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雷暴云的新一代天氣雷達回波分析及閃電臨近預警

朱江 解莉燕 高正南 張娟 徐八林

引用本文:
Citation:

雷暴云的新一代天氣雷達回波分析及閃電臨近預警

    作者簡介: 朱 江(1975?),男,四川人,工程師,主要從事應用氣象研究. E-mail:zhuj_0@163.com;
    通訊作者: 徐八林, ynxbl@sina.com
  • 中圖分類號: P481

Analysis of new generation weather radar echo and lightning approach warning of thunderstorm cloud

    Corresponding author: XU Ba-lin, ynxbl@sina.com
  • CLC number: P481

  • 摘要: 收集2014—2019年普洱天氣雷達的5121個體掃基數據,使用“投影面積”度量云體的方法進行解析、分析和統計,在16個定點半徑30 km范圍內0 ℃、?10 ℃、?20 ℃層高度上,以5 dBz為步長,對強度達到25~45 dBz回波變化情況進行統計. 結果表明:雷電臨近預報應重點研究強度達到35 dBz或40 dBz的回波在0 ℃層或?10 ℃層上的連續變化特征;結合高山雷達的一些特殊性,兼顧成功率、漏報率和空報率進一步提出,在連續2個體掃以上40 dBz回波出現在0 ℃層高度并保持連續的特征,是適合普洱市雷電臨近預報的較佳條件. 經過檢驗,當條件達到時的探測概率為62%,成功率為50.8%,臨近預報的平均時間提前量為25 min. 這一指標對高山雷達開展雷暴云回波分析及閃電臨近預警有一定的實際應用價值.
  • 圖 1  普洱雷達圖上16個定點位置的分布

    Figure 1.  Distribution of 16 fixed-point positions on the Pu'er radar chart

    圖 2  2018年4月2日16:02—18:38寧洱江城界某地不同強度的回波投影面積在不同溫度層上隨時間變化

    Figure 2.  From 16:02 to 18:38 on April 2, 2018, the echo projected area of a certain place at the city boundary between Ning'er and Jiangcheng County with different intensity changes with time on different temperature layers

    圖 3  2018年4月2日寧洱江城界某地在0 ℃層高度回波≥40 dBz逐步增強過程

    Figure 3.  The gradual enhancement process of echo ≥40 dBz at a height of 0 ℃ at a certain area of the city boundary between Ning'er and Jiangcheng County on April 2, 2018

    圖 4  2018年4月2日寧洱江城界某地在不同高度回波強度≥40 dBz的變化

    Figure 4.  Changes of echo intensity ≥40 dBz at different heights in a place on the boundary between Ning'er and Jiangcheng County on April 2, 2018

    圖 5  2018年4月2日寧洱江城界某地0 ℃層高度不同強度回波的對比

    Figure 5.  Comparison of echoes with different intensities at 0 ℃ layer height in a city between Ning'er and Jiangcheng County on April 2, 2018

    圖 6  2018年4月2日寧洱江城界某地同一高度不同強度回波的變化趨勢

    Figure 6.  Change trend of echoes with different intensities at the same height in a certain area between Ning'er and Jiangcheng County on April 2, 2018

    圖 7  2017年2月2日江城縣和平寨0 ℃層高度回波發展變化

    Figure 7.  The development changes of echoes of the 0 ℃ layer height in Hepingzhai, jiangcheng County on February 2, 2017

    圖 8  0 ℃層高度3個雷暴天氣過程首次地閃前40 dBz回波發展變化

    Figure 8.  Development and change of 40 dBz echoes before the first ground flash in three thunderstorm weather processes at 0 ℃ layer height

    表 1  16個定點位置信息

    Table 1.  Location information of 16 fixed points

    序 號地 點經度E/(°)緯度N/(°)距離雷達/km
    1 瀾滄竹塘鄉 99.81 22.72 120~150
    2 瀾滄惠民鄉 100.10 22.25 90~120
    3 瀾滄景谷界某點 100.26 23.06 60~90
    4 景谷 100.70 23.50 60~90
    5 景洪 100.78 22.00 90~120
    6 景谷寧洱界某點 100.79 23.30 30~60
    7 思茅寧洱界某點 100.91 22.93 0~30
    8 曼歇壩村 100.94 22.69 0~30
    9 半坡村 101.11 22.74 0~30
    10 寧洱墨江界某點 101.22 23.52 60~90
    11 江城整董鎮 101.52 22.49 60~90
    12 寧洱江城界某點 101.53 22.79 30~60
    13 江城和平寨 101.67 22.56 60~90
    14 墨江元江界某點 101.77 23.50 90~120
    15 元江紅河界某點 102.02 23.34 90~120
    16 紅河縣某點 102.22 23.22 120~150
    下載: 導出CSV

    表 2  閃電發生前各強度回波在不同溫度層高度上連續出現的體掃數統計

    Table 2.  The continuous volume-scanning number of each intensity echo at different temperature levels before the occurrence of lightning

    溫度層高度/℃25 dBz30 dBz35 dBz40 dBz45 dBz
    0 ≥8 ≥8 ≥8 4 3
    ?10 ≥8 ≥8 6 4 3
    ?20 ≥8 ≥8 0 0 0
    下載: 導出CSV

    表 3  普洱閃電預報統計

    Table 3.  Statistical of lightning forecast in Pu'er

    序號時間體掃個數雷暴過程數成功預報(X)漏報(Y)空報(Z)
    1 2014年7月19—23日 1259 59 32 27 13
    2 2015年10月1—4日 992 82 60 22 20
    3 2016年6月5—8日 1065 130 88 42 18
    4 2017年2月2—3日 512 60 43 17 10
    5 2018年9月16—18日 804 50 23 27 21
    6 2019年4月2—3日 489 48 21 27 14
    合計 5121 429 267 162 96
    下載: 導出CSV

    表 4  普洱閃電預報時效及比例

    Table 4.  Time effectiveness and proportion of lightning forecast in Pu'er

    時間提前量/min次數占比/ %時間提前量/min次數占比/ %
    3 40 14.98 48 12 4.49
    8 51 19.10 54 4 1.50
    14 31 11.61 60 5 1.87
    20 22 8.24 (60,120] 24 8.99
    25 29 10.86 (120,180] 13 4.87
    30 11 4.12 (180,240] 5 1.87
    36 10 3.75 >240 2 0.75
    42 8 3.00 合計 267 100
    下載: 導出CSV
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  • 加載中
圖(8)表(4)
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出版歷程
  • 收稿日期:  2019-11-04
  • 錄用日期:  2020-03-30
  • 網絡出版日期:  2020-07-29
  • 刊出日期:  2020-09-22

雷暴云的新一代天氣雷達回波分析及閃電臨近預警

    作者簡介:朱 江(1975?),男,四川人,工程師,主要從事應用氣象研究. E-mail:zhuj_0@163.com
    通訊作者: 徐八林, ynxbl@sina.com
  • 1. 普洱市氣象局,云南 普洱 665099
  • 2. 云南省大氣探測技術保障中心,云南 昆明 650034

摘要: 收集2014—2019年普洱天氣雷達的5121個體掃基數據,使用“投影面積”度量云體的方法進行解析、分析和統計,在16個定點半徑30 km范圍內0 ℃、?10 ℃、?20 ℃層高度上,以5 dBz為步長,對強度達到25~45 dBz回波變化情況進行統計. 結果表明:雷電臨近預報應重點研究強度達到35 dBz或40 dBz的回波在0 ℃層或?10 ℃層上的連續變化特征;結合高山雷達的一些特殊性,兼顧成功率、漏報率和空報率進一步提出,在連續2個體掃以上40 dBz回波出現在0 ℃層高度并保持連續的特征,是適合普洱市雷電臨近預報的較佳條件. 經過檢驗,當條件達到時的探測概率為62%,成功率為50.8%,臨近預報的平均時間提前量為25 min. 這一指標對高山雷達開展雷暴云回波分析及閃電臨近預警有一定的實際應用價值.

English Abstract

  • 雷暴云與閃電的關系受到廣泛關注,國內外學者對此作了大量的研究. 馬芳等[1]提出在發生地閃過程中,?10 ℃層高度回波強度維持在40 dBz以上,?20 ℃層高度回波強度在35 dBz以上,回波頂高均大于9 km,地閃最密集時段,回波頂高保持在14 km左右. 王飛等[2]提出單體的雷電預警可以將40 dBz回波作為特征回波強度,將0 ℃層高度作為特征高度,并結合40 dBz回波頂高能否突破0 ℃層高度并維持一段時間,可以作為判斷單體是否為雷暴單體的首要依據,在0 ℃層結高度以上的>40 dBz的回波占25 dBz以上回波所占百分比可以作為雷電預警的一個有效輔助因子. 曾慶鋒[3]通過對南京觀測區2009年6—8月4個測站數據處理分析發現,6 km高度上的30 dBz的雷達反射率因子是首次地閃預報的最優雷達預警閾值. 張春龍[4]對2009—2010年16次雷電天氣過程進行研究,發現閃電發生時回波強度40 dBz所對應的回波頂高幾乎都在8 km以上,無閃電發生時40 dBz所對應的回波頂高大部分都在8 km以下,從而得到40 dBz的回波頂高達到8 km高度以上可以作為閃電發生的一個重要指標. 徐八林等[5]通過對2018年3月23日云南省景谷縣冰雹災害天氣分析,提出利用多普勒天氣雷達反射率垂直剖面圖上的強回波核所在高度、平掃PPI圖上強度指標、速度圖上的中氣旋特征、PPI圖上的V型缺口等判別冰雹云,經多次檢驗在云南均是較好的預測指標,宜采用探空雷達、閃電定位儀和新一代天氣雷達為主要手段進行這類冰雹災害天氣的綜合預警預報. Gremillion等[6]分析了美國肯尼迪航天中心的39個雷暴,提出當地閃將要發生時,雷達反射率和預報對象之間存在一個相關關系,對于夏季雷暴,找到最好的預警指標為?10 ℃層高度上、2個連續體掃都能達到40 dBz的反射率閾值. Brandon等[7]認為在?10 ℃層高度處40 dBz回波強度是預測初次地閃發生的最佳預測因子,提出當雷達回波強度在40 dBz以上的區域大部分落在?10 °C高度線以上時,雷電發生的概率在80%以上. Wiebke等[8]認為雷暴的起電一般位于?15 ℃至?30 ℃的溫度層之間,超過了這個區域之后不同相態的水成物粒子將無法在上升氣流的支持下繼續共同存在. Dotzek等[9]提出在雷暴的發展期,雷達反射率大約在32 dBz的位置,可能會出現雷電,而在更大的雷達反射率位置發生雷電的可能較小,在43 dBz以上的區域沒有監測到雷電的發生,而在雷暴進入消亡期后,雷電主要集中在45 dBz區域. Maribeth等[10]利用多普勒雷達導得的云中氣流與遠距離探測到云中電荷位置分析發現,閃電活動開始的時間與大于20 m/s強上升氣流相一致,以后進入?10 ℃和?15 ℃區域,閃電環繞高反射率因子區邊界近?10 ℃層高度處發生,與強降水核心區有相當的距離. 石玉恒等[11]分析了北京地區14次雷暴過程,提出反射率體積與總閃頻次有著較好的相關性,其中?15 ℃層以上超過30 dBz的反射率體積與總閃頻次的相關系數為0.89,其指數擬合優度為0.83. 石湘波等[12]研究了寧波市城區、山區和海陸3種地區閃電活動特征,提出城區增強型雷暴組合反射率$\geqslant$50 dBz的面積與回波頂高$\geqslant$9 km和$\geqslant$10 km的回波面積、山區增強型雷暴組合反射率$\geqslant$45 dBz的面積和回波頂高$\geqslant $12 km的回波面積、海陸增強型雷暴的回波頂高$\geqslant$10 km的回波面積與地閃次數/6 min都有很好的相關性. 鄭棟等[13]對北京的一次冰雹過程的閃電活動和電荷結構演變特征進行了綜合分析,得出該雷暴的閃電活動有2次活躍期,第1個活躍期產生了降雹,降雹結束后,閃電活動突然減少,之后的活躍期產生了更多的閃電,閃電活動峰值超前降雹5 min左右. 張騰飛等[14]在云南飛機增雨作業氣象條件分析中提出700 hPa水汽混合比$\geqslant$8 g·kg?1,在垂直累積液態水$\geqslant$0.1 mm和垂直累積過冷水$\geqslant $0.1 mm、云頂溫度$\leqslant$?4 ℃、云頂高度$\geqslant$4.5 km的云系中能產生一定厚度和足夠的云水和冰水粒子. 徐八林等[15]對德宏2006年7月17日颮線過程分析,認為颮線的強降水區域幾乎都是其后部穩定的25~40 dBz左右的穩定層狀云回波造成的. 李磊等[16]對2011年6月29日發生在云南的特大區域性冰雹天氣過程進行動力診斷、雷達回波和地閃特征分析,認為強對流天氣臨近時,垂直上升運動最大值的高度高于0 ℃層高度,利于冰雹天氣的形成.

    大量的研究主要集中在閃電發生時或閃電密集發生時雷暴云呈現什么樣的特征,而對低緯高原地區閃電發生之前雷暴云發展過程中的變化特征研究較少. 本文利用普洱新一代多普勒天氣雷達2014—2019年資料、新建的閃電定位儀資料和探空數據資料,結合前人研究成果開展相關工作,將在某一定點半徑R范圍內,分別對強度值達到25、30、35、40 dBz和45 dBz的回波在0 ℃層、?10 ℃層和?20 ℃層高度的變化進行分析研究,總結閃電發生前后的雷達回波特征,進而尋找雷電臨近預報的條件,以期為普洱市進行閃電災害天氣的綜合預警預報提供參考.

    • 普洱天氣雷達(CINRAD/CC 3830型)是已投入全國氣象業務組網運行的新一代多普勒天氣雷達,為C波段的全相干脈沖多普勒雷達,具有發射功率高、脈沖寬、動態接收范圍大接收靈敏度高等特點,區站號Z9879(101.02°E,22.83°N),天線海拔高度1926.3 m,資料庫長為150 m,掃描一周512條徑向線,采用取樣時間間隔約為6 min/次的連續體掃. 思茅探空站的L波段(1型)高空氣象探測系統,每日08:00和20:00分別進行1次高空氣象探測. 雷電監測系統為云南省氣象局建設的VLF/LF三維閃電探測儀,共23站組成覆蓋云南大部地區的三維閃電監測網.

      所用數據為2014—2019年5121個普洱天氣雷達體掃基數據及其對應日期的思茅探空站的探空數據,普洱天氣雷達掃描覆蓋范圍內16個定點位置的經緯度及各定點位置半徑30 km范圍內相應體掃時段的云地閃電(簡稱“地閃”)數據. 采用圖、表統計的方法對閃電發生前雷達回波強度變化情況進行統計分析,觀察回波變化特征,探尋閃電臨近預報的指標. 16個定點位置為分布在雷達站不同方位、不同距離的地點(圖1),具體位置信息如表1所示.

      圖  1  普洱雷達圖上16個定點位置的分布

      Figure 1.  Distribution of 16 fixed-point positions on the Pu'er radar chart

      序 號地 點經度E/(°)緯度N/(°)距離雷達/km
      1 瀾滄竹塘鄉 99.81 22.72 120~150
      2 瀾滄惠民鄉 100.10 22.25 90~120
      3 瀾滄景谷界某點 100.26 23.06 60~90
      4 景谷 100.70 23.50 60~90
      5 景洪 100.78 22.00 90~120
      6 景谷寧洱界某點 100.79 23.30 30~60
      7 思茅寧洱界某點 100.91 22.93 0~30
      8 曼歇壩村 100.94 22.69 0~30
      9 半坡村 101.11 22.74 0~30
      10 寧洱墨江界某點 101.22 23.52 60~90
      11 江城整董鎮 101.52 22.49 60~90
      12 寧洱江城界某點 101.53 22.79 30~60
      13 江城和平寨 101.67 22.56 60~90
      14 墨江元江界某點 101.77 23.50 90~120
      15 元江紅河界某點 102.02 23.34 90~120
      16 紅河縣某點 102.22 23.22 120~150

      表 1  16個定點位置信息

      Table 1.  Location information of 16 fixed points

    • 各強度回波量的確定采用如下方法:把一個體掃的回波數據投影到水平面上,然后計算投影的面積,投影面積越大,表示回波的量越大,此強度回波在該范圍內發展越充分. 在“水平面上的投影運算”是指在雷達數據的不同層上徑向數編號相同、距離庫數編號相同的距離庫檢測到有滿足條件的回波,只取其中一層的同徑向號、同距離庫號的數據進行計算. 相比在一個體積內直接計算回波的量,在相同條件下,投影面積法的優點是參與計算的數據量更少,計算過程引入的誤差更小,誤差傳遞的影響更小,能較客觀的反映回波的水平發展;缺點是回波的垂直發展反映不充分,當投影面積相同的情況下,回波垂直發展度高的與垂直發展度低的將得到相同的投影面積值. 回波的垂直發展度可以單獨通過計算單庫中該強度值回波的高度,并取其中最大值獲得.

      投影面積是經過投影運算的各距離庫,再按近似梯形計算面積后的和. 因為一個平面掃描有512根徑向,相鄰兩徑向間的夾角 $ \theta $ 為0.703125°. 在最大有效探測距離150 km處,相鄰兩徑向的距離(單位:km)為:

      $ 2R\sin\frac{\theta }{2}=2\times 150\sin\frac{0.351\; 562\; 5 }{\rm{\pi }}\approx 1.84. $

      CINRAD/CC 3830型雷達波束寬度小于1°,這里假設雷達波束寬度 $ \beta $ 為0.95°,則150 km處波束直徑(單位:km)為:

      $ 2R\sin\frac{\beta }{2}=2\times 150\sin\frac{0.475}{\rm{\pi }}\approx 2.49. $

      由(1)式和(2)式可以看出,相鄰兩徑向的間距小于波束寬度,在探測范圍內512根徑向上雷達波束能覆蓋所有區域. 所以,近似梯形可定義為:以極坐標表示的 $(nh,\alpha -0.351\;562\;5)$,$\left(\right(n+1)h,\alpha - 0.351\;562\;5)$,$\left(\right(n+1)h,\alpha +0.351\;562\;5)$,$(nh,\alpha +0.351\;562\;5)$ 4個點為頂點,以距離庫庫長h為高構成的梯形,這里n為距離庫編號,$ \alpha $ 為徑向的方位角. 然后,按梯形面積公式計算面積.

    • 對不同地點的不同半徑空間內的不同高度和不同回波強度的雷達數據進行分析處理,步驟如下:

      (1)確定以某一定點為中心的空間半徑R(如R=30 km);

      (2)從定點數據集里面,選取作雷電預警預報的地點(坐標和地名),作為當前地點;

      (3)從雷達基數據集里面,依次選出1個時段的雷達體掃數據作為本次實驗觀察的數據集,按時間升序排序并把第1個體掃數據作為當前體掃數據;

      (4)解析雷達基數據,提取并存儲回波要素值和體掃起止時間等數據;

      (5)從探空數據集里面,查詢當前體掃結束時間所適用的探空資料,選取大氣層0 ℃層的高度值;

      (6)以25 dBz為回波閾值,計算當前體掃數據在 0℃層高度上回波在平面上的投影面積,并作記錄;

      (7)返回第6步,取出下一個回波閾值(依次為30、35、40 dBz和45 dBz),往下順序執行;

      (8)返回第5步,取出下一個溫度層高度值(依次為?10 ℃層、?20 ℃層高度值),再往下順序執行;

      (9)依次返回第3步,第2步,第1步,每一步取出相應的下一個數據,往下順序執行;

      (10)當不再需要改變R的值,執行下一步或結束.

    • 美國新墨西哥礦業技術學院發展完善的一種新型雷電觀測系統閃電映射陣(Lighting Mapping Array,LMA),在2000年夏季強雷暴起電和降水研究(Severe Thunderstorm Electrification and Precipitation Study,STEPS)實驗中發現,雷電水平發展總長度大于40 km,且分叉明顯,2次回擊在地面相距約5 km,2次回擊間有多次沒有到地的企圖先導發生[17]. 根據普洱市氣象觀測的經驗,一般雷暴云周圍30 km范圍內均有可能發生閃電,所以本文研究的尺度范圍為半徑30 km.

      按照上述方法和步驟,解析2018年4月2日16:02—18:38的30個雷達基數據,觀察在寧洱江城界某地閃電從“無–有–無”的過程中,25、30、35、40 dBz和45 dBz強度閾值的回波分別在0 ℃、?10 ℃、?20 ℃層高度上的投影面積值及變化趨勢(圖2). 圖2中橫坐標為寧洱江城界某地30個體掃按時間順序的編號,對應體掃文件名為2018040216.02 V~2018040218.38 V(以下均省略日期,標注為16.02 V~18.38 V),每個體掃文件生成的時間間隔5~6 min;橫坐標體掃編號疊加的漢字表示該體掃的閃電狀態.為了更直觀地反映問題,圖3給出上述地點半徑30 km空間范圍內0 ℃層高度上,首次地閃發生前閾值為40 dBz的回波投影面積的發展變化實況圖,其中(a)至(e)分別與圖2中橫坐標第4至8體掃對應. 從圖3可以看出當首次地閃發生前,強度達到40 dBz的回波從無到有再逐步增強,直到地閃發生,一般需要幾個體掃以上的時間.

      圖  2  2018年4月2日16:02—18:38寧洱江城界某地不同強度的回波投影面積在不同溫度層上隨時間變化

      Figure 2.  From 16:02 to 18:38 on April 2, 2018, the echo projected area of a certain place at the city boundary between Ning'er and Jiangcheng County with different intensity changes with time on different temperature layers

      圖  3  2018年4月2日寧洱江城界某地在0 ℃層高度回波≥40 dBz逐步增強過程

      Figure 3.  The gradual enhancement process of echo ≥40 dBz at a height of 0 ℃ at a certain area of the city boundary between Ning'er and Jiangcheng County on April 2, 2018

      圖  4  2018年4月2日寧洱江城界某地在不同高度回波強度≥40 dBz的變化

      Figure 4.  Changes of echo intensity ≥40 dBz at different heights in a place on the boundary between Ning'er and Jiangcheng County on April 2, 2018

      圖  5  2018年4月2日寧洱江城界某地0 ℃層高度不同強度回波的對比

      Figure 5.  Comparison of echoes with different intensities at 0 ℃ layer height in a city between Ning'er and Jiangcheng County on April 2, 2018

      圖  6  2018年4月2日寧洱江城界某地同一高度不同強度回波的變化趨勢

      Figure 6.  Change trend of echoes with different intensities at the same height in a certain area between Ning'er and Jiangcheng County on April 2, 2018

      圖  7  2017年2月2日江城縣和平寨0 ℃層高度回波發展變化

      Figure 7.  The development changes of echoes of the 0 ℃ layer height in Hepingzhai, jiangcheng County on February 2, 2017

      在文件名為2018040216.56 V(與圖2中橫坐標11對應)的體掃時段內出現密集閃電. 圖4是該體掃中閾值為40 dBz的回波在0 ℃、?10 ℃、?20 ℃層高度的投影面積圖,從圖4中可以看出同一體掃同一強度的回波隨高度變化的特征;圖5是該體掃0 ℃層高度上閾值為25~45 dBz回波的投影面積圖,從圖5中可以看出同一體掃同一高度不同強度回波的變化特征.圖3圖5中圓心坐標均為寧洱江城界某地,圖中出現的閃電均為負地閃. 圖6是同一高度不同強度回波投影面積變化趨勢圖. 從圖6中可以看出在同一高度上,隨著回波強度值增大,其投影面積值逐步減??;同一強度的回波隨著高度的增加,其投影面積值逐步減小.

      通過數據解析性研究,我們可以發現在地閃發生前大氣變化的如下特征:

      (1)地閃發生前回波強度逐漸增強,先出現較低強度回波,隨著時間的推移逐步出現較高強度回波,強度逐漸遞增;

      (2)隨著時間推移,各強度回波在平面上的投影面積逐步增加,呈現以一定斜率增長的趨勢,特別是在0 ℃層和?10 ℃層這一特性保持較好,直到地閃發生;

      (3)對于臨近預報,可以參考35 dBz以上或40 dBz以上回波在0 ℃層或?10 ℃層的變化特征,它在這個高度上從出現到地閃發生之間的時間間隔比較適合臨近預報的要求;

      (4)從地閃發生的第1個體掃開始,各強度回波在平面上的投影面積顯著增加,“體掃–面積圖”中曲線的斜率顯著增大,呈現1個拐點,之后地閃發生頻率顯著增加,進入地閃密集階段,回波強度達到第1次峰值;

      (5)地閃密集階段一般持續4~7個體掃,即25~40 min,之后回波強度開始減弱,各強度回波在平面上的投影面積開始減??;

      (6)如果對流不太強,到(4)時對流持續減弱,各強度回波投影面積持續減少,雷暴天氣趨于結束;

      (7)如果對流足夠強,到(4)時各強度回波投影面積只是階段性回落,緊接著會以更大的斜率持續增加,達到第2次峰值,且幅值能比第1次峰值更大,但閃電頻率有所回落;

      (8)后續可能會有第3次、第4次,···,第n次峰值,由后續對流能否持續確定,直到對流持續減弱,雷暴云逐步消散;

      (9)雷暴云的消散,可以參考閾值為45 dBz回波在0 ℃層和?10 ℃層的變化特征.

      圖7是2017年2月2日夜間的一次雷暴天氣過程(包括20:30—21:28的12個體掃,文件名為2017020220.30 V~2017020221.28 V,體掃2017020221.28 V與圖中橫坐標12對應),在江城和平寨30 km范圍內首次地閃發生前回波投影面積發展變化圖,可以發現在首次地閃發生前10個體掃內,0 ℃層開始出現40 dBz回波并連續存在,且呈現以一定的斜率增長的趨勢.

      圖8是3個不同時間、不同地點雷暴天氣過程在首次地閃發生前0 ℃層高度上閾值為40 dBz回波投影面積的發展變化圖(橫坐標第1個體掃中40 dBz回波投影面積為0,最后1個體掃中發生首次地閃). 同樣可以發現,在首次地閃發生前若干個體掃內0 ℃層高度上開始出現40 dBz以上回波并連續存在,且呈現以一定的斜率增長的趨勢.

      圖  8  0 ℃層高度3個雷暴天氣過程首次地閃前40 dBz回波發展變化

      Figure 8.  Development and change of 40 dBz echoes before the first ground flash in three thunderstorm weather processes at 0 ℃ layer height

      綜上所述,由圖2可以統計出地閃發生前各強度回波在不同溫度層高度上連續出現的體掃數,如表2.

      溫度層高度/℃25 dBz30 dBz35 dBz40 dBz45 dBz
      0 ≥8 ≥8 ≥8 4 3
      ?10 ≥8 ≥8 6 4 3
      ?20 ≥8 ≥8 0 0 0

      表 2  閃電發生前各強度回波在不同溫度層高度上連續出現的體掃數統計

      Table 2.  The continuous volume-scanning number of each intensity echo at different temperature levels before the occurrence of lightning

      圖28表2顯示:如果作臨近預報,應參考35 dBz或40 dBz為閾值的回波在0 ℃層或?10 ℃層高度上的連續變化特征,應重點考查分析閾值為40 dBz回波在0 ℃層上連續變化的特征.

      結合對應時段對應地點30 km范圍內的地閃數據,分別在16個定點位置對2014—2019年的5121個雷達體掃基數據進行統計分析,如表3所示. 在兼顧成功率、漏報率和空報率的情況下,提取“連續2個體掃以上40 dBz回波出現在0 ℃層高度并保持連續”的指標特征. 該指標特征經其它多個個例檢驗發現效果較好,是適合普洱地區閃電臨近預報的較佳條件.

      序號時間體掃個數雷暴過程數成功預報(X)漏報(Y)空報(Z)
      1 2014年7月19—23日 1259 59 32 27 13
      2 2015年10月1—4日 992 82 60 22 20
      3 2016年6月5—8日 1065 130 88 42 18
      4 2017年2月2—3日 512 60 43 17 10
      5 2018年9月16—18日 804 50 23 27 21
      6 2019年4月2—3日 489 48 21 27 14
      合計 5121 429 267 162 96

      表 3  普洱閃電預報統計

      Table 3.  Statistical of lightning forecast in Pu'er

      表3可以計算,當0 ℃層高度出現連續2個體掃以上40 dBz回波條件達到時,探測概率為62%,成功率為50.8%.

      在預報時效性方面,對表3中成功預報的267個閃電過程進一步統計分析,如表4所示,預報平均時間提前量37 min. 因臨近預報的時限為0~2 h,把發出預報后2 h以上發生閃電的雷暴可視為空報,則臨近預報的平均時間提前量為25 min.

      時間提前量/min次數占比/ %時間提前量/min次數占比/ %
      3 40 14.98 48 12 4.49
      8 51 19.10 54 4 1.50
      14 31 11.61 60 5 1.87
      20 22 8.24 (60,120] 24 8.99
      25 29 10.86 (120,180] 13 4.87
      30 11 4.12 (180,240] 5 1.87
      36 10 3.75 >240 2 0.75
      42 8 3.00 合計 267 100

      表 4  普洱閃電預報時效及比例

      Table 4.  Time effectiveness and proportion of lightning forecast in Pu'er

    • 閃電一般伴隨著雷暴云的產生、發展和消亡的過程,當閃電發生之前,大氣環境也應發生相應的發展變化. 為探討此時大氣環境變化的特征,采用對某個定點周圍半徑為R的空間范圍內的雷達回波數據進行分析,從不同強度量級回波的量的變化及其演變特征的變化進行分析研究. 本文以每5 dBz為步長,分別對閾值為25~45 dBz強度值的回波在0 ℃、?10 ℃、?20 ℃層高度上的發展變化特征進行了統計分析,得出如下結論.

      (1)從氣象臺站的各種探測資料綜合比較分析,常規地面資料一般用于檢驗預報預警的準確率,而新一代多普勒天氣雷達能夠較好地監測和預警雷電的發展過程. 故宜采用新一代多普勒天氣雷達、探空雷達和閃電定位儀為主要手段進行閃電這類災害天氣的綜合預警預報.

      (2)發現連續2個體掃以上40 dBz回波出現在0 ℃層高度并保持,是普洱地區閃電臨近預報的較好指標. 在16個定點周圍30 km范圍內,通過提取2014—2019年5121個雷達體掃基數據的上述指標統計后,探測概率為62%,成功率為50.8%,預報平均時間提前量37 min,0~2 h臨近預報的平均時間提前量為25 min.

      衛星云圖上TBB等值線分析方法能較細致地揭示MCS的形成發展演變過程,但由于發生閃電的這類強對流天氣通常尺度較小,沒有發現比較明顯的特征;探空雷達能夠提供發生的大尺度天氣背景情況;閃電定位儀能夠比天氣雷達更早地預警冰雹的發生,但閃電要達到一定數量后預報準確率才較高,若只用初期指標,則空報率相對較高. 由于閃電這類災害天氣的綜合預警預報對防雷減災有較好的價值,該方法在其它地區也進行了推廣試用,取得了一定的效果. 但是,由于各地地理位置氣候特點和不同雷達海拔高度差異,需進行較仔細的指標本地化調整. 因下墊面以及所處緯度的不同,各溫度層的海拔高度也有所差異,各地區何種強度、何種高度的回波數據更具有代表性,建議氣象工作者結合當地的探空數據和閃電定位數據從當地的雷達回波數據中找出具體的數/閾值.

參考文獻 (17)

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