多普勒雷達在雷電臨近預警中的應用淺析

冉 倩，劉俊翔，來立永，何正浩

（1.廣東電網有限責任公司廣州供電局，廣東 廣州 510000；2.華中科技大學電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430074）

雷電是大自然中的一種常見災害，每年因雷電造成的財產和安全損失巨大[1]。據新聞報道，在中國每年因雷擊造成的傷亡人數有幾千人，導致的經濟損失可達數百億元，并且這一數字還在不斷上升。由于雷電伴隨著巨大的電流、熾熱的溫度和強烈的電磁效應，對工業區和高層建筑構成了極大的威脅。

隨著近些年對防雷研究的不斷深入，監測雷電的手段也變得多種多樣[2]，在眾多大氣因子測量方法中，天氣雷達能夠以一定頻率發射出電磁波，然后接收被云層中各種粒子散射回來的回波，從而可以獲取其空間位置、強弱分布和垂直結構等信息，可以據此對多種災害性天氣進行識別和追蹤。

由于人們急切需求及時準確的雷電預警播報，該領域的科研人員也在進行相關的研究工作，如何利用各類雷電資料探尋相關地區雷電的活動規律，并對雷暴發生的具體時間進行準確的預報，成為了該領域研究的熱點和難點。

1 多普勒雷達原理

為了滿足頻率穩定度的要求，方便檢測出回波信號微小的頻率變化，也就是由降水粒子相對于雷達的徑向運動而引起的雷達回波信號的頻率變化，基于電磁波的多普勒效應，研制出多普勒天氣雷達。目前有許多學者研究雷達回波特征與雷暴發生的關系，結果證明雷達回波在一定程度上可以反映雷電活動情況，但是雷達的空間分辨率會隨著閃電發生距離的增加而下降，不同類型雷達的固有特性也會影響分辨率。本文中所用數據是由祥雨系列雷達采集，如圖1所示。

圖1 祥雨系列X波段雙偏振雷達

天氣雷達與數據服務器、預報工作站、維護工作站等附屬設備所組成的系統具有高可靠性、高靈敏度、使用和維護方便等特點，特別適用于人工影響天氣、重點區域防護、應急氣象保障等領域。雷達具有集成化、系列化、標準化程度高，系統配置靈活等特點，其主要性能指標如表1所示。

表1 天氣雷達主要參數指標

2 預警方案

對多普勒天氣雷達探測出的各種不同的遙測數據（回波強度、徑向速度與速度譜寬等）進行加工處理、坐標變換與計算，生產出的與氣象有關的數據和圖像統稱為產品。本論文主要研究雷電預警，在多普勒天氣雷達的各種產品中，回波強度與回波頂高是與雷電活動密切相關的物理量，這種產品有助于用戶直接與某種天氣現象聯系起來進行分析與應用。對于一張雷達回波圖，藍色到紫色表示回波強度不斷增大，一般在幾十dBz不等，從不同顏色回波可以判斷降雨強度，雨區范圍、未來降雨強度和移動，而降雨往往伴隨著雷暴天氣的發生。一般情況下，對流云團的強弱程度與多普勒天氣雷達所發射的電磁脈沖的回波伸展高度相關，因此回波頂高常常對多普勒天氣雷達的探測范圍內的對流云團的強弱有指示性作用，用戶可根據當地的氣象條件自行選擇回波強度閾值。

根據天氣雷達提供的上述數據資料，相關研究人員提出了多種預測雷電的方法，主要是根據雷達回波強度提取出閃電發生的特征值，這也是一種較為有效的觀測手段。基于此，筆者收集了2020年發生在廣州的20個雷暴單體與非雷暴單體的多普勒雷達回波強度及回波頂高等相關數據，如表2所示。

表2 廣州地區20個雷達單體數據資料

在這20組雷達單體資料中，14個為雷暴單體，6個為非雷暴單體。14個雷暴單體中有1個雷暴單體僅發生了云閃，而并未發生對地放電現象。根據現有資料，不少科研人員認為應該選取-10℃層高度處40dBz回波強度作為預測初次雷電發生的特征值[3]；但VINCENT等[4]認為應該選取-10℃層高度的35 dBz回波強度作為依據來預測，命中率有一定的提高，但是虛報的情況變多；也有學者用0℃層10 dBz回波作為依據來預測，預警時間大約為15 min，可結合其他參考值來降低虛報率；MARTINEZ等[5]認為應選取對流天氣中某個單體的40 dBz以上的回波，且頂高必須高于7 km。

根據相關參考文獻及表2中的數據，首先假定40dBz的回波強度為是否有雷暴發生的臨界判據，對表2中的20個個例進行檢驗，判斷30 dBz、35 dBz和40 dBz是否能突破0℃層和-10℃層，具體如圖2和圖3所示。

由圖2可以看出，所有雷暴單體的3個對應回波強度的頂高均突破了0℃層，大部分非雷暴單的30 dBz和35 dBz回波強度的對應頂高也突破了0℃層，而在40 dBz回波強度下，雷暴單體和非雷暴單體展現出較大的差異性。

由圖3可知，對于選取的3種回波強度來說，在40 dBz下雷暴單體和非雷暴單體的差異是最大的，這與圖2中的分析吻合，表明40 dBz對于區分是否為雷暴單體具有較大的價值。

圖2 30 dBz、35 dBz、40 dBz回波強度突破0℃層高度占比

圖3 30 dBz、35 dBz、40 dBz回波強度突破-10℃層高度占比

-10℃溫度層同樣是一個重要衡量標準，但是通過對雷暴單體的雷達資料分析后發現，30%以上雷暴單體在第一次云地閃放電之前，40 dBz回波強度的頂高并未突破-10℃，說明回波頂高的特征高度不是特別的固定，故兩者的相關性并不大，而雷暴單體中40 dBz的回波頂高都超過了0℃層，非雷暴單體中40 dBz的頂高僅有一小部分超過0℃層。

綜上所述，在廣州地區將40 dBz回波強度的頂高超過0℃層作為雷電預警的依據較為合理。

3 實例分析

為了進一步說明上述分析的合理性，從廣州地區2020年記載數據中選取28個雷暴單體和8個非雷暴單體的雷達資料進行統計分析，如圖4和圖5所示。

圖4 雷暴單體40 dBz回波強度對應頂高

圖5 非雷暴單體40 dBz回波強度對應頂高

根據圖4和圖5可知，所選取的28個雷暴單體中，有23個雷暴單體40 dBz回波強度對應的頂高超過了7.5 km，此高度正好是0℃層所對應的高度。對于非雷暴單體來說，除了一個特例之外，其余個體的40 dBz回波強度的頂高都沒有突破0℃層。

圖6為兩次天氣過程所對應的雷達體掃資料，展示了每個體掃時序中40 dBz回波強度對應的頂高。從圖中可以發現，在雷暴發生的過程中，此回波強度在絕大多數時間都突破了0℃層，而非雷暴單體對應的回波頂高較低，僅有少部分時間突破0℃層，很有可能僅僅是雷達偵測到一片帶雨云團。

圖6 雷暴單體與非雷暴單體回波頂高對比

4 總結

多普勒雷達是用于預報和警戒中的主要探測工具之一，在氣象監測中具有極為重要作用。本文通過分析2020年廣州市雷達數據資料，提出利用40 dBz回波強度是否突破0℃層高度來判斷是否有雷暴發生的依據，從而可以提前采取措施減少雷電災害的發生。若僅僅使用雷達資料進行探測，很難把陣雨和雷暴特征區分開來，所以需要結合其他探測手段的數據來確定到底是由哪種天氣引起。后續可結合大氣電場儀、閃電定位系統等手段進一步提高預警的效果，減少時常發生的空報和漏報現象。