基于雷達(dá)參量的湖北地閃預(yù)警方法及效果檢驗(yàn)*

茍阿寧 吳翠紅 袁延得 冷 亮 朱傳林 韓芳蓉 吳 濤

1 中國(guó)氣象局武漢暴雨研究所，武漢 430205 2 武漢中心氣象臺(tái)，武漢 430074 3 青海省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，西寧 810001 4 湖北省防雷中心，武漢 430074

提 要：利用天氣雷達(dá)、探空資料，采用成熟的雷暴識(shí)別外推技術(shù)，比較有、無(wú)地閃活動(dòng)時(shí)的概率密度分布和隸屬度特征差異，提取雷達(dá)參量，采用模糊邏輯原理建立臨近1 h地閃預(yù)警方法。分析表明，-25～-10℃高度層最大反射率因子(REF)和回波頂高是湖北地閃預(yù)警的最佳因子，尤以REF-15℃、REF-20℃和REF-25℃表現(xiàn)最佳，REF-10℃效果次之，垂直積分液態(tài)含水量對(duì)雷電指示意義較小，根據(jù)不同因子貢獻(xiàn)不同給與了不等權(quán)重分配，并通過(guò)雷電樣本閾值分布規(guī)律，采用動(dòng)態(tài)權(quán)重系數(shù)進(jìn)行細(xì)化，實(shí)現(xiàn)了地閃未來(lái)1 h的臨近落區(qū)預(yù)報(bào)。利用每6 min滾動(dòng)預(yù)報(bào)未來(lái)1 h(6 min間隔)的臨近預(yù)報(bào)結(jié)果和實(shí)況進(jìn)行1 km網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)點(diǎn)綜合評(píng)分，30 min擊中率(POD)可達(dá)50%以上，臨界成功指數(shù)(CSI)為30%左右，POD和CSI隨預(yù)報(bào)時(shí)效緩慢降低。通過(guò)個(gè)例預(yù)報(bào)檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該預(yù)報(bào)方法在大范圍雷暴天氣預(yù)報(bào)評(píng)分較高，而局地對(duì)流的預(yù)報(bào)評(píng)分偏低。該研究說(shuō)明基于雷達(dá)參量的模糊邏輯地閃預(yù)警方法基本合理可靠，可用于湖北雷電短時(shí)臨近自動(dòng)預(yù)報(bào)預(yù)警及決策服務(wù)。

引 言

雷暴泛指深厚濕對(duì)流(deep moisture convection，DMC)(Doswell Ⅲ,2001)，可以伴有雷電，也可以沒(méi)有雷電活動(dòng)，王秀明等(2014)則認(rèn)為雷暴伴有測(cè)站“聞雷”。雷電放電過(guò)程中，呈現(xiàn)出電磁效應(yīng)、熱效應(yīng)以及機(jī)械效應(yīng)，對(duì)于人員生命、建筑物和電器設(shè)備有很大的危害性。能否及時(shí)在雷電發(fā)生之前進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)警，提前做好防護(hù)，對(duì)于防雷減災(zāi)工作的開(kāi)展和確保社會(huì)安全生產(chǎn)具有十分重要的意義。雷達(dá)能較好地觀測(cè)云中粒子的一些宏觀特征，其時(shí)空分辨率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，且已有比較成熟的算法和各類產(chǎn)品，可以用來(lái)預(yù)警雷電。早在20世紀(jì)40年代，Workman and Reynolds(1949)、Laksen and Stansbury(1974)、Marshall and Radhakant(1978)、Dye et al(1986；1989)和Goodman et al(1988)發(fā)現(xiàn)混合相態(tài)粒子與起電有著緊密聯(lián)系，利用雷達(dá)數(shù)據(jù)推斷不同環(huán)境高度的等溫層可能存在多種混合相態(tài)粒子，并通過(guò)不同高度的雷達(dá)反射率值來(lái)預(yù)報(bào)雷電，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)使用雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行雷電臨近預(yù)報(bào)起到重要的啟示作用。隨后，Buechler and Goodman(1990)、Michimoto(1991)、Hondl and Eilts(1994)、Gremillion and Orville(1999)、Vincent et al(2005)、Clements and Orville(2008)嘗試使用溫度層結(jié)高度結(jié)合雷達(dá)回波強(qiáng)度進(jìn)行雷電預(yù)報(bào)研究，并通過(guò)效果檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，-10℃等溫層結(jié)合40 dBz是CSI(critical success index)評(píng)分較高的關(guān)鍵影響因子。與此同時(shí)，Watson et al(1995)使用雷達(dá)其他導(dǎo)出參數(shù)，如垂直積分液態(tài)含水量(vertically integrated liquid,VIL)預(yù)報(bào)雷電，認(rèn)為雷電和VIL在1～15 kg·m-2對(duì)應(yīng)較好，但隨著VIL值的增加，雷電的發(fā)生有了很大的分散性，并總結(jié)出VIL不能單獨(dú)用于預(yù)報(bào)雷電(Watson et al,1995;MacGorman et al,2007)，以上研究成果表明雷達(dá)資料對(duì)雷電臨近預(yù)報(bào)技術(shù)的快速發(fā)展起到了很好的促進(jìn)作用。

國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)不同區(qū)域雷暴系統(tǒng)的雷達(dá)回波特征進(jìn)行分析,找出大量的雷電臨近預(yù)警指標(biāo)。比如華北地區(qū)的閃電多發(fā)生在30 dBz強(qiáng)回波高度超過(guò)-10℃的時(shí)段內(nèi)(張義軍等，1995)，颮線系統(tǒng)6 min地閃頻數(shù)和雷達(dá)回波頂高有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系等(易笑園等，2009)，王飛等(2008)、石玉恒等(2012)利用全閃資料通過(guò)大量個(gè)例分析得出了北京地區(qū)的雷電預(yù)警雷達(dá)回波特征參量。華中地區(qū)，羅樹(shù)如等(2005)認(rèn)為江西對(duì)流初生發(fā)展階段正地閃多于成熟和消亡階段，而負(fù)地閃集中在成熟階段；孫凌等(2012)則從地閃頻數(shù)指數(shù)入手，提出了湖南地區(qū)地閃活動(dòng)等級(jí)預(yù)報(bào)診斷指標(biāo)。華東地區(qū)，江蘇40 dBz回波高度突破-10℃溫度層結(jié)高度的時(shí)間提前于第一次地閃(鐘穎穎等，2012)，而山東地閃主要集中發(fā)生在6 km高度上雷達(dá)回波≥35 dBz的區(qū)域(吳學(xué)珂等，2013)。以上研究對(duì)中國(guó)地區(qū)的雷電預(yù)警特征有了更深入的發(fā)現(xiàn)，諸如此類的研究成果為雷達(dá)資料應(yīng)用于雷電臨近預(yù)報(bào)奠定了良好的基礎(chǔ)。香港天文臺(tái)(Li and Lau,2008)使用雷達(dá)外推技術(shù)，建立了雷電群臨近外推預(yù)報(bào)系統(tǒng)(Short-range Warnings of Intensity Rainstorm in Localized System,SWIRLS)。呂偉濤等(2009)將雷達(dá)作為主要工具，研發(fā)了重點(diǎn)區(qū)域雷電臨近預(yù)警系統(tǒng)(Lightning Nowcasting and Warning System,CAMS_LNWS)。中央氣象臺(tái)基于閃電資料的雷暴單體識(shí)別和追蹤等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和外推預(yù)報(bào)技術(shù)，與相關(guān)省市等聯(lián)合開(kāi)發(fā)了災(zāi)害性天氣短時(shí)臨近預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)(Severe Weather Alarm and Nowcasting,SWAN)(鄭永光等，2010；韓豐和沃偉峰，2018；俞小鼎和鄭永光，2020)。武漢中心氣象臺(tái)已利用數(shù)值模式預(yù)報(bào)資料，開(kāi)發(fā)建立了湖北雷電潛勢(shì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)并投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，12 h間隔 TS(threat score)檢驗(yàn)評(píng)分可達(dá)70%以上，但臨近預(yù)報(bào)仍依賴于單一的雷達(dá)反射率客觀外推預(yù)報(bào)產(chǎn)品，預(yù)報(bào)效果有待提高?，F(xiàn)有研究也表明不同地區(qū)受天氣氣候、地理環(huán)境影響，基于雷達(dá)參量的雷電預(yù)警指標(biāo)不盡相同，需要明確本地化的特征。如何選擇適合武漢及周邊地區(qū)的雷達(dá)特征定量化指標(biāo)，明確合理的雷電預(yù)警方案，還缺乏系統(tǒng)性的研究。

要解決這些問(wèn)題，開(kāi)展觀測(cè)研究，包含大量歷史個(gè)例的統(tǒng)計(jì)分析、算法選取和預(yù)警效果檢驗(yàn)顯得尤為重要?；谝陨显颍疚膽?yīng)用新一代多普勒天氣雷達(dá)和二維地閃觀測(cè)資料，對(duì)湖北中東部2013—2018年90次雷暴個(gè)例開(kāi)展分析研究，其中2013—2015年62次雷暴個(gè)例作為分析統(tǒng)計(jì)樣本，2016—2018年28次個(gè)例進(jìn)行預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)。首先將雷達(dá)基數(shù)據(jù)從極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)數(shù)據(jù)，進(jìn)而使用SCIT(storm cell identification and tracking)算法多閾值識(shí)別思路(Johnson et al,1998)對(duì)有地閃和無(wú)地閃活動(dòng)時(shí)的雷達(dá)特征量進(jìn)行提取，主要包含0℃等溫層以上最大反射率因子(REF)、回波頂高(ET)和VIL等9組雷達(dá)參數(shù)，通過(guò)分析比較有、無(wú)地閃活動(dòng)時(shí)的雷達(dá)參量概率密度函數(shù)和隸屬度特征差異，選取預(yù)警因子，采用模糊邏輯原理建立未來(lái)1 h地閃預(yù)警方法。最后通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)評(píng)分檢驗(yàn)，證明這種預(yù)報(bào)方法在湖北中東部是切實(shí)可行的，可為湖北雷電臨近預(yù)警方法研究以及防雷減災(zāi)提供重要的技術(shù)支撐。

1 資 料

文中使用湖北2013—2018年雷電高發(fā)季節(jié)6—8月的雷暴個(gè)例作為研究對(duì)象。雷達(dá)資料采用武漢新一代多普勒天氣雷達(dá)CINRAD-SA(圖1)的基數(shù)據(jù)，將極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)，包含反射率因子、徑向速度、回波頂高和垂直積分液態(tài)含水量等產(chǎn)品，其中反射率因子水平分辨率為0.01°×0.01°，高度垂直分辨率為1 km，時(shí)間分辨率為6 min。閃電數(shù)據(jù)為湖北省ADTD(advanced TOA and direction system)二維地閃定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(圖1)，采用時(shí)差法和定向時(shí)差聯(lián)合法進(jìn)行閃電定位，共13個(gè)探測(cè)子站，能探測(cè)正、負(fù)地閃，包含經(jīng)緯度、發(fā)生時(shí)間、強(qiáng)度、陡度等參數(shù)，網(wǎng)內(nèi)定位精度小于500 m，時(shí)間精度為0.1 μs，整體探測(cè)效率超過(guò)80%，剔除了可能由云閃造成的15 kA以下的正地閃及定位誤差導(dǎo)致的300 kA以上的大電流異常數(shù)據(jù)。使用武漢站每日08時(shí)和20時(shí)(北京時(shí)，下同)的探空資料提取不同等溫層高度。另外，使用了湖北省民政災(zāi)情資料，包含強(qiáng)對(duì)流災(zāi)害性天氣的類型、發(fā)生時(shí)間、涉及范圍、影響程度及價(jià)值評(píng)估等，進(jìn)一步對(duì)雷暴個(gè)例中的強(qiáng)對(duì)流類型進(jìn)行細(xì)化。

2 個(gè)例選取和方法

2.1 雷暴個(gè)例選取

考慮到2013年之后取消雷暴人工觀測(cè)，為保證樣本豐富，綜合利用常規(guī)氣象觀測(cè)、雷達(dá)回波、二維閃電定位觀測(cè)(本文中的閃電統(tǒng)一指地閃的回?fù)粑恢眉跋嚓P(guān)屬性，下同)和民政災(zāi)情等資料進(jìn)行雷暴個(gè)例篩選。雷暴個(gè)例選取原則：(1)整個(gè)雷暴生命期至少監(jiān)測(cè)到3個(gè)及以上地閃發(fā)生；(2)雷暴過(guò)程伴有任意尺寸冰雹觀測(cè)記錄、自動(dòng)站8級(jí)以上(≥17.2 m·s-1)瞬時(shí)大風(fēng)、測(cè)站聞雷清楚(距離測(cè)站半徑50 km 范圍、時(shí)間間隔小于1 h，ADTD觀測(cè)到10次以上的地閃)、≥30 mm·h-1的短時(shí)強(qiáng)降水等任意一種以上的強(qiáng)對(duì)流天氣，滿足以上兩個(gè)條件的雷暴過(guò)程定義為一次雷暴個(gè)例。對(duì)于出現(xiàn)多種強(qiáng)對(duì)流現(xiàn)象的個(gè)例，按照冰雹、大風(fēng)、聞雷、短時(shí)強(qiáng)降水的等級(jí)順序，判定為一次雷暴個(gè)例。為了保證數(shù)據(jù)的有效性和個(gè)例的普適性，研究樣本控制在以武漢雷達(dá)為中心半徑150 km范圍內(nèi)。按照以上選取標(biāo)準(zhǔn)，共選出2013—2018年夏季6—8月90次雷暴個(gè)例作為研究對(duì)象，詳見(jiàn)表1。

表1 2013—2018年90次雷暴個(gè)例特征(單位：個(gè))

2.2 雷暴單體識(shí)別算法

使用反射率因子強(qiáng)度及面積閾值，采用空間連續(xù)性原則識(shí)別雷暴三維結(jié)構(gòu)，用橢圓擬合雷暴外形并計(jì)算特征量。在識(shí)別過(guò)程中，為分割相互粘連的多個(gè)雷暴，本文借鑒WSR-88D系統(tǒng)SCIT算法多閾值法提取雷暴核思路(Johnson et al,1998)，使用二級(jí)閾值，初始最大反射率因子強(qiáng)度閾值是25 dBz，在此基礎(chǔ)上使用第二級(jí)最大反射率因子強(qiáng)度閾值(默認(rèn)為40 dBz)。對(duì)所有雷暴體的水平投影面(即組合反射率)進(jìn)行雷暴面的二次識(shí)別，如在某一個(gè)雷暴體投影面中識(shí)別出多個(gè)雷暴中心，且每一個(gè)滿足一定的面積閾值，則判別該雷暴體為多核雷暴，使用子雷暴投影面對(duì)組成整個(gè)雷暴體的雷暴段在垂直方向進(jìn)行分割，由分割后的雷暴段重新構(gòu)成各子雷暴，具體參數(shù)詳見(jiàn)表2。

表2 雷暴單體識(shí)別方法

2.3 雷暴單體和閃電相關(guān)性的判定

針對(duì)每個(gè)體掃階段的雷達(dá)數(shù)據(jù)，進(jìn)行SCIT雷暴單體識(shí)別，獲得初生到消亡階段所有單體，并獲得所有單體的時(shí)間和空間信息。和雷達(dá)體掃時(shí)間保持一致，將雷達(dá)開(kāi)始體掃時(shí)間6 min單體區(qū)域內(nèi)是否有地閃回?fù)舯O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為地閃實(shí)況，對(duì)SCIT所有識(shí)別出來(lái)的單體根據(jù)時(shí)間和空間信息與相應(yīng)時(shí)段內(nèi)的地閃數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配。若地閃回?fù)粑恢冒l(fā)生在單體中，則認(rèn)為該單體是有地閃的雷暴單體樣本，否則為無(wú)地閃的雷暴單體樣本，分別統(tǒng)計(jì)有地閃單體和無(wú)地閃單體對(duì)應(yīng)的雷達(dá)各特征參量最大值。當(dāng)兩個(gè)或以上的單體存在時(shí)，用單體幾何中心和地閃的距離來(lái)判斷，取距離和時(shí)間間隔最近的單體作為地閃歸屬對(duì)象。

3 雷達(dá)與地閃的相關(guān)性研究

3.1 地閃的雷達(dá)指示因子

電荷中心的位置與溫度垂直分布有關(guān)，其主要的負(fù)電荷中心位于-25～-5℃混合相態(tài)層(Mason,1953；Moore and Vonnegut,1977；Jayaratne,2003)，故本文選取的地閃雷達(dá)指示因子主要有：0℃高度層以上不同等溫層最大反射率因子及0℃高度層以上最強(qiáng)回波所在高度、回波頂高、不同高度垂直積分液態(tài)含水量等。經(jīng)過(guò)不同高度、不同強(qiáng)度等級(jí)篩選，共9組、65個(gè)雷達(dá)參數(shù)(表3)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，2013—2015年62次雷暴個(gè)例共識(shí)別出 42 025個(gè)單體，將是否發(fā)生地閃作為因變量，6 min 為一個(gè)時(shí)間樣本，統(tǒng)計(jì)發(fā)生有地閃活動(dòng)的樣本為26 122個(gè)、無(wú)地閃活動(dòng)的樣本為15 903個(gè)。

表3 地閃活動(dòng)時(shí)的雷達(dá)指示因子

3.2 預(yù)警因子提取方法

概率密度函數(shù)數(shù)學(xué)上描述的是一個(gè)連續(xù)隨機(jī)變量的輸出值，必須有確定的有界區(qū)間，對(duì)區(qū)間積分形成的面積就是事件在這個(gè)區(qū)間的概率，常以f(x)表示，0≤f(x)≤1。而概率分布函數(shù)F(x)則是給出取值小于某個(gè)值的概率，dF(x)/dx=f(x)。隸屬度采用周康輝等(2017)的方法，通過(guò)得到有地閃的概率分布函數(shù)FY(x)和無(wú)地閃的概率分布函數(shù)FN(x)，計(jì)算隸屬度MF(x)，即：

(1)

地閃實(shí)況作為評(píng)判是否發(fā)生雷電的標(biāo)準(zhǔn)，有地閃為1，無(wú)地閃則為0，統(tǒng)計(jì)表3中每一個(gè)雷暴單體的雷達(dá)參量，計(jì)算有、無(wú)地閃的概率密度函數(shù)，通過(guò)比較兩者重疊面積的大小選取最佳預(yù)報(bào)因子和閾值，再利用隸屬度，將其轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱的可能性預(yù)報(bào)因子場(chǎng)。

3.2.1 不同等溫層最大反射率因子(REF)

混合相態(tài)層中霰粒與冰晶發(fā)生碰撞導(dǎo)致正負(fù)電荷的產(chǎn)生，同時(shí)兩者也是正負(fù)電荷的載體，是雷暴閃電的基本要素。-25～-5℃等溫層是雷暴起電的主要區(qū)域，蘊(yùn)含大量濕軟雹及充沛過(guò)冷水。從-10、-15、-20和-25℃高度層附近的最大反射率因子REF-10℃、REF-15℃、REF-20℃、REF-25℃的概率密度分布和隸屬度特征差異(圖2)發(fā)現(xiàn)，REF-15℃、REF-20℃和REF-25℃對(duì)地閃有很好的區(qū)分度，重疊面積分別為0.336、0.306和0.284，有、無(wú)地閃活動(dòng)時(shí)的區(qū)分度較高。有地閃活動(dòng)時(shí)樣本的REF-15℃、REF-20℃、REF-25℃主要分布在概率密度超過(guò)38、35和31 dBz，峰值為45、40和38 dBz的區(qū)間范圍內(nèi)，隸屬度顯示此閾值區(qū)間出現(xiàn)地閃的概率可達(dá)到0.6以上，而無(wú)地閃活動(dòng)時(shí)樣本的概率密度峰值僅為30、26和22 dBz，可作為地閃預(yù)警的重要參量。REF-10℃重疊面積稍大，為0.362，且有、無(wú)地閃活動(dòng)時(shí)樣本的峰值較為接近，對(duì)地閃能否發(fā)生的區(qū)分度稍差，故選取REF-15℃、REF-20℃和REF-25℃作為臨近預(yù)警因子。

圖2 不同等溫層最大反射率因子(a,b)REF-10℃、(c,d)REF-15℃、(e,f)REF-20℃、(g,h)REF-25℃的(a,c,e,g)概率密度和(b,d,f,h)隸屬度

3.2.2 雷達(dá)回波垂直積分液態(tài)含水量(VIL)

VIL表示積云內(nèi)有充足的云水，有利于云冰、軟雹形成和結(jié)凇，從而產(chǎn)生閃電，表現(xiàn)為較強(qiáng)的VIL，該特征量為垂直高度的積分量，可整體反映雷暴內(nèi)部粒子聚集程度。圖3中有地閃活動(dòng)時(shí)樣本峰值出現(xiàn)在海平面至18.3 dBz回波最大高度的VIL約為15～20 kg·m-2的附近，隸屬度為0.6，無(wú)地閃活動(dòng)時(shí)樣本則為5 kg·m-2，大部分有地閃活動(dòng)的樣本發(fā)生在VIL≈10～30 kg·m-2的峰值區(qū)間，重疊面積為0.398(圖3a，3b)。0℃等溫線至18.3 dBz回波最大高度的VIL(圖3c，3d)有、無(wú)地閃活動(dòng)時(shí)的峰值都在5 kg·m-2左右，重疊面積為0.367，10 kg·m-2以下的VIL幾乎沒(méi)有任何區(qū)分度。兩種VIL有、無(wú)地閃活動(dòng)時(shí)的重疊面積稍大，峰值較為接近，綜合考慮VIL對(duì)地閃活動(dòng)的識(shí)別能力稍稍偏弱。由于ADTD資料只能觀測(cè)地閃的接地位置，而非起電位置，接地位置上空很可能并不是主要的起電區(qū)，放電區(qū)域上空的VIL與起電區(qū)的VIL會(huì)存在差異，有可能導(dǎo)致地閃位置上空的VIL與地閃活動(dòng)相關(guān)性偏弱。

圖3 雷達(dá)回波(a,b)海平面至18.3 dBz回波最大高度VIL和(c,d)0℃高度層至18.3 dBz回波最大高度VIL的(a,c)概率密度和(b,d)隸屬度

3.2.3 雷達(dá)回波18.3 dBz回波頂高(ET)

較高的ET暗示有強(qiáng)大的上升氣流，上升氣流將較輕帶電粒子帶到高層，導(dǎo)致過(guò)冷水區(qū)域正負(fù)電荷粒子垂直分離，電荷在不同高度聚集而形成不同極性的凈電荷層，激發(fā)閃電。因此產(chǎn)生閃電時(shí)，雷暴內(nèi)部應(yīng)具備較強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，在實(shí)際雷達(dá)觀測(cè)中反映為較強(qiáng)的回波上升到一定高度之上。從圖4a中ET概率密度函數(shù)的分布來(lái)看，有地閃活動(dòng)時(shí)樣本峰值在17 km左右，隸屬度(圖4b)在0.8以上，無(wú)地閃活動(dòng)時(shí)的樣本峰值在8 km，之后隨著ET增大，無(wú)地閃樣本數(shù)量迅速較少，ET逐漸增大到10 km之后兩者的區(qū)分性能迅速變好，但8 km高度的隸屬度僅0.2，12.5 km迅速接近0.6，兩者的重合面積較小，僅為0.303。因此，ET對(duì)于有、無(wú)地閃活動(dòng)具有較好的區(qū)分性，ET≈12.5 km是預(yù)警的另外一個(gè)重要雷達(dá)參量。

圖4 雷達(dá)回波18.3 dBz回波頂高的(a)概率密度和(b)隸屬度

3.2.4 雷達(dá)回波0℃高度層以上最大反射率因子REFmax≥0℃及所在高度

圖5a中，有地閃與無(wú)地閃活動(dòng)時(shí)的REFmax≥0℃的概率密度峰值較為接近，無(wú)地閃活動(dòng)時(shí)的樣本峰值為42 dBz，有地閃活動(dòng)時(shí)的樣本峰值為53 dBz，隸屬度為0.6(圖5b)，無(wú)地閃活動(dòng)時(shí)的樣本在REFmax≥0℃超過(guò)48 dBz之后數(shù)量迅速較少，兩者重合面積稍大，為0.416，識(shí)別效果相對(duì)偏弱。REFmax≥0℃所在高度的概率密度分布顯示，兩者樣本幾乎重合，峰值區(qū)域5 km，有地閃活動(dòng)時(shí)的樣本隸屬度為0.5(圖5c,5d)，這一參量的區(qū)分度幾乎很小，但可以發(fā)現(xiàn)湖北發(fā)生地閃的充分條件為，REFmax≥0℃必須達(dá)到48 dBz以上且48 dBz以上回波高度必須突破5 km。

圖5 雷達(dá)回波(a，b)0℃高度層以上最大反射率因子 REFmax≥0℃和(c，d)REFmax≥0℃所在高度的(a，c)概率密度和(b，d)隸屬度

綜上所述，REF-15℃、REF-20℃、REF-25℃、ET對(duì)地閃的區(qū)分度較高，識(shí)別效果較好，可作為地閃臨近預(yù)警的主要參量，VIL和REFmax≥0℃效果次之，可作為輔助參量。

4 預(yù)警方案的確定

4.1 權(quán)重系數(shù)

根據(jù)有、無(wú)地閃活動(dòng)時(shí)的樣本統(tǒng)計(jì)(圖2～圖5)對(duì)預(yù)警指標(biāo)分別賦予下限和上限兩個(gè)閾值，動(dòng)態(tài)權(quán)重可分三級(jí)，當(dāng)預(yù)警指標(biāo)低于閾值下限時(shí)，對(duì)應(yīng)的權(quán)重為0，當(dāng)預(yù)警指標(biāo)高于閾值上限，對(duì)應(yīng)的權(quán)重為1；當(dāng)預(yù)警指標(biāo)介于閾值上、下限之間時(shí)，對(duì)應(yīng)的權(quán)重按線性插值計(jì)算。REF-15℃、REF-20℃、REF-25℃、ET和REFmax≥0℃的地閃樣本均呈正態(tài)分布，樣本隨著雷達(dá)回波強(qiáng)度增強(qiáng)和回波高度迅速增多，之后出現(xiàn)峰值，到達(dá)一定強(qiáng)度閾值、回波高度超過(guò)一定高度之后，地閃樣本數(shù)量反而減少。通過(guò)90%地閃樣本分布得到6個(gè)預(yù)警指標(biāo)對(duì)應(yīng)的模糊邏輯隸屬度權(quán)重系數(shù)，解析如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：f為權(quán)重系數(shù)；a、b分別為閾值下限和上限；x為雷達(dá)回波參數(shù)閾值。f1～f6分別代表REF-15℃、REF-20℃、REF-25℃、ET、VIL和REFmax≥0℃的動(dòng)態(tài)權(quán)重系數(shù)。以上雷達(dá)特征因子分析和權(quán)重系數(shù)提供當(dāng)前雷暴信息，為地閃外推預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)支撐。

4.2 預(yù)警方案

模糊邏輯算法廣泛用于氣象等領(lǐng)域(Cho et al,2006；Gourley et al,2007)。臨近預(yù)報(bào)利用概率密度函數(shù)和隸屬度特征，經(jīng)過(guò)權(quán)重系數(shù)將預(yù)報(bào)因子進(jìn)行組合，使用TITAN(thunderstorm identification,tracking,analysis and nowcasting)算法(Dixon and Wiener,1993)外推預(yù)報(bào)的雷達(dá)多個(gè)參數(shù)作為模糊邏輯的輸入，將各個(gè)因子權(quán)重加在一起，超過(guò)一定閾值就可以判斷地閃初生，之后地閃落區(qū)的移向移速及雷暴生成、加強(qiáng)、維持或者衰減階段的落區(qū)變化，最終得到武漢地區(qū)每6 min滾動(dòng)預(yù)報(bào)未來(lái)1 h(間隔6 min)的地閃落區(qū)臨近預(yù)警方案，即：

y=f1×REF-15℃+f2×REF-20℃+f3×REF-25℃+

f4×ET+f5×VIL+f6×REFmax≥0℃

(9)

式中：y為預(yù)報(bào)概率，數(shù)值在0～1.0(100%)，值越大，表明地閃出現(xiàn)的概率越高，f1～f6為動(dòng)態(tài)權(quán)重系數(shù)，該臨近預(yù)警方法在系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)時(shí)運(yùn)行，每6 min 一次滾動(dòng)預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)間隔為6 min，預(yù)報(bào)時(shí)效為1 h。為保證追蹤多單體雷暴和颮線的增長(zhǎng)速度，而不僅僅局限于單體的移動(dòng)，使用橢圓濾波器，很大程度上平滑和濾除了弱的和更易衰減的反射率因子場(chǎng)(Wolfson et al,1998)，所以本文采用細(xì)長(zhǎng)的橢圓表示地閃預(yù)報(bào)落區(qū)。

總的來(lái)說(shuō)，本文的研究目的是根據(jù)雷暴過(guò)程中當(dāng)前雷達(dá)體掃數(shù)據(jù)情況，每6 min滾動(dòng)預(yù)報(bào)研究范圍未來(lái)1 h內(nèi)哪些區(qū)域會(huì)發(fā)生地閃，哪些區(qū)域不發(fā)生地閃。即當(dāng)前狀態(tài)下，有的單體是可能發(fā)生地閃的，而有的單體僅是發(fā)生降水的單體，不會(huì)發(fā)生地閃。通過(guò)具體分析，試圖獲取有、無(wú)地閃發(fā)生的單體中雷達(dá)各特征參量的差異，利用這些統(tǒng)計(jì)結(jié)果明確預(yù)警指標(biāo)，建立預(yù)警方案，每6 min對(duì)雷暴中各個(gè)單體區(qū)域未來(lái)1 h地閃活動(dòng)做預(yù)報(bào)。對(duì)當(dāng)前識(shí)別出的單體，利用成熟的區(qū)域識(shí)別外推算法(TITAN)，預(yù)報(bào)其未來(lái)6 min間隔單體的位置、形狀、體積以及單體中各雷達(dá)參量的演變情況，然后對(duì)外推出的未來(lái)6 min間隔的雷達(dá)各參量應(yīng)用文中獲得的地閃預(yù)警方案，預(yù)報(bào)單體區(qū)域是否會(huì)發(fā)生地閃。

該方法每隔6 min自動(dòng)運(yùn)行，預(yù)警未來(lái)0～1 h內(nèi)地閃活動(dòng)情況。若當(dāng)前時(shí)刻地閃監(jiān)測(cè)系統(tǒng)沒(méi)有監(jiān)測(cè)到地閃活動(dòng)，但通過(guò)外推算法獲得的單體，在未來(lái)0～1 h內(nèi)達(dá)到文中預(yù)警方案中地閃發(fā)生的雷達(dá)參量閾值，則單體未來(lái)0～1 h內(nèi)有閃電發(fā)生，且未來(lái)地閃發(fā)生位置為外推算法確定的區(qū)域；若未來(lái)0～1 h 內(nèi)未達(dá)到預(yù)警方案中地閃發(fā)生雷達(dá)參量閾值，則預(yù)報(bào)該單體不發(fā)生地閃。若當(dāng)前時(shí)刻地閃監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)監(jiān)測(cè)到閃電活動(dòng)，如果所在單體其外推獲得的單體未來(lái)0～1 h能達(dá)到預(yù)報(bào)方案中的各項(xiàng)閾值，仍然預(yù)報(bào)該單體有閃電發(fā)生；如果其所在單體未達(dá)到預(yù)報(bào)方案中的各項(xiàng)閾值，則將預(yù)報(bào)該單體在未來(lái)0～1 h不發(fā)生閃電。實(shí)際應(yīng)用中表明該方法能夠?qū)Φ亻W在雷暴生命期的演變趨勢(shì)預(yù)警有很好的指示作用。

5 檢驗(yàn)評(píng)估

5.1 整體檢驗(yàn)評(píng)估

(1)檢驗(yàn)對(duì)象及實(shí)況：采用1 km格點(diǎn)對(duì)格點(diǎn)逐一對(duì)比的檢驗(yàn)方法進(jìn)行整體檢驗(yàn)評(píng)估。使用2016—2018年6—8月28次雷暴個(gè)例，預(yù)報(bào)范圍以雷達(dá)為中心300 km×300 km內(nèi)，將此范圍內(nèi)每6 min 滾動(dòng)預(yù)報(bào)的未來(lái)1 h(6 min間隔)的預(yù)報(bào)產(chǎn)品(橢圓)1 km格點(diǎn)化，橢圓邊緣采用占每個(gè)格點(diǎn)的比例來(lái)判斷該格點(diǎn)的歸屬。將預(yù)報(bào)范圍內(nèi)二維閃電定位實(shí)況數(shù)據(jù)采用鄰近插值法插值到1 km網(wǎng)格點(diǎn)上，形成6 min累計(jì)的閃電次數(shù)格點(diǎn)化數(shù)據(jù)，對(duì) 1 km 網(wǎng)格內(nèi)的預(yù)報(bào)和實(shí)況進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)評(píng)分。在300 km×300 km預(yù)報(bào)范圍內(nèi)預(yù)報(bào)能發(fā)生地閃的橢圓格點(diǎn)算預(yù)報(bào)有，計(jì)為Hit；沒(méi)有發(fā)生地閃的橢圓格點(diǎn)算預(yù)報(bào)無(wú)，計(jì)為False；當(dāng)單體1 km格點(diǎn)上出現(xiàn)地閃，而預(yù)報(bào)無(wú)地閃，計(jì)為Failure；最后對(duì)三種格點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行整體統(tǒng)計(jì)，計(jì)算Hit、False和Failure格點(diǎn)數(shù)。

(2)評(píng)分指標(biāo)：網(wǎng)格預(yù)報(bào)評(píng)分指標(biāo)包括擊中率(POD)，虛警率(FAR)和臨界成功指數(shù)(CSI)，計(jì)算方式如下：

(10)

(11)

(12)

式中:Hit為正確預(yù)報(bào)格點(diǎn)數(shù)，F(xiàn)alse為空?qǐng)?bào)格點(diǎn)數(shù)，F(xiàn)ailure為漏報(bào)格點(diǎn)數(shù)。0≤POD/FAR/CSI≤1.0，且POD、CSI越接近于 1.0，表明預(yù)報(bào)效果越好，F(xiàn)AR則相反。

用28次過(guò)程外推出每6 min間隔的雷達(dá)參量計(jì)算發(fā)生概率，雷電樣本共118 901個(gè)，其中預(yù)報(bào)有、無(wú)地閃出現(xiàn)的樣本分別為85 601個(gè)和33 300個(gè)。圖6列出了1 km格點(diǎn)到格點(diǎn)6 min間隔臨近預(yù)報(bào)的POD、FAR和CSI值，從網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)的綜合評(píng)分來(lái)看，1 h預(yù)報(bào)時(shí)效每6 min間隔的臨近預(yù)報(bào)結(jié)果POD和CSI分別可以達(dá)到34%～52%和23%～35%，隨著預(yù)報(bào)時(shí)效增加，POD和CSI緩慢下降，而FAR在0～6 min最低，為45%左右，54～60 min時(shí)增加到65%，安徽姚葉青等(2011)采用10 km格點(diǎn)0.5 h和1 h的POD、CSI分別為87%、63%和76%、51%，本文1 km的綜合評(píng)分結(jié)果比 10 km 網(wǎng)格結(jié)果偏低，這和網(wǎng)格的細(xì)化程度有關(guān)，整體結(jié)果較為滿意。

圖6 2016—2018年28次雷暴個(gè)例每6 min滾動(dòng)預(yù)報(bào)未來(lái)1 h(6 min間隔)的POD、FAR和CSI評(píng)分

5.2 個(gè)例評(píng)估情況

下面通過(guò)不同雷暴天氣類型中地閃的臨近預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)說(shuō)明，一次是2018年5月18日大范圍中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)雷暴天氣，另外一次是2018年7月26日的局地對(duì)流。檢驗(yàn)時(shí)間間隔為6 min，空間分辨率為1 km，分別統(tǒng)計(jì)了雷暴生成、發(fā)展、成熟和消亡階段的地閃預(yù)報(bào)情況。

受高空低槽和低層切變線共同影響，2018年5月18日江漢平原至鄂東北先后經(jīng)歷了一次強(qiáng)雷電天氣過(guò)程，MCS持續(xù)了5 h左右，雷電由有組織性的MCS產(chǎn)生，分布范圍廣。而7月26日午后鄂東地區(qū)自南向北的一次雷電過(guò)程則是由副熱帶高壓外圍強(qiáng)烈靜力不穩(wěn)定的大氣層結(jié)誘發(fā)的，雷電由分散性的脈沖風(fēng)暴產(chǎn)生，局地性強(qiáng)。從圖7兩次雷暴生命史6 min滾動(dòng)的預(yù)報(bào)情況來(lái)看，大范圍MCS引發(fā)的雷電過(guò)程POD整體預(yù)報(bào)結(jié)果較為平穩(wěn)，0～30 min基本保持在40%以上(圖7a)，MCS成熟期(09:00—10:30)30～60 min預(yù)報(bào)時(shí)效的POD下降到20%～30%。FAR(圖7c)在MCS整個(gè)階段變化不大，整體保持在40%～65%，CSI(圖7e)生命期維持在30%左右，0～30 min表現(xiàn)整體優(yōu)于30～60 min。7月26日雷暴基本以孤立單體或者多單體為主，從17:30—19:00持續(xù)90 min的1個(gè)孤立的雷暴單體生消演變過(guò)程預(yù)報(bào)評(píng)分來(lái)看，雷暴成熟期(18:00)之后0～30 min的POD顯著增加，最高可達(dá)60%以上，而30～60 min變化較為平穩(wěn)，穩(wěn)定在30%左右(圖7b)。FAR(圖7d)和CSI(圖7f)變幅不大，整個(gè)生命期分別保持在60%和10%左右。

通過(guò)不同類型雷電天氣生命史6 min滾動(dòng)預(yù)報(bào)未來(lái)1 h評(píng)分及預(yù)報(bào)落區(qū)與地閃實(shí)況對(duì)比結(jié)果顯示，該預(yù)報(bào)方法對(duì)大范圍雷電天氣的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較高(圖7g)，對(duì)局地對(duì)流造成范圍較小的雷電天氣評(píng)分結(jié)果稍差(圖7h)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，該方法也有一些需要改進(jìn)的地方，第一是為了保證初閃預(yù)報(bào)，模型閾值可能有所偏低，發(fā)展加強(qiáng)至成熟階段前后造成的空?qǐng)?bào)偏多；第二是預(yù)報(bào)落區(qū)采用橢圓表示，對(duì)局地對(duì)流來(lái)說(shuō)，可能預(yù)報(bào)落區(qū)偏大，實(shí)況地閃數(shù)量相對(duì)較少，造成1 km格點(diǎn)評(píng)分空?qǐng)?bào)較多，后續(xù)將使用更客觀準(zhǔn)確的落區(qū)表示方式進(jìn)行改進(jìn)。

圖7 2018年(a,c,e)5月18日和(b,d,f)7月26日兩次雷暴生命史過(guò)程每6 min滾動(dòng)預(yù)報(bào)(a,b)POD,(c,d)FAR,(e,f)CSI評(píng)分,以及(g)5月18日10:30和(h)7月26日18:30未來(lái)1 h預(yù)報(bào)(每6 min預(yù)報(bào)為一個(gè)黑色橢圓)與地閃實(shí)況(紅色圓點(diǎn))對(duì)比

6 結(jié)論與討論

根據(jù)地閃和雷達(dá)參數(shù)的相關(guān)性，利用武漢新一代多普勒天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)，對(duì)2013—2018年發(fā)生在湖北6—8月以武漢雷達(dá)為中心半徑150 km探測(cè)范圍內(nèi)的90次雷暴個(gè)例進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)，通過(guò)湖北地閃雷達(dá)參數(shù)的定量化分析，采用雷暴識(shí)別和追蹤技術(shù)，建立了基于雷達(dá)參數(shù)的地閃每6 min滾動(dòng)預(yù)報(bào)未來(lái)1 h的本地化臨近預(yù)報(bào)模型，從而得到地閃初生、移向移速及雷暴生命期過(guò)程中地閃變化的預(yù)報(bào)信息。最后對(duì)實(shí)際天氣過(guò)程的臨近預(yù)報(bào)結(jié)果和實(shí)況進(jìn)行了網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)點(diǎn)評(píng)分。得出以下結(jié)論：

(1)通過(guò)分析-10、-15、-20和-25℃等溫層高度的最大反射率因子REF-10℃、REF-15℃、REF-20℃、REF-25℃的概率密度和隸屬度分布，綜合有、無(wú)地閃樣本的峰值分布、概率密度重合面積和隸屬度特征等，發(fā)現(xiàn)REF-15℃、REF-20℃和REF-25℃是湖北地閃預(yù)警的最佳因子，REF-10℃效果次之。綜合REFmax≥0℃分析，考慮湖北發(fā)生地閃的充分條件為，0℃等溫線以上的最大反射率因子超過(guò)一定閾值，REFmax≥0℃達(dá)到48 dBz且48 dBz以上的回波高度突破5 km(即強(qiáng)回波必須超過(guò)0℃層等溫線之上)。

(2)分析有、無(wú)地閃樣本海平面至18.3 dBz回波最大高度VIL及0℃至18.3 dBz回波最大高度的VIL的對(duì)應(yīng)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)VIL這一雷達(dá)參數(shù)對(duì)地閃識(shí)別能力較弱，地閃和無(wú)地閃重疊面積較大，且地閃發(fā)生峰值和無(wú)地閃峰值區(qū)域有較大重合，綜合考慮VIL對(duì)地閃預(yù)警效果偏弱，預(yù)警方案中適當(dāng)縮小其權(quán)重，這一研究成果與劉維成等(2005)指出的VIL對(duì)高原東側(cè)雷電活動(dòng)預(yù)警意義不大等結(jié)論吻合。

(3)ET對(duì)于地閃具有較好的區(qū)分性。地閃樣本概率密度函數(shù)峰值為17 km，隸屬度達(dá)0.8以上，無(wú)地閃樣本峰值為8 km，隸屬度僅為0.2，10 km 的隸屬度迅速增加到0.4，12.5 km接近0.6。兩者的重合面積較小，ET≈12.5 km是湖北地閃臨近預(yù)警的另外一個(gè)重要雷達(dá)參量。

(4)根據(jù)以上地閃和雷達(dá)參數(shù)的分析，利用雷暴識(shí)別追蹤技術(shù)，通過(guò)模糊邏輯方法，得到未來(lái)1 h地閃初生、地閃移向移速及雷暴加強(qiáng)、成熟和消亡階段的地閃落區(qū)變化臨近外推預(yù)報(bào)。該臨近預(yù)報(bào)方法，每6 min滾動(dòng)預(yù)報(bào)一次未來(lái)1 h(間隔6 min)的地閃落區(qū)，預(yù)報(bào)結(jié)果已投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，效果良好。

(5)通過(guò)對(duì)2016—2018年28次雷暴過(guò)程1 km網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)點(diǎn)綜合評(píng)分，未來(lái)1 h 每6 min臨近預(yù)報(bào)結(jié)果顯示，POD、CSI和FAR整體表現(xiàn)良好，可用于湖北雷電預(yù)報(bào)預(yù)警及決策服務(wù)。個(gè)例檢驗(yàn)顯示該方法對(duì)大范圍雷暴天氣產(chǎn)生的地閃預(yù)報(bào)評(píng)分較高，而對(duì)局地對(duì)流預(yù)報(bào)的評(píng)分稍低。

本文基于新一代多普勒天氣雷達(dá)和地閃資料，實(shí)現(xiàn)了有、無(wú)地閃的有效區(qū)分。然而文中選取的個(gè)例均為致災(zāi)性的強(qiáng)雷暴個(gè)例，并在強(qiáng)雷暴過(guò)程中找尋能否發(fā)生地閃的單體，后續(xù)還應(yīng)加強(qiáng)零星地閃的弱雷暴和沒(méi)有地閃的雷暴個(gè)例分析，進(jìn)一步獲取閃電的初始發(fā)生條件。另外，雷電起電放電機(jī)制復(fù)雜，地閃不能代表閃電發(fā)生的全貌，以后還將利用全閃和湖北其他站點(diǎn)的雷達(dá)資料，在前期研究的基礎(chǔ)上，建立更加完善的雷電臨近預(yù)警方法，有效改善空?qǐng)?bào)和漏報(bào)，進(jìn)一步提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。