吳 容，余海蓉，張婧雯，魏 慶

（四川省防雷中心，四川 成都610072）

雷電作為強(qiáng)對流天氣（雷暴）的產(chǎn)物之一，是由帶電荷的積雨云層內(nèi)部、云層與云層之間或者云層與大地之間產(chǎn)生的一種長距離瞬間放電現(xiàn)象，具有大電流、高電壓、強(qiáng)電磁輻射等特征[1]。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，雷電引起的危害顯著增加，產(chǎn)生的社會影響也越來越大。為了將雷電造成的損失降低，需要準(zhǔn)確地預(yù)報雷電發(fā)生的時間和地點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者對雷電活動的研究已經(jīng)取得了很多重要并且有意義的結(jié)果。天氣雷達(dá)具有高時空分辨率[2]，是對雷暴觀測的最佳手段，因此研究雷電活動和雷達(dá)回波特征之間的關(guān)系對雷電的預(yù)警預(yù)報具有重要的意義。LHERMITTE等發(fā)現(xiàn)充電活動的開始?xì)饬髋c上升氣流的發(fā)展比較一致，集中于-15～-10℃的區(qū)域[3]；BRANDON等研究認(rèn)為-10℃溫度高度處40 dBz回波強(qiáng)度是初次閃電發(fā)生的最佳預(yù)測因子[4]；孟青等利用溫度層上的回波閾值并結(jié)合閃電定位資料對未來雷暴進(jìn)行預(yù)警[5]；石玉恒、黃鈺、居麗玲、王飛、魏雪等對不同雷暴的雷達(dá)回波特征做相關(guān)性分析，找出雷暴預(yù)警指標(biāo)[6-11]；黃延剛、劉冬霞等研究得出在雷暴云成熟和消散階段正負(fù)閃電分布區(qū)與雷達(dá)回波強(qiáng)度區(qū)域有一定對應(yīng)關(guān)系[12-13]。由于不同省市地區(qū)的氣候特征與地理特征不同[14]，對雷電預(yù)警指標(biāo)的因子有一定的影響，所以本課題基于成都市的氣候特征，加入探空資料對雷電活動與雷達(dá)回波特征進(jìn)行相關(guān)性分析，從而確定成都市雷電預(yù)警指標(biāo)。

1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源為成都市2018-06—2018-09對流性天氣過程中的雷達(dá)資料、閃電資料和探空資料。雷達(dá)資料來源于四川成都CINRAD/SC型天氣雷達(dá)，經(jīng)度為104.016°E，緯度為30.664°N，海拔高度為589 m；閃電數(shù)據(jù)為四川省云地閃監(jiān)測網(wǎng)觀測資料中成都的閃電數(shù)據(jù)，監(jiān)測站點(diǎn)為溫江，經(jīng)度103.83°E，緯度為30.70°N，海拔高度為539.3 m；探空資料為溫江觀測站的常規(guī)探空數(shù)據(jù)，經(jīng)度為103.52°E，緯度為30.45°N，海拔高度為548.9 m。

天氣過程中的個例選?。悍謩e選取2018-06—2018-09每個月中的一次對流性天氣過程，時間分別為2018-06-29—06-30，2018-07-01—07-03，2018-08-21—08-22，2018-09-04—09-06。對這些過程中的雷暴單體與非雷暴單體進(jìn)行識別與統(tǒng)計：讀取天氣過程中的雷達(dá)數(shù)據(jù)（組合反射率，CR），以每個體掃數(shù)據(jù)為單體樣本，將組合反射率因子大于等于35 dBz的回波確定為一個單體，并且考慮到閃電數(shù)據(jù)的位置精度問題，將在閃電區(qū)域出現(xiàn)的單體確定為雷暴單體，其他的則為非雷暴單體，對以上天氣過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，共計雷暴單體為45個，非雷暴單體為18個。

2 雷電活動與雷達(dá)回波特征的關(guān)系

通過對雷達(dá)產(chǎn)品和探空資料的分析，本課題提出6個雷電預(yù)警的回波強(qiáng)度隨高度分布的特征量，與風(fēng)暴特征相關(guān)的回波頂高（ET）以及垂直液態(tài)水含量（VIL）作為可選的雷電預(yù)警指標(biāo)，并對這些指標(biāo)進(jìn)行檢驗，分析出適合成都市雷電預(yù)警預(yù)報的指標(biāo)。

2.1 雷電與雷達(dá)回波強(qiáng)度的關(guān)系

不同溫度高度層對應(yīng)的回波強(qiáng)度指標(biāo)如表1所示。

表1 不同預(yù)警指標(biāo)

探空數(shù)據(jù)每天只有2個數(shù)據(jù)，分別為08：00和20：00各一個數(shù)據(jù)，通過對高度與溫度有效數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值，計算出-10℃與-15℃對應(yīng)的海拔高度值。

通過對回波等高平面位置顯示產(chǎn)品（CAPPI）上30 dBz、35 dBz、40 dBz雷達(dá)回波在單體發(fā)展過程中的統(tǒng)計，并且結(jié)合雷暴與非雷暴單體生成當(dāng)天的探空數(shù)據(jù)中-10℃、-15℃高度層進(jìn)行分析，30 dBz回波頂高幾乎都能通過-10℃高度層，35 dBz、40 dBz回波頂高突破-10℃高度的雷暴單體比例逐漸降低。而非雷暴單體中30 dBz回波頂高能突破-10℃高度層的單體很少，40 dBz回波頂高突破-10℃高度的非雷暴單體沒有。對于-15℃高度層，結(jié)果與-10℃高度層差不多，但是雷暴單體數(shù)量都減少，而35 dBz、40 dBz沒有突破該溫度層高度的非雷暴單體。個例分析如下。

都江堰在2018-06-29T13：33形成雷暴單體，單體組合反射率（CR）強(qiáng)度最大為52.5 dBz，如圖1所示。

圖1 都江堰CR圖

圖2 為該時間段雷暴形成與消亡內(nèi)的閃電數(shù)據(jù)，通過當(dāng)日探空數(shù)據(jù)插值所得，-10℃高度為7 675 m，-15℃高度為8 503 m。

圖2 閃電數(shù)據(jù)

通過分析26個體掃數(shù)據(jù)（2018-06-29T13：33—15：24），本次雷暴過程初閃時間為14：02：25。分析結(jié)果如下。

13：37，30 dBz突破-10℃高度層，預(yù)警提前時間為25 min。

13：42，30 dBz突破-10℃及35 dBz突破-15℃高度層，預(yù)警提前時間為20 min。雷電預(yù)警檢驗表如表2所示。

表2 雷電預(yù)警檢驗表

成功預(yù)警率（POD）為：

預(yù)警虛報率（FAR）為：

臨界成功指數(shù)（CIS）為：

用該方法對表1中的預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行檢驗，結(jié)果如表3所示。

表3 不同指標(biāo)預(yù)警結(jié)果檢驗

綜合考慮不同的預(yù)警指標(biāo)，選取CSI較大的值即是：35 dBz突破-10℃溫度高度層作為本課題的預(yù)警指標(biāo)。

2.2 雷電與回波頂高（ET）的關(guān)系

通過對45個雷暴單體與18個非雷暴單體在對應(yīng)時間范圍內(nèi)（雷暴單體區(qū)域內(nèi)首次出現(xiàn)閃電時對應(yīng)的前一個雷達(dá)體掃）的最大回波頂高進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果為：雷暴單體發(fā)生初閃的時候回波頂高幾乎都高于10 km，而非雷暴單體的回波頂高都沒超過10 km，用ET=10 km作為預(yù)警指標(biāo)，預(yù)警提前時間都在20 min以內(nèi)。用雷電預(yù)警檢驗方法對ET=10 km作為預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行檢驗，分析結(jié)果如表4所示。

表4 ET=10 km預(yù)警檢驗

因此本課題選取ET=10 km作為成都市雷電預(yù)警指標(biāo)值。

2.3 雷電與垂直液態(tài)水含量（VIL）的關(guān)系

通過對雷暴單體與非雷暴單體在對應(yīng)時間范圍內(nèi)（雷暴單體區(qū)域內(nèi)首次出現(xiàn)閃電時對應(yīng)的前一個雷達(dá)體掃）的VIL統(tǒng)計分析，結(jié)果為：雷暴單體與非雷暴單體沒有明確的分界線，并且初閃發(fā)生前的雷暴單體的VIL幾乎都小于25 kg/m2。因此垂直液態(tài)水含量VIL可以作為一個判別條件，當(dāng)預(yù)警閃電發(fā)生時，VIL大于0 kg/m2。

3 結(jié)論

利用探空數(shù)據(jù)，通過對2018-06—2018-09對流性天氣過程中的雷暴單體與非雷暴單體與雷達(dá)回波特性進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如下：①通過對6個不同預(yù)警指標(biāo)的檢驗結(jié)果可知，選取CSI值為0.79的回波強(qiáng)度35 dBz突破-10℃溫度高度層作為成都市雷電預(yù)警指標(biāo)，預(yù)警的范圍幾乎在雷電活動范圍內(nèi)；②從雷電活動和回波頂高（ET）的對應(yīng)關(guān)系分析可知，雷暴單體發(fā)生初閃的時候回波頂高（ET）幾乎都高于10 km，用ET=10 km可單獨(dú)作為雷電預(yù)警指標(biāo)；③從雷電活動和垂直液態(tài)水含量VIL相關(guān)性分析可知，VIL可以作為一個判別條件，當(dāng)預(yù)警閃電發(fā)生時，VIL大于0 kg/m2。