基于成都雷達資料的雷電預警指標研究＊

吳 容，余海蓉，張婧雯，魏 慶

（四川省防雷中心，四川 成都610072）

雷電作為強對流天氣（雷暴）的產物之一，是由帶電荷的積雨云層內部、云層與云層之間或者云層與大地之間產生的一種長距離瞬間放電現象，具有大電流、高電壓、強電磁輻射等特征[1]。隨著信息技術的快速發展，雷電引起的危害顯著增加，產生的社會影響也越來越大。為了將雷電造成的損失降低，需要準確地預報雷電發生的時間和地點，國內外學者對雷電活動的研究已經取得了很多重要并且有意義的結果。天氣雷達具有高時空分辨率[2]，是對雷暴觀測的最佳手段，因此研究雷電活動和雷達回波特征之間的關系對雷電的預警預報具有重要的意義。LHERMITTE等發現充電活動的開始氣流與上升氣流的發展比較一致，集中于-15～-10℃的區域[3]；BRANDON等研究認為-10℃溫度高度處40 dBz回波強度是初次閃電發生的最佳預測因子[4]；孟青等利用溫度層上的回波閾值并結合閃電定位資料對未來雷暴進行預警[5]；石玉恒、黃鈺、居麗玲、王飛、魏雪等對不同雷暴的雷達回波特征做相關性分析，找出雷暴預警指標[6-11]；黃延剛、劉冬霞等研究得出在雷暴云成熟和消散階段正負閃電分布區與雷達回波強度區域有一定對應關系[12-13]。由于不同省市地區的氣候特征與地理特征不同[14]，對雷電預警指標的因子有一定的影響，所以本課題基于成都市的氣候特征，加入探空資料對雷電活動與雷達回波特征進行相關性分析，從而確定成都市雷電預警指標。

1 數據來源

數據來源為成都市2018-06—2018-09對流性天氣過程中的雷達資料、閃電資料和探空資料。雷達資料來源于四川成都CINRAD/SC型天氣雷達，經度為104.016°E，緯度為30.664°N，海拔高度為589 m；閃電數據為四川省云地閃監測網觀測資料中成都的閃電數據，監測站點為溫江，經度103.83°E，緯度為30.70°N，海拔高度為539.3 m；探空資料為溫江觀測站的常規探空數據，經度為103.52°E，緯度為30.45°N，海拔高度為548.9 m。

天氣過程中的個例選取：分別選取2018-06—2018-09每個月中的一次對流性天氣過程，時間分別為2018-06-29—06-30，2018-07-01—07-03，2018-08-21—08-22，2018-09-04—09-06。對這些過程中的雷暴單體與非雷暴單體進行識別與統計：讀取天氣過程中的雷達數據（組合反射率，CR），以每個體掃數據為單體樣本，將組合反射率因子大于等于35 dBz的回波確定為一個單體，并且考慮到閃電數據的位置精度問題，將在閃電區域出現的單體確定為雷暴單體，其他的則為非雷暴單體，對以上天氣過程中的數據進行處理分析，共計雷暴單體為45個，非雷暴單體為18個。

2 雷電活動與雷達回波特征的關系

通過對雷達產品和探空資料的分析，本課題提出6個雷電預警的回波強度隨高度分布的特征量，與風暴特征相關的回波頂高（ET）以及垂直液態水含量（VIL）作為可選的雷電預警指標，并對這些指標進行檢驗，分析出適合成都市雷電預警預報的指標。

2.1 雷電與雷達回波強度的關系

不同溫度高度層對應的回波強度指標如表1所示。

表1 不同預警指標

探空數據每天只有2個數據，分別為08：00和20：00各一個數據，通過對高度與溫度有效數據進行線性插值，計算出-10℃與-15℃對應的海拔高度值。

通過對回波等高平面位置顯示產品（CAPPI）上30 dBz、35 dBz、40 dBz雷達回波在單體發展過程中的統計，并且結合雷暴與非雷暴單體生成當天的探空數據中-10℃、-15℃高度層進行分析，30 dBz回波頂高幾乎都能通過-10℃高度層，35 dBz、40 dBz回波頂高突破-10℃高度的雷暴單體比例逐漸降低。而非雷暴單體中30 dBz回波頂高能突破-10℃高度層的單體很少，40 dBz回波頂高突破-10℃高度的非雷暴單體沒有。對于-15℃高度層，結果與-10℃高度層差不多，但是雷暴單體數量都減少，而35 dBz、40 dBz沒有突破該溫度層高度的非雷暴單體。個例分析如下。

都江堰在2018-06-29T13：33形成雷暴單體，單體組合反射率（CR）強度最大為52.5 dBz，如圖1所示。

圖1 都江堰CR圖

圖2 為該時間段雷暴形成與消亡內的閃電數據，通過當日探空數據插值所得，-10℃高度為7 675 m，-15℃高度為8 503 m。

圖2 閃電數據

通過分析26個體掃數據（2018-06-29T13：33—15：24），本次雷暴過程初閃時間為14：02：25。分析結果如下。

13：37，30 dBz突破-10℃高度層，預警提前時間為25 min。

13：42，30 dBz突破-10℃及35 dBz突破-15℃高度層，預警提前時間為20 min。雷電預警檢驗表如表2所示。

表2 雷電預警檢驗表

成功預警率（POD）為：

預警虛報率（FAR）為：

臨界成功指數（CIS）為：

用該方法對表1中的預警指標進行檢驗，結果如表3所示。

表3 不同指標預警結果檢驗

綜合考慮不同的預警指標，選取CSI較大的值即是：35 dBz突破-10℃溫度高度層作為本課題的預警指標。

2.2 雷電與回波頂高（ET）的關系

通過對45個雷暴單體與18個非雷暴單體在對應時間范圍內（雷暴單體區域內首次出現閃電時對應的前一個雷達體掃）的最大回波頂高進行統計分析，結果為：雷暴單體發生初閃的時候回波頂高幾乎都高于10 km，而非雷暴單體的回波頂高都沒超過10 km，用ET=10 km作為預警指標，預警提前時間都在20 min以內。用雷電預警檢驗方法對ET=10 km作為預警指標進行檢驗，分析結果如表4所示。

表4 ET=10 km預警檢驗

因此本課題選取ET=10 km作為成都市雷電預警指標值。

2.3 雷電與垂直液態水含量（VIL）的關系

通過對雷暴單體與非雷暴單體在對應時間范圍內（雷暴單體區域內首次出現閃電時對應的前一個雷達體掃）的VIL統計分析，結果為：雷暴單體與非雷暴單體沒有明確的分界線，并且初閃發生前的雷暴單體的VIL幾乎都小于25 kg/m2。因此垂直液態水含量VIL可以作為一個判別條件，當預警閃電發生時，VIL大于0 kg/m2。

3 結論

利用探空數據，通過對2018-06—2018-09對流性天氣過程中的雷暴單體與非雷暴單體與雷達回波特性進行相關性分析，結果如下：①通過對6個不同預警指標的檢驗結果可知，選取CSI值為0.79的回波強度35 dBz突破-10℃溫度高度層作為成都市雷電預警指標，預警的范圍幾乎在雷電活動范圍內；②從雷電活動和回波頂高（ET）的對應關系分析可知，雷暴單體發生初閃的時候回波頂高（ET）幾乎都高于10 km，用ET=10 km可單獨作為雷電預警指標；③從雷電活動和垂直液態水含量VIL相關性分析可知，VIL可以作為一個判別條件，當預警閃電發生時，VIL大于0 kg/m2。