基于成都雷达资料的雷电预警指标研究

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）＊摘要：利用成都CINRAD/SC型天气雷达资料和四川省云地闪监测网观测资料，对成都市2018-06—2018-09对流性天气过程中雷电活动和雷达回波强度、回波顶高和垂直累积液态水含量进行相关性分析，得出适合于成都市的雷暴预警指标因子——回波强度35dBz突破﹣10℃高度层，回波顶高（ET）大于10km，垂直液态水含量VIL大于0kg/m2。关键词：雷达回波；雷电数据；雷电预警；指标中图分类号：P427.3文献标志码：ADOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2021.14.027103.83°E，纬度为30.70°N，海拔高度为539.3m；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548.9m。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35dBz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

预警指标编号

123456

回波强度/dBz

303540303540

温度高度层/℃

﹣10﹣10﹣10﹣15﹣15﹣15

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40dBz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30.6°N，海拔高度为5m；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——————————————————————————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.com.cn. All Rights Reserved.＊［基金项目］高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室科技发展基金项目青年专项（编号：SCQXKJQN2020055）资助·66·2021年第14期

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30dBz、35dBz、40dBz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，30dBz回波顶高几乎都能通过﹣10℃高度层，35dBz、40dBz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30dBz回波顶高能突破﹣10℃高度层的单体很少，40dBz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35dBz、40dBz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52.5dBz，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7675m，﹣15℃高度为8503m。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。13：37，30dBz突破﹣10℃高度层，预警提前时间为25min。ScienceandTechnology&Innovation┃科技与创新13：42，30dBz突破﹣10℃及35dBz突破﹣15℃高度层，预警提前时间为20min。雷电预警检验表如表2所示。表2雷电预警检验表

预警情况实际情况

有雷暴无雷暴总数有雷暴XZX+Z无雷暴YWY+W总数

X+Y

Z+W

X+Y+Z+W

成功预警率（POD）为：POD

X

XY（1）预警虚报率（FAR）为：FAR

ZXZ（2）临界成功指数（CIS）为：CSI

XXYZ（3）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

回波强度/dBz

﹣10℃

﹣15℃PODFARCSIPODFARCSI300.990.290.690.970.310.67350.980.200.790.910.160.7840

0.94

0.13

0.78

0.75

0.08

0.70

综合考虑不同的预警指标，选取CSI较大的值即是：35dBz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10km，而非雷暴单体的回波顶高都没超过10km，用ET=10km作为预警指标，预警提前时间都在20min以内。用雷电预警检验方法对ET=10km作为预警指标进行检验，分析结果如表4所示。表4ET=10km预警检验POD

FARCSIET=10km

0.98

0.03

0.92

因此本课题选取ET=10km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25kg/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0kg/m2。3结论利用探空数据，通过对2018-06—2018-09对流性天气过·67·.com.cn. All Rights Reserved.科技与创新┃ScienceandTechnology&Innovation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35dBz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10km，用ET=10km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0kg/m2。参考文献：［1］陈渭民.雷电学原理［M］.北京：气象出版社，2003.［2］肖艳姣，刘黎平.新一代天气雷达网资料的三维格点化及拼图方法研究［J］.气象学报，2006，（5）：7-657.［3］LHERMITTER，KREHBIELPR.Dopplerradarandradioobservationofthunderstorms［J］.IEEEtransgeoscielectron，1979，17（4）：162-171.［4］BRANDONRV，LAERENCEDC，SCHNEIDERD，etal.Usingwsr-88dreflectivityforthepredictionofcloud-to-groundlightning；acentralnorthcarolinastudy［J］.Nationalweatherdigest，2003（27）：35-44.［5］孟青，张义军，吕伟涛，等.雷电临近预警系统的运行［6］石玉恒，张义军，郑栋，等.北京地区雷暴的雷达回波特征与闪电活动的相关关系［J］.气象，2012，38（1）：66-71.2021年第14期

［7］黄钰，曾勇，周苑，等.一次强对流天气过程的闪电与雷达回波特征分析［J］.中低纬山地气象，2018，42（4）：37-42.［8］居丽玲，牛生杰，陈连友.一次致灾雷暴过程的闪电雷达回波特征分析［J］.气象科技，2011，39（4）：429-437.［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］王飞.雷达资料在北京地区雷电预警中的应用研究［D］.北京：中国气象科学研究院，2007.［11］魏雪，黄兴友，孙伟，等.基于雷达资料的雷电特征分析及预警［J］.气象与环境科学，2011，34（3）：31-36.［12］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.［13］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力过程的关系研究［J］.大气科学，2010，34（1）：95-104.［14］王娟，谌芸.2009—2012年中国闪电分布特征分析［J］.气象，2015，41（2）：160-170.————————作者简介：吴容（1985—），女，研究生，工程师，科员，主要从事雷电防护及雷电监测预警工作。〔编辑：王霞〕.com.cn. All Rights Reserved.试验［J］.气象，2009，35（4）：20-24.—————————————————————————————————————————————————————（上接第63页）交通系统优化方法［J］.交通与运输，2019，32（Suppl1）：212-217.［6］张晟，林耕.我国当代人文主义城市规划若干问题的思考［J］.工业建筑，2013，43（12）：62-65.［7］熊文，陈小鸿，胡显标，等.城市干路行人过街设施选型研究［J］.城市交通，2013，11（1）：49-59.［8］王元春，吕廷天，林锐欣.人行过街设施的创新设计探讨［J］.价值工程，2018，37（4）：111-112.————————作者简介：黄灿军（1975—），男，湖北黄梅人，博士研究生，副教授，研究方向为机械设计及理论。〔编辑：丁琳〕—————————————————————————————————————————————————————（上接第65页）环境实施监测及预警，有针对性提出优化完善方案。系统优化完善以来运行正常，科学指导运营管理，极大提高了桥梁管理科技水平，对保证桥梁正常运营具有重要的意义。参考文献：［1］邢丹丹，欧阳歆泓，张宇峰，等.安庆长江公路大桥健康监测系统研究与设计［J］.现代交通科技，2016（5）：〔编辑：严丽琴〕48-50.————————作者简介：曹少杰（1986—），男，山西运城人，2008年毕业于山西交通职业技术学院路桥专业，工程师。·68·