吳 量, 馮桂力, 楊仲江, 黃玲光, 程 斌

(1.南京信息工程大學大氣物理學院,江蘇南京210044;2.山東省雷電防護技術中心,山東濟南250031)

1 引言

雷電是伴隨著強對流過程發(fā)生的一種災害性天氣現(xiàn)象,雷電以其強大的電流、炙熱的高溫、猛烈的沖擊波以及強烈的電磁輻射等物理效應使其在瞬間產(chǎn)生巨大的破壞作用[1]。為了防御和減輕雷電災害,除了采用雷電防護措施(工程)來防御直擊雷害和間接雷害外,還應該加強雷電的監(jiān)測與預警,以減少雷擊災害事故的發(fā)生。特別是隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展,對雷電監(jiān)測、預警和防護的需求越來越大,要求越來越高。于是人們不斷利用各種探測手段研究如何能夠及時準確的預報雷電,其中對閃電與雷達回波之間的相關性進行大量的研究,發(fā)現(xiàn)地閃與雷達回波有很強的相關性。如馮桂力等[2]對山東北部的一次中尺度對流系統(tǒng)的閃電活動進行分析,發(fā)現(xiàn)負地閃多發(fā)生在25dBz以上的回波區(qū),對應于對流降水區(qū);正地閃多發(fā)生在25dBz以下,對應于穩(wěn)定的層狀云降水區(qū)。張義軍等[3]通過對6次不同云系的閃電活動進行分析,得到雷暴中的電活動與對流活動成正相關,閃電多發(fā)生在30dBz強回波高度超過-10℃層的時段內(nèi)。雷正翠等[4]、李玉林等[5]也分別對常州和南昌的雷暴云回波特征等進行初步分析,得到強雷暴云的最大頂高達17～18km,最大強度達55～65dBz。個例分析發(fā)現(xiàn)對流云在成熟和消散階段,閃電主要發(fā)生在雷達回波＞40dBz和VIL(垂直液態(tài)水含量)＞20kg?m-2所對應的區(qū)域[6]。

在大量的統(tǒng)計分析基礎上,人們開始利用閃電與雷達參量的相關性來開展閃電預警預報指標的研究,如Mosier等[7]通過對67384個對流單體進行統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)在-15℃和-20℃等溫層至少兩次連續(xù)體掃都能探測到30dBz雷達回波作為最好的閃電預警指標,該指標的CSI值(臨界成功指數(shù))為68%。Maribel[8]發(fā)現(xiàn)風暴云中40dBz以上回波的頂高必須高于7km才能夠發(fā)生閃電。王飛等[9]對夏季北京地區(qū)的20個雷暴單體過程進行綜合分析,得出40dBz是比較適合該地區(qū)雷電預警的一個雷達回波特征參量。易笑園等[10]發(fā)現(xiàn)回波頂高高于11km的回波面積對地閃活動激烈程度具有預警意義。

上述研究工作為雷電臨近預警指標的選取提供了理論依據(jù)和個例證明,但由于強對流天氣過程以及雷電特征具有明顯的地域特征和個體差異,不同地域的雷暴具有不同的閃電活動特征[11],相應各地的雷電預警指標也可能會有所不同。山東省屬于雷暴發(fā)生頻繁地區(qū),而對于該地區(qū)地閃臨近預警指標的研究還比較少,因此在已有對地閃與雷達回波關系研究的基礎上,利用多普勒雷達資料和探空、閃電定位資料對濟南地區(qū)發(fā)生的地閃與雷達反射率、回波頂高和垂直液態(tài)水含量之間的關系進行了研究,希望可以得到適合該地區(qū)的地閃預警指標,為促進該地區(qū)雷電活動的臨近預警提供技術支撐。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 地閃數(shù)據(jù)

地閃觀測數(shù)據(jù)取自山東省氣象局的LD-Ⅱ型閃電定位系統(tǒng)。系統(tǒng)由13個單站(分別布設在章丘、龍口、榮成、即墨、日照、東明、東平、沾化、夏津、魚臺、蒙陰、郯城和昌邑)和一個中心數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構成,采用磁定向時差綜合法進行閃電定位,能提供閃擊的時間、經(jīng)緯度、極性和電流強度等數(shù)據(jù)[12]。系統(tǒng)的時鐘同步精度可達到0.1μ s,山東省內(nèi)大部分地區(qū)閃電探測效率理論值為95%,定位精度可達到300m。

2.2 雷達數(shù)據(jù)

雷達數(shù)據(jù)來自于齊河 CINRAD/SA 雷達(36°48′10″N,116°46′51″E),2009年 7～ 8 月和 2010 年 6 月,距離雷達站200km范圍內(nèi)的41個對流云團,其中26個云團探測到地閃發(fā)生,15個云團在其整個發(fā)展過程中都未探測到地閃發(fā)生(見表1)。

表1 41個對流云團統(tǒng)計表(N：負地閃,P：正地閃)

2.3 數(shù)據(jù)處理

由于受到天氣系統(tǒng)的影響,所選取的對流云團大多持續(xù)時間在1小時以上。絕大部分單體雷暴首次發(fā)生的是負地閃,其中僅有1次是正地閃先被探測到。研究的主要目的是統(tǒng)計分析出能夠較好地預警地閃發(fā)生的雷達反射率及其所對應的溫度層閾值。

由于缺乏對流云中的溫度實測資料,只好利用靠近齊河雷達站的章丘探空站獲取的環(huán)境溫度資料來代替。

3 結果和討論

3.1 雷達回波反射率閾值和預警時間

由表2可得POD值的變化趨勢,對于每個溫度層,POD值隨著反射率閾值增加而減小,同時隨著高度增加(溫度降低),POD值隨著回波閾值的增加而減小,這是因為閾值越低越容易滿足要求,相應的命中率也就越高。FAR值與POD值有相似的變化趨勢,但它們的作用相反,即越強的閾值FAR越小,意味著越強的對流產(chǎn)生閃電的可能性就越高,從而降低了誤報率。

從表2和圖1的平均預警時間上也可看到一定的變化趨勢。不同的溫度—反射率閾值的預警時間取值范圍較大,但預警時間的最大值、最小值和平均值大體是隨著高度增加和反射率閾值的增強而變短,說明云發(fā)展的越高且反射率越強,此時也越容易發(fā)生閃電,相應的預警時間的提前量也就越來越小。

以上統(tǒng)計分析結果表明,通過降低預警指標的閾值可以增加預警時間,但這樣將會使FAR增大,最好預警指標的選取必須同時考慮預警準確率和預警時間,即應該有足夠的預警時間和合理的準確度,因此,采用了CSI值來衡量其綜合預警效果,在這個研究中,-10℃/40dBz閾值的CSI得分最高為83%,平均預警時間是21min(見表2),這個結果與YANG[13]得到的-10℃/40dBz能夠最好的預警閃電發(fā)生的研究相一致,但所得到的預警時間為17min。

表2 41個個例POD(預警準確率)、FAR(虛假報警率)、CSI和預警時間(T war)統(tǒng)計表

圖1 26個有閃電發(fā)生個例的預警時間與不同的溫度——反射率預警閾值的關系圖

3.2 最大雷達回波頂高閾值

由于回波頂越高通常意味上升氣流越強,反之,回波頂越低對應上升氣流越弱,而弱的上升氣流不利于產(chǎn)生閃電,基于外場觀測表明[14],作為快速起電的必要條件是對流單體內(nèi)的上升氣流速度須超過7m?s-1。因此通過地閃發(fā)生與雷達回波頂高的關系,試圖找到首次地閃發(fā)生前的最大回波頂高閾值。如圖2所示,在這次研究中所有產(chǎn)生閃電個例的回波頂高都超過10km。不產(chǎn)生閃電的個例具有較低的回波頂高,但它們中的73%也達到或超過10km。該結果與國外的研究結果類似,Buechler和Goodman[15]研究發(fā)現(xiàn)閃電發(fā)生的雷達回波頂高應該超過9km,Gremillion和Orville[16]發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生地閃的所有風暴的回波頂高均高于9.5km,并且超過一半的無閃電風暴具有的回波頂高也高于9.5km。

3.3 垂直液態(tài)水含量(VIL)閾值

Watson[17]等通過研究得到,閃電頻率隨著 VIL值從 15kg?m-2增加到40kg?m-2～45kg?m-2而逐漸增加,然后隨著更高的VIL值閃電頻率開始下降,但是探測到的最高閃電頻率卻與非常高的VIL值(＞65kg?m-2)相一致。Watson等[17]和MacGorman等[18]認為盡管VIL和閃電有一定的相關性,但是還不能單獨用VIL值來預警閃電。

圖2 有閃電和無閃電個例的最大回波頂高度

通常來講,垂直液態(tài)水含量越多,則表明對流云內(nèi)有充足的云水,越有利于云冰、軟雹形成和閃電的發(fā)生。圖3給出了有閃電和無閃電對流云團的閃電發(fā)生前最大垂直液態(tài)水含量的分布情況,可以看出所有產(chǎn)生閃電個例的VIL都相對較大,并且都超過8.5kg?m-2。不產(chǎn)生閃電的個例的VIL都相對較低,但它們中的60%也達到或超過8.5kg?m-2。

綜合使用溫度層—反射率指標、回波頂高≥10km以及垂直液態(tài)水含量≥8.5kg?m-2的指標來對首次地閃發(fā)生做出預警,對26個雷暴個例進行統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)在回波頂高和垂直液態(tài)水含量都達到閾值之后探測到-10℃/40dBz有2例;在回波頂高和垂直液態(tài)水含量都達到閾值之前探測到-10℃/40dBz有12例;3個閾值同時出現(xiàn)的有11例。已經(jīng)探測到回波頂高≥10km和垂直液態(tài)水含量≥8.5kg?m-2,但在首次地閃發(fā)生前未探測到-10℃/40dBz回波閾值僅為1例。需要說明的是,這里的時間分辨率為雷達體掃時間(如6min)。

圖3 有閃電和無閃電個例的垂直液態(tài)水含量(VIL)

以上統(tǒng)計分析結果意味著回波頂高和垂直液態(tài)水含量閾值雖然不是地閃發(fā)生的充分條件,但作為必要條件將其綜合預警能夠改善FAR和CSI的值(見表3)。

表3 綜合3個預警指標的FAR、CSI統(tǒng)計表

因為所有產(chǎn)生閃電的個例的雷達回波頂高≥10km,垂直液態(tài)水含量(VIL)≥8.5kg?m-2,所以POD值將保持不變。

由表3可知,最大雷達回波頂高和垂直液態(tài)水含量兩個預警指標的加入,大大降低了溫度層—反射率指標中40dBz指標以下的誤報率,從而使CSI得分明顯提高,其中-10℃/40dBz的CSI得分由83%增長為86%。最后綜合預警效果最好的雷達反射率指標是-20℃/25dBz,其CSI得分為93%,平均預警時間是28min。

4 結束語

利用雷達資料、閃電定位儀資料和探空資料,通過對濟南地區(qū)附近的41個對流云團進行綜合分析得到,單獨使用雷達反射率作為預警因子,發(fā)現(xiàn)-10℃/40dBz可以作為該地區(qū)雷電預警最好的一個指標,當綜合使用最大雷達回波頂高、垂直液態(tài)水含量和雷達反射率3個預警指標時,將會對FAR和CSI有所改善,統(tǒng)計結果表明,-20℃/25dBz和雷達回波頂高≥10km,垂直液態(tài)水含量(VIL)≥8.5kg?m-2是最理想的綜合性指標,其CSI得分為93%,平均預警時間是28min。

用于統(tǒng)計分析雷電預警指標的樣本數(shù)量比較有限,所得指標還需進一步驗證,同時所分析的對流單體的季節(jié)不同、天氣形勢不同也會對最終結果造成影響。下一步可以考慮加入更多相關的參數(shù),例如單體的大小及大氣穩(wěn)定度等因子,進一步提升對該地區(qū)閃電臨近預警的準確性。

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