这条曲线类似于Kuleshov(2004)为达尔文提供的季节性分布曲线。
图3为1999年至2006年和2008年至2010年，由每小时发生的闪电次数分析得到的闪电的日分布曲线。由于设备故障，所以2007年的数据不完整。日分布的特征为：从2：00到11：00的值相对较低，在下午较晚时达到峰值，在16：00到17：00之间发生的闪电约占全天的16%；在20：00至21：00小时之间，出现了第二峰值，即发生闪电占全天的13.3%。这个次峰表明晚上可能运行一个不同的机制，而这主要由于太阳加热土地增加了不稳定性。
研究假设每年可将非零CGR4记录总闪电次数的天数作为年度雷暴日并且进行了一项调查验证，结果如表2。试验条件为：如果一天中总闪电次数TFCge;x，则可以认为该天为雷暴日，其中x连续设定为1,2,3,4或5。由此确定实际观测到的雷暴日，并确定推断雷暴日的最合适的总闪电次数。根据分析可知，为了保持现有雷暴日的长时间连续记录，年雷暴日可以等于CGR4记录中TFCge;1时的天数(Kuleshov et al.2002)。
在图4中，每年的雷暴日都是通过直接观测得到的。每年TFD[图4(a)]、年雷暴日(R2 =0.233)、每年GFD[图4(b)]和年雷暴日(R2 =0.196)之间存在微弱的相关性，预测这种弱相关性要求每年TFD的幅度范围在9:1内。在本研究期间，年雷暴日的变化范围约为2:1。
图4(a)最佳拟合线为 y =0.329x–3.211, (R2=0.233) (5)
图4(b)最佳拟合线为 y =0.159x–1.724, (R2=0.196) (6)
Kuleshov和Jayaratne（2004）得出四个方程式计算地闪密度，Ngrsquo;为年平均雷暴日，Ng =aTdb，其中a和b是常数。表1(a)显示，当每年Td为25.3时，Ng为2.29 km-2yr-1。
CIGRE方法使用方程 Ng=0.04Td1.25km-2yr-1 (7)
这个CIGRE公式是由Anderson等(1984)提出的。从表1(a)中得到Td值为25.3，CIGRE公式得出Ng=2.27 km-2yr-1，与目前结果非常吻合。另外三个方程得到的结果则比本研究中发现的Ng值低32%至60%。
表1(a) 6个月和每年闪电密度的汇总
表1(b) 闪电密度调整和遗漏云闪比率
图1 . 1995-2010年布里斯班总闪电密度的时间序列
图2 (A)月平均总闪电密度的年变化量，(B)基于15年平均值的月平均地闪密度的年变化量
表2 比较用CGR3和CGR4传感器对雷暴日的预测
图5 每日总闪电密度(TFD)值的分布与每年天数的比例有关;
(a)每日TFD值，
(b)每日TFD值的累积总数，作为年度总TFD的百分比
图6 传感器CGR4在2008年11月16日1500到1800之间对雷暴的响应。左侧刻度显示每五分钟地闪(g)和云闪(c)的计数；
右侧刻度显示从雷达记录到雷暴的最小距离(d)。
图7 年地闪密度与总闪电密度的比值(GFD/TFD)与年总闪电密度(TFD)的关系;显示出最佳拟合线。
比较CGR4和CIGRE 500Hz传感器的响应
分析2005年、2006年、2008年和2010年四年的记录，得到CIGRE 500Hz传感器的计数和CGR4传感器的TFD年度值。运用Prentice和Mackerras（1969）给出的公式将CIGRE 500Hz计数转换为闪电密度，GF的有效范围R<su
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