基于成都雷达资料的雷电预警指标研究＊

吴 容，余海蓉，张婧雯，魏 庆

（四川省防雷中心，四川 成都610072）

雷电作为强对流天气（雷暴）的产物之一，是由带电荷的积雨云层内部、云层与云层之间或者云层与大地之间产生的一种长距离瞬间放电现象，具有大电流、高电压、强电磁辐射等特征[1]。随着信息技术的快速发展，雷电引起的危害显著增加，产生的社会影响也越来越大。为了将雷电造成的损失降低，需要准确地预报雷电发生的时间和地点，国内外学者对雷电活动的研究已经取得了很多重要并且有意义的结果。天气雷达具有高时空分辨率[2]，是对雷暴观测的最佳手段，因此研究雷电活动和雷达回波特征之间的关系对雷电的预警预报具有重要的意义。LHERMITTE等发现充电活动的开始气流与上升气流的发展比较一致，集中于-15～-10℃的区域[3]；BRANDON等研究认为-10℃温度高度处40 dBz回波强度是初次闪电发生的最佳预测因子[4]；孟青等利用温度层上的回波阈值并结合闪电定位资料对未来雷暴进行预警[5]；石玉恒、黄钰、居丽玲、王飞、魏雪等对不同雷暴的雷达回波特征做相关性分析，找出雷暴预警指标[6-11]；黄延刚、刘冬霞等研究得出在雷暴云成熟和消散阶段正负闪电分布区与雷达回波强度区域有一定对应关系[12-13]。由于不同省市地区的气候特征与地理特征不同[14]，对雷电预警指标的因子有一定的影响，所以本课题基于成都市的气候特征，加入探空资料对雷电活动与雷达回波特征进行相关性分析，从而确定成都市雷电预警指标。

1 数据来源

数据来源为成都市2018-06—2018-09对流性天气过程中的雷达资料、闪电资料和探空资料。雷达资料来源于四川成都CINRAD/SC型天气雷达，经度为104.016°E，纬度为30.664°N，海拔高度为589 m；闪电数据为四川省云地闪监测网观测资料中成都的闪电数据，监测站点为温江，经度103.83°E，纬度为30.70°N，海拔高度为539.3 m；探空资料为温江观测站的常规探空数据，经度为103.52°E，纬度为30.45°N，海拔高度为548.9 m。

天气过程中的个例选取：分别选取2018-06—2018-09每个月中的一次对流性天气过程，时间分别为2018-06-29—06-30，2018-07-01—07-03，2018-08-21—08-22，2018-09-04—09-06。对这些过程中的雷暴单体与非雷暴单体进行识别与统计：读取天气过程中的雷达数据（组合反射率，CR），以每个体扫数据为单体样本，将组合反射率因子大于等于35 dBz的回波确定为一个单体，并且考虑到闪电数据的位置精度问题，将在闪电区域出现的单体确定为雷暴单体，其他的则为非雷暴单体，对以上天气过程中的数据进行处理分析，共计雷暴单体为45个，非雷暴单体为18个。

2 雷电活动与雷达回波特征的关系

通过对雷达产品和探空资料的分析，本课题提出6个雷电预警的回波强度随高度分布的特征量，与风暴特征相关的回波顶高（ET）以及垂直液态水含量（VIL）作为可选的雷电预警指标，并对这些指标进行检验，分析出适合成都市雷电预警预报的指标。

2.1 雷电与雷达回波强度的关系

不同温度高度层对应的回波强度指标如表1所示。

表1 不同预警指标

探空数据每天只有2个数据，分别为08：00和20：00各一个数据，通过对高度与温度有效数据进行线性插值，计算出-10℃与-15℃对应的海拔高度值。

通过对回波等高平面位置显示产品（CAPPI）上30 dBz、35 dBz、40 dBz雷达回波在单体发展过程中的统计，并且结合雷暴与非雷暴单体生成当天的探空数据中-10℃、-15℃高度层进行分析，30 dBz回波顶高几乎都能通过-10℃高度层，35 dBz、40 dBz回波顶高突破-10℃高度的雷暴单体比例逐渐降低。而非雷暴单体中30 dBz回波顶高能突破-10℃高度层的单体很少，40 dBz回波顶高突破-10℃高度的非雷暴单体没有。对于-15℃高度层，结果与-10℃高度层差不多，但是雷暴单体数量都减少，而35 dBz、40 dBz没有突破该温度层高度的非雷暴单体。个例分析如下。

都江堰在2018-06-29T13：33形成雷暴单体，单体组合反射率（CR）强度最大为52.5 dBz，如图1所示。

图1 都江堰CR图

图2 为该时间段雷暴形成与消亡内的闪电数据，通过当日探空数据插值所得，-10℃高度为7 675 m，-15℃高度为8 503 m。

图2 闪电数据

通过分析26个体扫数据（2018-06-29T13：33—15：24），本次雷暴过程初闪时间为14：02：25。分析结果如下。

13：37，30 dBz突破-10℃高度层，预警提前时间为25 min。

13：42，30 dBz突破-10℃及35 dBz突破-15℃高度层，预警提前时间为20 min。雷电预警检验表如表2所示。

表2 雷电预警检验表

成功预警率（POD）为：

预警虚报率（FAR）为：

临界成功指数（CIS）为：

用该方法对表1中的预警指标进行检验，结果如表3所示。

表3 不同指标预警结果检验

综合考虑不同的预警指标，选取CSI较大的值即是：35 dBz突破-10℃温度高度层作为本课题的预警指标。

2.2 雷电与回波顶高（ET）的关系

通过对45个雷暴单体与18个非雷暴单体在对应时间范围内（雷暴单体区域内首次出现闪电时对应的前一个雷达体扫）的最大回波顶高进行统计分析，结果为：雷暴单体发生初闪的时候回波顶高几乎都高于10 km，而非雷暴单体的回波顶高都没超过10 km，用ET=10 km作为预警指标，预警提前时间都在20 min以内。用雷电预警检验方法对ET=10 km作为预警指标进行检验，分析结果如表4所示。

表4 ET=10 km预警检验

因此本课题选取ET=10 km作为成都市雷电预警指标值。

2.3 雷电与垂直液态水含量（VIL）的关系

通过对雷暴单体与非雷暴单体在对应时间范围内（雷暴单体区域内首次出现闪电时对应的前一个雷达体扫）的VIL统计分析，结果为：雷暴单体与非雷暴单体没有明确的分界线，并且初闪发生前的雷暴单体的VIL几乎都小于25 kg/m2。因此垂直液态水含量VIL可以作为一个判别条件，当预警闪电发生时，VIL大于0 kg/m2。

3 结论

利用探空数据，通过对2018-06—2018-09对流性天气过程中的雷暴单体与非雷暴单体与雷达回波特性进行相关性分析，结果如下：①通过对6个不同预警指标的检验结果可知，选取CSI值为0.79的回波强度35 dBz突破-10℃温度高度层作为成都市雷电预警指标，预警的范围几乎在雷电活动范围内；②从雷电活动和回波顶高（ET）的对应关系分析可知，雷暴单体发生初闪的时候回波顶高（ET）几乎都高于10 km，用ET=10 km可单独作为雷电预警指标；③从雷电活动和垂直液态水含量VIL相关性分析可知，VIL可以作为一个判别条件，当预警闪电发生时，VIL大于0 kg/m2。