巧用雷達圖做好雷電預警服務初探

黃建勛，黃 昀，曾 璐

福建省上杭縣氣象局，福建上杭 364200

雷電是發(fā)生于大氣中的一種瞬時高電壓、大電流、強電磁輻射的災害性天氣現(xiàn)象。雷電常伴有閃電和雷鳴，其引發(fā)的災害為聯(lián)合國“國際減災十年”公布的最嚴重的自然災害之一,被中國電工委員會稱為“電子時代的一大公害”。隨著經(jīng)濟和科學技術(shù)的發(fā)展，雷電災害通過直接雷擊、間接雷擊和雷電波入侵的形式產(chǎn)生危害，容易造成火災、爆炸、人員傷亡和設備故障或被損壞等。

上杭縣所處地理位置特殊、地形地貌復雜，屬雷電活動高發(fā)區(qū)，紫金山金銅礦位于舊縣鎮(zhèn)，其擁有國際先進的技術(shù)，其黃金產(chǎn)量大，采選規(guī)模大，被中國黃金協(xié)會授予“中國第一大金礦”榮譽稱號。因目前電氣設備較多，為了避免雷電活動帶來的隱患，除了做好專業(yè)防雷安全措施，還要對可能出現(xiàn)的雷電活動提前做好預警服務，并根據(jù)預警采取有效的防護措施。

為了確保企業(yè)安全生產(chǎn)調(diào)度，實現(xiàn)短時臨近雷電預警服務顯得非常重要。通過分析閃電定位資料、雷達資料和大氣電場資料對短時臨近雷電活動的預報方法，對多元資料進行融合應用，實現(xiàn)上杭縣舊縣鎮(zhèn)紫金山區(qū)域雷電活動的短時臨近預警服務，根據(jù)預警信息采取相應的安全防護措施，確保企業(yè)的安全生產(chǎn)。

1 雷電臨近預報

雷暴日是指該天（前一日20:00至當日20:00為日界）發(fā)生雷暴的日子，對該天發(fā)生雷暴的次數(shù)及持續(xù)時間不做統(tǒng)計；據(jù)1991—2020年氣象資料統(tǒng)計，上杭縣年平均的雷暴日數(shù)為71 d，做好雷電預警服務可以提高企業(yè)的生產(chǎn)效益和經(jīng)濟效益。通過研究閃電定位儀、雙偏振天氣雷達和大氣電場儀等設備采集的實況資料，并綜合利用在相關(guān)資料進行非線性外推，判斷出雷電發(fā)生落區(qū)、時間和強度的預報[1]。

1.1 基于閃電定位資料的預測預警

閃電定位儀是一種探測閃電發(fā)生強度、方向、頻率及其變化的儀器。雷電放電過程必然會產(chǎn)生電磁輻射脈沖，云閃產(chǎn)生的脈沖主要集中在甚高頻頻段，地閃產(chǎn)生的脈沖主要集中在甚低頻頻段。閃電定位儀通過實時接收閃電過程產(chǎn)生的電磁脈沖參數(shù)，可以全天候、長期、連續(xù)穩(wěn)定運行，結(jié)合GPS技術(shù)，可以記錄閃電發(fā)生的時間、位置、強度和極性等。通過對閃電特征進行分析，對中小尺度對流天氣發(fā)生可以起到一定的提示作用?；陂W電定位資料的臨近雷電活動預報預警目前較多的是采用IDBSCAN閃電聚類分析法，該方法依據(jù)閃電定位儀中的實時采集數(shù)據(jù)，搜索閃電密度大于閾值范圍的地閃點，建立密度可達最大值的地閃聚類簇，并找到該簇類中的核心地閃點[2]。同時，在聚類分析結(jié)果基礎(chǔ)上，對核心地閃點的移動方向進行擬合，實現(xiàn)對下一時刻核心地閃點的預報。

1.2 基于雙偏振天氣雷達資料的預報預警服務

雙偏振天氣雷達目前是強對流天氣短臨預報服務和監(jiān)測預警最重要的工具，許多氣象研究學者基于該資料提出了多種雷電預警方法，主要是分析雷達回波強度與閃電資料對應的回波物理量產(chǎn)品，提取閃電發(fā)生的閾值參數(shù)，利用獲取的實況資料進行綜合分析，提前做好雷電預報預警服務[3]。多年數(shù)據(jù)資料研究表明：針對夏季雷暴，最好的預警指標是在-10 ℃溫度層高度上，2個連續(xù)的體掃都能達到40 dBz的反射率閾值。運用這種方法的預報準確率達到84%，虛警率達到7%，提前15 min預報出現(xiàn)地閃。如圖1所示，判別出雷暴單體后，需要對雷暴單體進行跟蹤和外推預報，以提高預報時效性。跟蹤外推預報有2種方法： SCIT（風暴跟蹤算法）和TREC（交叉相關(guān)跟蹤算法）。

圖1 雷達反射率判斷雷暴單體

1.2.1 SCIT（風暴跟蹤算法） 根據(jù)雷暴單體的三維結(jié)構(gòu)確立雷暴的中心，通過跟蹤中心得到移向移速，進行1 h的外推預報。

1.2.2 TREC（交叉相關(guān)跟蹤算法） 利用風暴回波的特征對前后時次體掃進行相關(guān)，通過相關(guān)計算比較最相似的回波來判斷移向移速，并進行雷暴區(qū)1 h的外推預報（圖2～圖5）。

圖2 2022年3月17日 16:09 雷達疊加TRE

圖5 根據(jù)TREC的18:15預報位置

1.3 基于大氣電場資料的預報預警服務

大氣電場儀能夠測量大氣電場及其變化，它是通過導體在電場中產(chǎn)生感應電荷的原理來測量電場的。主要功能為實時測量并記錄地面上的靜電場值與變化率，其作用有3種：（1）測量晴空時，大氣靜電場數(shù)值的多少和極性的連續(xù)變化；（2）測量雷暴所引起的大氣電場數(shù)值和極性的連續(xù)變化；（3）探測到有效范圍內(nèi)平均大氣電場變化，可對局地潛在雷暴和靜電事故發(fā)出警報，但無法確定雷電發(fā)生的具體位置和移動方向。

雷暴天氣云地閃電及云下方地物和植物的尖端放電過程，將不斷增加大氣和大地所帶的電荷數(shù)量，導致大氣電場強度不斷增強，利用大氣電場資料進行雷電預警就是基于該原理方法[4]。利用大氣電場儀進行雷電預報的方法主要有2種：（1）利用多個大氣電場儀探測到的地面大氣電場數(shù)值，估算雷暴云內(nèi)電荷分布情況，預算出雷雨云中強電荷中心的強度、極性和分布，從而確定雷雨云的空間分布位置，對雷電的發(fā)生進行預報預警；（2）在電場資料時間序列分析的基礎(chǔ)上，分析雷暴初生、形成、成熟、衰減及消亡等階段的電場頻域特性，找出諧波振幅隨頻率變化的不同特征，建立雷電發(fā)生的預報預警判別標準。

2 多元資料的融合應用

閃電定位資料實時性強，但預報提前時間有限，且資料分布通常比較離散；大氣電場資料實時性較強，但其單站的預報區(qū)域范圍有限；雷達資料時空分辨率都比較好，但只有在降水粒子形成之后才會有較強的回波。由于單一設備資料應用的局限性和不確定性，因此，需要將多種觀測資料融合進行雷電臨近預報預警服務[5]。

對閃電定位數(shù)據(jù)、雙偏振氣象雷達數(shù)據(jù)和大氣電場數(shù)據(jù)進行綜合分析，并結(jié)合物理量、雷達基本反射率、組合反射率、回波頂高和垂直液態(tài)水含量等閾值建立雷電短時臨近預報預警服務模型。

圖3 16:49的半小時預報位置

圖4 2022年3月17日 18:15 實況位置

根據(jù)雷暴云團的電場特征，將電場幅值閾值法和電場差分法2種方法相結(jié)合，分析研判電場閾值。大氣電場資料和雷達回波強度資料結(jié)合分析，形成一定范圍內(nèi)首次地閃的臨近預報方法，即首先判斷反映雷暴云團電荷情況的電場資料能否達到設定電場幅值閾值和電場差閾值，如果電場滿足了這兩個閾值中的任意一個閾值，然后判斷該時刻前后預警范圍內(nèi)雷達回波能否達到設定閾值，達到后即時發(fā)布預警。利用該方法對典型雷暴過程移動測區(qū)進行區(qū)域性雷電臨近預報預警，可以直觀地呈現(xiàn)出雷暴云團和閃電發(fā)展情況，也能更加精準地判斷發(fā)生閃電的潛在區(qū)域，不僅能對一個地區(qū)進行預警，還能對雷暴云團的整個發(fā)生與發(fā)展過程進行監(jiān)測。利用該預報方法和模式推演，建立基于大氣電場和雷達資料的雷電臨近預報方法，結(jié)合雷電短時臨近預報預警模型，實現(xiàn)多元資料的融合。

3 做好短時臨近雷電活動預警服務

3.1 短時臨近雷電活動預報預警方法

通過獲取數(shù)值模型預報、雙偏振天氣雷達、大氣電場儀、自動氣象站、閃電定位儀等資料，根據(jù)不同閾值信息生成相關(guān)雷電預報產(chǎn)品[6]。

雷電短時臨近預報預警系統(tǒng)綜合利用閃電定位系統(tǒng)、雙偏振天氣雷達和大氣電場儀等資料的，可以提供在短時間內(nèi)探測到的閃電定位信息和未來30 min可能出現(xiàn)的閃電。其預報方法流程見圖6。最終的雷電預報效果見圖7。

圖6 綜合資料運算做好雷電預警

圖7 雷電預警效果圖

3.2 紫金山金銅礦短時臨近雷電活動預警服務

利用先進的GIS技術(shù)（三維地形圖、影像圖載入氣象地理信息）。在GIS地圖上，疊加顯示雷達數(shù)據(jù)、大氣電場數(shù)據(jù)、閃電定位數(shù)據(jù)，形成紫金山及周邊區(qū)域的10 km×10 km網(wǎng)格，以紫金山為中心，按半徑80、60 km、40、20 km分別繪制4個區(qū)域，對應雷電預警4級、3級、2級、1級區(qū)域，分別表示未來2 h、1 h、30 min、15 min可能在紫金山區(qū)域內(nèi)發(fā)生的雷電活動。根據(jù)短時臨近雷電活動預報方法，做出相應的雷電活動預報，并及時發(fā)布預警。具體流程如圖8。

圖8 雷電預警服務流程圖

4 預警結(jié)果檢驗

根據(jù)雷電發(fā)生，從命中率（POD）、誤警率（FAR）和成功指數(shù)（CSI）3個方面反映預警結(jié)果。詳細檢驗評分如下：將閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測到的雷電實況信息轉(zhuǎn)換為與預報相同的格式模型，即把實況劃分為 10 km×10 km的網(wǎng)格，對網(wǎng)格點內(nèi)實況與預報進行比較評定。評定范圍為覆蓋上杭縣的矩形區(qū)域。

其中，NA、NB、NC定義見表1 。

表1 質(zhì)量評定分類表

5 結(jié)論

（1）閃電資料、雷達資料、大氣電場資料能很好地反映雷電活動情況，并能根據(jù)相關(guān)算法對雷電活動情況進行外推預報預警。

（2）通過閃電資料、雷達資料、大氣電場資料及其他氣象資料和地理信息的融合，能有效預報出紫金山的短時臨近雷電活動。一年多的運行結(jié)果顯示，紫金山雷電短時臨近1級預警的成功指數(shù)(CSI)達95%以上。為紫金山金銅礦的生產(chǎn)安全、實現(xiàn)生產(chǎn)效益最大化提供了強有力的支撐，為其經(jīng)濟發(fā)展提供有力保障。

（3）該技術(shù)方法較為成熟，可以推廣應用于其他需要進行雷電臨近預警的行業(yè)。