淺談雷達資料在閃電監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用

李賽楠 張瑩

摘要：在大氣中比較激烈的天氣現(xiàn)象中，雷電是當仁不讓的其中一種。雷電又稱閃電，高電壓、大電流和強電磁輻射都會產(chǎn)生在雷擊過程中，這些現(xiàn)象常常給人們造成嚴重的經(jīng)濟損失。因此，加強閃電監(jiān)測預(yù)警對于減少因此造成的損失意義重大。就雷達資料在閃電監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用，本文作了淺談。

關(guān)鍵詞：雷達資料；閃電監(jiān)測；預(yù)警應(yīng)用

一、雷達資料應(yīng)用于閃電監(jiān)測預(yù)警的背景及意義

一旦雷電發(fā)生，又沒有及時的預(yù)報預(yù)警和預(yù)防，常常會給人們的生產(chǎn)生活造成比較大的損失。雷電不僅具有非?？斓陌l(fā)生和發(fā)展過程，而且具有極為復雜的發(fā)生和發(fā)展過程。目前，為了做到雷電的預(yù)警預(yù)報，許多專門探測雷電的儀器被研制出來，這些儀器除了照相機、大氣電場儀、閃電定位儀外，其他的就不能直接觀測到雷電信息了，如雷達、衛(wèi)星、探空等，因此，能直接獲取雷電的直觀資料很少。以前主要是通過觀測獲得雷暴日等閃電資料。由于獲取資料困難的原因，目前，關(guān)于閃電天氣的監(jiān)測和預(yù)報還僅僅處于起步階段。

近二十年來，我國在雷電的監(jiān)測和預(yù)警方面有了長足進展。例如，目前，準實時即幾秒以內(nèi)地閃探測技術(shù)就已經(jīng)比較成熟了。這項技術(shù)可以幫助人們獲取地閃發(fā)生的位置、強度、極性以及回擊次數(shù)等信息。隨著科技進步和經(jīng)濟發(fā)展，我國已經(jīng)逐漸建成閃電監(jiān)測網(wǎng)，閃電資料的應(yīng)用研究和產(chǎn)品開發(fā)也已經(jīng)比較好的開展，其在閃電監(jiān)測預(yù)警中也已經(jīng)發(fā)揮了應(yīng)有的作用。根據(jù)閃電資料的掌握，人們可以掌握雷電活動的規(guī)律，并能準確預(yù)報雷電活動，這將大大有利于將雷電造成的災(zāi)害盡量減小。

二、雷電資料在閃電監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用

雷電活動總是發(fā)生于一定的時間尺度上。在這一方面，相比于其它天氣災(zāi)害，雷電又具有其獨有的一些特點，瞬時性、隨機性和非線性就是其體現(xiàn)。由于強對流天氣的發(fā)生常常范圍小、發(fā)展快，傳統(tǒng)天氣精確預(yù)報方法對于閃電的監(jiān)測和預(yù)警以及強對流天氣的強度、時間以及落區(qū)等都有難度。而隨著現(xiàn)代探測手段的發(fā)展，近年來，利用氣象衛(wèi)星、天氣雷達、閃電定位儀等資料對閃電監(jiān)測預(yù)警已經(jīng)有了很好的發(fā)展。

在雷電預(yù)警中，雷達資料有著自己比較突出的應(yīng)用優(yōu)勢。雷達通常具有一公里的空間分辨率，具備較好的分辨雷暴云的能力。不僅如此，多普勒雷達在兩次體掃之間，其時間間隔只有五六分鐘。如此短的觀測時間間隔，可以為預(yù)警預(yù)報雷電提供比較密集的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)表現(xiàn)出比較大的優(yōu)勢為：空間結(jié)構(gòu)上相對完整，時間上足夠密集的數(shù)據(jù)。隨著科技的發(fā)展，新一代天氣雷達拼圖系統(tǒng)更實現(xiàn)了實時組網(wǎng)拼圖的高頻度、高精度和多產(chǎn)品，進一步擴大了資料的應(yīng)用范圍。因此，在雷電臨近預(yù)警技術(shù)研究中，雷達資料已經(jīng)成為其重要的數(shù)據(jù)。

（一）閃電的基本概念及其與雷達監(jiān)測的關(guān)系

閃電是指一種放電過程，發(fā)生于積雨云中不同符號的荷電中心之間，也發(fā)生于云中荷電與大地和地物之間。除此之外，還發(fā)生于云中荷電中心與云外大氣不同符號大氣體電荷中心之間。根據(jù)閃電發(fā)生位置的不同，閃電可被分為云閃和地閃。

在大氣電學研究領(lǐng)域里，雷暴云的起電機制和云的起電之間的關(guān)系一直是一個難題。截至目前，起電理論盡管已經(jīng)有幾十種，但很遺憾，沒有一種理論能完善的解釋所有云內(nèi)荷電的實際觀測結(jié)果。但是，對于不管哪種起電形式，雷暴云電結(jié)構(gòu)及地面電場還是有數(shù)據(jù)可以被監(jiān)測到的。在雷電發(fā)生最多、雷電災(zāi)害最重的系統(tǒng)中，對流區(qū)結(jié)構(gòu)和荷電模式中的尺度對流系統(tǒng)是其中之一。過去，由于限于探測技術(shù)的落后以及電學方面資料的缺乏，長期以來，人們對電場和荷電結(jié)構(gòu)都缺少足夠的了解。但是，近年來，隨著無線電云中電場探空儀的出現(xiàn)，以及衛(wèi)星、雷達探測技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于電場、荷電結(jié)構(gòu)和閃電的關(guān)系的研究終于有了新的進展。

（二）淺談雷達資料在閃電監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用

通過某地區(qū)對強雷暴過程的電場觀測資料以及閃電定位資料的分析，可以發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)當雷暴云接近電場儀測站時，在電場儀測測站的防護區(qū)內(nèi)——該防護區(qū)位于距測站十公里半徑范圍內(nèi)，電場會出現(xiàn)快變抖動現(xiàn)象。值得注意的是，這種快變抖動和閃電的發(fā)生之間具有一種對應(yīng)關(guān)系。這種關(guān)系表現(xiàn)為：當有電場的快變抖動出現(xiàn)，而且這種現(xiàn)象在一定時間內(nèi)，電場值數(shù)次達到一定閾值的時候，電場值就會隨著時間的增加而達到閃電出現(xiàn)的強度。與此相應(yīng)，很少會出現(xiàn)只有電場快變抖動卻沒有產(chǎn)生閃電的情況。

有研究者在多普勒雷達資料的基礎(chǔ)上，利用其在該地區(qū)所監(jiān)測到的二十個單體（北京地區(qū)2005年7月到8月間），再結(jié)合相應(yīng)的閃電和溫度探空資料，初步總結(jié)出了一套預(yù)報方法。該方法主要針對單體進行是否屬于雷暴單體以及如何預(yù)報初次閃電發(fā)生的時段。其具體內(nèi)容如下：

第一，如果單體雷達資料中的40dBz回波頂高會上升到零溫度層結(jié)高度之上并維持在此之上，那么這樣的結(jié)論可被得出，即該單體將有成為雷暴單體的可能。反之，則可以將其判斷為非雷暴單體。

第二，單體滿足其前一條判斷依據(jù)之后，假如40dBz回波頂高仍然繼續(xù)上升，直至其達到-10℃溫度層結(jié)高度之上，那么就可以判斷得出如下結(jié)論：在滿足該條件的雷達體掃時間之后的15分鐘內(nèi)，單體的初次閃電將會發(fā)生。

根據(jù)總結(jié)出的這套預(yù)報方法，研究者仍從北京地區(qū)2005年7月到8月間又選取了另外的22個單體（其中包括了19個雷暴單體和3個非雷暴單體）進行了獨立檢驗。經(jīng)檢驗發(fā)現(xiàn)，這個方法對于非雷暴單體的判斷以及初次閃電發(fā)生時段的預(yù)報都比較適用。尤其是對非雷暴單體判斷的準確率非常之高，竟然達到了百分之百。這些都為進一步利用雷達資料對閃電監(jiān)測預(yù)警提供了一條參考依據(jù)。

三、雷電資料應(yīng)用于閃電監(jiān)測預(yù)警中的前景

目前，雷達探測儀器的研制已經(jīng)有了新的發(fā)展，如新一代天氣雷達的研制成功，使得豐富的強對流天氣監(jiān)測產(chǎn)品得以。當然，由于尚未有充分的實驗，這些產(chǎn)品通常都需根據(jù)本地情況進行試用才能有效地提高閃電監(jiān)測預(yù)警的識別準確率。據(jù)了解，目前，經(jīng)過三次比較大規(guī)模的技術(shù)以及系統(tǒng)的升級，“雷電臨近預(yù)警系統(tǒng)”已經(jīng)在全國許多城市如北京、天津、廣州等實現(xiàn)了準業(yè)務(wù)運行。該系統(tǒng)的運行為各省、市氣象臺發(fā)布雷電預(yù)警信號提供了重要的參考依據(jù)。如北京市2009年9月30日夜間發(fā)生了一次局地性和突發(fā)性都比較強的雷暴天氣過程，該系統(tǒng)就提前三十分鐘對此做出了及時、準確的預(yù)警，為北京市氣象臺及時發(fā)布雷電預(yù)警信號提供了重要的參考依據(jù)。

參考文獻：

[1]張春龍.氣象衛(wèi)星和氣象雷達觀測資料在雷電監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用研究.南京信息工程大學.2012年