雷電預警中的風暴參數(shù)研究

孫 琪，楊 凡，李 博，汪中虎，王欣眉

(1.山東省青島市城陽區(qū)氣象局，山東 青島 266109；2.山東省青島市氣象災害防御工程技術(shù)研究中心，山東 青島 266003；3.山東省青島市氣象局，山東 青島 266003)

雷電預警中的風暴參數(shù)研究

孫 琪1,2，楊 凡2,3，李 博1，汪中虎1，王欣眉3

(1.山東省青島市城陽區(qū)氣象局，山東 青島 266109；2.山東省青島市氣象災害防御工程技術(shù)研究中心，山東 青島 266003；3.山東省青島市氣象局，山東 青島 266003)

目前，國內(nèi)大多城市陸續(xù)建設(shè)了大氣電場儀，旨在提前開展雷電預警，但基于大氣電場儀開展雷電預警的虛警率始終較高。該文基于閃電定位儀和雷達風暴產(chǎn)品，提取了雷電發(fā)生時的風暴參數(shù)，即發(fā)生閃電的雷電預警指標需同時滿足風暴中心強度在40dBz以上、中心高度在3 km以上、回波頂高在4.5 km以上，在此基礎(chǔ)上再與大氣電場儀預警閾值結(jié)合，在降低雷電預警虛警率的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了雷電預警時間的提前，為閃電定位、雷達、大氣電場儀數(shù)據(jù)在雷電預警中的研究提供一定的應用參考。

閃電定位儀；大氣電場儀；TITAN

1 引言

隨著全球氣候變暖和災害性天氣的頻發(fā)，雷電災害造成的經(jīng)濟損失及社會影響越來越大，受災范圍幾乎涉及各行業(yè)。因此，對雷電及其災害的監(jiān)測、預警、預報和防御的需求變得越來越迫切。開展有效的雷電監(jiān)測預警系統(tǒng)研究，對減少雷電對人民生命和財產(chǎn)造成的損失有著重要意義。

雷電活動往往引起地面電場的顯著變化，而大氣電場儀是測量大氣靜電場用來預警雷電發(fā)生的精密設(shè)備?，F(xiàn)今，電場儀傳感器被廣泛運用。一些學者使用大氣電場儀數(shù)據(jù)資料，對區(qū)域大氣電場情況進行了分析[1]或結(jié)合雷達、衛(wèi)星等數(shù)據(jù)對某次雷暴事件進行了地面電場演變特征的分析[2]；也有一些學者嘗試利用電場幅值、曲線快變抖動的0—1關(guān)系等方法進行雷電預警[3-6]，這也是目前青島地區(qū)利用大氣電場儀開展預警的主要方法。青島市已建成27部大氣電場儀，分布于全市7區(qū)及各縣級市，基本可覆蓋青島市全區(qū)大部分地區(qū)。該儀器主要是以切割磁力線的方式測量周圍大氣電場的變化梯度，即單位距離中電場的變化值。由于該儀器對周圍環(huán)境的電場變化靈敏度較高，常常在晴空或沒有天氣過程時，儀器周圍有物體移動產(chǎn)生弱的電場改變且達到閾值時也會發(fā)出預警，導致僅依靠該儀器開展雷電預警虛警率很高。在解決虛警率方面，已經(jīng)開展了一些工作，主要是根據(jù)大氣電場儀周圍地面情況，重新設(shè)立了大氣電場儀關(guān)于地面狀況的預警閾值。在修改預警閾值的基礎(chǔ)上，青島市的大氣電場儀預警虛警率有所降低。但是，經(jīng)過近一兩年的使用來看，僅依靠該閾值的修訂，虛警率仍然較高，不能滿足雷電預警的需要。

本文基于雷達、大氣電場儀、閃電定位儀數(shù)據(jù)，用電場幅值閾值結(jié)合風暴強中心參數(shù)等進行雷電預警，找出雷電預警參數(shù)指標，形成了新的雷電預警方法，可有效降低大氣電場儀設(shè)備虛警率，為電場和雷達資料在雷電預警中的研究提供一定的應用參考。

2 數(shù)據(jù)的獲取和處理

2.1 閃電定位儀數(shù)據(jù)的獲取及處理

本文所采用數(shù)據(jù)為山東省氣象局布設(shè)的閃電定位儀數(shù)據(jù)，時間為2016年1月—2017年4月，統(tǒng)計得出了有雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)的逐月雷擊日表(見表1)。從閃電定位儀數(shù)據(jù)可以看出，5—9月為青島市月雷電日較多的月份，4月份閃電過程較少，1—3月、10—12月全市區(qū)域內(nèi)基本無明顯的閃電過程。因此，本文研究的主要月份為5—9月?？紤]到提煉出雷電預警指標和方法后，還要開展應用工作，本文針對2016年5—8月的雷電天氣過程開展雷電預警指標和方法研究，挑選了2016年9月、2017年4月的雷電天氣過程開展應用驗證工作。

表1 青島市逐月雷擊日統(tǒng)計Tab.1 Monthly lightning day statistics

從表1可以看出，雷擊日表中出現(xiàn)的總閃數(shù)從幾十次至近二百次不等，本文根據(jù)降水天氣過程篩選，從總閃數(shù)中剔除了小于20次的日期，并針對大于20次的天氣過程中出現(xiàn)閃電的過程進行對比研究，最終確定了2016年5月2日、6月14日、6月30日、7月26日、7月31日、8月1日、8月7日、8月14日、8月19日為開展雷電預警研究的天氣過程，即9個雷暴日，2016年9月11日、2017年4月14日為開展雷電研究方法應用的天氣過程。

2.2 大氣電場儀數(shù)據(jù)的獲取及處理

本文從oracle數(shù)據(jù)庫中獲取了2016年1月—2017年4月的大氣電場儀預警事件數(shù)據(jù)信息，根據(jù)確定的9個雷暴日，查詢大氣電場儀預警事件的數(shù)量分別為：5月2日有109個、6月14日有164個、6月30日有123個、7月26日有87個、7月31日有59個、8月1日有103個、8月7日有77個、8月14日有10個、8月19日有50個，共計782個。每個預警事件記錄了每部大氣電場儀在一定時間段內(nèi)，測量的最大場強、最小場強、最低預警級別、最高預警級別等信息。

2.3 雷達數(shù)據(jù)的獲取及處理

本文獲取了9個雷暴日的雷達基數(shù)據(jù)，為了避免進行風暴識別的不一致性，本文使用業(yè)務化SWAN中的TITAN產(chǎn)品作為提取風暴參數(shù)的基礎(chǔ)產(chǎn)品。使用的TITAN產(chǎn)品識別風暴的起始數(shù)值為35dBz，為業(yè)務常規(guī)識別風暴的最低值。獲取了對應雷暴日的業(yè)務運行生成后的TITAN產(chǎn)品，當有缺失的產(chǎn)品時，本文基于bz2格式雷達基數(shù)據(jù)，利用SWAN歷史回放生成TITAN產(chǎn)品。本文解析TITAN產(chǎn)品，可獲取風暴體的最大質(zhì)心強度、最大質(zhì)心高度、回波頂高等參數(shù)。

2.4 時間一致性處理

雷達體掃時間為6 min，TITAN產(chǎn)品間隔也為6 min。閃電定位儀、大氣電場儀數(shù)據(jù)均為有觀測實況才有數(shù)據(jù)，可視為時間序列數(shù)據(jù)。本文為了統(tǒng)一TITAN與閃電定位儀、大氣電場儀數(shù)據(jù)時間，規(guī)定了TITAN產(chǎn)品生成時刻的前3 min和后3 min為統(tǒng)一的時間，在這6 min內(nèi)的閃電定位儀、大氣電場儀數(shù)據(jù)均視為在同一時間內(nèi)的數(shù)據(jù)。

3 雷電預警中風暴參數(shù)研究

雷電預警的研究，關(guān)鍵就是要找出風暴體發(fā)生時是否有閃電發(fā)生。本文基于GIS技術(shù)，利用vc編程實現(xiàn)了批量讀取閃電定位儀、TITAN數(shù)據(jù)等，判別了閃電定位儀數(shù)據(jù)與TITAN識別風暴體的位置關(guān)系。當閃電定位儀在TITAN識別區(qū)域內(nèi)發(fā)生時，輸出TITAN的風暴參數(shù)。

本文分別計算了上述9個雷暴日的TITAN參數(shù)。9個雷暴日中的TITAN產(chǎn)品數(shù)量為2 190個，閃電定位儀記錄數(shù)據(jù)樣本數(shù)量為9 732條，其中，閃電定位儀記錄數(shù)據(jù)樣本數(shù)量分別為：5月2日有527條、6月14日有1 207條、6月30日有659條、7月26日有1 344條、7月31日581條、8月1日有1 297條、8月7日有801條、8月14日有1 268條、8月19日有2 048條。

輸出發(fā)生閃電的風暴參數(shù)流程如圖1：

圖1 發(fā)生閃電的風暴參數(shù)流程Fig. 1 Lightning storm parameter process

程序運行時，首先讀取TITAN數(shù)據(jù)，獲取TITAN數(shù)據(jù)的時間，讀取閃電定位儀數(shù)據(jù)，獲取閃電定位儀數(shù)據(jù)的時間；TITAN數(shù)據(jù)時間為北京時，該數(shù)據(jù)為每6 min生成一個，該數(shù)據(jù)代表每6 min風暴的實況，可視為時間過程，閃電定位儀時間為GPS時間，記錄的是每監(jiān)測到一次閃電的時間和閃電特征信息，可視為時間序列。統(tǒng)一兩類數(shù)據(jù)的時間，本文規(guī)定了TITAN數(shù)據(jù)前3 min、后3 min為一個6 min時段，該時段內(nèi)的閃電定位儀監(jiān)測到的數(shù)據(jù)被視為與TITAN時段相關(guān)的數(shù)據(jù)，這樣程序完成了時間統(tǒng)一化處理。程序接著要判斷閃電定位儀數(shù)據(jù)是否在TITAN區(qū)域內(nèi)，即在統(tǒng)一的時間內(nèi)，TITAN識別出的風暴邊界為閉合的、形狀不規(guī)則經(jīng)緯度格點，閃電定位儀數(shù)據(jù)為儀器監(jiān)測到數(shù)據(jù)包含閃電發(fā)生的經(jīng)緯度、強度、電荷值、陡度等，程序基于GIS原理，判別在統(tǒng)一時間內(nèi)，雷達探測范圍內(nèi)，閃電定位儀監(jiān)測的閃電經(jīng)緯度是否在TITAN識別的風暴邊界閉合區(qū)域內(nèi)，如果在區(qū)域內(nèi)，程序提取TITAN識別風暴的中心值、中心高度、風暴頂高等參數(shù)，作為發(fā)生閃電時風暴的指標，如果不在區(qū)域內(nèi)，則繼續(xù)搜尋雷達探測范圍，直到該時次中所有TITAN都與每個閃電判別結(jié)束，程序退出。

從以上的雷暴日中，本文提取到了64個發(fā)生閃電的風暴指標，繪制出了中心強度與回波頂高、中心高度的關(guān)系圖(圖2)：

圖2 中心強度與回波頂高、中心高度的關(guān)系圖Fig. 2 Relation between center intensity and echo top height and center height

可以看出，風暴中心強度越強，風暴的中心高度緩慢升高，但風暴的頂高明顯升高，這也正是風暴發(fā)展的一個特征。值得注意的是，2016年5月2日04時12分的風暴中心高度僅1.35 km，該風暴與前一時次風暴中心強度、回波頂高均為同一值，從雷達回放看，該1.35 km中心高度的風暴為前一時次減弱消散，雖然中心高度降低，但還是發(fā)生了閃電。不過從青島5月份0 ℃層高度看，該中心高度低于該月的零度層高度2 708 m。因此，該值從理論上就不作為發(fā)生閃電的風暴指標。

從圖2中可看出，發(fā)生閃電的風暴體的中心強度在40～60 dBz之間的占90.6%，中心的高度在3～7 km之間的占92.2%，回波頂高在4.5～15 km之間的占90.6%。從青島本站的30 a春季、夏季(1981年3月1日—2010年8月31日)的探空數(shù)據(jù)統(tǒng)計，可得出青島春季、夏季北京時08點的0 ℃高度值分別為2 708 m和4 696 m。因此，中心高度在3～7 km已經(jīng)在0 ℃高度以上，符合雷電生成原理。本文得出，雷電發(fā)生的風暴參數(shù)為：風暴中心強度在40 dBz以上，中心高度在3 km以上，回波頂高在4.5 km以上。滿足以上風暴參數(shù)開展雷電預警的虛警率將大大降低。在實際預警業(yè)務中，基于雷電發(fā)生的風暴參數(shù)，結(jié)合大氣電場儀開展雷電預警，可將雷電預警的預警時間提前。預警流程如下：

圖3 基于新一代天氣雷達與大氣電場儀的雷電預警流程Fig.3 Lightning storm warning process based on lightning device and radar

首先判斷TITAN邊界與大氣電場儀(有效探測范圍為15 km)的距離，如果大于15 km，不發(fā)雷電預警；如果小于等于15 km，且滿足雷電預警風暴指標和電場儀預警閾值(分為一級、二級、三級，預警閾值分別為：0.25 kV/m或0.35 kV/m，0.45 kV/m，0.65 kV/m)，發(fā)雷電預警，若不滿足雷電預警風暴指標或者電場儀預警閾值，則不發(fā)預警。

4 雷電預警的應用

利用形成的雷電預警的風暴指標和預警方法，針對2016年9月11日、2017年4月14日的天氣過程開展了預警的風暴指標和預警方法的應用。

2016年9月11日的天氣過程中的降雨回波以混合云降雨回波為主，從整個過程來看持續(xù)時間長，但回波主體影響青島市的時間和范圍較短。閃電定位儀監(jiān)測到的閃電記錄有726條，正閃數(shù)1個，負閃數(shù)36個，總閃數(shù)37個。大氣電場儀監(jiān)測到的預警事件有69個。按照圖3預警流程，計算了發(fā)出雷電預警29個，未達到發(fā)預警指標的有40個。經(jīng)實況驗證，未達到發(fā)預警的40個都是未達到雷電預警的風暴指標導致。

2017年4月14日天氣過程的降雨回波以對流性為主，回波主體自西北向東南移動，15時20分—18時15分影響青島中部地區(qū)。閃電定位儀監(jiān)測到的正閃數(shù)18個，負閃數(shù)2個，總閃數(shù)20個。大氣電場儀監(jiān)測到的預警事件有41個，從天氣過程影響時段看，大氣電場儀監(jiān)測到的41個預警事件中，僅有33個事件在強對流回波經(jīng)過青島的時段，其余8個預警事件分別為14日凌晨和14日夜間，青島地區(qū)上空無雷達回波的時段。按照圖3預警流程，計算了發(fā)出雷電預警16個，未達到發(fā)雷電預警指標的有17個。經(jīng)與實況驗證，未達到發(fā)預警指標的17個中，有9個不滿足雷電預警的風暴指標、并且超過了大氣電場儀有效探測范圍15 km，3個雖滿足雷電預警的風暴指標、但超過了大氣電場儀有效探測范圍15 km，5個雖在大氣電場儀的有效探測范圍15 km內(nèi)、但未滿足雷電預警的風暴指標。

可見，加入本文的雷電預警風暴指標可以更好地減少非風暴產(chǎn)生的電場預警，從雷達回波分析，這些電場預警有些是弱的層狀云過境導致，還有一些是非降水回波導致。

5 小結(jié)

①本文采用TITAN技術(shù)，結(jié)合閃電定位儀、大氣電場儀，提取了青島地區(qū)雷電預警中的風暴參數(shù)，即發(fā)生閃電的雷電預警指標需同時滿足風暴中心強度在40 dBz以上，中心高度在3 km以上，回波頂高在4.5 km以上；從而形成了青島地區(qū)基于雷達與大氣電場儀開展雷電預警的新方法。

②經(jīng)過應用驗證，新的雷電預警方法可降低非風暴產(chǎn)生的電場預警、減少大氣電場儀的虛警率，可有效提高雷電預警的準確性，并在一定程度上為青島地區(qū)開展雷電預警提供依據(jù)。

③本文僅針對發(fā)生雷電的風暴進行了雷電預警研究，研究成果尚存在不足，非風暴的雷電預警指標未開展，還有待進一步開展相關(guān)的研究工作。

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StudyonStormParametersinLightningWarning

SUN Qi1,2, YANG Fan2,3, LI Bo1,WANG Zhonghu1,WANG Xinmei3

(1. Chengyang Meteorological Administration of Qingdao, Qingdao 266109， China；2. Qingdao Meteorological Disaster Prevention Engineering Technology Research Center, Qingdao 266003, China；3. Qingdao Weather Bureau, Qingdao 266003, China)

At present, most cities in China have built the atmospheric electric field mill in order to improve the efficiency of lightning warning, but the false alarm rate based on the atmospheric electric field mill is always higher. Based on lightning device and radar echo data, this paper extracted the lightning storm in effect at the time of the parameters, namely, the occurrence of lightning early-warning index needs to meet the storm intensity at the same time in more than 40 DBZ, center height in more than 3 km, high echo top above 4.5 km, again on this foundation combined with atmospheric electric field instrument amplitude threshold, thus formed based on lightning locator, radar, a new lightning warning method of atmospheric electric field instrument. It can effectively reduce the false alarm rate of atmospheric electric field instrument and for lightning orientation, the radar, atmospheric electric field data in the lightning warning research, it provides certain reference value for application.

lightning locator;atmospheric electric field mill；TITAN

1003-6598(2017)05-0072-04

2017-04-05

孫琪(1981-)，女，工程師，主要從事雷電預警研究工作,Email: qdqxsunqi@163.com。

青島市氣象局面上課題(2015qdqxm06)：基于新一代天氣雷達與大氣電場儀在雷電預警中的研究。

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