全球闪电定位网络(WWLLN)与加拿大闪电探测网络(CLDN)性能数据的对比分析外文翻译资料

 2022-11-20 04:11

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全球闪电定位网络(WWLLN)与加拿大闪电探测网络(CLDN)性能数据的对比分析

D. Abreu1, D. Chandan1, R. H. Holzworth2, and K. Strong1

1物理学系,多伦多大学,加拿大安大略省

2地球和空间科学、物理学、华盛顿大学华盛顿,美国

摘要:万维网闪电定位网(WWLLN)使用非常低的频率(甚低频)接收器是为了更好的观察全球闪电。它的目的是找到尽可能多的全球闪电,让时间和空间(lt; 10公里)精度高。自动检测在甚低频范围, WWLLN传感器在被发现之前进行了信号从高峰值电流闪电中能够传播到sim;公里,允许接收电台间隔稀疏。

通过比较测量由加拿大闪电探测网络(CLDN)在加拿大多伦多2008年5月至8月4经度和4纬度的地区集中,本研究发现WWLLN检测的是最敏感的高峰值电流闪电雷击。事件被认为是在两个网络之间共享如果他们在0.5毫秒。使用这一标准,19128WWLLN闪击(使用闪击B算法分析)与CLDN闪电闪击,产生2.8%的探测效率。WWLLN峰值电流阈值检测发现sim;20 ka,探测效率的增加从峰值电流大于20 ka的11.3% 75.8%,大于120 ka峰值电流。探测效率被认为有一个明确的昼夜依赖,具有较高的检测效率比在当地中午在当地午夜;这是归因于电离层d层的厚度的差别。同时差异(WWLLNminus;CLDN)之间共享结果的标准差是6.44minus;micro;s到 35micro;s,平均绝对定位精度是7.24公里,标准差为6.34公里。这些结果与先前的全球其他地区网络WWLLN比较的研究通常是一致的,在不断增加额外的接收器站网络,采取适当的行动措施来提高探测效率。

介绍:有许多世界各地的区域闪电探测网络操作,提供数据的目的是预防雷电损害电气敏感设备以及森林火灾的早期探测和跟踪当地的恶劣天气。他们经常通过冒险组织用于航空业务,航线和安全应用程序。此外,他们还受雇于保险行业和电力公司保险索赔调查和检测电力线路故障位置(康明斯et al .,1998)。气象研究机构和研究机构使用数据处理气候变化的指标通过季节性和每年平均统计数据(威廉姆斯,1992;et al ,2001,2009),研究处理闪电决定大气成分(e.g., Volland, 1984; Choi et al., 2005; Sioris et al., 2007; Martin et al., 2007),在天气预报模型和先验信息。虽然这样的区域闪电探测网络存在在世界的许多地方,并提供实时数据(e.g., Cummins et al., 1998b; Burrows et al., 2002; Cummins and Murphy, 2009; Holler et al., 2009; Lagouvardos et al., 2009),他们通常提供有限的空间覆盖,通常结局国界附近和无法提供闪电数据海洋。闪电探测仪器也存在于轨道卫星,如光学瞬态探测器(定单计划;基督教et al .,2003)和闪电成像传感器(LIS);马赫et al .,2007),但是他们不能够提供连续的全球覆盖地球表面上的所有点。需要一个真正的全球,因此地面网络是不可否认的,尤其是对海洋和地区的覆盖率低人口密度和经济发展。

万维网闪电定位网(WWLLN)就是这样一个网络,和2003年3月以来一直在操作。它是一种低成本、实时、地面网络,能够监测闪电全球任何地点与时间和空间精度高。在这项研究中,WWLLN性能是评价一个地区在安大略省,加拿大通过比较加拿大闪电探测网络(CLDN),一个全国性的网络成立于1998年。这是第一个比较WWLLN 与CLDN的事例。

闪电CLDN和WWLLN的监测:CLDN和WWLLN有所类似的监测方法,然而,由于使用的传感器和光谱波段的差异,对比监测范围,网络定位精度和探测效率评级。

2.1 CLDN的描述:CLDN设计于1997年,一直经营、管理环境加拿大(EC)自1998年以来(2005)。运作与视距探测地面波,并且只使用了前几微秒的雷击为了避免同一闪电产生的天电干扰事件(2.2)。与WWLLN函数只在低频段(甚低频;3-30kHz)监测天电,CLDN传感器使用甚低频和低频段(低频;30-300千赫)来监测地面波。衰减高低频带,所以CLDN接收器必须放在相隔几百公里,比WWLLN的传感器更近。

CLDN的目的是提供一个cloud-toground闪光探测效率比90%,少于500米的位置精度的地区覆盖(2005)。这个目标已经达到了一个峰值电流阈值5 ka(2002)。全国83个传感器分布式的网络功能,采用磁测向(MDF)和到达时间(TOA)技术;2009年8月,是由27个影响,30 LPATS-IV 25 LS7000,1 LS7001 Vaisala传感器(2009年8月)。闪电位置和跟踪系统(LPATS)传感器使用TOA,从组合技术和改进的准确性(影响)和CG(地)增强闪电传感器(LS7000 / LS7001)都使用TOA和MDF闪电探测(2003)。开始时的周期对本文(2008年5月),CLDN配置是不同的。CLDN由27个影响,40 LPATS-IV和16 LS7000传感器,并在活动期间(2008年5月至8月),四个LPATSIV传感器升级到LS7000传感器(2009年8月)。此后类似升级持续CLDN地点

本地同类闪电探测网络存在于美利坚合众国和被称为全国闪电探测网络(NLDN)。在一起,这两个网络组成北美闪电探测网络(NALDN)。的性能和属性NLDN详细描述了康明斯et al .(1998 a,b)和康明斯和墨菲(2009)。图1显示的配置CLDN期间采集的数据用于这项工作,连同NLDN传感器的位置。

2.2 WWLLN的描述:WWLLN是实时的,全球范围内,地面网络由华盛顿大学的可探测强烈闪电中风发生在世界任何地方(Dowden et al., 2002; Lay et al., 2004; Jacobson et al., 2006; Rodger et al., 2005, 2006, 2009).。网络发起的意图实现全球定位精度的检测不到10公里(罗杰et al .,2009)。WWLLN接收器在甚低频乐队和检测的闪电波包传播在该地区和地球之间的低电离层,称为EarthIonosphere波导(EIWG)。这些波包传播尤其是波导模式(TE,TM或TEM),这有效地掩盖了极性父闪电的中风。然而,甚低频能量辐射峰值电流,直接相关,WWLLN预计能够报告每个中风的能量在2010年底。

信号是一个波列,称为天电,从噪声背景和持续缓慢上升大约一毫秒或更多。这个复杂的监测天电,触发器的信号而不是用于定位闪电,团队抵达的时间(宽外袍),连同最小化方法与TOA中使用这些方法。宽外袍方法的细节,以及更新算法和波形标准,详细讨论了道登et al .(2002)和罗杰et al。(2009)。在这项工作中,数据处理与新中风B算法使用;罗杰et al。(2009)表明,该算法提高了WWLLN笔画数63%,全球和当地的一些地区比这更多。

为了确定闪电位置、天电监测利用可用的高光谱功率密度和低衰减的甚低频比更高的频带范围,使接收器放置相隔几千公里(1964)。通过对比WWLLN达尔文接收机的监测中风对WWLLN作为一个整体,罗杰et al。(2006)发现,在白天传感器的探测效率逐渐降低随着距离超出sim;sim;14000公里后8000公里,可以忽略不计。晚上,每个传感器监测到大约10000,射程可达12000公里。此外,如果闪电位置比sim;500公里更接近传感器,探测效率也下降。WWLLN不会获得好适合宽外袍在波导模式有重要的权力时,TEM等模式,否则强烈与传播距离衰减。因此,宽袍计算从附近的中风往往不那么约束,因此误差太大,允许他们加入WWLLN数据库。

在撰写本文时,有40个WWLLN接收器现有世界各地实时监测无线电波脉冲辐射从闪电中风在6 - 22 khzvlf接收机乐队。然而,在竞选期间只有29活跃接收器如图2所示,这些都是位于加拿大。每个传感器由一个1.5米的拉杆天线,一个全球定位系统(GPS)接收器,甚低频接收机和处理计算机与互联网连接,使传输的数据处理。传感器是位于世界各地的钢筋混凝土建筑因为在甚低频,他们作为导体,留在地面上的潜力,因此屏蔽天线从当地人为噪声(道登et al .,2002)。此外,在接收机带宽、垂直电
领域强劲的闪电在电力线噪声占主导地位,因此,这些接收器的位置不一定必须在无噪声的情况下(et al .,2004)。

在收集宽外袍验证数据在处理网站,剩余最小化方法用于创建高质量的数据集的闪电位置。WWLLN数据的处理实践中使用本文确保剩余的时间收集的数据(表明的质量适合数据)小于30micro;s,闪电中风是检测到至少5 WWLLN甚低频接收机站(罗杰et al .,2009)。这个协议不同于先前的研究,进行一些早期成立的网络(et al .,2004;罗杰et al .,2005),而比较区域网络导致WWLLN改进数据处理方法(克雷格bull;罗杰博士个人交流,2009年8月)。

3 WWLLN的绩效评估:为了分析WWLLN的性能,雷击数据从这个网络使用最近中风B算法(罗杰et al .,2009)从CLDN比较。两个数据集都局限于网格框41.7 45.7◦◦N N,和77.4 81.4◦◦W W 2008年5月1日至2008年8月31日,如图3所示。这个网格框的位置被定义为多伦多大气观测站(道),plusmn;2°南北和plusmn;2°东西方,在安大略省南部。这个区域被选中,是因为它在夏季经历频繁的闪电活动,因此选择四个月在2008年的夏天。注意“CLDN”加拿大环境提供的解集是使用传感器CLDN和NLDN生成。这个更大的数据集的使用减少了可能的位置错误,由于该地区的利益不被CLDN传感器,是网格框的情况下用于这项工作由于其位置在加拿大南部。附近的位置传感器从CLDN NLDN,连同那些从WWLLN也图3所示。

在竞选期间,共有20605 WWLLN中风和20605 CLDN中风被发现在该地区的利益。CLDN-detected中风,568152(sim;84%)被确定为地,109254(sim;16%)被确定为云中风。这些CLDN-detected中风的意思是积极的峰值电流(包括地和云中风)是14.2 ka和负峰值电流是minus;16.6 ka。中风的峰值电流分布是图4所示。注意,存在一个更大的负闪电中风的分数比积极的预期(2003)

确定监·测的效率相对于CLDN WWLLN,共享必须识别两个网络之间的事件。以前比较涉及WWLLN和其他地区闪电探测网络用不同的标准来定义共享的中风。et al。(2004)和罗杰et al。(2005)共享中风定义为那些在3 ms和50公里,雅各布森et al。(2006)确保中风在1 ms,100公里,和罗杰et al。(2006)确保他们在0.5毫秒。后者则是采用本文有两个原因。首先,如上所述,罗杰et al .(2006),WWLLN数据给出了微秒级分辨率,而CLDN数据给出了纳秒的分辨率。因为高时间分辨率的数据,相信一段时间标准单独应充分描述共享事件。其次,通过这一标准后,可以看出这些共享事件之间的时间差异(WWLLNminus;CLDN)minus;6.44micro;s标准差的35micro;s,因此生产时间差分直方图图5所示。女士注意到0.5显著大于三个标准差分布(3times;35micro;s = 105micro;s)。最初,50公里的空间标准也随着时间应用标准以确保中风大大分开在太空中没有考虑共享。发现这只消除24共享事件和这空间标准下降了这里给出的结果,因为它没有产生任何显著的影响。。

使用0.5 - ms的时间标准,所有WWLLN-detected中风的19128被发现与CLDN-detected中风,因此给WWLLN CLDN中风探测效率对2.8%。相反,这是18744年发现的地CLDN中风和669云CLDN中风与WWLLN共享事件。这些共享的组合CLDN事件总结19413年,创建一个差异(19413 - 19128 =)19413中风。在进一步的调查,发现281年的共享WWLLN事件匹配两个CLDN事件,和两个共享WWLLN事件匹配三个CLDN事件。基于计算CLDN中风之间的距离相同的共享WWLLN中风,没有多个共享事件似乎来自同一CLDN中风,然而,似乎只有两个相同的风暴系统的一部分。意味着积极共享中风峰值电流为59.2 ka和负峰值电流是minus;46.7 ka。这些共享的峰值电流分布中风图4所示,仅从CLDN数据集。

整个的平均峰值电流的区别CLDN共享数据集的数据集,(14.2 ka和59.2 ka分别意味着积极的电流;minus;16.6 ka和minus;46.7 ka分别为平均负电流)表明,闪电中风的WWLLN当前阈值检测CLDN比这高得多。这也似乎与巴西的比较(et al .,2004),新西兰(罗杰et al .,2006),和洛斯阿拉莫斯(雅各布森et al .,2006)地区闪电探测网络。进一步证明WWLLN电流阈值,图6显示了相对于CLDN WWLLN的探测效率,在5-kA垃圾箱峰值电流的函数。注意,下面的大小sim;20 ka,检测效率是可以忽略不计,但对于较高的峰值电流,检测效率5-kA垃圾箱在60%和85%之间,达到5sim;70% ka垃圾箱plusmn;120 ka。分布的对称性表明WWLLN检测到正面和负面中风同样只要高于20-kA峰值电流阈值。的振荡峰值电流超出虚线竖线反映缺乏统计数据描述的行为在当前的范围内(平均,sim;9500 cldn-detected中风在每个垃圾桶,但是除了这些冲竖线,每个人都有少于50)。在表1中,中风的探测效率WWLLN总结了峰值电流阈值的函数。这个阈值的最小值峰值电流,这样事件的数量在每个条目包含所有事件的峰值电流大于给定的阈值。探测效率与峰值电流阈值明显增加,有一个值为11.3%plusmn;20 kaplusmn;120 ka增加到75.

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