雷达资料在河南省夏季雷电临近预报中的应用研究

杨美荣

（河南省气象灾害防御技术中心，郑州 450003）

强对流天气产生的地闪、强降水、冰雹以及大风常常对人们的生产和生活带来不利影响，故对强对流天气的研究一直是气象领域的研究重点. 有研究发现：闪电数量与强对流天气之间存在一定的相关关系［1-7］，闪电频数越高，雷暴顶高也会相应增高，二者之间存在5次方函数关系［8］；对流单体的最大雷达反射率垂直廓线可以很好地指示对流单体的闪电频次和对流发展强度，对流单体总闪电频次与冰相降水含量的相关系数达到0.92［9］；45～55 dBZ回波是最有利于地闪发生的区域［10］，地闪频次与45 dBZ回波面积相关系数为0.89［11］.

以往的研究多是针对整个雷暴发展过程中闪电活动与雷达参量的关系，而专门针对雷暴初始闪电阶段的研究还很少. 王飞等［12］分析了北京地区20个雷暴单体，发现雷暴单体从25 dBZ回波出现到35 dBZ回波厚度变化率达到极值的时间差，与雷暴最早的云闪与最早的地闪之间的时间差存在一定的线性关系. 王晨曦［13］发现地闪起始和地闪结束时的雷暴动力条件差异显著. 由于不同区域的气候特征有差异，雷电预警的指标也不相同，故有必要对不同区域的雷暴进行针对性地研究. 本研究选取河南省2018年夏季25次对流单体过程，对比分析不同对流单体的雷达回波差异，寻找初始闪电的临近预报指标，希望对强对流天气预报和雷电预警工作提供参考.

1 资料来源及处理

闪电资料来源于河南省三维闪电探测系统，该系统于2017年投入使用，全省共13个测站. 系统通过接收闪电辐射的VLF/LF脉冲信号，采用TOA定位方法，实现闪电VLF/LF辐射源的时间、位置、高度、强度及极性等主要参数的观测，提高了定位精度与探测效率，全面探测云闪、地闪及闪电高度. 三维闪电探测系统在全国建成以来，已有专家学者对它的探测性能进行了检验. 田彩霞等［14］利用江苏省三维闪电探测系统分析发现，闪电定位位置和高度与雷达回波图总体一致，水平定位误差小于300 m，高度定位误差小于500 m. 朱传林等［15］研究湖北省三维闪电探测系统发现：湖北省大部分地区的水平定位误差在200 m以内，高度定位误差在500 m以内. 通过检验发现，三维闪电探测系统探测性能可靠，此次研究使用了三维闪电探测系统闪电资料的位置、发生时间以及闪电类型等，并对资料进行了质量控制.

雷达资料来源于河南省8部新一代天气雷达. 由于雷达自身观测方式的局限性，此次研究仅选取距离雷达站点70～100 km范围内的对流单体作为研究对象. 使用径向和方位上的最近邻居法和垂直方向上的线性内插法（NVI）［16］，将极坐标系下的雷达资料插值到笛卡尔坐标系，网格大小为1 km×1 km×1 km，垂直方向上共24层.

2 对流单体情况汇总

选取河南省2018年6月—8月对流单体过程25次（表1），其中雷暴单体19次、非雷暴单体6次；雷暴单体最初半小时闪电7～181次，地闪3～130次；统计19次雷暴单体初始云闪和初始地闪发生的时间，发现初始云闪提前于初始地闪的有12次，占雷暴单体总数的63.2%；初始地闪为负地闪的雷暴单体16次，占雷暴单体总数的84.2%.

表1 对流单体情况汇总表Tab.1 Summary of convective cells

3 雷达回波特征

3.1 雷达回波高度

计算对流单体30、35、40 dBZ 的回波顶高（以下分别用H30、H35、H40表示），并结合探空资料统计了对流单体特定回波顶高突破0 ℃和-10 ℃层结高度的情况. 统计发现，雷暴和非雷暴对流单体H30、H35、H40均突破了0 ℃层结高度，但突破-10 ℃层结高度的情况两类对流单体有所差别（图1）. 雷暴单体H30、H35均100%突破了-10 ℃层结高度，有95%的雷暴单体H40突破了-10 ℃层结高度；非雷暴单体H30、H35、H40突破-10 ℃层结高度的比例分别为66.7%、50%和16.7%. 通过统计可以看出，H40是否突破-10 ℃层结高度可以较好地将雷暴单体和非雷暴单体区分出来. 雷暴单体和非雷暴单体由于生成时的动力条件、热力条件和水汽条件等的不同，在雷达回波中表现出差异. Maribel［17］研究发现，只发生云闪和将要发生地闪的对流单体在闪电初始激发高度、激发位置的雷达反射率是不同的. Brandon 等［18］认为，在-10 ℃层结高度处40 dBZ 回波强度是初始地闪发生的最佳预测因子.

图1 H30、H35、H40突破-10 ℃层结高度百分比对照Fig.1 The percentages of H30，H35 and H40 reached-10 ℃stratification

进一步分析两种类型对流单体H40突破-10 ℃层结高度之后的维持情况发现，非雷暴单体过程中有一次H40突破了-10 ℃层结高度，但仅维持了一次雷达体扫时间；雷暴单体中H40突破-10 ℃层结高度后至少能维持5个雷达体扫时间. 由此可见，对流单体H40是否突破-10 ℃层结高度并维持一定时间是判断对流单体是否产生闪电的重要参量.

3.2 雷达回波面积和体积

为了进一步分析雷暴和非雷暴两种类型对流单体的差别，选取了4种雷达参量（表2），分别代表对流单体的雷达回波面积和体积特征：6 km高度不小于30 dBZ回波面积（A30_6）、7 km高度不小于25 dBZ回波面积（A25_7）、5 km高度之上不小于30 dBZ回波体积（V30_5）及5 km高度之上不小于40 dBZ回波体积（V40_5）. 从表2可以看出，雷暴单体满足各个雷达参量的比例最低为94.7%，最高为100%；非雷暴单体满足4种雷达参量的比例最低16.6%，最高为33.3%. 观察这4种雷达参量，能将雷暴单体和非雷暴单体较好区分开的是A25_7，当设置阈值为20 km2时，100%的雷暴单体满足条件，非雷暴单体只有16.6%能满足条件.

表2 对流单体雷达参量超过特定阈值的百分比分布表Tab.2 The percentage distribution of convective cells whose radar parameters exceeding specific threshold

4 初始闪电预警指标的研究

通过前文的分析，找到了较好的区分雷暴单体和非雷暴单体的雷达参量. 但雷暴初始闪电预警预报除了考虑准确性，还需要考虑时效性. 通过对多个雷达参量进行筛选和组合，选取了以下3个预警指标进行比较和分析：

预警指标1：H40突破-10 ℃层结高度；

预警指标2：H30突破8 km高度，并且A25_7≥20 km2；

预警指标3：H30突破-10 ℃层结高度，并且A25_7≥20 km2.

4.1 预警指标检验方法

将选取的预警指标使用列联表的方法进行可靠性检验［19］，列出天气实况以及预警结果的分类（表3），表格中每列的统计数据为实况数据，每行中的统计数据为使用雷达参量判断的预报结果. 比如雷暴单体，实况数据为（A+C）次过程，而使用预警方法识别出来雷暴单体A次，识别成非雷暴单体C次；非雷暴单体实况数据为（B+D）次，使用预警方法识别成雷暴单体B次，非雷暴单体D次. 那么预报出来的雷暴单体总数为（A+B）次，非雷暴单体数量为（C+D）次.

表3 预警指标检验分类表Tab.3 Test classification of warning indicators

成功预警率（Probability of Detection，POD）表示在实况观测中预警成功的百分比，数值范围介于0～1. 该数值越大，表示越接近成功预警. 定义为

预警虚报率（False Alarm Ration，FAR）表示在预警中虚报的百分比，数值范围介于0～1. 该数值越小，表示越接近成功预警. 定义为

临界成功指数（Critical Success Index，CSI）表示在整个预警事件中（包括正确预警、虚报预警和漏报预警）正确预警的百分比，数值范围介于0～1. 该数值越大，表示越接近成功预警. 定义为

4.2 预警指标检验结果

将3种预警指标对25个对流单体的预警效果列在表4中. 从表中可以看出，预警指标1的预报准确性是3 个指标中最不理想的，其POD、FAR、CSI的预警指标数值分别为94.7%、10.0%和90%；预警指标2和3的预警准确性相对较高，二者的POD、FAR、CSI均为100%、5.0%和95%.

表4 预警指标检验结果Tab.4 Test results of the different warning indicators

引入初始闪电预警提前时间（Tf）和初始地闪预警提前时间（TCG）的概念，其定义为雷达回波出现预警指标的时间与初始闪电或者初始地闪发生时间的间隔. 从表4来看，预警指标1虽然预报准确性较其他两个指标差，但其预报时效性较好，预警指标1中Tf平均为12.2 min，与预警指标3中的Tf相当，强于预警指标2中的Tf；预警指标1中的TCG平均为20.4 min强于预警指标2和3中的TCG. 对于3个预警指标，初始地闪预警提前时间比初始闪电预警提前时间多出7～8 min.

为了更直观深入地了解各预警指标的性能，引入了2个参数R1和R2，即满足预警指标前观测到初始闪电的雷暴与全部雷暴数量的百分比R1和满足预警指标前观测到初始地闪的雷暴与全部雷暴数量的百分比R2. 从R1来看，预警指标3的R1值较小，预警指标1和2的R1较大；从参数R2来看，有5.2%的雷暴单体在满足预警指标1之前观测到了初始地闪，没有雷暴单体过程在满足预警指标2和3之前观测到初始地闪，即R2值均为0. 综合以上分析，预警指标3在预报准确性以及预报时效性方面均表现较好，是比较适合河南省雷电预警的预警指标.

4.3 初始闪电预警方案

通过前面对25个对流单体的综合分析，对对流单体是否发生闪电以及初始闪电发生时间的预警方案可以归纳为3个步骤：

步骤1：观察对流单体30 dBZ回波顶高随时间的变化. 将30 dBZ回波顶高突破并维持在-10 ℃层结高度作为基础判断条件，如果满足这个条件则对流单体有很大概率将要发生闪电.

步骤2：在满足步骤1后，观察对流单体40 dBZ回波顶高的变化. 如果40 dBZ回波顶高突破-10 ℃层结高度，则可以断定对流单体将在半小时内发生初始闪电.

步骤3：在满足步骤1后，若40 dBZ回波顶高未能突破-10 ℃层结高度，这时如果7 km高度不小于25 dBZ回波面积达到了20 km2，则可以断定对流单体将在半小时内发生初始闪电.

为独立检验上述预报方法效果，从2019年6月—8月挑选了20次对流单体天气过程作为独立检验样本，其中非雷暴单体5个，雷暴单体15个，按照以上预报步骤检验，发现5个非雷暴单体全部被识别出来，15个雷暴单体被识别出来14个，其中一个较弱雷暴单体被识别成了非雷暴单体.

4.4 初始地闪阶段雷达参量与电活动强弱的关系

强对流天气的主要临近预报工具是天气雷达［20］. 目前针对闪电发生时的雷达特征研究较多，而对雷达参量与未来电活动强弱的关系研究较少. 本研究尝试将雷暴单体的雷达参量与闪电数量进行分析，结果表明初始地闪阶段40 dBZ 回波顶高与雷暴单体最初半小时内的闪电数量（简称半小时闪电数量）相关性较好（图2），经计算相关系数为0.82. 说明雷暴单体在初始地闪阶段的雷达参量对雷暴未来电活动的趋势有一定指示作用，可以使用初始地闪阶段的雷达参量来推测未来半小时内的闪电活动强弱. 但由于所选取的对流单体样本较少，此项研究结果还需要进一步的验证.

图2 雷暴单体半小时闪电次数与初始地闪阶段40 dBZ回波顶高的关系Fig.2 Relationship between lightning times in half an hour and 40 dBZ echo height of initial ground lightning

5 结语

利用河南省三维闪电探测系统资料、新一代天气雷达资料和探空资料，选取河南省2018 年夏季25 个对流单体样本，对对流单体的雷达回波特征、初始闪电特征和初始闪电临近预报指标进行了研究，结果表明：

1）选取雷暴单体19次，发现初始云闪提前于初始地闪的有12次，占雷暴单体总数的63.2%；初始地闪为负地闪的雷暴单体有16次，占雷暴单体总数的84.2%.

2）使用30 dBZ回波顶高和7 km高度不小于25 dBZ回波面积这两个雷达参量，可以使初始闪电临近预报的临界成功指数达到95%，初始闪电预警提前时间平均12.7 min，初始地闪预警提前时间平均19.7 min.

3）分析雷暴单体雷达参量与闪电数量的相关关系发现，最初半小时闪电数量与初始地闪阶段40 dBZ回波顶高的相关系数为0.82，说明雷暴单体初始地闪发生时的雷达参量可以较好地反映雷暴未来半小时的电活动强度.