新一代天气雷达产品在雷电业务中的应用

戴劲 邓洁琼 何宁 林明丽 尹宝蓉

摘 要：本文主要研究基本反射率因子、回波顶高、垂直累积液态水含量以及径向速度等雷达产品与雷电预报因子的相关性。结果表明：40 dBZ强度回波伸展高度≥7.5 km是区分单体是否发生闪电的一个重要预警指标;雷达回波顶高与闪电的发生之间具有较好的相关性;垂直累积液态水含量（VIL）可以表征的对流强弱对雷电预警具有一定程度的指示作用。

关键词：基本反射率因子;回波顶高;垂直累积液态水含量;径向速度

中图分类号：P416文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）16-0132-03

Abstract： This paper mainly studied the correlation between radar products such as basic reflectivity factor， echo top height， vertical cumulative liquid water content and radial velocity and lightning prediction factors. The results show that the extension height of 40 dBZ echo ≥ 7.5 km is an important early warning index to distinguish whether lightning occurs in a single building; There is a good correlation between the top height of radar echo and the occurrence of lightning; Vertical cumulative liquid water content （VIL） can characterize the convective intensity， which can indicate the lightning early warning to a certain extent.

Keywords： basic reflectance factor;echo top height;vertical cumulative liquid water content;radial velocity

雷電作为一种自然灾害，影响范围越来越广，给各行各业带来的损失也越来越严重。湘潭市位于衡山山脉的小丘陵地带，每年都有不同程度的雷击事故发生，属多雷区，每年以春、夏两季出现雷暴的频数最多，雷暴多发生在4月、7月、8月，给人民群众生命财产造成重大损失。因此，准确地做出雷电预警，减少雷电灾害所带来的损失尤为重要。

目前，国内外已经对雷电监测预警做了大量研究，并且部分研究成果已在实际工作中有所体现。许爱华等通过对闪电定位、多普勒雷达、天气形势、卫星云图等资料进行分析，指出雷电发生的重要依据是雷达回波径向速度场上的“零值线”、雷达回波上的回波合并与高层强回波区以及水汽云图上的强水汽累积区等特征[1]。张义军等开发了雷电监测和预警系统，该预警系统可以给出0～2 h可能发生雷电的区域及雷电发生概率[2]。冯桂力等通过研究发现，在雹云的不同时期，正闪电频数和负闪电频数随着雹云的发展而呈现有规律的变化，通过研究雷达回波、云图和雷电三者之间的配置关系以及多种短期预报方法的集成，建立了3～6 h雷暴临近预报流程[3]。

湘潭新一代国家天气雷达站自2018年投入业务运行以来，本地的预报预警工作有了进一步发展，特别是对流性天气的短临预警有了很大提升。本文通过分析雷达产品和雷电预报因子的相关性，来提高雷电预警预报的准确率。

1 资料和方法

本文所用资料为闪电定位系统数据，雷达产品资料采用基本反射率因子、回波顶高、垂直累积液态水含量、径向速度，提取出2019年以来5次典型雷电灾害和5次暴雨过程，将这10次个例组合反射率（CR）≥35 dBZ的回波定义为回波单体，并从10次对流云团中抽取96个单体样本。通过对这些过程的雷达、闪电、探空资料进行对比分析，找出雷暴天气的雷达产品特征，提取出雷电发生整个过程中雷达产品特征值的变化规律。考虑到闪电定位仪存在误差，因此，判定对应闪电发生区域出现3次及以上的单体为雷暴单体，即认为是发生雷电的单体。

2 湘潭市雷电预警预报因子分析

2.1 雷电与反射率因子的关系

雷达回波向上发展的高度在一定程度上决定了对流云团的强弱，因此，利用不同强度的雷达回波伸展到不同温度层高度，可以研究对流云团中雷暴单体的强弱和发展变化情况，云顶越高，对流发展就越强[4]。

本文选取了10次对流过程的96个回波单体样本作为研究对象，在回放雷达基数据时，对基本反射率进行垂直剖面，得到50号反射率垂直剖面产品（Vertical Cross Section，VCS）（图略），然后对反射率垂直剖面产品进行分析，逐个对比分析雷暴单体40 dBZ强度回波所能伸展到的高度，最终对比发现：对于96个雷暴单体，闪电发生时其40 dBZ强度回波大部分都伸展在7.5 km以上。因此，7.5 km是区分单体是否发生闪电的一个重要预警指标，这也与业界学者的研究基本一致[5]。

2.2 雷电与回波顶高的关系

41号产品回波顶高（Echo Tops，ET）显示了海平面以上回波强度值等于某一门限值时对应的最高高度，通常情况下，产生闪电的雷暴单体发展的高度比较高，这是因为对流的强弱与回波顶高关系比较密切，回波发展的高度是产生闪电的先决条件。一般情况下，回波顶高较高说明上升气流强;反之，回波顶高低则说明上升气流弱，弱的上升气流不利于产生雷电。不同回波顶高的雷暴单体个数如表1所示。

统计分析本文研究所采集的96个回波单体的回波顶高和区间值分布情况，其回波强度最大值一般都超过40 dBZ，回波顶高超出8 km的有86个（占89.6%），低于8 km的有10个（占10.4%）。回波顶高超过8 km的雷暴单体，其顶高主要位于8～14.9 km，回波顶高低于8 km的主要位于5～7.9 km。这一统计结果验证了闪电的发生与雷达回波顶高之间具有较好的相关性，回波垂直发展的程度与闪电密切相关，云顶越高，上升气流越强，就更容易发生闪电。

2.3 雷電与垂直累积液态水含量的关系

垂直累积液态水含量（Vertically Integrated Liquid，VIL）表示将反射率因子转换为等价的液态水值，反映的是反射率因子的垂直累积。偏大的垂直累积液态水含量反映出云中含有较大的降水粒子，说明对应区域的对流发展比较旺盛，垂直上升运动强烈且水汽充足，因此，可将垂直累积液态水含量（VIL）作为判别强对流天气造成的暴雨、暴雪及冰雹等灾害的有效工具之一。但垂直累积液态水含量（VIL）对于雷电的预警意义，目前业内学者们尚存一些分歧。

笔者认为，垂直累积液态水含量（VIL）与雷电的发生并没有直接关系，但可以表征的对流强弱对雷电预警具有一定程度的指示作用。本文通过对96个雷暴单体样本的垂直累积液态水含量（VIL）值进行逐个对比分析，得出如表2所示的结果。从表2来看，96个雷暴单体中，单体垂直累积液态水含量（VIL）值在10～70 kg/m2的占88.5%。一般来说，当垂直累积液态水含量（VIL）大于10 kg/m2时，出现雷电的可能性较大。可见，湘潭市出现雷电的可能性较大。

2.4 雷电与径向速度的关系

从部分径向速度产品（多普勒速度场）可以看到，同一种方向的速度区中出现相反方向的速度区，即正（负）速度区中包含小块的负（正）速度区，被包含的区域称为逆风区。逆风区一般出现在春末和夏季，6月、7月、8月出现的频率比较高。这主要是因为6月、7月、8月出现的对流性天气较多，而逆风区一般就出现在这些强对流云团中。10月至次年3月一般不会出现强对流天气，多数情况为大面积降水（雪），并且降水强度也不大，所以这些月份存在逆风区的可能比较小。

统计分析本文的96个雷暴单体的径向速度产品，并从中挑选了52个逆风区，其中41个逆风区所在地发生了闪电，这说明逆风区的出现与雷电活动存在较好的对应关系。同时，对比逆风区出现的时间和闪电发生的时间会发现，逆风区的出现时间与闪电的出现时间相比有一定的提前量，提前量不固定，几分钟到几十分钟不等。进一步将逆风区的出现与自动站降雨量进行对比发现，逆风区出现的地方降雨强度都比较大，但累计降雨量却不一定大，这与逆风区的移动速度快慢有关。

3 结论

本文分析了雷达产品与雷电预报因子的关系，得出以下结论。

①对于96个雷暴单体，闪电发生时其40 dBZ强度回波大部分都伸展在7.5 km以上。因此，7.5 km是区分单体是否发生闪电的一个重要预警指标，这与业界学者的研究基本一致。

②分析单体的回波顶高，回波顶高超出8 km的占89.6%，低于8 km的占10.4%。回波顶高超过8 km的雷暴单体，其顶高主要位于8～14.9 km，回波顶高低于8 km的单体，其顶高主要位于5～7.9 km。这一统计结果验证了闪电的发生与雷达回波顶高之间具有很好的相关性，回波垂直发展的程度与闪电密切相关。

③湘潭市雷暴单体的垂直累积液态水含量（VIL）值基本都在10 kg/m2以上。

由于本文分析的仅仅是近几年发生在湖南省湘潭市的雷电与雷达产品的相关性，再加上雷电的发生与地域、气候关系较大，不同地区的雷电预警指标必然各不相同，因此本文的研究结论缺乏广泛的代表性。

参考文献：

[1]许爱华，马中元，郭艳，等.7·17庐山雷击事件分析[J].气象，2003（6）：35-38.

[2]张义军，孟青，马明，等.闪电探测技术发展和资料应用[J].应用气象学报，2006（5）：611-620.

[3]冯桂力，边道相，刘洪鹏，等.冰雹云形成发展与闪电演变特征分析[J].气象，2003（3）：33-37.

[4]李南，魏鸣，姚叶青.安徽闪电与雷达资料的相关性分析以及机理初探[J].热带气象学报，2006（3）：265-272.

[5]宫翠凤，宫新春.浅谈威海市新一代天气雷达站的雷电防护措施[J].农业灾害研究，2019（6）：3.