雷達資料在高原東北側(cè)雷電預警中的新用途
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作者：杜曉敏
天氣雷達是對流云觀測的最佳手段，因此研究雷電活動與雷達回波參數(shù)的關(guān)系對于雷電的預報預警具有重要意義。Buechler等(1990)通過研究美國的雷暴個例，提出利用-10℃層高度處的回波強度和回波頂高2個閾值建立雷電預警指標；Mosier等(2011)通過統(tǒng)計分析67384個對流單體，指出在-15和-20℃層高度至少兩次連續(xù)體掃都能探測到30 dBz雷達回波可以作為雷電預警指標，
檢驗發(fā)現(xiàn)該指標的臨界成功指數(shù)為68%;中國氣象科學研究院雷電臨近預警系統(tǒng)( CAMS-LNWS)（孟青等，2009；呂偉濤等，2009）采用雙回波強度閾值和某等溫度高度層上的回波強度閾值，結(jié)合閃電定位資料預報未來雷電發(fā)生概率；彭麗英等(2007)研究發(fā)現(xiàn)，廣東中部地區(qū)負閃電和雷達回波強度存在著一定的統(tǒng)計關(guān)系，高負閃頻數(shù)既不發(fā)生在最強回波
區(qū)，也不發(fā)生在弱回波區(qū)，而是發(fā)生在較強回波區(qū)；易笑園等(2009)、石玉恒等(2012)、張一平等(2014)分別對不同雷暴系統(tǒng)的雷達回波特征做了分析，找出了雷暴天氣預警指標；劉冬霞等( 2010)分析中尺度對流系統(tǒng)的閃電活動變化特征發(fā)現(xiàn)負地閃主要集中在雷達回波大于40 dBz區(qū)域，而正地閃分布在30～40 dBz的回波范圍中。
由于不同地區(qū)的氣候特征差異很大，雷電預警指標也各不相同，本文結(jié)合青藏高原東北側(cè)地區(qū)的氣候特征，對比分析雷暴天氣的雷達回波和閃電活動的相關(guān)特性，試圖找出適合本地的雷電預警指標，并能通過實際業(yè)務檢驗。
1 資料來源和雷電預警檢驗方法
1.1 資料來源和選例
雷達資料來源于甘肅省蘭州市的CINRADlCC型新一代天氣雷達(36°00 36N、103°51 3”E，2189. 65 m)，有效探測范圍為150 km（圖1），庫長為300 m，掃描方式為VCP21，即5～6 min掃描14個仰角（第1至14層掃描仰角分別為0.5°、1.5°、2. 40、3. 40、4. 30、5. 30、6. 20、7. 50、8. 70、10. 00、12. 00、14.0°、16.7°、19.5°)。文中采用資料為經(jīng)過雷達基數(shù)據(jù)插值后得到的回波等高平面位置顯示( Con-stant Altitude Plan Position Indicator, CAPPI)產(chǎn)品，高度分別率為21層（分別為0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、7、8、9、10、12、14、15.5、17和19 km），其具體算法和實現(xiàn)見文獻(肖艷姣等，2006)。
閃電資料來源于甘肅中部地區(qū)的LD-II型雷電定位系統(tǒng)，其探測原理是以測量雷擊甚低頻電磁脈沖到達不同基站雷電定位儀的時間差作為定位基礎，精確地測定出閃電發(fā)生的地理位置，系統(tǒng)共有5個單站探頭（分別位于永登、靖遠、臨夏、定西和蘭州）和1個分析處理器（位于蘭州），采用授時型GPS作時間基準，時間精度達0.1u/s，探測距離可達600 km，定位誤差小于500 m，探測數(shù)據(jù)中包括閃電發(fā)生序號、時間、經(jīng)度、緯度、閃電強度、陡度、電荷量和類型等。
不同溫度層高度來自蘭州市榆中觀測站(35。52，N、104°9E，1875.4 m)的常規(guī)探空數(shù)據(jù)。各觀測站點的詳細分布見圖1。
本文中選取的單體個例為2011年5-8月和2012年5-8月間發(fā)生在甘肅中部地區(qū)的17次對流性降水過程個例，將組合反射率因子≥35 dBz的回波確定為單體，并按照雷達觀測時間間隔(5～6 min)分別將17次個例解析為多個單體樣本，即1個雷達觀測時間間隔中出現(xiàn)的單體視為1個單體，17次個例可確定單體樣本95個�？紤]到閃電定位儀觀測的誤差，將對應閃電發(fā)生區(qū)域出現(xiàn)5次以上的單體視為雷暴單體．其余的單體則為非雷暴單體，最終確定雷暴單體（發(fā)生閃電）樣本59個和非雷暴單體（未發(fā)生閃電）樣本36個，其簡要情況匯總見表1。
1.2雷電預警檢驗方法
通過分析雷達產(chǎn)品特征量及與雷電活動區(qū)的對應關(guān)系，利用列聯(lián)表的方法對每個產(chǎn)品特征量進行雷電預警可靠性檢驗分析，具體分類、檢驗方法如下。
成功預警率(Probability of Detection，POD)表示在實況觀測中，雷電預警成功的百分比，其值介于0～1，數(shù)值越大越接近成功預警，定義為
預警虛報率( False Alarm Ratio，F(xiàn)AR)表示在雷電預警中虛報的百分比，其值介于O～1，數(shù)值越小越接近成功預警，定義為
臨界成功指數(shù)( Critical Success Index，CSI)表示在整個雷電預警事件中（包括正確預警、虛報預警和漏報預警）正確預警的百分比，其值介于O～1，數(shù)值越大越接近成功預警，定義為
2 雷電活動與不同高度回波強度的關(guān)系
觀測發(fā)現(xiàn)，閃電主要活動中心與過冷云層有關(guān)聯(lián)，云地閃電負電荷區(qū)主要源地位于-25℃～一5℃等溫度高度層（陳渭民，2006）。因此，在甘肅中部不同的地理位置和氣候特征背景下，本文提出12個雷電預警的回波強度隨高度分布特征量（表3）進行檢驗分析，根據(jù)閃電定位資料中發(fā)生地閃的時間和地理位置，分別統(tǒng)計所選個例中對應地閃時段的雷達回波體掃資料進行云地閃預警的效果，從中得出一個最好的指標。
通過對95個單體中20、25、30、35、40和45 dBz雷達回波頂高在單體發(fā)展演變過程中的統(tǒng)計，結(jié)合各單體發(fā)生當日探空的 10、-15和-20℃層高度進行分析，繪制成圖2。從圖2a可以看出，所有雷暴單體中30 dBz回波頂高都能突破-10℃層高度，35、40和45 dBz回波頂高突破這一高度的雷暴單體所占比重逐漸下降，只有26%的雷暴單體中45 dBz回波頂高突破該高度。而對于非雷暴單體中，30 dBz及以上的回波頂高突破 10。C層高度所占比重較雷暴單體要小的多，40和45 dBz回波頂高突破該高度的非雷暴單體各只有1次個例；對于-15℃層（圖2b），其結(jié)果與-10℃層相類似，但該層統(tǒng)計的回波強度均較突破前一個高度層的回波強度小5 dBz，在該層上雷暴單體與非雷暴單體的區(qū)別較大在35 dBz回波頂高，兩者突破這一高度所占比重分別占其各自單體總數(shù)的77%和23%。對于-20℃層（圖2c），其結(jié)果與前2層的統(tǒng)計也一致，同樣的該層統(tǒng)計的回波強度均較突破-15°C層高度的回波強度小5 dBz，雷暴單體與非雷暴單體的隨回波強度的增大，其頂高突破該層的單體比例逐漸
減小，且非雷暴單體中突破該層的單體比例總是比雷暴單體中突破該層的單體比例小，但對于兩者的區(qū)分在該層卻沒有明顯的指標。
利用列聯(lián)表的計算結(jié)果，檢驗分析在選取的95次單體個例中不同指標開展雷電預警的實際效果統(tǒng)計（表4）。從中看出，對于某一溫度層，POD隨著突破該溫度層高度的回波強度閾值的增大而減小，同時隨著某一溫度層的增高，利用同一回波強度閾值突破該溫度層預警雷暴的POD也逐漸減��；但是，隨著回波強度閾值增大和溫度層的增高，F(xiàn)AR值也是呈現(xiàn)下降趨勢。兩者共同所反映的趨勢表明，將雷電產(chǎn)生的條件范圍設置較為寬廣時，其成功預警率就會很高，但其虛報率也會很高，將雷電產(chǎn)生的條件范圍設置較為狹窄時，其成功預警率就會下降，但其虛報率也會下降；同時也表明，回波強度閾值越大、各溫度層越高，即對應對流活動越強烈時，觸發(fā)雷電的條件也越充足，雷電預警的虛警率FAR就會很小。因此，要想找到一個最為合適的預警指標，必須權(quán)衡各個指標的不同表現(xiàn)( POD、FAR、CSI)，分析表4可以看出35 dBz回波頂高突破一10℃、40 dBz回波頂高突破- 10°C和30 dBz回波頂高突破-15℃等3個指標預警效果較好．3個指標成功預警率POD分別為0.98、0.94和0. 91，且3個指標虛警率FAR均不超過0.2=引入預警提前時間( Tf)的概念，其定義為雷達回波出現(xiàn)預警指標的時間與首次地閃發(fā)生時間的時間間隔．3個指標的預警提前平均時間分別為23、16和17 min。綜合考慮3個指標的預警效果，選取CSI較大的2個指標（35 dBz回波頂高突破-10℃層、40 dBz回波頂高突破-10℃層）為雷電的預警指標。
3 雷電活動與VIL的關(guān)系
垂直累積液態(tài)含水量(Vertically IntegratedLiquid，VIL)產(chǎn)品表征在降水云團中，某一確定的底面積的垂直柱體內(nèi)液態(tài)水總量分布，它反映的是反射率因子的垂直累積，代表了風暴的綜合強度，VIL值隨著反射率因子的增強而增強，是判別強降水及其降水潛力、強對流天氣造成的暴雨、暴雪和冰雹等災害性天氣的有效工具之一。
統(tǒng)計95次對流單體的VIL值分布情況發(fā)現(xiàn)（表5），雷電活動區(qū)VIL值的變化沒有明顯的規(guī)律，無論雷暴單體還是非雷暴單體VIL值幾乎全部小于10 kg．m-3，其余的雷暴單體其VIL分布在10～25 kg．m-3，非雷暴單體幾乎沒有大于10 kg．m-3，但有兩例非雷暴單體VIL值位于35～40 kg．m-3。李南等(2006)對此解釋為暴雨天氣過程其整層的水汽含量很高，有利于凝結(jié)成降水，中低層水汽充足，對流并不需發(fā)展太高就可以完成凝結(jié)降水；但冰雹等天氣過程只是下層的水汽含量高，高層水汽含量很低，有利于對流不斷向上發(fā)展．產(chǎn)生冰相粒子和過冷水滴，而不至于在中層由于水汽飽和而產(chǎn)生降水，過早地釋放了能量，從而喪失了形成冰相粒子所需要的水汽和很低的溫度條件，不利于閃電的形成，因此雷電預警中VIL不能太小，否則水汽量不足，也不能過大，在達到凍結(jié)高度之前便會凝結(jié)降水而無法在更高處產(chǎn)生大量的冰相粒子和電荷。
本文分析表明，對于雷電預警VIL值指示意義較小，其指標不是必要條件，可以將其作為判斷雷暴是否發(fā)生的一個充分條件，即在其他條件滿足時，只要VIL值大于0即可判斷為雷暴發(fā)生，但其值也不宜過大，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)以小于30 kg．m-3為宜。
4 雷電活動與回波頂高的關(guān)系
回波頂高(Echo Tops，ET)產(chǎn)品顯示海平面以上回波強度值等于某一門限值(目前設定為回波≥18.3 dBz)時對應的最高高度。一般而言，對流的強弱在一定程度上和回波伸展的高度有關(guān)，因此ET產(chǎn)品能反映降水過程的發(fā)展情況，并可用來判斷降水的性質(zhì)，分析估計雷達探測范圍內(nèi)不同地區(qū)的對流發(fā)展與否以及對流相對強弱的情況。
統(tǒng)計95個單體中不同回波頂高的雷暴單體和非雷暴單體個數(shù)分布（表6），可以看出所有的雷暴單體其ET值均大于7 km，主要分布區(qū)域為10～12km，占總雷暴單體數(shù)目的76%，有20%的雷暴單體ET值在12～17 km;對于非雷暴單體，ET值主要分布在7～10 km，占總非雷暴單體數(shù)目的67%，5～7km區(qū)間是另一個非雷暴單體數(shù)目占比的峰值區(qū)域，在此區(qū)間有9個雷暴，占所有非雷暴單體的25%，剩余的非雷暴單體其ET分布在10～12 km．ET值為12 km以上和5 km以下均沒有單體分布。同時可以發(fā)現(xiàn)，雷暴單體與非雷暴單體ET值的區(qū)間分布有明顯區(qū)別，以10 km高度為閾值，ET值在10 km以上的雷暴單體占總雷暴單體的97%，而ET值在10 km以下的非雷暴單體占總非雷暴單體的92%，這充分說明了回波發(fā)展的高度是閃電發(fā)生的一個重要條件，閃電的發(fā)生需要較高的云頂，云頂越高云內(nèi)上升氣流越
強烈，觀測表明，發(fā)生閃電伴隨有很強的上升氣流，閃電活動開始的時間與大于20 m．s-l的強上升氣流相一致（陳渭民，2006），另一方面，回波頂高越小上升氣流越弱，發(fā)生閃電的幾率越小。
表7列出了應用10 km ET指標進行雷電預警的結(jié)果檢驗分析，通過分析，可以看出這一指標的預警效果很好，成功預警率POD在0.90以上，且虛警率FAR很小，綜合評價(臨界成功指數(shù)CS/)為0. 87，可以確定10 km ET為預警雷電發(fā)生的一個很好的指標，并且該指標可以單獨使用，這與Gre-million等(1999)的結(jié)論相類似，只是后者的指標比本文提出的指標低0.5 km。但該指標的預警提前時間較短，Tf平均為7 min，這意味著在雷達回波上首次出現(xiàn)這一指標，1個體掃結(jié)束后單體對應區(qū)域就會出現(xiàn)閃電。
5 雷電預警方案的建立與個例檢驗
依據(jù)上述提取的雷電預警指標，經(jīng)過對各指標的預警效果做進一步分析后，雷電預警的具體方案和步驟歸納如下：
(1)確定特征回波強度達到的溫度層高度。依據(jù)計算當天08時（北京時）的探空資料，獲取計算區(qū)域的0、10和-15℃溫度層高度，判斷35和40 dBz回波頂高是否突破O和-10℃溫度層高度。如果35dBz回波頂高突破這兩層，則說明在28 min后該單體對應區(qū)域雷電發(fā)生幾率較大，若在1個體掃結(jié)束后40dBz回波頂高突破-10℃層高度則可以判定該體掃結(jié)束10 min后單體對應區(qū)域會發(fā)生雷電。
(2)確定回波頂高。通過計算得到的回波頂高ET，判斷其值是否大于10 km，若滿足此條件則可確定該次體掃結(jié)束后ET>10 km的單體對應區(qū)域雷電發(fā)生幾率很大。
(3)判斷垂直累積液態(tài)含水量。據(jù)前文所知，VIL值對于雷電活動區(qū)沒有明顯規(guī)律，用此指標是為進一步降低雷電預警的虛警率。該指標其值只要大于0即可判斷雷電將會發(fā)生，但同時也要判斷其值是否小于30 kg．m-3。
綜合以上三個方面，將雷暴天氣雷電預警的具體流程表述為圖3。
為檢驗上述已形成的雷電預警方案效果，本文選取了2013年6、7月發(fā)生在甘肅中部地區(qū)的幾次強對流天氣過程，從中挑選出對流單體16個作為獨立檢驗樣本，其中包括雷暴單體12次，非雷暴單體4次。表8列出了所有檢驗樣本的雷電預警效果。
樣本檢驗過程中，根據(jù)雷電預警方案識別出雷暴單體11個、非雷暴單體4個。通過閃電定位資料的實際對比檢驗，發(fā)現(xiàn)識別出的雷暴單體中有2個單體沒有發(fā)生閃電，而在識別出的非雷暴單體中卻有2個單體發(fā)生了閃電，其余的單體識別結(jié)果均正確。在預警時間方面，3次過程雷暴單體發(fā)生閃電的時間在預警時間之內(nèi)的有7個，發(fā)生閃電時間沒有在預警時間之內(nèi)的有2個。圖4為2013年7月4日強對流過程20：18-20：48雷電預警位置與實況疊加顯示。
分析其中出現(xiàn)4個單體預警結(jié)果與閃電實況結(jié)果不符合的情況，導致可能原因是從探空觀測獲取的溫度層高度與雷暴發(fā)生時相應的溫度層高度不一致。整體評價來看，從已有的檢驗結(jié)果中可以說明該方案在雷暴天氣具有較好的預警效果，無論是對雷電的落區(qū)預警還是雷電發(fā)生的預警提前時間都有不錯的表現(xiàn)。
6 結(jié)論
選取2011和2012年夏季發(fā)生在甘肅中部地區(qū)的17次對流性降水過程的95個單體樣本，分析每個樣本的雷達產(chǎn)品特征量與閃電活動區(qū)的對應關(guān)系，提取反映較好的預警指標，建立雷電預警方案，并通過實際檢驗。主要有以下結(jié)論：
(1)通過分析選取的12個回波強度隨高度分布特征量指標，綜合考慮各指標的預警效果，發(fā)現(xiàn)35 dBz回波強度頂高突破-10℃層高度和40 dBz回波強度頂高突破-10℃層高度等2個指標在雷電預警效果較好，兩者的臨界成功指數(shù)CSI分別為0. 79、0.82，預警提前時間分別為23和16 min。
(2)分析雷電活動區(qū)與雷達回波VIL對應關(guān)系，發(fā)現(xiàn)VIL-值對于雷電預警指示意義不大，但可以將其作為判斷雷暴是否發(fā)生的一個充分條件，即在其他條件滿足時，只要VIL值大于O即可判斷為雷暴發(fā)生，但其值不能超過30 kg．m-3。
(3)雷電活動區(qū)與回波頂高ET的對應關(guān)系分析表明，10 km ET為預警雷電發(fā)生的一個很好的指標，并且該指標可以單獨使用，預警提前時間平均為7 min。已形成的雷電預警方案對2013年的個例進行效果檢驗分析，結(jié)果表明該方案在雷暴天氣具有較好的預警效果。
7提 要：
利用LD-II閃電定位儀資料和蘭州CINRAD/CC雷達資料，對甘肅中部2011和2012年夏季對流性降水過程中雷達回波單體與雷電活動之間的對應關(guān)系進行分析，提取反映較好的雷達產(chǎn)品特征量，建立雷電預警方案。結(jié)果表明，35 dBz回波頂高( ET)突破-10℃層高度和40 dBz回波頂突破過- 10℃層高度等2個指標的雷電預警效果較好，預警時間可分別平均提前23和16 min；垂直累積液態(tài)含水量(VIL)可作為判斷雷電發(fā)生的充分條件，但其值應小于30 kg．m-3；ET大于10 km預警雷電發(fā)生，預警時間可提前平均為7 mino利用建立的雷電預警方案對2013年的個例進行效果檢驗分析，結(jié)果表明該方案在雷暴天氣具有較好的預警效果。
