孟蕾 廖玉芳 湯亦豪

(1 中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院湖南分院，長沙 410125；2 氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點實驗室，長沙 410118；3 湖南省氣象科學(xué)研究所，長沙 410118；4 湖南省氣候中心，長沙 410118)

引言

我國2013年后取消了雷暴人工觀測[1],目前在雷暴觀測及預(yù)警方面主要使用閃電、雷達、衛(wèi)星等數(shù)據(jù)進行識別、跟蹤等[2]，新儀器新設(shè)備的運用提高了雷暴觀測的準確性和效率[3]，有效提高了雷暴預(yù)報預(yù)警的精細化水平。除了氣象臺站日常預(yù)報預(yù)警方面的應(yīng)用，新儀器新設(shè)備獲得的高時空分辨率的數(shù)據(jù)還為氣象部門作氣候背景分析、雷暴風(fēng)險評估、氣象服務(wù)等工作提供有力支撐。

由于閃電與雷暴系統(tǒng)關(guān)系密切，眾多學(xué)者利用閃電定位數(shù)據(jù)分析雷暴活動的持續(xù)時間、移動距離等特征及其與地形的關(guān)系。王婷波等[4]利用國家閃電監(jiān)測網(wǎng)的云-地閃定位數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)四川盆地西麓與珠江三角洲地區(qū)明顯呈現(xiàn)出隨地形抬升而導(dǎo)致雷暴觸發(fā)的情況。劉雪濤等[5]，張祎等[6]基于不同地理環(huán)境討論了雷暴活動與地理參數(shù)的相關(guān)性，后者更加詳細地分析了海拔、坡度、坡向等對該地區(qū)地閃的影響。相比于閃電定位儀，雷達一直是主要的雷暴監(jiān)測預(yù)警工具[7]，劉維成等[8]分析高原東北側(cè)夏季對流性降水的雷達回波與雷暴活動的對應(yīng)關(guān)系，建立了較好的雷暴預(yù)警方案。王麗榮等[9]、張玉潔等[10]則利用雷達資料對強雷暴系統(tǒng)引發(fā)的災(zāi)害性天氣進行較好的追蹤和分析。雷達的時空分辨率較高，不僅能分析出雷暴的主要移動路徑，還能對雷暴的走向進行預(yù)判。這些精細化的研究主要基于閃電定位儀、多普勒雷達的高時空分辨率，但這些新設(shè)備的業(yè)務(wù)應(yīng)用時間不長，其獲得的數(shù)據(jù)暫時無法用于研究氣候特征，通過與人工觀測進行比對則能更好地延續(xù)歷史數(shù)據(jù)。因此有眾多學(xué)者著力對比研究新儀器新設(shè)備雷暴產(chǎn)品與人工觀測之間的關(guān)聯(lián)性。鐘穎穎等[11]利用閃電定位資料與目測雷暴日進行對比分析，認為兩種資料之間有較好的一致性?；襞鏂|等[3]、張堅等[12]將閃電定位儀數(shù)據(jù)與雷暴人工觀測進行對比時，認為等效觀測半徑為12～13 km時，兩者的觀測結(jié)果較為接近。這說明閃電定位數(shù)據(jù)延續(xù)雷暴人工觀測記錄有很強的可行性，但要注意人工觀測過程中受人耳聽力范圍限制，閃電與聞雷的比對必須要考慮聞雷范圍。同時，利用雷達進行雷暴識別、跟蹤和預(yù)警的方法雖然有多種[13]，但這些方法往往要事先輸入識別雷暴系統(tǒng)的閾值，才能對其進行識別與跟蹤?，F(xiàn)有的眾多研究中往往采用通用閾值，但實際上閾值是因地而異的[14]，不同地區(qū)需要結(jié)合本地的多普勒天氣雷達資料進行計算。

有研究人員分析多個雷暴個例資料，利用統(tǒng)計方法得到相關(guān)閾值[2]，但所選個例有限，閾值的確定需要更加大量的雷達資料[15]計算，應(yīng)用于業(yè)務(wù)則需要更加自動化的判定方法。本研究基于大量的雷暴人工觀測資料與雷達產(chǎn)品計算相關(guān)閾值，由前人研究可知，將雷暴人工觀測資料納入對比時需考慮到觀測員的聞雷范圍，因此將同時考慮聞雷過程的雷達產(chǎn)品閾值和聞雷半徑的判定，計算得到的結(jié)果既可用于雷暴識別、跟蹤系統(tǒng)的閾值預(yù)設(shè)，也可延續(xù)人工觀測的雷暴日判別，并作為精細化分析雷暴氣候特征的基礎(chǔ)。雖然需要利用較長時間序列的雷達產(chǎn)品資料，但所用資料種類較少，算法原理較簡單，容易實現(xiàn)計算機自動化分析，可提供給基層臺站根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況開展閾值研究并應(yīng)用于業(yè)務(wù)實踐。

1 資料處理及方法

1.1 雷暴人工觀測資料預(yù)處理

根據(jù)地面觀測規(guī)范[16]要求，雷暴人工觀測記錄觀測員聞雷的起止時間和起止方位，以觀測員聞雷間隔時間不超過15 min記為同一場雷暴，間隔時間超過15 min記為另一場雷暴。觀測記錄以20:00為一天的分界，當(dāng)一場雷暴始于20:00之前，止于20:00之后，則記錄中分為2段記錄。在本研究中規(guī)定：若聞雷始于20:00之前，止于20:00之后，但不超過次日00:00，則將該場雷暴記為20:00之前所對應(yīng)日期當(dāng)天的雷暴，記當(dāng)天為1個雷暴日;若始于20:00之前且止于次日00:00之后，則將該場雷暴記為20:00之前所對應(yīng)日期的雷暴，但將當(dāng)日和次日均記1個雷暴日。

1.2 雷達產(chǎn)品資料預(yù)處理

利用中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室開發(fā)的三維組網(wǎng)拼圖軟件[17]將雷達基數(shù)據(jù)資料轉(zhuǎn)化成笛卡爾坐標系下的雷達產(chǎn)品格點數(shù)據(jù)，水平分辨率為0.01°×0.01°(約1 km×1 km)，高度分辨率為0.5 km，雷達產(chǎn)品包括基本反射率，組合反射率、回波頂、垂直累積液態(tài)水等。

考慮到觀測員對于聞雷起始時間和終止時間的記錄為北京時，而雷達基數(shù)據(jù)的記錄時間為世界時，每隔6 min生成1個文件，兩者的時間在分鐘量級上無法做到完全對應(yīng)，因此將觀測員的記錄時間轉(zhuǎn)換為世界時，選擇聞雷起止時間前后6 min內(nèi)與聞雷時間最接近的雷達產(chǎn)品文件為對應(yīng)聞雷起止時間的雷達數(shù)據(jù)。

1.3 匹配率模型構(gòu)建

首先定義雷暴發(fā)生過程中，以氣象觀測站所在位置為圓心，以R為半徑的圓內(nèi)為觀測員能聞雷的范圍，為聞雷圓周，R為聞雷半徑，給定一組聞雷半徑嘗試值，稱為嘗試半徑Ri(圖1)。即

Ri=R0+iΔRi=1,2,3,…,n

(1)

式中,R0為聞雷半徑初始值，ΔR為嘗試半徑的取值間隔，n為嘗試半徑個數(shù)。

根據(jù)已有研究設(shè)定一組雷暴過程中雷達產(chǎn)品閾值的嘗試值，稱為嘗試閾值Th，假設(shè)雷暴過程中，雷達產(chǎn)品取值在嘗試閾值Th之上，能在半徑為R的聞雷圓周內(nèi)聽到雷聲。

Thi=Th0+iΔThi=1,2,3,…,m

(2)

式中,Thi為第i個嘗試閾值，Th0為閾值初始值，ΔTh為嘗試閾值的取值間隔，m為嘗試閾值個數(shù)。

圖1 聞雷圓周示意

選取多個雷暴人工觀測記錄樣本，通過多次迭代的方式得到雷達產(chǎn)品在不同嘗試閾值和不同嘗試半徑條件下與觀測員聞雷記錄相對應(yīng)的“匹配率”。此時的“匹配率”為1個m×n的矩陣P，pi,j(i=1,2,…,m,j=1,2,…,n)表示雷暴過程中雷達產(chǎn)品取值≥Thi，聞雷半徑為Rj時觀測員聞雷的雷暴樣本比所有雷暴樣本的百分率。矩陣的行表示在給定嘗試閾值下，匹配率隨嘗試半徑的增加而變化，矩陣的列表示為在給定嘗試半徑下，匹配率隨嘗試閾值的增加而變化。

(3)

根據(jù)匹配率矩陣畫出給定嘗試閾值(嘗試半徑)情況下，匹配率隨嘗試半徑(嘗試閾值)變化的一組折線，稱為閾值折線(圖2a)和半徑折線(圖2b)。圖2a中每條折線的拐點(qThk,k=1,2,…,n)對應(yīng)的嘗試閾值Thqk(k=1,2,…,n)判定為最終閾值的取值范圍[min(Thq1,Thqn)，max(Thq1,Thqn)，稱為待定閾值;圖2b中每條折線的拐點(qRk,k=1,2,…,m)對應(yīng)的嘗試半徑Rqk(k=1,2,…,m)判定為最優(yōu)半徑的取值范圍[min(Rq1,Rqm)，max(Rq1,Rqm)]，稱為待定半徑，作為最終確定產(chǎn)品閾值和最優(yōu)聞雷半徑的取值范圍。當(dāng)出現(xiàn)明顯的拐點時，表明取高于拐點位置對應(yīng)的雷達產(chǎn)品值(聞雷半徑值)作為閾值(最優(yōu)半徑)時，觀測員聞雷的百分率迅速降低，說明大部分雷暴人工觀測記錄樣本中雷達產(chǎn)品取值(聞雷半徑取值)無需高于該拐點所在位置即可聞雷，圖中有多條折線有多個拐點位置，這些拐點位置即為最終確定的閾值取值參考范圍。

1.4 匹配率折線拐點的計算方法

(4)

(5)

累積距平的最大值或最小值對應(yīng)的位置就是匹配率折線的拐點位置。

1.5 最優(yōu)聞雷半徑和閾值的確定

利用累積距平方法得到閾值折線和半徑折線中不同匹配率折線的拐點位置對應(yīng)的待定閾值和待定半徑，根據(jù)待定閾值取值范圍[min(Thq1,Thqn)，max(Thq1,Thqn)]查找出相應(yīng)的嘗試半徑取值，若此時嘗試半徑取值相同，則確定該嘗試半徑取值即為最優(yōu)聞雷半徑，小于等于最優(yōu)聞雷半徑的聞雷圓周內(nèi)對應(yīng)的最低嘗試閾值為最終確定的產(chǎn)品閾值；若此時嘗試半徑取值出現(xiàn)不同的值，則在匹配率矩陣中查找此時與待定閾值相對應(yīng)的匹配率最高的嘗試半徑作為最優(yōu)聞雷半徑，再取小于等于最優(yōu)聞雷半徑的聞雷圓周內(nèi)對應(yīng)的最低嘗試閾值為最終確定的產(chǎn)品閾值。

1.6 回波面積閾值計算

雷達產(chǎn)品閾值和最優(yōu)聞雷半徑是基于觀測員聞雷過程所得到的，聞雷是雷暴存在的充分條件而非必要條件，因此通過計算匹配率得到的閾值和聞雷半徑，直接用于判別雷暴日有可能出現(xiàn)虛警率較高的情況。研究[19-20]表明雷達對于雷暴系統(tǒng)的識別還與回波面積有關(guān)系，為進一步降低虛警率，還需計算回波面積閾值:選定數(shù)據(jù)樣本后，當(dāng)聞雷過程中雷達產(chǎn)品取值大于閾值，且其位置在最優(yōu)聞雷圓周內(nèi)的，則記下聞雷圓周內(nèi)大于閾值的回波面積S，分析聞雷期間S的分位值，選取S的25%分位值作為回波面積閾值。

1.7 檢驗方法

隨機選取一段時間的連續(xù)雷達產(chǎn)品為樣本，當(dāng)雷達產(chǎn)品取值大于閾值，其位置在最優(yōu)聞雷圓周以內(nèi)，并且回波面積大于等于回波面積閾值，則記下出現(xiàn)的時間，時間精確到日，記為產(chǎn)品雷暴日，與同時段的雷暴人工觀測雷暴日進行比對，計算成功預(yù)警率和臨界成功指數(shù)[21]。

2 實例分析

選取2009—2011年雷暴人工觀測記錄和雷達組合反射率資料進行對比分析。雷暴人工觀測記錄來自于湖南省氣象信息中心提供的觀測資料，由常德國家氣象觀測站觀測人員記錄。常德國家氣象觀測站位于111.6764°E，29.1169°N，2009—2011年間未有搬遷。雷達組合反射率資料來源于湖南常德新一代SB型多普勒天氣雷達，雷達站位于111.71°E，29.18°N，海拔高度579.5 m。

根據(jù)常德觀測站記錄的雷暴場次檢索出相應(yīng)常德站雷達基數(shù)據(jù)資料，利用三維組網(wǎng)拼圖軟件將雷達基數(shù)據(jù)資料轉(zhuǎn)化成笛卡爾坐標系下的組合反射率格點數(shù)據(jù)。組合反射率是指在1個體積掃描中，將常定仰角方位掃描中發(fā)現(xiàn)的最大反射率因子投影到笛卡爾格點上的產(chǎn)品[21]。

檢索出有雷達基數(shù)據(jù)資料的雷暴過程共有77場，每場雷暴有人工觀測記錄的聞雷開始時間和結(jié)束時間，因此可利用的時間數(shù)據(jù)樣本有154個，利用這些時間數(shù)據(jù)對應(yīng)的前后6 min內(nèi)最接近聞雷起止時間的雷達組合反射率產(chǎn)品構(gòu)建匹配率模型。

設(shè)定組合反射率的嘗試閾值范圍為30～50 dBz，初始值為30 dBz，間隔為0.5 dBz。聞雷嘗試半徑范圍為5～100 km，初始值為5 km，間隔為5 km。

2.1 匹配率模型分析

如圖3所示，不同的嘗試半徑對應(yīng)的匹配率折線有所不同，但都出現(xiàn)了拐點。圖3a顯示，當(dāng)組合反射率嘗試閾值低于拐點位置時，匹配率下降緩慢，高于拐點位置時，匹配率下降速度增加，說明此時嘗試閾值取值偏高，組合反射率未達到該取值,但已聞雷的樣本增加迅速，拐點所對應(yīng)位置即為待定閾值。同時，隨著嘗試半徑越來越大，折線分布越來越密集，圖3b也顯示不同嘗試閾值的匹配率隨聞雷半徑變化的趨勢明顯出現(xiàn)了拐點，表明當(dāng)超過一定范圍時，聞雷半徑的增加對于匹配率的增加貢獻很小。

圖3 2009—2011年常德人工與雷達產(chǎn)品觀測雷暴匹配率隨組合反射率嘗試閾值(a)和嘗試半徑(b)的變化

通過進一步分析不同嘗試半徑、不同嘗試閾值對應(yīng)的匹配率發(fā)現(xiàn)，在同樣的匹配率邊界條件下，嘗試閾值隨著聞雷半徑的增加而增加，但在超過一定嘗試半徑后，嘗試閾值隨半徑增加的速度迅速減小。在給定的匹配率邊界條件下，嘗試半徑與嘗試閾值的對應(yīng)關(guān)系可用冪函數(shù)進行擬合，在90%的匹配率邊界條件下，擬合得到的對應(yīng)關(guān)系為：

Th=-65.34R-0.597+46.77

(6)

此關(guān)系式擬合系數(shù)達到0.96，說明擬合線與X軸圍成的陰影區(qū)對應(yīng)的嘗試半徑和嘗試閾值取值可使匹配率高于90%。對關(guān)系式求極限可知，當(dāng)R趨于正無窮時，Th不會超過46.77。說明在匹配率高于90%的情況下，無論聞雷半徑如何取值，雷達產(chǎn)品閾值都不會超過46.77(圖4)。

圖4 2009—2011年常德人工與雷達產(chǎn)品觀測雷暴匹配率高于90%時閾值與聞雷半徑對應(yīng)曲線

2.2 雷達產(chǎn)品閾值與最優(yōu)聞雷半徑計算

根據(jù)已構(gòu)建匹配率模型計算每條匹配率折線的拐點(圖5)，發(fā)現(xiàn)所有拐點對應(yīng)的待定閾值波動范圍為38.5～40 dBz，嘗試半徑波動范圍為20～30 km。根據(jù)待定閾值范圍查找嘗試半徑可知，嘗試半徑均為25 km，即判定最優(yōu)聞雷半徑為25 km，常德雷暴組合反射率因子閾值為38.5 dBz。利用組合反射率因子閾值和最優(yōu)聞雷半徑查詢匹配率為83.9%。

2.3 回波面積閾值計算

選取每個樣本中從聞雷起始時間至結(jié)束時間即每場聞雷過程的雷達組合反射率產(chǎn)品，搜尋聞雷半徑25 km內(nèi)，大于等于參考閾值38.5 dBz的樣本，聞雷圓周內(nèi)大于參考閾值的回波面積各分位值如表1所示。其中，中位數(shù)與平均數(shù)相差較大，說明回波面積高值的數(shù)量較多。根據(jù)分位值特點，選擇73 km2作為回波面積閾值。

表1 回波面積各分位值 km2

2.4 臨界成功指數(shù)計算

以測站為中心25 km圓周內(nèi)，若常德雷達站出現(xiàn)了73 km2以上組合反射率達到38.5 dBz的回波，則可以判定當(dāng)日有雷暴發(fā)生。為進一步確定各閾值的準確度，選取2012—2013年3—8月的常德雷達組合反射率產(chǎn)品計算臨界成功指數(shù)。2012—2013年3—8月有對應(yīng)雷達數(shù)據(jù)的人工觀測雷暴日為48天，產(chǎn)品雷暴日相比人工觀測，成功預(yù)警率為85.4%，臨界成功指數(shù)為41.0%，雖然臨界成功指數(shù)較低，但考慮到聞雷過程是雷暴發(fā)生發(fā)展的充分而非必要條件，取當(dāng)前計算得到的組合反射率閾值、最優(yōu)聞雷半徑和回波面積閾值是較為合適的。值得注意的是，常德地區(qū)雷暴主要集中在春夏季節(jié)，即3—8月，在計算閾值的過程中，其樣本個例也主要集中在3—8月，當(dāng)應(yīng)用計算得到的各項閾值結(jié)合2012—2013年全年雷達資料判別雷暴日時，秋冬季節(jié)虛警率很高，而在春夏季節(jié)虛警率較低。

2.5 相關(guān)問題分析

隨機選取常德氣象站2011年4—6月雷暴人工觀測記錄，同時選擇常德雷達站及其相鄰的配備新一代SA型多普勒天氣雷達的長沙雷達站(113.01°E，28.46°N，海拔高度630.4 m)對應(yīng)時次的雷達基數(shù)據(jù)進行對比分析。對2個雷達站基數(shù)據(jù)資料進行相同的預(yù)處理后，計算2部雷達在常德地區(qū)雷暴過程中組合反射率的閾值，發(fā)現(xiàn)常德雷達組合反射率產(chǎn)品計算出的閾值為38.5 dBz，最優(yōu)聞雷半徑為40 km，長沙雷達資料計算出的閾值為43.5 dBz，最優(yōu)聞雷半徑為40 km。利用常德和長沙雷達組網(wǎng)后得到的組合反射率產(chǎn)品計算出閾值為39 dBz，最優(yōu)聞雷半徑為40 km。 考慮到雷達拼圖組網(wǎng)產(chǎn)品對雷暴系統(tǒng)的取樣比雷達單站更為精確[22]，雷達拼圖組網(wǎng)產(chǎn)品能更加全面地描述常德觀測站附近雷暴系統(tǒng)，因此以其計算出的閾值和最優(yōu)聞雷半徑為標準，對比常德和長沙2部雷達單站資料計算出的閾值和聞雷半徑，常德單站要好于長沙單站。

常德和長沙2部雷達數(shù)據(jù)計算得到的最優(yōu)聞雷半徑相同，長沙雷的閾值高于常德雷達，除了相鄰不同型號雷達對同一對流系統(tǒng)的探測本身存在差異[23]之外，還考慮是因為長沙雷達站相距常德觀測站約149 km，而常德雷達站相距常德觀測站僅7.7 km(圖6)，根據(jù)雷達探測方式，長沙雷達可較好地探測位于常德雷達靜錐區(qū)的雷暴系統(tǒng)， 而常德雷達無法探測到靜錐區(qū)的雷暴系統(tǒng)，對于離雷達站較近的雷暴系統(tǒng)也只能探測到其低層。但盡管如此，常德單站雷達得到的閾值卻更接近于雷達拼圖組網(wǎng)產(chǎn)品閾值?？紤]是因為常德雷達站位于觀測站北邊，而長沙雷達站位于觀測站南邊，根據(jù)雷暴人工觀測中的起止方位統(tǒng)計，常德多聞雷于觀測站南邊，聞雷于測站北邊的情況少，對于最終閾值的確定影響較小。

圖5 不同嘗試半徑(a)和不同嘗試閾值(b)的匹配率折線累積距平

圖6 常德觀測站、常德雷達站和長沙雷達站位置分布

由于樣本選擇的不同，常德雷達站單站3年數(shù)據(jù)樣本和3個月數(shù)據(jù)樣本分別計算出的閾值相等，而最優(yōu)聞雷半徑則相差較大，說明當(dāng)選擇不同雷達產(chǎn)品樣本進行分析時，閾值受樣本個數(shù)的影響較小，而最優(yōu)聞雷半徑受樣本個數(shù)的影響較大。

3 結(jié)論與討論

本文利用雷暴人工觀測歷史數(shù)據(jù)與雷達回波產(chǎn)品進行對比，建立了匹配率模型，判定出雷達產(chǎn)品閾值與最優(yōu)聞雷半徑，并結(jié)合回波面積閾值可利用雷達資料進行雷暴過程識別及雷暴日的判別，以湖南常德雷暴人工歷史數(shù)據(jù)和常德雷達產(chǎn)品為例進行了應(yīng)用和分析，得到較好的效果。

(1)利用常德觀測站2009—2011年資料計算出來的雷達產(chǎn)品閾值為38.5 dBz，與眾多研究相近，但計算出的最優(yōu)聞雷半徑達到25 km，要大于利用閃電定位數(shù)據(jù)與人工雷暴日對比得到的半徑[3,11-12]，且在給定的匹配率邊界條件下，嘗試半徑與嘗試閾值的對應(yīng)關(guān)系可用冪函數(shù)進行擬合，回波面積閾值為73 km2。

(2)計算得到的各項閾值結(jié)合雷達數(shù)據(jù)判別雷暴日時，在雷暴多發(fā)季節(jié)的應(yīng)用效果較好，如常德地區(qū)在3—8月間應(yīng)用效果明顯好于其他月份。

(3)該方法是基于雷達產(chǎn)品進行計算的，實例中選用常德觀測站與常德雷達站數(shù)據(jù)進行比對得到的閾值與選用常德觀測站和長沙雷達站數(shù)據(jù)進行比對時得到的閾值不同，主要與雷達探測方式、雷達站與觀測站距離有關(guān)，應(yīng)用該判定方法時最好根據(jù)歷史聞雷方位選擇雷達單站產(chǎn)品或其參與的雷達拼圖組網(wǎng)產(chǎn)品。

(4)常德雷暴過程實例分析中顯示閾值受雷達數(shù)據(jù)樣本個數(shù)的影響較小，而最優(yōu)聞雷半徑受其影響較大，在相同的高匹配率情況下，閾值與聞雷半徑呈冪函數(shù)關(guān)系，最優(yōu)聞雷半徑所受的影響最終也會體現(xiàn)在產(chǎn)品閾值上，建議選擇長時間序列的雷達數(shù)據(jù)樣本構(gòu)建匹配率模型。