雷達(dá)資料在河南省夏季雷電臨近預(yù)報中的應(yīng)用研究

楊美榮

（河南省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，鄭州 450003）

強(qiáng)對流天氣產(chǎn)生的地閃、強(qiáng)降水、冰雹以及大風(fēng)常常對人們的生產(chǎn)和生活帶來不利影響，故對強(qiáng)對流天氣的研究一直是氣象領(lǐng)域的研究重點. 有研究發(fā)現(xiàn)：閃電數(shù)量與強(qiáng)對流天氣之間存在一定的相關(guān)關(guān)系［1-7］，閃電頻數(shù)越高，雷暴頂高也會相應(yīng)增高，二者之間存在5次方函數(shù)關(guān)系［8］；對流單體的最大雷達(dá)反射率垂直廓線可以很好地指示對流單體的閃電頻次和對流發(fā)展強(qiáng)度，對流單體總閃電頻次與冰相降水含量的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.92［9］；45～55 dBZ回波是最有利于地閃發(fā)生的區(qū)域［10］，地閃頻次與45 dBZ回波面積相關(guān)系數(shù)為0.89［11］.

以往的研究多是針對整個雷暴發(fā)展過程中閃電活動與雷達(dá)參量的關(guān)系，而專門針對雷暴初始閃電階段的研究還很少. 王飛等［12］分析了北京地區(qū)20個雷暴單體，發(fā)現(xiàn)雷暴單體從25 dBZ回波出現(xiàn)到35 dBZ回波厚度變化率達(dá)到極值的時間差，與雷暴最早的云閃與最早的地閃之間的時間差存在一定的線性關(guān)系. 王晨曦［13］發(fā)現(xiàn)地閃起始和地閃結(jié)束時的雷暴動力條件差異顯著. 由于不同區(qū)域的氣候特征有差異，雷電預(yù)警的指標(biāo)也不相同，故有必要對不同區(qū)域的雷暴進(jìn)行針對性地研究. 本研究選取河南省2018年夏季25次對流單體過程，對比分析不同對流單體的雷達(dá)回波差異，尋找初始閃電的臨近預(yù)報指標(biāo)，希望對強(qiáng)對流天氣預(yù)報和雷電預(yù)警工作提供參考.

1 資料來源及處理

閃電資料來源于河南省三維閃電探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)于2017年投入使用，全省共13個測站. 系統(tǒng)通過接收閃電輻射的VLF/LF脈沖信號，采用TOA定位方法，實現(xiàn)閃電VLF/LF輻射源的時間、位置、高度、強(qiáng)度及極性等主要參數(shù)的觀測，提高了定位精度與探測效率，全面探測云閃、地閃及閃電高度. 三維閃電探測系統(tǒng)在全國建成以來，已有專家學(xué)者對它的探測性能進(jìn)行了檢驗. 田彩霞等［14］利用江蘇省三維閃電探測系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，閃電定位位置和高度與雷達(dá)回波圖總體一致，水平定位誤差小于300 m，高度定位誤差小于500 m. 朱傳林等［15］研究湖北省三維閃電探測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)：湖北省大部分地區(qū)的水平定位誤差在200 m以內(nèi)，高度定位誤差在500 m以內(nèi). 通過檢驗發(fā)現(xiàn)，三維閃電探測系統(tǒng)探測性能可靠，此次研究使用了三維閃電探測系統(tǒng)閃電資料的位置、發(fā)生時間以及閃電類型等，并對資料進(jìn)行了質(zhì)量控制.

雷達(dá)資料來源于河南省8部新一代天氣雷達(dá). 由于雷達(dá)自身觀測方式的局限性，此次研究僅選取距離雷達(dá)站點70～100 km范圍內(nèi)的對流單體作為研究對象. 使用徑向和方位上的最近鄰居法和垂直方向上的線性內(nèi)插法（NVI）［16］，將極坐標(biāo)系下的雷達(dá)資料插值到笛卡爾坐標(biāo)系，網(wǎng)格大小為1 km×1 km×1 km，垂直方向上共24層.

2 對流單體情況匯總

選取河南省2018年6月—8月對流單體過程25次（表1），其中雷暴單體19次、非雷暴單體6次；雷暴單體最初半小時閃電7～181次，地閃3～130次；統(tǒng)計19次雷暴單體初始云閃和初始地閃發(fā)生的時間，發(fā)現(xiàn)初始云閃提前于初始地閃的有12次，占雷暴單體總數(shù)的63.2%；初始地閃為負(fù)地閃的雷暴單體16次，占雷暴單體總數(shù)的84.2%.

表1 對流單體情況匯總表Tab.1 Summary of convective cells

3 雷達(dá)回波特征

3.1 雷達(dá)回波高度

計算對流單體30、35、40 dBZ 的回波頂高（以下分別用H30、H35、H40表示），并結(jié)合探空資料統(tǒng)計了對流單體特定回波頂高突破0 ℃和-10 ℃層結(jié)高度的情況. 統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，雷暴和非雷暴對流單體H30、H35、H40均突破了0 ℃層結(jié)高度，但突破-10 ℃層結(jié)高度的情況兩類對流單體有所差別（圖1）. 雷暴單體H30、H35均100%突破了-10 ℃層結(jié)高度，有95%的雷暴單體H40突破了-10 ℃層結(jié)高度；非雷暴單體H30、H35、H40突破-10 ℃層結(jié)高度的比例分別為66.7%、50%和16.7%. 通過統(tǒng)計可以看出，H40是否突破-10 ℃層結(jié)高度可以較好地將雷暴單體和非雷暴單體區(qū)分出來. 雷暴單體和非雷暴單體由于生成時的動力條件、熱力條件和水汽條件等的不同，在雷達(dá)回波中表現(xiàn)出差異. Maribel［17］研究發(fā)現(xiàn)，只發(fā)生云閃和將要發(fā)生地閃的對流單體在閃電初始激發(fā)高度、激發(fā)位置的雷達(dá)反射率是不同的. Brandon 等［18］認(rèn)為，在-10 ℃層結(jié)高度處40 dBZ 回波強(qiáng)度是初始地閃發(fā)生的最佳預(yù)測因子.

圖1 H30、H35、H40突破-10 ℃層結(jié)高度百分比對照Fig.1 The percentages of H30，H35 and H40 reached-10 ℃stratification

進(jìn)一步分析兩種類型對流單體H40突破-10 ℃層結(jié)高度之后的維持情況發(fā)現(xiàn)，非雷暴單體過程中有一次H40突破了-10 ℃層結(jié)高度，但僅維持了一次雷達(dá)體掃時間；雷暴單體中H40突破-10 ℃層結(jié)高度后至少能維持5個雷達(dá)體掃時間. 由此可見，對流單體H40是否突破-10 ℃層結(jié)高度并維持一定時間是判斷對流單體是否產(chǎn)生閃電的重要參量.

3.2 雷達(dá)回波面積和體積

為了進(jìn)一步分析雷暴和非雷暴兩種類型對流單體的差別，選取了4種雷達(dá)參量（表2），分別代表對流單體的雷達(dá)回波面積和體積特征：6 km高度不小于30 dBZ回波面積（A30_6）、7 km高度不小于25 dBZ回波面積（A25_7）、5 km高度之上不小于30 dBZ回波體積（V30_5）及5 km高度之上不小于40 dBZ回波體積（V40_5）. 從表2可以看出，雷暴單體滿足各個雷達(dá)參量的比例最低為94.7%，最高為100%；非雷暴單體滿足4種雷達(dá)參量的比例最低16.6%，最高為33.3%. 觀察這4種雷達(dá)參量，能將雷暴單體和非雷暴單體較好區(qū)分開的是A25_7，當(dāng)設(shè)置閾值為20 km2時，100%的雷暴單體滿足條件，非雷暴單體只有16.6%能滿足條件.

表2 對流單體雷達(dá)參量超過特定閾值的百分比分布表Tab.2 The percentage distribution of convective cells whose radar parameters exceeding specific threshold

4 初始閃電預(yù)警指標(biāo)的研究

通過前文的分析，找到了較好的區(qū)分雷暴單體和非雷暴單體的雷達(dá)參量. 但雷暴初始閃電預(yù)警預(yù)報除了考慮準(zhǔn)確性，還需要考慮時效性. 通過對多個雷達(dá)參量進(jìn)行篩選和組合，選取了以下3個預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行比較和分析：

預(yù)警指標(biāo)1：H40突破-10 ℃層結(jié)高度；

預(yù)警指標(biāo)2：H30突破8 km高度，并且A25_7≥20 km2；

預(yù)警指標(biāo)3：H30突破-10 ℃層結(jié)高度，并且A25_7≥20 km2.

4.1 預(yù)警指標(biāo)檢驗方法

將選取的預(yù)警指標(biāo)使用列聯(lián)表的方法進(jìn)行可靠性檢驗［19］，列出天氣實況以及預(yù)警結(jié)果的分類（表3），表格中每列的統(tǒng)計數(shù)據(jù)為實況數(shù)據(jù)，每行中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)為使用雷達(dá)參量判斷的預(yù)報結(jié)果. 比如雷暴單體，實況數(shù)據(jù)為（A+C）次過程，而使用預(yù)警方法識別出來雷暴單體A次，識別成非雷暴單體C次；非雷暴單體實況數(shù)據(jù)為（B+D）次，使用預(yù)警方法識別成雷暴單體B次，非雷暴單體D次. 那么預(yù)報出來的雷暴單體總數(shù)為（A+B）次，非雷暴單體數(shù)量為（C+D）次.

表3 預(yù)警指標(biāo)檢驗分類表Tab.3 Test classification of warning indicators

成功預(yù)警率（Probability of Detection，POD）表示在實況觀測中預(yù)警成功的百分比，數(shù)值范圍介于0～1. 該數(shù)值越大，表示越接近成功預(yù)警. 定義為

預(yù)警虛報率（False Alarm Ration，F(xiàn)AR）表示在預(yù)警中虛報的百分比，數(shù)值范圍介于0～1. 該數(shù)值越小，表示越接近成功預(yù)警. 定義為

臨界成功指數(shù)（Critical Success Index，CSI）表示在整個預(yù)警事件中（包括正確預(yù)警、虛報預(yù)警和漏報預(yù)警）正確預(yù)警的百分比，數(shù)值范圍介于0～1. 該數(shù)值越大，表示越接近成功預(yù)警. 定義為

4.2 預(yù)警指標(biāo)檢驗結(jié)果

將3種預(yù)警指標(biāo)對25個對流單體的預(yù)警效果列在表4中. 從表中可以看出，預(yù)警指標(biāo)1的預(yù)報準(zhǔn)確性是3 個指標(biāo)中最不理想的，其POD、FAR、CSI的預(yù)警指標(biāo)數(shù)值分別為94.7%、10.0%和90%；預(yù)警指標(biāo)2和3的預(yù)警準(zhǔn)確性相對較高，二者的POD、FAR、CSI均為100%、5.0%和95%.

表4 預(yù)警指標(biāo)檢驗結(jié)果Tab.4 Test results of the different warning indicators

引入初始閃電預(yù)警提前時間（Tf）和初始地閃預(yù)警提前時間（TCG）的概念，其定義為雷達(dá)回波出現(xiàn)預(yù)警指標(biāo)的時間與初始閃電或者初始地閃發(fā)生時間的間隔. 從表4來看，預(yù)警指標(biāo)1雖然預(yù)報準(zhǔn)確性較其他兩個指標(biāo)差，但其預(yù)報時效性較好，預(yù)警指標(biāo)1中Tf平均為12.2 min，與預(yù)警指標(biāo)3中的Tf相當(dāng)，強(qiáng)于預(yù)警指標(biāo)2中的Tf；預(yù)警指標(biāo)1中的TCG平均為20.4 min強(qiáng)于預(yù)警指標(biāo)2和3中的TCG. 對于3個預(yù)警指標(biāo)，初始地閃預(yù)警提前時間比初始閃電預(yù)警提前時間多出7～8 min.

為了更直觀深入地了解各預(yù)警指標(biāo)的性能，引入了2個參數(shù)R1和R2，即滿足預(yù)警指標(biāo)前觀測到初始閃電的雷暴與全部雷暴數(shù)量的百分比R1和滿足預(yù)警指標(biāo)前觀測到初始地閃的雷暴與全部雷暴數(shù)量的百分比R2. 從R1來看，預(yù)警指標(biāo)3的R1值較小，預(yù)警指標(biāo)1和2的R1較大；從參數(shù)R2來看，有5.2%的雷暴單體在滿足預(yù)警指標(biāo)1之前觀測到了初始地閃，沒有雷暴單體過程在滿足預(yù)警指標(biāo)2和3之前觀測到初始地閃，即R2值均為0. 綜合以上分析，預(yù)警指標(biāo)3在預(yù)報準(zhǔn)確性以及預(yù)報時效性方面均表現(xiàn)較好，是比較適合河南省雷電預(yù)警的預(yù)警指標(biāo).

4.3 初始閃電預(yù)警方案

通過前面對25個對流單體的綜合分析，對對流單體是否發(fā)生閃電以及初始閃電發(fā)生時間的預(yù)警方案可以歸納為3個步驟：

步驟1：觀察對流單體30 dBZ回波頂高隨時間的變化. 將30 dBZ回波頂高突破并維持在-10 ℃層結(jié)高度作為基礎(chǔ)判斷條件，如果滿足這個條件則對流單體有很大概率將要發(fā)生閃電.

步驟2：在滿足步驟1后，觀察對流單體40 dBZ回波頂高的變化. 如果40 dBZ回波頂高突破-10 ℃層結(jié)高度，則可以斷定對流單體將在半小時內(nèi)發(fā)生初始閃電.

步驟3：在滿足步驟1后，若40 dBZ回波頂高未能突破-10 ℃層結(jié)高度，這時如果7 km高度不小于25 dBZ回波面積達(dá)到了20 km2，則可以斷定對流單體將在半小時內(nèi)發(fā)生初始閃電.

為獨立檢驗上述預(yù)報方法效果，從2019年6月—8月挑選了20次對流單體天氣過程作為獨立檢驗樣本，其中非雷暴單體5個，雷暴單體15個，按照以上預(yù)報步驟檢驗，發(fā)現(xiàn)5個非雷暴單體全部被識別出來，15個雷暴單體被識別出來14個，其中一個較弱雷暴單體被識別成了非雷暴單體.

4.4 初始地閃階段雷達(dá)參量與電活動強(qiáng)弱的關(guān)系

強(qiáng)對流天氣的主要臨近預(yù)報工具是天氣雷達(dá)［20］. 目前針對閃電發(fā)生時的雷達(dá)特征研究較多，而對雷達(dá)參量與未來電活動強(qiáng)弱的關(guān)系研究較少. 本研究嘗試將雷暴單體的雷達(dá)參量與閃電數(shù)量進(jìn)行分析，結(jié)果表明初始地閃階段40 dBZ 回波頂高與雷暴單體最初半小時內(nèi)的閃電數(shù)量（簡稱半小時閃電數(shù)量）相關(guān)性較好（圖2），經(jīng)計算相關(guān)系數(shù)為0.82. 說明雷暴單體在初始地閃階段的雷達(dá)參量對雷暴未來電活動的趨勢有一定指示作用，可以使用初始地閃階段的雷達(dá)參量來推測未來半小時內(nèi)的閃電活動強(qiáng)弱. 但由于所選取的對流單體樣本較少，此項研究結(jié)果還需要進(jìn)一步的驗證.

圖2 雷暴單體半小時閃電次數(shù)與初始地閃階段40 dBZ回波頂高的關(guān)系Fig.2 Relationship between lightning times in half an hour and 40 dBZ echo height of initial ground lightning

5 結(jié)語

利用河南省三維閃電探測系統(tǒng)資料、新一代天氣雷達(dá)資料和探空資料，選取河南省2018 年夏季25 個對流單體樣本，對對流單體的雷達(dá)回波特征、初始閃電特征和初始閃電臨近預(yù)報指標(biāo)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：

1）選取雷暴單體19次，發(fā)現(xiàn)初始云閃提前于初始地閃的有12次，占雷暴單體總數(shù)的63.2%；初始地閃為負(fù)地閃的雷暴單體有16次，占雷暴單體總數(shù)的84.2%.

2）使用30 dBZ回波頂高和7 km高度不小于25 dBZ回波面積這兩個雷達(dá)參量，可以使初始閃電臨近預(yù)報的臨界成功指數(shù)達(dá)到95%，初始閃電預(yù)警提前時間平均12.7 min，初始地閃預(yù)警提前時間平均19.7 min.

3）分析雷暴單體雷達(dá)參量與閃電數(shù)量的相關(guān)關(guān)系發(fā)現(xiàn)，最初半小時閃電數(shù)量與初始地閃階段40 dBZ回波頂高的相關(guān)系數(shù)為0.82，說明雷暴單體初始地閃發(fā)生時的雷達(dá)參量可以較好地反映雷暴未來半小時的電活動強(qiáng)度.