基于WRF 模式物理量參數的雷電潛勢MOS 預報方法研究

楊秀莊，彭 芳，童碧慶

(貴州省氣象臺，貴州 貴陽 550002)

1 引言

我國是典型的季風氣候區，夏半年受東亞季風環流影響，強對流天氣頻繁，雷電是強對流天氣最明顯的特征。雷暴一般具有突發性強、范圍小、局地災害嚴重等中小尺度特征，因此對雷暴的預報難度較大。隨著大氣探測設備的更新，如閃電定位儀、大氣電場儀、雷達衛星等的廣泛應用，雷電特別是強雷電的研究取得了很大的進展。張義軍［1］、張延龍［2］等對雷電的電荷結構及其成因做了很多研究，得出一些很有用的結論。郝瑩［3］等做了關于判別分析法和指標疊加法應用于雷暴潛勢預報方面的研究;鄭傳烈［4］等將獨立參數條件概率法應用于雷暴的預報;AgostinoManzato 等［5］利用探空資料以及閃電定位資料對神經網絡進行了訓練，并利用神經網絡法對雷暴的發生以及閃電的密度進行了預報;金米娜［6］等利用衛星資料分析了中尺度對流系統(MCS)的雷電演變特征。

貴州地處青藏高原東南部，橫斷山脈的下坡段，全省多山，對流天氣頻繁，雷電天氣較多。楊秀莊等［7］通過分析貴州雷電時空分布特征得到貴州雷電主要發生時間為4—10月份，呈不均勻分布，西部、南部偏多，北部、東部偏少，特別是省的西南部雷電天氣頻繁。因此，加強對貴州雷電天氣的分析與研究，提高雷電天氣的監測預報能力，對于防災減災有十分重要的意義。本文通過中尺度模式輸出的時空分辨率較高的物理量場資料，開展對貴州雷電潛勢預報研究。

2 研究資料和MOS 方法介紹

選取2011年5—8月份ADTA 閃電定位儀地閃資料，范圍為貴州區域(22～30°N，103～110°E)。利用ADTA 地閃資料通過編程實現經緯網格(0.5°×0.5°)插值，獲取經緯網格上地閃頻數。物理量場資料為以T639 數值模式為背景場的中尺度模式WRF 輸出的物理量場，時間分辨率為3 h，空間分辨率為5 km。

MOS 預報方法是統計方法的一種。選取一定數量的樣本，以數值模式輸出的數據作為預報因子，以同時刻實際觀測的數據為預報量，二者建立統計關系。其推導方程的函數關系式如下:

3 WRF 模式物理量選取及物理意義

以T639 數值模式為背景場的中尺度模式WRF輸出的物理量很多，包括高度場、風場、溫度場等等，在分析雷暴發生基本條件基礎上，選取10 個能有效反映雷暴發生發展的物理量參數。

根據雷暴發生的基本條件，要出現明顯的雷暴天氣，大氣必須為層結不穩定，通常來說，主要表現為大氣的熱力不穩定。結合天氣學知識，選取了常用的K 指數、對流有效不穩定能量(CPAE)、對流抑制能量(CIN)、地面總溫度(TT)，這4 項物理量參數主要反映大氣聚集的有效能量，選取沙氏指數(SI)、850 hPa 與300 hPa 溫度之差(T850－T300)，主要反映大氣的不穩定指標。同時，雷暴的發生必須有合適的水汽條件，所以選取了物理量850 hPa、700 hPa、500 hPa 溫度露點差之和(TTd)。不穩定條件和水汽條件都滿足的情況下，不一定會有雷暴的發生，必須有一定的觸發機制，才有雷暴天氣的發生，反映雷暴觸發機制的動力條件選取了850 hPa 渦度(vort850)、850 hPa 散度(div850)、300 hPa 散度(div300)。最后，選取了850 hPa 與500 hPa 假相當位溫之差(θse850－θse500)、850 hPa 水汽通量散度(fluxdiv850)等綜合指標來加強對雷暴發生發展的反映，更好的開展雷暴潛勢預報研究。

4 物理量參數和雷電相關性研究及預報因子的篩選

上述選取的WRF 模式輸出的物理量參數是結合天氣學知識人為選取的，在貴州地區雷電特別是強雷電的發生發展是否與這些所有的物理量有關還有待科學的檢驗。收集整理5—8月份ADTA 閃電定位儀的地閃資料和WRF 模式輸出的物理量參數資料，選取了符合條件的188 個樣本。以經緯網格內的閃電頻數作為雷暴強度來表示，WRF 模式輸出物理量場選取上一日20 時起報的18 h 預報產品和當日08 時起報的18 h 預報產品。二者之間建立相關性統計關系。其關系式如下:

其中x 為經緯網格內的閃電頻數，y 為WRF 模式輸出的18 h 預報產品。通過計算，上述選取的10個物理量與雷電的相關系數如表1。

表1 中NaN 表示數據缺失，本文不予討論，其余數據為物理量產品與雷電的相關系數。由于所選取樣本數較少，所有必須對相關系數數據進行檢驗。在顯著水平α =0.05 情況下，樣本容量為188個時臨界相關系數為0.138 4，即如果相關系數在0.138 4 以上，則呈顯著相關。通過分析，選取了呈顯著相關的6 個物理量產品。包括K 指數、CAPE(對流不穩定能量)、SI(沙氏指數)、TT(地面總溫度)、θse850－θse500(850 hPa 與500 hPa 假相當位溫之差)、TTd(850 hPa、700 hPa、500 hPa 溫度露點差之和)。其中SI、TTd 和雷電為明顯的負相關。

表1 WRF 模式輸出的物理量18 h預報產品與雷電相關系數

5 利用判別分析法進行雷電潛勢預報

利用WRF 模式輸出的上一日20 時起報的18 h預報產品和當日08 時起報的18 h 預報產品，選取呈顯著相關6 個物理量作為預報因子，以ADTA 閃電定位儀監測到的單位經緯網格的閃電頻數為預報對象，在樣本容量為188的情況下用判別分析法使二者之間建立統計關系，建立判別分析方程。計算得到的雷電潛勢預報方程如下:

其中X1～X6為預報因子，Y 為預報量。X1為K指數，X2為CAPE(對流不穩定能量)，X3為SI(沙氏指數)，X4為TT(地面總溫度)，X5為θse850－θse500，x6為TTd。

YC=－215.1 為預報量閾值。

當計算的Y ＞YC=－215.1 時，則無雷電。

當計算的Y ＜YC=－215.1 時，則有雷電。

在實際預報中，利用WRF 模式輸出的上述6 個物理量18 h 預報產品，代入上述雷電潛勢預報方程，根據計算出的預報量Y 值與YC對比，就可以判定未來12 h(當日08—20 時或20 時—次日08 時)單位經緯網格有無閃電，從而建立12 h 雷電潛勢預報。

圖1 是以9月3日20 時為起始場的WRF 模式輸出的18 h 預報產品，利用上述的雷電潛勢預報方程計算得到的9月4日08—20 時雷電潛勢預報產品。產品以Micaps 第4 類格點數據顯示，100 表示有雷電，0 表示無雷電，999 表示數據缺失。圖中可以看到，除東北部地區外，其余大部分地區都有明顯的雷電潛勢，西部邊緣地區數據缺失。由于西部邊緣地區海拔較高，某些物理量參數無法計算出來，如850 hPa 與500 hPa 假相當位溫之差，因此得到的雷電潛勢預報產品數據缺失。圖2 是9月4日08 時—20 時的ADTA 閃電定位儀閃電監測情況，圖中顯示，貴州北部地區雷電少，其余大部分地區都有雷電，其中省的西南部雷電比較密集，雷電頻數高，雷電強。對比分析圖1、圖2 可以看到，利用上述雷電潛勢預報方程得到的結果和實況基本吻合，但省北部地區有一定程度的空報，可能的原因是其受數值預報影響較大，WRF 模式當日對北部的整體預報效果較差，且由于雷電潛勢預報方程本身的誤差以及閃電離散化程度較高的原因，造成了一定程度空報。但總的來說，本次個例雷電潛勢預報產品在實際的預報業務中具有一定的參考作用。通過選取其他幾次出現雷電天氣明顯的個例，雷電潛勢預報產品大趨勢預報較為準確，但局部地區有一定程度空報或漏報。由于閃電數據離散程度較高，且ADTA 閃電定位儀探測的數據本身誤差較大，對閃電的預報預測一直是雷電預報的難點。本文中雷電潛勢預報產品對雷電有不同程度的空報或漏報，這也屬正常現象，希望在今后的工作中對其進一步改進和提高，使其在實際的業務應用中能發揮較大作用。

6 小結

①本文采用ADTA 閃電定位儀資料，通過編程實現獲取經緯網格內的閃電頻數，采用WRF 模式輸出的高分辨率的物理場資料，二者之間建立統計關系，利用MOS 方法開展雷電潛勢預報研究。

②通過研究得到對貴州雷電潛勢有明顯影響的物理量預報因子有K 指數、對流不穩定能量、沙氏指數、地面總溫度、850 hPa 與500 hPa 假相當位溫之差、850 hPa、700 hPa、500 hPa 溫度露點差之和，利用這些因子采用判別分析法建立了貴州地區雷電潛勢預報方程，通過檢驗，此雷電潛勢預報方程在實際的雷電潛勢業務中有一定的參考作用。

［1］張義軍，劉欣生，Krehbie P R..雷暴中的反極性放電和電荷結構［J］.科學通報，2002，47(15):1192－1195.

［2］張廷龍，郄秀書，言穆弘.青藏高原雷暴的閃電特征及其成因探討［J］.高原氣象，2007，26(4):774－782.

［3］郝瑩，姚葉青，陳焱，等.基于對流參數的雷暴潛勢預報研究［J］.氣象，2007，33 (1):51－56.

［4］鄭傳烈.用獨立參數條件概率法做汕頭機場雷暴預報［J］.廣東氣象，2000 (S1):38－39.

［5］AGOSTINOMANZATO.Sounding－derived indices for neural network based Short－term thunderstorm and rainfall forecasts［J］.Atmospheric Research，2007，83:49－365.

［6］金米娜，陳云輝，徐星生.2007年夏季兩次強雷電過程的氣象衛星資料分析［J］.氣象與減災研究，2009，32(3):31－35.

［7］楊秀莊，盧璐，王宇.貴州雷電時空分布及強度特征分析［J］.貴州氣象，2008，32(5):4－7.