淄博市雷电灾害预报预警方法研究

2018-09-20张秀青陆苗曾麒麟

现代农业科技 2018年12期

张秀青陆苗曾麒麟

摘要利用多普勒雷达资料、NCEP/NCAR再分析资料及探空资料，分析淄博市雷电灾害的预警预报方法。结果表明，35、40 dBZ回波强度顶高分别突破-10、-15 ℃等温度高度层，对雷电预警效果较好。雷电活动均发生在垂直累积液态含水量为20～50 kg/m3的區间，可将其作为判断雷暴发生的充分条件，回波顶高>10 km是预警雷电发生的一个较好的指标。本文归纳出雷电预警流程，并选取4次强对流天气过程进行效果检验，发现该流程在雷暴天气中具有较好的预警效果。

关键词雷电灾害；预报预警；雷达；山东淄博

中图分类号 P456 文献标识码 A 文章编号 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

雷暴是一种重要的灾害性天气，雷电会引起森林火灾、电信部门通讯中断、电网损坏、交通运输中断、油气管道爆炸及人员伤亡事故等，对国家及人民的生命财产安全造成重大损失。目前，许多发达国家建立了区域雷电监测预警业务，并开发出了多普勒天气雷达（WSR-88D）监测产品进行雷电预警预报[1-3]，提出了用雷达观测信息制作雷电短时预警的具体指标。我国推广应用国外云物理模式及新一代天气雷达回波资料开发了基础雷电预警系统，但其预警效果及兼容性仍存在一定局限性。目前，国内外对雷电灾害的研究越来越深入，国内各省级气象台已经开展了雷电灾害的监测预警工作。基于天气雷达的雷电临近预报预警工作，许多学者己做了大量的研究，并取得诸多有意义的结果[4-7]。

淄博市地形复杂，南部山区，中部丘陵，北部平原，呈南高北低之势。强对流天气受地形影响，其发生具有特殊性，雷电预警指标也与其他地市有所不同。本文结合淄博市实际强对流天气特征，对比分析雷暴天气的雷达回波和闪电活动的相关特性，以期寻找适合淄博市的雷电预警指标。

1资料与方法

1.1 资料来源

本文选取为2014年和2015年5—8月淄博市24次降水过程中的单体个例，1个雷达观测时间间隔中出现的单体为1个单体，雷达观测时间间隔为5～6 min，24次过程共有28个单体，其中雷暴单体（发生闪电的单体）10个和非雷暴单体（未发生闪电的单体）18个（表1）。

1.2 研究方法

通过分析雷达回波物理量参数与雷电活动区对应关系，将预警情况分为以下3类。A：预警有雷暴，实况有雷暴；B：预警有雷暴，实况无雷暴；C：预警无雷暴，实况有雷暴。

成功预警率（POD）表示在实况观测中，雷电预警成功的百分比，数值越大越接近成功预警；预警误报率（FAR）表示在雷电预警中误报的百分比，数值越小越接近成功预警，其计算公式如下：

2 结果与分析

2.1 闪电与回波强度的关系

本文依据淄博地区的地理位置和气候特征，将雷达数据插值得到各个等高面位置，高度为1～19 km，间隔1 km，读取济南探空站T-logP图中特征等温度高度。比较各层回波高度与特征等温度高度层，然后根据闪电定位资料地闪发生时间和位置统计预警效果，从中提取一个最好的指标。

通过分析28个单体的不同雷达回波强度高度达到 -10、-15、-20 ℃等温度高度层的比例（图1），可以看出突破 -10、-15、-20 ℃等温度高度层的单体回波强度均<5 dBZ。30 dBZ雷暴单体回波强度顶高均>-10 ℃等温度高度层，非雷暴单体与雷暴单体随雷达回波的增强，突破-10 ℃的比例均逐渐减少。在35 dBZ回波强度处雷暴单体和非雷暴单体之间的差异才最为明显。对于-15 ℃等温度高度层，25 dBZ雷暴单体顶高均能突破该层。30、35、40 dBZ雷暴单体能突破-15 ℃等温度高度层的比例逐渐减少，二者较大的区别在40 dBZ，突破该层的非雷暴单体数量为0，但雷暴单体数量达15%。-20 ℃等温度高度层趋势与前2层一致，雷暴单体与非雷暴单体随回波强度增大，突破该层的单体减少。

通过检验计算（表2）可知，检验结果随着突破各层回波强度阈值的增大而减小。在回波阈值一致的情况下，检验结果随着等温度高度层的增高而降低。说明回波阈值越小、成功率越高。将回波强度阈值设置得越小，即范围设置越大，POD值越高，成功率越大，但误报率也相应增高。当等温度层越高，FAR减小，误报率也越小。因此，最合适的预警指标必须权衡POD、FAR的不同表现。由表2可知，35 dBZ回波强度顶高突破-10 ℃、40 dBZ回波强度顶高突破-15 ℃的指标预警效果较好，POD分别为98%、94%，FAR分别为20%，13%。

2.2 闪电与垂直累积液态含水量的关系

垂直累积液态含水量（VIL）表征在降水云团中某一确定底面积的垂直柱体内液态水总量分布，反映了反射率因子的垂直累积，代表了风暴的综合强度，VIL值随着反射率因子的增强而增强，是判别强降水及其降水潜力、强对流天气造成的暴雨、暴雪和冰雹等灾害性天气的有效工具之一[8-9]。

本文利用雷达PUP垂直累积液态含水量产品统计了28个个例的分布情况（表3）。雷暴单体与非雷暴单体的垂直累积液态含水量区别较大，雷暴单体VIL为15～50 kg/m3，非雷暴单体VIL分别有1个位于25～30 kg/m3与35～40 kg/m3。由于闪电的形成需要产生大量的冰相粒子与电荷，水汽含量过高或过低都对电荷的产生不利，VIL需处于适当的值，预警中VIL不适于过小或过大。通过统计表明，VIL在20～50 kg/m3之间可作为雷暴发生的指标。

2.3 闪电与雷达回波顶高的关系

回波顶高（ET，Echo Tops）产品显示海平面以上回波强度值等于某一门限值（目前设定为回波≥18.3 dBZ）时对应的最高高度，是应用体积扫描获取的三维分布数据制作而成。通过回波顶高产品可以清晰地看出回波发展、演变过程中其顶部的分布特征。对流的强弱在一定程度上与回波伸展的高度有关，因而ET产品能反映降水过程的发展情况，分析估计雷达探测范围内不同地区的对流发展与否以及对流相对强弱的情况[10]。

通过统计不同雷达回波顶高对应雷暴单体和非雷暴单体个数（表4）可知，雷暴单体回波顶高基本位于10～12 km与12～15 km，分别为10、7个；非雷暴单体回波顶高基本位于5～7 km与7～10 km，分别为4、5个。雷暴单体回波顶高明显高于非雷暴单体回波顶高，表明回波顶高为闪电发生的一个重要条件。根据统计结果，可将10 km作为雷暴发生的指标。通过检验结果发现，10 km回波顶高对应的POD为93%，FAR为7%，可以将其作为雷电预警的指标。

3 预警流程分析

通过以上分析，将影响淄博地区雷电发生的预警因子归纳为回波强度、垂直累积液态含水量和回波顶高。具体预警分析步骤如下：一是查看特征回波高度的等温度高度层，获取-10、-15 ℃等高度层高度，判断35、40 dBZ回波强度是否突破了-10、-15 ℃等高度层，若突破，则判定发生雷电；二是通过查看回波顶高，判断其是否>10 km，若满足，则判定发生雷电；三是判断垂直液态水含量是否在20～50 kg/m3，作为判断发生雷电的充分条件。

4 个例检验

为检验上述流程效果，本文选取了2016年6—7月淄博市的4次强对流天气过程，从中挑选出5个对流单体作为独立检验样本，其中包括3个雷暴单体和2个非雷暴单体。由表5可知，根据雷电预警方案识别出雷暴单体4个、非雷暴单体1个。通过闪电定位资料的实际对比检验，发现识别出的雷暴单体中有1个单体未发生闪电，其误报原因可能是探空站位于济南，与淄博地理位置不同，其等温度层高度与雷暴发生时等温度层高度存在误差。因此，从检验结果来看，预警流程在雷暴天气有较好的预警效果。

5 结论

选取2014年与2015年5—8月淄博市发生的24次降水过程和28个单体个例，通过分析雷达回波参数与闪电活动之间的对应关系，提取可靠的指标，建立了雷电预警流程，并进行效果检验，其结果如下。

（1）通过分析28个单体的不同雷达回波强度高度达到 -10、-15、-20 ℃等温度高度层的比例，发现35、40 dBZ回波强度顶高分别突破-10、-15 ℃等高度层的雷电预警效果较好。

（2）通过分析雷电活动与垂直液态水含量之间的关系，发现雷电活动均发生在VIL为20～50 kg/m3，可将其作为判断雷暴发生的指标。

（3）通过统计不同雷达回波顶高与雷电活动之间的关系，表明回波顶高>10 km是预警雷电发生的一个较好的指标。

（4）总结雷电预警流程，利用2016年6—7月淄博市4次强对流天气过程进行效果检验，发现该流程在雷暴天气中具有较好的预警效果。

6 参考文献

[1] NEUMANN C J.The thunderstorm of forecasting at the Kennedy Space Center[J].J，APPI.Meteor，1990，10：921-936.

[2] FALCONER P D.A radar-based limatology of thunderstorm days across New York State[J]. Journal of Applied Meteorology，2010，23（7）：1110-1114.

[3] EASTERLING D R.Persistent patterns of thunderstorm activity in the central united states[J].Journal of Climate，2009，3（12）：1380-1389.

[4] 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.

[5] 刘敏，王宁，张硕.吉林省雷电雷达回波特征分析及预警指标[J].吉林气象，2007（4）：2-4.