雷达资料在雷电临近预警中的应用研究

吴 量, 冯桂力, 杨仲江, 黄玲光, 程 斌

(1.南京信息工程大学大气物理学院,江苏南京210044;2.山东省雷电防护技术中心,山东济南250031)

1 引言

雷电是伴随着强对流过程发生的一种灾害性天气现象,雷电以其强大的电流、炙热的高温、猛烈的冲击波以及强烈的电磁辐射等物理效应使其在瞬间产生巨大的破坏作用[1]。为了防御和减轻雷电灾害,除了采用雷电防护措施(工程)来防御直击雷害和间接雷害外,还应该加强雷电的监测与预警,以减少雷击灾害事故的发生。特别是随着经济的高速发展,对雷电监测、预警和防护的需求越来越大,要求越来越高。于是人们不断利用各种探测手段研究如何能够及时准确的预报雷电,其中对闪电与雷达回波之间的相关性进行大量的研究,发现地闪与雷达回波有很强的相关性。如冯桂力等[2]对山东北部的一次中尺度对流系统的闪电活动进行分析,发现负地闪多发生在25dBz以上的回波区,对应于对流降水区;正地闪多发生在25dBz以下,对应于稳定的层状云降水区。张义军等[3]通过对6次不同云系的闪电活动进行分析,得到雷暴中的电活动与对流活动成正相关,闪电多发生在30dBz强回波高度超过-10℃层的时段内。雷正翠等[4]、李玉林等[5]也分别对常州和南昌的雷暴云回波特征等进行初步分析,得到强雷暴云的最大顶高达17～18km,最大强度达55～65dBz。个例分析发现对流云在成熟和消散阶段,闪电主要发生在雷达回波＞40dBz和VIL(垂直液态水含量)＞20kg◦m-2所对应的区域[6]。

在大量的统计分析基础上,人们开始利用闪电与雷达参量的相关性来开展闪电预警预报指标的研究,如Mosier等[7]通过对67384个对流单体进行统计分析,发现在-15℃和-20℃等温层至少两次连续体扫都能探测到30dBz雷达回波作为最好的闪电预警指标,该指标的CSI值(临界成功指数)为68%。Maribel[8]发现风暴云中40dBz以上回波的顶高必须高于7km才能够发生闪电。王飞等[9]对夏季北京地区的20个雷暴单体过程进行综合分析,得出40dBz是比较适合该地区雷电预警的一个雷达回波特征参量。易笑园等[10]发现回波顶高高于11km的回波面积对地闪活动激烈程度具有预警意义。

上述研究工作为雷电临近预警指标的选取提供了理论依据和个例证明,但由于强对流天气过程以及雷电特征具有明显的地域特征和个体差异,不同地域的雷暴具有不同的闪电活动特征[11],相应各地的雷电预警指标也可能会有所不同。山东省属于雷暴发生频繁地区,而对于该地区地闪临近预警指标的研究还比较少,因此在已有对地闪与雷达回波关系研究的基础上,利用多普勒雷达资料和探空、闪电定位资料对济南地区发生的地闪与雷达反射率、回波顶高和垂直液态水含量之间的关系进行了研究,希望可以得到适合该地区的地闪预警指标,为促进该地区雷电活动的临近预警提供技术支撑。

2 数据和方法

2.1 地闪数据

地闪观测数据取自山东省气象局的LD-Ⅱ型闪电定位系统。系统由13个单站(分别布设在章丘、龙口、荣成、即墨、日照、东明、东平、沾化、夏津、鱼台、蒙阴、郯城和昌邑)和一个中心数据处理系统构成,采用磁定向时差综合法进行闪电定位,能提供闪击的时间、经纬度、极性和电流强度等数据[12]。系统的时钟同步精度可达到0.1μ s,山东省内大部分地区闪电探测效率理论值为95%,定位精度可达到300m。

2.2 雷达数据

雷达数据来自于齐河 CINRAD/SA 雷达(36°48′10″N,116°46′51″E),2009年 7～ 8 月和 2010 年 6 月,距离雷达站200km范围内的41个对流云团,其中26个云团探测到地闪发生,15个云团在其整个发展过程中都未探测到地闪发生(见表1)。

表1 41个对流云团统计表(N：负地闪,P：正地闪)

2.3 数据处理

由于受到天气系统的影响,所选取的对流云团大多持续时间在1小时以上。绝大部分单体雷暴首次发生的是负地闪,其中仅有1次是正地闪先被探测到。研究的主要目的是统计分析出能够较好地预警地闪发生的雷达反射率及其所对应的温度层阈值。

由于缺乏对流云中的温度实测资料,只好利用靠近齐河雷达站的章丘探空站获取的环境温度资料来代替。

3 结果和讨论

3.1 雷达回波反射率阈值和预警时间

由表2可得POD值的变化趋势,对于每个温度层,POD值随着反射率阈值增加而减小,同时随着高度增加(温度降低),POD值随着回波阈值的增加而减小,这是因为阈值越低越容易满足要求,相应的命中率也就越高。FAR值与POD值有相似的变化趋势,但它们的作用相反,即越强的阈值FAR越小,意味着越强的对流产生闪电的可能性就越高,从而降低了误报率。

从表2和图1的平均预警时间上也可看到一定的变化趋势。不同的温度—反射率阈值的预警时间取值范围较大,但预警时间的最大值、最小值和平均值大体是随着高度增加和反射率阈值的增强而变短,说明云发展的越高且反射率越强,此时也越容易发生闪电,相应的预警时间的提前量也就越来越小。

以上统计分析结果表明,通过降低预警指标的阈值可以增加预警时间,但这样将会使FAR增大,最好预警指标的选取必须同时考虑预警准确率和预警时间,即应该有足够的预警时间和合理的准确度,因此,采用了CSI值来衡量其综合预警效果,在这个研究中,-10℃/40dBz阈值的CSI得分最高为83%,平均预警时间是21min(见表2),这个结果与YANG[13]得到的-10℃/40dBz能够最好的预警闪电发生的研究相一致,但所得到的预警时间为17min。

表2 41个个例POD(预警准确率)、FAR(虚假报警率)、CSI和预警时间(T war)统计表

图1 26个有闪电发生个例的预警时间与不同的温度——反射率预警阈值的关系图

3.2 最大雷达回波顶高阈值

由于回波顶越高通常意味上升气流越强,反之,回波顶越低对应上升气流越弱,而弱的上升气流不利于产生闪电,基于外场观测表明[14],作为快速起电的必要条件是对流单体内的上升气流速度须超过7m◦s-1。因此通过地闪发生与雷达回波顶高的关系,试图找到首次地闪发生前的最大回波顶高阈值。如图2所示,在这次研究中所有产生闪电个例的回波顶高都超过10km。不产生闪电的个例具有较低的回波顶高,但它们中的73%也达到或超过10km。该结果与国外的研究结果类似,Buechler和Goodman[15]研究发现闪电发生的雷达回波顶高应该超过9km,Gremillion和Orville[16]发现产生地闪的所有风暴的回波顶高均高于9.5km,并且超过一半的无闪电风暴具有的回波顶高也高于9.5km。

3.3 垂直液态水含量(VIL)阈值

Watson[17]等通过研究得到,闪电频率随着 VIL值从 15kg◦m-2增加到40kg◦m-2～45kg◦m-2而逐渐增加,然后随着更高的VIL值闪电频率开始下降,但是探测到的最高闪电频率却与非常高的VIL值(＞65kg◦m-2)相一致。Watson等[17]和MacGorman等[18]认为尽管VIL和闪电有一定的相关性,但是还不能单独用VIL值来预警闪电。

图2 有闪电和无闪电个例的最大回波顶高度

通常来讲,垂直液态水含量越多,则表明对流云内有充足的云水,越有利于云冰、软雹形成和闪电的发生。图3给出了有闪电和无闪电对流云团的闪电发生前最大垂直液态水含量的分布情况,可以看出所有产生闪电个例的VIL都相对较大,并且都超过8.5kg◦m-2。不产生闪电的个例的VIL都相对较低,但它们中的60%也达到或超过8.5kg◦m-2。

综合使用温度层—反射率指标、回波顶高≥10km以及垂直液态水含量≥8.5kg◦m-2的指标来对首次地闪发生做出预警,对26个雷暴个例进行统计,发现在回波顶高和垂直液态水含量都达到阈值之后探测到-10℃/40dBz有2例;在回波顶高和垂直液态水含量都达到阈值之前探测到-10℃/40dBz有12例;3个阈值同时出现的有11例。已经探测到回波顶高≥10km和垂直液态水含量≥8.5kg◦m-2,但在首次地闪发生前未探测到-10℃/40dBz回波阈值仅为1例。需要说明的是,这里的时间分辨率为雷达体扫时间(如6min)。

图3 有闪电和无闪电个例的垂直液态水含量(VIL)

以上统计分析结果意味着回波顶高和垂直液态水含量阈值虽然不是地闪发生的充分条件,但作为必要条件将其综合预警能够改善FAR和CSI的值(见表3)。

表3 综合3个预警指标的FAR、CSI统计表

因为所有产生闪电的个例的雷达回波顶高≥10km,垂直液态水含量(VIL)≥8.5kg◦m-2,所以POD值将保持不变。

由表3可知,最大雷达回波顶高和垂直液态水含量两个预警指标的加入,大大降低了温度层—反射率指标中40dBz指标以下的误报率,从而使CSI得分明显提高,其中-10℃/40dBz的CSI得分由83%增长为86%。最后综合预警效果最好的雷达反射率指标是-20℃/25dBz,其CSI得分为93%,平均预警时间是28min。

4 结束语

利用雷达资料、闪电定位仪资料和探空资料,通过对济南地区附近的41个对流云团进行综合分析得到,单独使用雷达反射率作为预警因子,发现-10℃/40dBz可以作为该地区雷电预警最好的一个指标,当综合使用最大雷达回波顶高、垂直液态水含量和雷达反射率3个预警指标时,将会对FAR和CSI有所改善,统计结果表明,-20℃/25dBz和雷达回波顶高≥10km,垂直液态水含量(VIL)≥8.5kg◦m-2是最理想的综合性指标,其CSI得分为93%,平均预警时间是28min。

用于统计分析雷电预警指标的样本数量比较有限,所得指标还需进一步验证,同时所分析的对流单体的季节不同、天气形势不同也会对最终结果造成影响。下一步可以考虑加入更多相关的参数,例如单体的大小及大气稳定度等因子,进一步提升对该地区闪电临近预警的准确性。

[1]张义军,周秀骥.雷电研究的回顾和进展[J].应用气象学报,2006,17(6)：829-834.

[2]冯桂力,王俊,牟容,等.一次中尺度雷暴大风过程的闪电特征分析[J].气象,2010,36(4)：68-74.

[3]张义军,华贵义,言穆弘,等.对流和层状云系电活动、对流及降水特性的相关分析[J].高原气象,1995,14(4)：396-405.

[4]雷正翠,夏文梅,周霖华,等.常州雷暴的气候特点及多普勒雷达回波特征[J].气象,2009,35(12)：118-125.

[5]李玉林,杨梅,李玉芳.夏季雷暴云雷达回波特征分析[J].气象,2001,27(10)：33-37.

[6]黄延刚,顾松山,杨才文,等.一次强对流过程中的闪电特征分析[J].广东气象,2007,29(3)：7-10.

[7]Richard M Mosier,Courtney Schumacher,Richard E.Radar Nowcasting of Cloud-to-Ground Lightning Over Houston,Texas[J].Weather and Forecasting,2011,26(2)：199-212.

[8]Maribel Martinez.The Relationship Between Radar Reflectivity and Lightning Activity at Initial Stages of Convective Storms[C].American Meteorological Society,82nd Annual Meeting,FirstAnnual Student Conference,Orlando,Florida,2002.

[9]王飞,张义军,赵均壮,等.雷达资料在孤立单体雷电预警中的初步应用[J].应用气象学报,2008,19(2)：153-160.

[10]易笑园,宫全胜,李培彦,等.华北飑线系统中地闪活动与雷达回波顶高的关系及预警指标[J].气象,2009,35(2)：34-40.

[11]刘冬霞,郄秀书,冯桂力.华北一次中尺度对流系统中的闪电活动特征及其与雷暴动力过程的关系研究[J].大气科学 ,2010,34(1)：95-104.

[12]唐巧玲,孙荆茶,王思群,等.2007年山东地区闪电活动特征分析[J].山东气象,2008,115(28)：28-31.

[13]Y Helena Yang.Investigating the Potential of Using Radar Echo Reflectivity to Nowcast Cloud-to-Ground Lightning Initiation over Southern Ontario[J].Weather and Forecasting,2010,25(4)：1235-1248.

[14]Zipser E J,Lutz.The vertical profile of radar reflectivity of convective cells：A strong indicator of storm intensity and lightning probability[J].Mon.Wea.Rev.,1994,122：1751-1759.

[15]Buechler,D E,S J Goodman.Echo size and asymmetry：Impact on NEXRAD storm identification[J].Applied Meteorology,1990,29(9),962-969.

[16]Gremillion,M S,R E Orville,Thunderstorm characteristics of cloud-to-ground lightning at the Kennedy Space Center[J].Florida：A study of lightning initiation signatures as indicated by the WSR-88D.Wea.Forecasting,1999,14：640-649.

[17]Watson A I,Holle R L,Lopez R E.Lightning from Tow National Detection Networks Related to Vertically Integrated Liquid and Echo-Top Information from WSR-88D Radar[J].Weather and Forecasting,1995,10(3)：592-605.

[18]MacGorman,D R,T Filiaggi,R L Holle.Negative cloud-to-ground lightning flash rates relative to VIL,maximum reflectivity,cell height,and cell isolation[J].Lightning Res.,2007,(1)：132-147.