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(duì)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(zhǎng)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(huì)影響也越來(lái)越大。為了將雷電造成的損失降低，需要準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)雷電發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)雷電活動(dòng)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(shí)空分辨率[2]，是對(duì)雷暴觀測(cè)的最佳手段，因此研究雷電活動(dòng)和雷達(dá)回波特征之間的關(guān)系對(duì)雷電的預(yù)警預(yù)報(bào)具有重要的意義。LHERMITTE等發(fā)現(xiàn)充電活動(dòng)的開(kāi)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(cè)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(duì)未來(lái)雷暴進(jìn)行預(yù)警[5]；石玉恒、黃鈺、居麗玲、王飛、魏雪等對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)雷電活動(dòng)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(lái)源

數(shù)據(jù)來(lái)源為成都市2018-06—2018-09對(duì)流性天氣過(guò)程中的雷達(dá)資料、閃電資料和探空資料。雷達(dá)資料來(lái)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(cè)網(wǎng)觀測(cè)資料中成都的閃電數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)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(cè)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(guò)程中的個(gè)例選取：分別選取2018-06—2018-09每個(gè)月中的一次對(duì)流性天氣過(guò)程，時(shí)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(duì)這些過(guò)程中的雷暴單體與非雷暴單體進(jìn)行識(shí)別與統(tǒng)計(jì)：讀取天氣過(guò)程中的雷達(dá)數(shù)據(jù)（組合反射率，CR），以每個(gè)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(gè)單體，并且考慮到閃電數(shù)據(jù)的位置精度問(wèn)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(duì)以上天氣過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，共計(jì)雷暴單體為45個(gè)，非雷暴單體為18個(gè)。

2 雷電活動(dòng)與雷達(dá)回波特征的關(guān)系

通過(guò)對(duì)雷達(dá)產(chǎn)品和探空資料的分析，本課題提出6個(gè)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(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，分析出適合成都市雷電預(yù)警預(yù)報(bào)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(duì)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(gè)數(shù)據(jù)，分別為08：00和20：00各一個(gè)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)高度與溫度有效數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值，計(jì)算出-10℃與-15℃對(duì)應(yīng)的海拔高度值。

通過(guò)對(duì)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(guò)程中的統(tǒng)計(jì)，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(guò)-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(méi)有。對(duì)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(méi)有突破該溫度層高度的非雷暴單體。個(gè)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(shí)間段雷暴形成與消亡內(nèi)的閃電數(shù)據(jù)，通過(guò)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(guò)分析26個(gè)體掃數(shù)據(jù)（2018-06-29T13：33—15：24），本次雷暴過(guò)程初閃時(shí)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(shí)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(shí)間為20 min。雷電預(yù)警檢驗(yàn)表如表2所示。

表2 雷電預(yù)警檢驗(yàn)表

成功預(yù)警率（POD）為：

預(yù)警虛報(bào)率（FAR）為：

臨界成功指數(shù)（CIS）為：

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

表3 不同指標(biāo)預(yù)警結(jié)果檢驗(yàn)

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(guò)對(duì)45個(gè)雷暴單體與18個(gè)非雷暴單體在對(duì)應(yīng)時(shí)間范圍內(nèi)（雷暴單體區(qū)域內(nèi)首次出現(xiàn)閃電時(shí)對(duì)應(yīng)的前一個(gè)雷達(dá)體掃）的最大回波頂高進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果為：雷暴單體發(fā)生初閃的時(shí)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(méi)超過(guò)10 km，用ET=10 km作為預(yù)警指標(biāo)，預(yù)警提前時(shí)間都在20 min以內(nèi)。用雷電預(yù)警檢驗(yàn)方法對(duì)ET=10 km作為預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，分析結(jié)果如表4所示。

表4 ET=10 km預(yù)警檢驗(yàn)

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(guò)對(duì)雷暴單體與非雷暴單體在對(duì)應(yīng)時(shí)間范圍內(nèi)（雷暴單體區(qū)域內(nèi)首次出現(xiàn)閃電時(shí)對(duì)應(yīng)的前一個(gè)雷達(dá)體掃）的VIL統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果為：雷暴單體與非雷暴單體沒(méi)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(gè)判別條件，當(dāng)預(yù)警閃電發(fā)生時(shí)，VIL大于0 kg/m2。

3 結(jié)論

利用探空數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)2018-06—2018-09對(duì)流性天氣過(guò)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(guò)對(duì)6個(gè)不同預(yù)警指標(biāo)的檢驗(yàn)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(dòng)范圍內(nèi)；②從雷電活動(dòng)和回波頂高（ET）的對(duì)應(yīng)關(guān)系分析可知，雷暴單體發(fā)生初閃的時(shí)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(dòng)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(gè)判別條件，當(dāng)預(yù)警閃電發(fā)生時(shí)，VIL大于0 kg/m2。