雷电预警中的风暴参数研究

孙 琪，杨 凡，李 博，汪中虎，王欣眉

(1.山东省青岛市城阳区气象局，山东 青岛 266109；2.山东省青岛市气象灾害防御工程技术研究中心，山东 青岛 266003；3.山东省青岛市气象局，山东 青岛 266003)

雷电预警中的风暴参数研究

孙 琪1,2，杨 凡2,3，李 博1，汪中虎1，王欣眉3

(1.山东省青岛市城阳区气象局，山东 青岛 266109；2.山东省青岛市气象灾害防御工程技术研究中心，山东 青岛 266003；3.山东省青岛市气象局，山东 青岛 266003)

目前，国内大多城市陆续建设了大气电场仪，旨在提前开展雷电预警，但基于大气电场仪开展雷电预警的虚警率始终较高。该文基于闪电定位仪和雷达风暴产品，提取了雷电发生时的风暴参数，即发生闪电的雷电预警指标需同时满足风暴中心强度在40dBz以上、中心高度在3 km以上、回波顶高在4.5 km以上，在此基础上再与大气电场仪预警阈值结合，在降低雷电预警虚警率的基础上，实现了雷电预警时间的提前，为闪电定位、雷达、大气电场仪数据在雷电预警中的研究提供一定的应用参考。

闪电定位仪；大气电场仪；TITAN

1 引言

随着全球气候变暖和灾害性天气的频发，雷电灾害造成的经济损失及社会影响越来越大，受灾范围几乎涉及各行业。因此，对雷电及其灾害的监测、预警、预报和防御的需求变得越来越迫切。开展有效的雷电监测预警系统研究，对减少雷电对人民生命和财产造成的损失有着重要意义。

雷电活动往往引起地面电场的显著变化，而大气电场仪是测量大气静电场用来预警雷电发生的精密设备。现今，电场仪传感器被广泛运用。一些学者使用大气电场仪数据资料，对区域大气电场情况进行了分析[1]或结合雷达、卫星等数据对某次雷暴事件进行了地面电场演变特征的分析[2]；也有一些学者尝试利用电场幅值、曲线快变抖动的0—1关系等方法进行雷电预警[3-6]，这也是目前青岛地区利用大气电场仪开展预警的主要方法。青岛市已建成27部大气电场仪，分布于全市7区及各县级市，基本可覆盖青岛市全区大部分地区。该仪器主要是以切割磁力线的方式测量周围大气电场的变化梯度，即单位距离中电场的变化值。由于该仪器对周围环境的电场变化灵敏度较高，常常在晴空或没有天气过程时，仪器周围有物体移动产生弱的电场改变且达到阈值时也会发出预警，导致仅依靠该仪器开展雷电预警虚警率很高。在解决虚警率方面，已经开展了一些工作，主要是根据大气电场仪周围地面情况，重新设立了大气电场仪关于地面状况的预警阈值。在修改预警阈值的基础上，青岛市的大气电场仪预警虚警率有所降低。但是，经过近一两年的使用来看，仅依靠该阈值的修订，虚警率仍然较高，不能满足雷电预警的需要。

本文基于雷达、大气电场仪、闪电定位仪数据，用电场幅值阈值结合风暴强中心参数等进行雷电预警，找出雷电预警参数指标，形成了新的雷电预警方法，可有效降低大气电场仪设备虚警率，为电场和雷达资料在雷电预警中的研究提供一定的应用参考。

2 数据的获取和处理

2.1 闪电定位仪数据的获取及处理

本文所采用数据为山东省气象局布设的闪电定位仪数据，时间为2016年1月—2017年4月，统计得出了有雷电监测数据的逐月雷击日表(见表1)。从闪电定位仪数据可以看出，5—9月为青岛市月雷电日较多的月份，4月份闪电过程较少，1—3月、10—12月全市区域内基本无明显的闪电过程。因此，本文研究的主要月份为5—9月。考虑到提炼出雷电预警指标和方法后，还要开展应用工作，本文针对2016年5—8月的雷电天气过程开展雷电预警指标和方法研究，挑选了2016年9月、2017年4月的雷电天气过程开展应用验证工作。

表1 青岛市逐月雷击日统计Tab.1 Monthly lightning day statistics

从表1可以看出，雷击日表中出现的总闪数从几十次至近二百次不等，本文根据降水天气过程筛选，从总闪数中剔除了小于20次的日期，并针对大于20次的天气过程中出现闪电的过程进行对比研究，最终确定了2016年5月2日、6月14日、6月30日、7月26日、7月31日、8月1日、8月7日、8月14日、8月19日为开展雷电预警研究的天气过程，即9个雷暴日，2016年9月11日、2017年4月14日为开展雷电研究方法应用的天气过程。

2.2 大气电场仪数据的获取及处理

本文从oracle数据库中获取了2016年1月—2017年4月的大气电场仪预警事件数据信息，根据确定的9个雷暴日，查询大气电场仪预警事件的数量分别为：5月2日有109个、6月14日有164个、6月30日有123个、7月26日有87个、7月31日有59个、8月1日有103个、8月7日有77个、8月14日有10个、8月19日有50个，共计782个。每个预警事件记录了每部大气电场仪在一定时间段内，测量的最大场强、最小场强、最低预警级别、最高预警级别等信息。

2.3 雷达数据的获取及处理

本文获取了9个雷暴日的雷达基数据，为了避免进行风暴识别的不一致性，本文使用业务化SWAN中的TITAN产品作为提取风暴参数的基础产品。使用的TITAN产品识别风暴的起始数值为35dBz，为业务常规识别风暴的最低值。获取了对应雷暴日的业务运行生成后的TITAN产品，当有缺失的产品时，本文基于bz2格式雷达基数据，利用SWAN历史回放生成TITAN产品。本文解析TITAN产品，可获取风暴体的最大质心强度、最大质心高度、回波顶高等参数。

2.4 时间一致性处理

雷达体扫时间为6 min，TITAN产品间隔也为6 min。闪电定位仪、大气电场仪数据均为有观测实况才有数据，可视为时间序列数据。本文为了统一TITAN与闪电定位仪、大气电场仪数据时间，规定了TITAN产品生成时刻的前3 min和后3 min为统一的时间，在这6 min内的闪电定位仪、大气电场仪数据均视为在同一时间内的数据。

3 雷电预警中风暴参数研究

雷电预警的研究，关键就是要找出风暴体发生时是否有闪电发生。本文基于GIS技术，利用vc编程实现了批量读取闪电定位仪、TITAN数据等，判别了闪电定位仪数据与TITAN识别风暴体的位置关系。当闪电定位仪在TITAN识别区域内发生时，输出TITAN的风暴参数。

本文分别计算了上述9个雷暴日的TITAN参数。9个雷暴日中的TITAN产品数量为2 190个，闪电定位仪记录数据样本数量为9 732条，其中，闪电定位仪记录数据样本数量分别为：5月2日有527条、6月14日有1 207条、6月30日有659条、7月26日有1 344条、7月31日581条、8月1日有1 297条、8月7日有801条、8月14日有1 268条、8月19日有2 048条。

输出发生闪电的风暴参数流程如图1：

图1 发生闪电的风暴参数流程Fig. 1 Lightning storm parameter process

程序运行时，首先读取TITAN数据，获取TITAN数据的时间，读取闪电定位仪数据，获取闪电定位仪数据的时间；TITAN数据时间为北京时，该数据为每6 min生成一个，该数据代表每6 min风暴的实况，可视为时间过程，闪电定位仪时间为GPS时间，记录的是每监测到一次闪电的时间和闪电特征信息，可视为时间序列。统一两类数据的时间，本文规定了TITAN数据前3 min、后3 min为一个6 min时段，该时段内的闪电定位仪监测到的数据被视为与TITAN时段相关的数据，这样程序完成了时间统一化处理。程序接着要判断闪电定位仪数据是否在TITAN区域内，即在统一的时间内，TITAN识别出的风暴边界为闭合的、形状不规则经纬度格点，闪电定位仪数据为仪器监测到数据包含闪电发生的经纬度、强度、电荷值、陡度等，程序基于GIS原理，判别在统一时间内，雷达探测范围内，闪电定位仪监测的闪电经纬度是否在TITAN识别的风暴边界闭合区域内，如果在区域内，程序提取TITAN识别风暴的中心值、中心高度、风暴顶高等参数，作为发生闪电时风暴的指标，如果不在区域内，则继续搜寻雷达探测范围，直到该时次中所有TITAN都与每个闪电判别结束，程序退出。

从以上的雷暴日中，本文提取到了64个发生闪电的风暴指标，绘制出了中心强度与回波顶高、中心高度的关系图(图2)：

图2 中心强度与回波顶高、中心高度的关系图Fig. 2 Relation between center intensity and echo top height and center height

可以看出，风暴中心强度越强，风暴的中心高度缓慢升高，但风暴的顶高明显升高，这也正是风暴发展的一个特征。值得注意的是，2016年5月2日04时12分的风暴中心高度仅1.35 km，该风暴与前一时次风暴中心强度、回波顶高均为同一值，从雷达回放看，该1.35 km中心高度的风暴为前一时次减弱消散，虽然中心高度降低，但还是发生了闪电。不过从青岛5月份0 ℃层高度看，该中心高度低于该月的零度层高度2 708 m。因此，该值从理论上就不作为发生闪电的风暴指标。

从图2中可看出，发生闪电的风暴体的中心强度在40～60 dBz之间的占90.6%，中心的高度在3～7 km之间的占92.2%，回波顶高在4.5～15 km之间的占90.6%。从青岛本站的30 a春季、夏季(1981年3月1日—2010年8月31日)的探空数据统计，可得出青岛春季、夏季北京时08点的0 ℃高度值分别为2 708 m和4 696 m。因此，中心高度在3～7 km已经在0 ℃高度以上，符合雷电生成原理。本文得出，雷电发生的风暴参数为：风暴中心强度在40 dBz以上，中心高度在3 km以上，回波顶高在4.5 km以上。满足以上风暴参数开展雷电预警的虚警率将大大降低。在实际预警业务中，基于雷电发生的风暴参数，结合大气电场仪开展雷电预警，可将雷电预警的预警时间提前。预警流程如下：

图3 基于新一代天气雷达与大气电场仪的雷电预警流程Fig.3 Lightning storm warning process based on lightning device and radar

首先判断TITAN边界与大气电场仪(有效探测范围为15 km)的距离，如果大于15 km，不发雷电预警；如果小于等于15 km，且满足雷电预警风暴指标和电场仪预警阈值(分为一级、二级、三级，预警阈值分别为：0.25 kV/m或0.35 kV/m，0.45 kV/m，0.65 kV/m)，发雷电预警，若不满足雷电预警风暴指标或者电场仪预警阈值，则不发预警。

4 雷电预警的应用

利用形成的雷电预警的风暴指标和预警方法，针对2016年9月11日、2017年4月14日的天气过程开展了预警的风暴指标和预警方法的应用。

2016年9月11日的天气过程中的降雨回波以混合云降雨回波为主，从整个过程来看持续时间长，但回波主体影响青岛市的时间和范围较短。闪电定位仪监测到的闪电记录有726条，正闪数1个，负闪数36个，总闪数37个。大气电场仪监测到的预警事件有69个。按照图3预警流程，计算了发出雷电预警29个，未达到发预警指标的有40个。经实况验证，未达到发预警的40个都是未达到雷电预警的风暴指标导致。

2017年4月14日天气过程的降雨回波以对流性为主，回波主体自西北向东南移动，15时20分—18时15分影响青岛中部地区。闪电定位仪监测到的正闪数18个，负闪数2个，总闪数20个。大气电场仪监测到的预警事件有41个，从天气过程影响时段看，大气电场仪监测到的41个预警事件中，仅有33个事件在强对流回波经过青岛的时段，其余8个预警事件分别为14日凌晨和14日夜间，青岛地区上空无雷达回波的时段。按照图3预警流程，计算了发出雷电预警16个，未达到发雷电预警指标的有17个。经与实况验证，未达到发预警指标的17个中，有9个不满足雷电预警的风暴指标、并且超过了大气电场仪有效探测范围15 km，3个虽满足雷电预警的风暴指标、但超过了大气电场仪有效探测范围15 km，5个虽在大气电场仪的有效探测范围15 km内、但未满足雷电预警的风暴指标。

可见，加入本文的雷电预警风暴指标可以更好地减少非风暴产生的电场预警，从雷达回波分析，这些电场预警有些是弱的层状云过境导致，还有一些是非降水回波导致。

5 小结

①本文采用TITAN技术，结合闪电定位仪、大气电场仪，提取了青岛地区雷电预警中的风暴参数，即发生闪电的雷电预警指标需同时满足风暴中心强度在40 dBz以上，中心高度在3 km以上，回波顶高在4.5 km以上；从而形成了青岛地区基于雷达与大气电场仪开展雷电预警的新方法。

②经过应用验证，新的雷电预警方法可降低非风暴产生的电场预警、减少大气电场仪的虚警率，可有效提高雷电预警的准确性，并在一定程度上为青岛地区开展雷电预警提供依据。

③本文仅针对发生雷电的风暴进行了雷电预警研究，研究成果尚存在不足，非风暴的雷电预警指标未开展，还有待进一步开展相关的研究工作。

[1] 刘波，李艳，武斌等.黔中地区大气平均电场特征分析及小波技术的应用[J].贵州气象,2013,37(1):21-24.

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StudyonStormParametersinLightningWarning

SUN Qi1,2, YANG Fan2,3, LI Bo1,WANG Zhonghu1,WANG Xinmei3

(1. Chengyang Meteorological Administration of Qingdao, Qingdao 266109， China；2. Qingdao Meteorological Disaster Prevention Engineering Technology Research Center, Qingdao 266003, China；3. Qingdao Weather Bureau, Qingdao 266003, China)

At present, most cities in China have built the atmospheric electric field mill in order to improve the efficiency of lightning warning, but the false alarm rate based on the atmospheric electric field mill is always higher. Based on lightning device and radar echo data, this paper extracted the lightning storm in effect at the time of the parameters, namely, the occurrence of lightning early-warning index needs to meet the storm intensity at the same time in more than 40 DBZ, center height in more than 3 km, high echo top above 4.5 km, again on this foundation combined with atmospheric electric field instrument amplitude threshold, thus formed based on lightning locator, radar, a new lightning warning method of atmospheric electric field instrument. It can effectively reduce the false alarm rate of atmospheric electric field instrument and for lightning orientation, the radar, atmospheric electric field data in the lightning warning research, it provides certain reference value for application.

lightning locator;atmospheric electric field mill；TITAN

1003-6598(2017)05-0072-04

2017-04-05

孙琪(1981-)，女，工程师，主要从事雷电预警研究工作,Email: qdqxsunqi@163.com。

青岛市气象局面上课题(2015qdqxm06)：基于新一代天气雷达与大气电场仪在雷电预警中的研究。

P446

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