淄博市雷電災害預報預警方法研究

張秀青 陸苗 曾麒麟

摘要 利用多普勒雷達資料、NCEP/NCAR再分析資料及探空資料，分析淄博市雷電災害的預警預報方法。結果表明，35、40 dBZ回波強度頂高分別突破-10、-15 ℃等溫度高度層，對雷電預警效果較好。雷電活動均發生在垂直累積液態含水量為20～50 kg/m3的區間，可將其作為判斷雷暴發生的充分條件，回波頂高>10 km是預警雷電發生的一個較好的指標。本文歸納出雷電預警流程，并選取4次強對流天氣過程進行效果檢驗，發現該流程在雷暴天氣中具有較好的預警效果。

關鍵詞 雷電災害；預報預警；雷達；山東淄博

中圖分類號 P456 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）12-0215-02

Abstract Using Doppler radar data，NCEP/NCAR reanalysis data and sounding data，the lightning disaster warning and forecasting method was analyzed in this paper. The results showed that，the echo top of 35，40 dBZ breakthrough temperature layer of -10，-15 ℃ had better lightning warning effect. Lightning activity occurred in the VIL of 20-50 kg/m3，which could be as sufficient conditions for the judgment of thunderstorms. The echo tops height greater than 10 km was a good indicator to lightning. This paper also concluded the lightning warning process and selected four strong convective weather process to test the effect，and found that the process had good warning effect in thunderstorm weather.

Key words lightning disaster；warning and forecasting；radar；Zibo Shandong

雷暴是一種重要的災害性天氣，雷電會引起森林火災、電信部門通訊中斷、電網損壞、交通運輸中斷、油氣管道爆炸及人員傷亡事故等，對國家及人民的生命財產安全造成重大損失。目前，許多發達國家建立了區域雷電監測預警業務，并開發出了多普勒天氣雷達（WSR-88D）監測產品進行雷電預警預報[1-3]，提出了用雷達觀測信息制作雷電短時預警的具體指標。我國推廣應用國外云物理模式及新一代天氣雷達回波資料開發了基礎雷電預警系統，但其預警效果及兼容性仍存在一定局限性。目前，國內外對雷電災害的研究越來越深入，國內各省級氣象臺已經開展了雷電災害的監測預警工作。基于天氣雷達的雷電臨近預報預警工作，許多學者己做了大量的研究，并取得諸多有意義的結果[4-7]。

淄博市地形復雜，南部山區，中部丘陵，北部平原，呈南高北低之勢。強對流天氣受地形影響，其發生具有特殊性，雷電預警指標也與其他地市有所不同。本文結合淄博市實際強對流天氣特征，對比分析雷暴天氣的雷達回波和閃電活動的相關特性，以期尋找適合淄博市的雷電預警指標。

1資料與方法

1.1 資料來源

本文選取為2014年和2015年5—8月淄博市24次降水過程中的單體個例，1個雷達觀測時間間隔中出現的單體為1個單體，雷達觀測時間間隔為5～6 min，24次過程共有28個單體，其中雷暴單體（發生閃電的單體）10個和非雷暴單體（未發生閃電的單體）18個（表1）。

1.2 研究方法

通過分析雷達回波物理量參數與雷電活動區對應關系，將預警情況分為以下3類。A：預警有雷暴，實況有雷暴；B：預警有雷暴，實況無雷暴；C：預警無雷暴，實況有雷暴。

成功預警率（POD）表示在實況觀測中，雷電預警成功的百分比，數值越大越接近成功預警；預警誤報率（FAR）表示在雷電預警中誤報的百分比，數值越小越接近成功預警，其計算公式如下：

2 結果與分析

2.1 閃電與回波強度的關系

本文依據淄博地區的地理位置和氣候特征，將雷達數據插值得到各個等高面位置，高度為1～19 km，間隔1 km，讀取濟南探空站T-logP圖中特征等溫度高度。比較各層回波高度與特征等溫度高度層，然后根據閃電定位資料地閃發生時間和位置統計預警效果，從中提取一個最好的指標。

通過分析28個單體的不同雷達回波強度高度達到 -10、-15、-20 ℃等溫度高度層的比例（圖1），可以看出突破 -10、-15、-20 ℃等溫度高度層的單體回波強度均<5 dBZ。30 dBZ雷暴單體回波強度頂高均>-10 ℃等溫度高度層，非雷暴單體與雷暴單體隨雷達回波的增強，突破-10 ℃的比例均逐漸減少。在35 dBZ回波強度處雷暴單體和非雷暴單體之間的差異才最為明顯。對于-15 ℃等溫度高度層，25 dBZ雷暴單體頂高均能突破該層。30、35、40 dBZ雷暴單體能突破-15 ℃等溫度高度層的比例逐漸減少，二者較大的區別在40 dBZ，突破該層的非雷暴單體數量為0，但雷暴單體數量達15%。-20 ℃等溫度高度層趨勢與前2層一致，雷暴單體與非雷暴單體隨回波強度增大，突破該層的單體減少。

通過檢驗計算（表2）可知，檢驗結果隨著突破各層回波強度閾值的增大而減小。在回波閾值一致的情況下，檢驗結果隨著等溫度高度層的增高而降低。說明回波閾值越小、成功率越高。將回波強度閾值設置得越小，即范圍設置越大，POD值越高，成功率越大，但誤報率也相應增高。當等溫度層越高，FAR減小，誤報率也越小。因此，最合適的預警指標必須權衡POD、FAR的不同表現。由表2可知，35 dBZ回波強度頂高突破-10 ℃、40 dBZ回波強度頂高突破-15 ℃的指標預警效果較好，POD分別為98%、94%，FAR分別為20%，13%。

2.2 閃電與垂直累積液態含水量的關系

垂直累積液態含水量（VIL）表征在降水云團中某一確定底面積的垂直柱體內液態水總量分布，反映了反射率因子的垂直累積，代表了風暴的綜合強度，VIL值隨著反射率因子的增強而增強，是判別強降水及其降水潛力、強對流天氣造成的暴雨、暴雪和冰雹等災害性天氣的有效工具之一[8-9]。

本文利用雷達PUP垂直累積液態含水量產品統計了28個個例的分布情況（表3）。雷暴單體與非雷暴單體的垂直累積液態含水量區別較大，雷暴單體VIL為15～50 kg/m3，非雷暴單體VIL分別有1個位于25～30 kg/m3與35～40 kg/m3。由于閃電的形成需要產生大量的冰相粒子與電荷，水汽含量過高或過低都對電荷的產生不利，VIL需處于適當的值，預警中VIL不適于過小或過大。通過統計表明，VIL在20～50 kg/m3之間可作為雷暴發生的指標。

2.3 閃電與雷達回波頂高的關系

回波頂高（ET，Echo Tops）產品顯示海平面以上回波強度值等于某一門限值（目前設定為回波≥18.3 dBZ）時對應的最高高度，是應用體積掃描獲取的三維分布數據制作而成。通過回波頂高產品可以清晰地看出回波發展、演變過程中其頂部的分布特征。對流的強弱在一定程度上與回波伸展的高度有關，因而ET產品能反映降水過程的發展情況，分析估計雷達探測范圍內不同地區的對流發展與否以及對流相對強弱的情況[10]。

通過統計不同雷達回波頂高對應雷暴單體和非雷暴單體個數（表4）可知，雷暴單體回波頂高基本位于10～12 km與12～15 km，分別為10、7個；非雷暴單體回波頂高基本位于5～7 km與7～10 km，分別為4、5個。雷暴單體回波頂高明顯高于非雷暴單體回波頂高，表明回波頂高為閃電發生的一個重要條件。根據統計結果，可將10 km作為雷暴發生的指標。通過檢驗結果發現，10 km回波頂高對應的POD為93%，FAR為7%，可以將其作為雷電預警的指標。

3 預警流程分析

通過以上分析，將影響淄博地區雷電發生的預警因子歸納為回波強度、垂直累積液態含水量和回波頂高。具體預警分析步驟如下：一是查看特征回波高度的等溫度高度層，獲取-10、-15 ℃等高度層高度，判斷35、40 dBZ回波強度是否突破了-10、-15 ℃等高度層，若突破，則判定發生雷電；二是通過查看回波頂高，判斷其是否>10 km，若滿足，則判定發生雷電；三是判斷垂直液態水含量是否在20～50 kg/m3，作為判斷發生雷電的充分條件。

4 個例檢驗

為檢驗上述流程效果，本文選取了2016年6—7月淄博市的4次強對流天氣過程，從中挑選出5個對流單體作為獨立檢驗樣本，其中包括3個雷暴單體和2個非雷暴單體。由表5可知，根據雷電預警方案識別出雷暴單體4個、非雷暴單體1個。通過閃電定位資料的實際對比檢驗，發現識別出的雷暴單體中有1個單體未發生閃電，其誤報原因可能是探空站位于濟南，與淄博地理位置不同，其等溫度層高度與雷暴發生時等溫度層高度存在誤差。因此，從檢驗結果來看，預警流程在雷暴天氣有較好的預警效果。

5 結論

選取2014年與2015年5—8月淄博市發生的24次降水過程和28個單體個例，通過分析雷達回波參數與閃電活動之間的對應關系，提取可靠的指標，建立了雷電預警流程，并進行效果檢驗，其結果如下。

（1）通過分析28個單體的不同雷達回波強度高度達到 -10、-15、-20 ℃等溫度高度層的比例，發現35、40 dBZ回波強度頂高分別突破-10、-15 ℃等高度層的雷電預警效果較好。

（2）通過分析雷電活動與垂直液態水含量之間的關系，發現雷電活動均發生在VIL為20～50 kg/m3，可將其作為判斷雷暴發生的指標。

（3）通過統計不同雷達回波頂高與雷電活動之間的關系，表明回波頂高>10 km是預警雷電發生的一個較好的指標。

（4）總結雷電預警流程，利用2016年6—7月淄博市4次強對流天氣過程進行效果檢驗，發現該流程在雷暴天氣中具有較好的預警效果。

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