吳 量, 馮桂力, 楊仲江, 黃玲光, 程 斌

(1.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院,江蘇南京210044;2.山東省雷電防護(hù)技術(shù)中心,山東濟(jì)南250031)

1 引言

雷電是伴隨著強(qiáng)對(duì)流過(guò)程發(fā)生的一種災(zāi)害性天氣現(xiàn)象,雷電以其強(qiáng)大的電流、炙熱的高溫、猛烈的沖擊波以及強(qiáng)烈的電磁輻射等物理效應(yīng)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(zāi)害,除了采用雷電防護(hù)措施(工程)來(lái)防御直擊雷害和間接雷害外,還應(yīng)該加強(qiáng)雷電的監(jiān)測(cè)與預(yù)警,以減少雷擊災(zāi)害事故的發(fā)生。特別是隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,對(duì)雷電監(jiān)測(cè)、預(yù)警和防護(hù)的需求越來(lái)越大,要求越來(lái)越高。于是人們不斷利用各種探測(cè)手段研究如何能夠及時(shí)準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)雷電,其中對(duì)閃電與雷達(dá)回波之間的相關(guān)性進(jìn)行大量的研究,發(fā)現(xiàn)地閃與雷達(dá)回波有很強(qiáng)的相關(guān)性。如馮桂力等[2]對(duì)山東北部的一次中尺度對(duì)流系統(tǒng)的閃電活動(dòng)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)負(fù)地閃多發(fā)生在25dBz以上的回波區(qū),對(duì)應(yīng)于對(duì)流降水區(qū);正地閃多發(fā)生在25dBz以下,對(duì)應(yīng)于穩(wěn)定的層狀云降水區(qū)。張義軍等[3]通過(guò)對(duì)6次不同云系的閃電活動(dòng)進(jìn)行分析,得到雷暴中的電活動(dòng)與對(duì)流活動(dòng)成正相關(guān),閃電多發(fā)生在30dBz強(qiáng)回波高度超過(guò)-10℃層的時(shí)段內(nèi)。雷正翠等[4]、李玉林等[5]也分別對(duì)常州和南昌的雷暴云回波特征等進(jìn)行初步分析,得到強(qiáng)雷暴云的最大頂高達(dá)17～18km,最大強(qiáng)度達(dá)55～65dBz。個(gè)例分析發(fā)現(xiàn)對(duì)流云在成熟和消散階段,閃電主要發(fā)生在雷達(dá)回波＞40dBz和VIL(垂直液態(tài)水含量)＞20kg?m-2所對(duì)應(yīng)的區(qū)域[6]。

在大量的統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)上,人們開(kāi)始利用閃電與雷達(dá)參量的相關(guān)性來(lái)開(kāi)展閃電預(yù)警預(yù)報(bào)指標(biāo)的研究,如Mosier等[7]通過(guò)對(duì)67384個(gè)對(duì)流單體進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(cè)到30dBz雷達(dá)回波作為最好的閃電預(yù)警指標(biāo),該指標(biāo)的CSI值(臨界成功指數(shù))為68%。Maribel[8]發(fā)現(xiàn)風(fēng)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(duì)夏季北京地區(qū)的20個(gè)雷暴單體過(guò)程進(jìn)行綜合分析,得出40dBz是比較適合該地區(qū)雷電預(yù)警的一個(gè)雷達(dá)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(duì)地閃活動(dòng)激烈程度具有預(yù)警意義。

上述研究工作為雷電臨近預(yù)警指標(biāo)的選取提供了理論依據(jù)和個(gè)例證明,但由于強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程以及雷電特征具有明顯的地域特征和個(gè)體差異,不同地域的雷暴具有不同的閃電活動(dòng)特征[11],相應(yīng)各地的雷電預(yù)警指標(biāo)也可能會(huì)有所不同。山東省屬于雷暴發(fā)生頻繁地區(qū),而對(duì)于該地區(qū)地閃臨近預(yù)警指標(biāo)的研究還比較少,因此在已有對(duì)地閃與雷達(dá)回波關(guān)系研究的基礎(chǔ)上,利用多普勒雷達(dá)資料和探空、閃電定位資料對(duì)濟(jì)南地區(qū)發(fā)生的地閃與雷達(dá)反射率、回波頂高和垂直液態(tài)水含量之間的關(guān)系進(jìn)行了研究,希望可以得到適合該地區(qū)的地閃預(yù)警指標(biāo),為促進(jìn)該地區(qū)雷電活動(dòng)的臨近預(yù)警提供技術(shù)支撐。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 地閃數(shù)據(jù)

地閃觀測(cè)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(gè)單站(分別布設(shè)在章丘、龍口、榮成、即墨、日照、東明、東平、沾化、夏津、魚(yú)臺(tái)、蒙陰、郯城和昌邑)和一個(gè)中心數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成,采用磁定向時(shí)差綜合法進(jìn)行閃電定位,能提供閃擊的時(shí)間、經(jīng)緯度、極性和電流強(qiáng)度等數(shù)據(jù)[12]。系統(tǒng)的時(shí)鐘同步精度可達(dá)到0.1μ s,山東省內(nèi)大部分地區(qū)閃電探測(cè)效率理論值為95%,定位精度可達(dá)到300m。

2.2 雷達(dá)數(shù)據(jù)

雷達(dá)數(shù)據(jù)來(lái)自于齊河 CINRAD/SA 雷達(dá)(36°48′10″N,116°46′51″E),2009年 7～ 8 月和 2010 年 6 月,距離雷達(dá)站200km范圍內(nèi)的41個(gè)對(duì)流云團(tuán),其中26個(gè)云團(tuán)探測(cè)到地閃發(fā)生,15個(gè)云團(tuán)在其整個(gè)發(fā)展過(guò)程中都未探測(cè)到地閃發(fā)生(見(jiàn)表1)。

表1 41個(gè)對(duì)流云團(tuán)統(tǒng)計(jì)表(N：負(fù)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(duì)流云團(tuán)大多持續(xù)時(shí)間在1小時(shí)以上。絕大部分單體雷暴首次發(fā)生的是負(fù)地閃,其中僅有1次是正地閃先被探測(cè)到。研究的主要目的是統(tǒng)計(jì)分析出能夠較好地預(yù)警地閃發(fā)生的雷達(dá)反射率及其所對(duì)應(yīng)的溫度層閾值。

由于缺乏對(duì)流云中的溫度實(shí)測(cè)資料,只好利用靠近齊河雷達(dá)站的章丘探空站獲取的環(huán)境溫度資料來(lái)代替。

3 結(jié)果和討論

3.1 雷達(dá)回波反射率閾值和預(yù)警時(shí)間

由表2可得POD值的變化趨勢(shì),對(duì)于每個(gè)溫度層,POD值隨著反射率閾值增加而減小,同時(shí)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?yàn)殚撝翟降驮饺菀诐M足要求,相應(yīng)的命中率也就越高。FAR值與POD值有相似的變化趨勢(shì),但它們的作用相反,即越強(qiáng)的閾值FAR越小,意味著越強(qiáng)的對(duì)流產(chǎn)生閃電的可能性就越高,從而降低了誤報(bào)率。

從表2和圖1的平均預(yù)警時(shí)間上也可看到一定的變化趨勢(shì)。不同的溫度—反射率閾值的預(yù)警時(shí)間取值范圍較大,但預(yù)警時(shí)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(qiáng)而變短,說(shuō)明云發(fā)展的越高且反射率越強(qiáng),此時(shí)也越容易發(fā)生閃電,相應(yīng)的預(yù)警時(shí)間的提前量也就越來(lái)越小。

以上統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明,通過(guò)降低預(yù)警指標(biāo)的閾值可以增加預(yù)警時(shí)間,但這樣將會(huì)使FAR增大,最好預(yù)警指標(biāo)的選取必須同時(shí)考慮預(yù)警準(zhǔn)確率和預(yù)警時(shí)間,即應(yīng)該有足夠的預(yù)警時(shí)間和合理的準(zhǔn)確度,因此,采用了CSI值來(lái)衡量其綜合預(yù)警效果,在這個(gè)研究中,-10℃/40dBz閾值的CSI得分最高為83%,平均預(yù)警時(shí)間是21min(見(jiàn)表2),這個(gè)結(jié)果與YANG[13]得到的-10℃/40dBz能夠最好的預(yù)警閃電發(fā)生的研究相一致,但所得到的預(yù)警時(shí)間為17min。

表2 41個(gè)個(gè)例POD(預(yù)警準(zhǔn)確率)、FAR(虛假報(bào)警率)、CSI和預(yù)警時(shí)間(T war)統(tǒng)計(jì)表

圖1 26個(gè)有閃電發(fā)生個(gè)例的預(yù)警時(shí)間與不同的溫度——反射率預(yù)警閾值的關(guān)系圖

3.2 最大雷達(dá)回波頂高閾值

由于回波頂越高通常意味上升氣流越強(qiáng),反之,回波頂越低對(duì)應(yīng)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(chǎng)觀測(cè)表明[14],作為快速起電的必要條件是對(duì)流單體內(nèi)的上升氣流速度須超過(guò)7m?s-1。因此通過(guò)地閃發(fā)生與雷達(dá)回波頂高的關(guān)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(gè)例的回波頂高都超過(guò)10km。不產(chǎn)生閃電的個(gè)例具有較低的回波頂高,但它們中的73%也達(dá)到或超過(guò)10km。該結(jié)果與國(guó)外的研究結(jié)果類似,Buechler和Goodman[15]研究發(fā)現(xiàn)閃電發(fā)生的雷達(dá)回波頂高應(yīng)該超過(guò)9km,Gremillion和Orville[16]發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生地閃的所有風(fēng)暴的回波頂高均高于9.5km,并且超過(guò)一半的無(wú)閃電風(fēng)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(guò)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(kāi)始下降,但是探測(cè)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(rèn)為盡管VIL和閃電有一定的相關(guān)性,但是還不能單獨(dú)用VIL值來(lái)預(yù)警閃電。

圖2 有閃電和無(wú)閃電個(gè)例的最大回波頂高度

通常來(lái)講,垂直液態(tài)水含量越多,則表明對(duì)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(wú)閃電對(duì)流云團(tuán)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(gè)例的VIL都相對(duì)較大,并且都超過(guò)8.5kg?m-2。不產(chǎn)生閃電的個(gè)例的VIL都相對(duì)較低,但它們中的60%也達(dá)到或超過(guò)8.5kg?m-2。

綜合使用溫度層—反射率指標(biāo)、回波頂高≥10km以及垂直液態(tài)水含量≥8.5kg?m-2的指標(biāo)來(lái)對(duì)首次地閃發(fā)生做出預(yù)警,對(duì)26個(gè)雷暴個(gè)例進(jìn)行統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)在回波頂高和垂直液態(tài)水含量都達(dá)到閾值之后探測(cè)到-10℃/40dBz有2例;在回波頂高和垂直液態(tài)水含量都達(dá)到閾值之前探測(cè)到-10℃/40dBz有12例;3個(gè)閾值同時(shí)出現(xiàn)的有11例。已經(jīng)探測(cè)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(cè)到-10℃/40dBz回波閾值僅為1例。需要說(shuō)明的是,這里的時(shí)間分辨率為雷達(dá)體掃時(shí)間(如6min)。

圖3 有閃電和無(wú)閃電個(gè)例的垂直液態(tài)水含量(VIL)

以上統(tǒng)計(jì)分析結(jié)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(yù)警能夠改善FAR和CSI的值(見(jiàn)表3)。

表3 綜合3個(gè)預(yù)警指標(biāo)的FAR、CSI統(tǒng)計(jì)表

因?yàn)樗挟a(chǎn)生閃電的個(gè)例的雷達(dá)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(dá)回波頂高和垂直液態(tài)水含量?jī)蓚€(gè)預(yù)警指標(biāo)的加入,大大降低了溫度層—反射率指標(biāo)中40dBz指標(biāo)以下的誤報(bào)率,從而使CSI得分明顯提高,其中-10℃/40dBz的CSI得分由83%增長(zhǎng)為86%。最后綜合預(yù)警效果最好的雷達(dá)反射率指標(biāo)是-20℃/25dBz,其CSI得分為93%,平均預(yù)警時(shí)間是28min。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用雷達(dá)資料、閃電定位儀資料和探空資料,通過(guò)對(duì)濟(jì)南地區(qū)附近的41個(gè)對(duì)流云團(tuán)進(jìn)行綜合分析得到,單獨(dú)使用雷達(dá)反射率作為預(yù)警因子,發(fā)現(xiàn)-10℃/40dBz可以作為該地區(qū)雷電預(yù)警最好的一個(gè)指標(biāo),當(dāng)綜合使用最大雷達(dá)回波頂高、垂直液態(tài)水含量和雷達(dá)反射率3個(gè)預(yù)警指標(biāo)時(shí),將會(huì)對(duì)FAR和CSI有所改善,統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,-20℃/25dBz和雷達(dá)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(biāo),其CSI得分為93%,平均預(yù)警時(shí)間是28min。

用于統(tǒng)計(jì)分析雷電預(yù)警指標(biāo)的樣本數(shù)量比較有限,所得指標(biāo)還需進(jìn)一步驗(yàn)證,同時(shí)所分析的對(duì)流單體的季節(jié)不同、天氣形勢(shì)不同也會(huì)對(duì)最終結(jié)果造成影響。下一步可以考慮加入更多相關(guān)的參數(shù),例如單體的大小及大氣穩(wěn)定度等因子,進(jìn)一步提升對(duì)該地區(qū)閃電臨近預(yù)警的準(zhǔn)確性。

[1]張義軍,周秀驥.雷電研究的回顧和進(jìn)展[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2006,17(6)：829-834.

[2]馮桂力,王俊,牟容,等.一次中尺度雷暴大風(fēng)過(guò)程的閃電特征分析[J].氣象,2010,36(4)：68-74.

[3]張義軍,華貴義,言穆弘,等.對(duì)流和層狀云系電活動(dòng)、對(duì)流及降水特性的相關(guān)分析[J].高原氣象,1995,14(4)：396-405.

[4]雷正翠,夏文梅,周霖華,等.常州雷暴的氣候特點(diǎn)及多普勒雷達(dá)回波特征[J].氣象,2009,35(12)：118-125.

[5]李玉林,楊梅,李玉芳.夏季雷暴云雷達(dá)回波特征分析[J].氣象,2001,27(10)：33-37.

[6]黃延剛,顧松山,楊才文,等.一次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程中的閃電特征分析[J].廣東氣象,2007,29(3)：7-10.

[7]Richard M Mosier,Courtney Schumacher,Richard E.Radar Nowcasting of Cloud-to-Ground Lightning Over Houston,Texas[J].Weather and Forecasting,2011,26(2)：199-212.

[8]Maribel Martinez.The Relationship Between Radar Reflectivity and Lightning Activity at Initial Stages of Convective Storms[C].American Meteorological Society,82nd Annual Meeting,FirstAnnual Student Conference,Orlando,Florida,2002.

[9]王飛,張義軍,趙均壯,等.雷達(dá)資料在孤立單體雷電預(yù)警中的初步應(yīng)用[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2008,19(2)：153-160.

[10]易笑園,宮全勝,李培彥,等.華北颮線系統(tǒng)中地閃活動(dòng)與雷達(dá)回波頂高的關(guān)系及預(yù)警指標(biāo)[J].氣象,2009,35(2)：34-40.

[11]劉冬霞,郄秀書(shū),馮桂力.華北一次中尺度對(duì)流系統(tǒng)中的閃電活動(dòng)特征及其與雷暴動(dòng)力過(guò)程的關(guān)系研究[J].大氣科學(xué) ,2010,34(1)：95-104.

[12]唐巧玲,孫荊茶,王思群,等.2007年山東地區(qū)閃電活動(dòng)特征分析[J].山東氣象,2008,115(28)：28-31.

[13]Y Helena Yang.Investigating the Potential of Using Radar Echo Reflectivity to Nowcast Cloud-to-Ground Lightning Initiation over Southern Ontario[J].Weather and Forecasting,2010,25(4)：1235-1248.

[14]Zipser E J,Lutz.The vertical profile of radar reflectivity of convective cells：A strong indicator of storm intensity and lightning probability[J].Mon.Wea.Rev.,1994,122：1751-1759.

[15]Buechler,D E,S J Goodman.Echo size and asymmetry：Impact on NEXRAD storm identification[J].Applied Meteorology,1990,29(9),962-969.

[16]Gremillion,M S,R E Orville,Thunderstorm characteristics of cloud-to-ground lightning at the Kennedy Space Center[J].Florida：A study of lightning initiation signatures as indicated by the WSR-88D.Wea.Forecasting,1999,14：640-649.

[17]Watson A I,Holle R L,Lopez R E.Lightning from Tow National Detection Networks Related to Vertically Integrated Liquid and Echo-Top Information from WSR-88D Radar[J].Weather and Forecasting,1995,10(3)：592-605.

[18]MacGorman,D R,T Filiaggi,R L Holle.Negative cloud-to-ground lightning flash rates relative to VIL,maximum reflectivity,cell height,and cell isolation[J].Lightning Res.,2007,(1)：132-147.