新一代天氣雷達產品在雷電業務中的應用

戴勁 鄧潔瓊 何寧 林明麗 尹寶蓉

摘 要：本文主要研究基本反射率因子、回波頂高、垂直累積液態水含量以及徑向速度等雷達產品與雷電預報因子的相關性。結果表明：40 dBZ強度回波伸展高度≥7.5 km是區分單體是否發生閃電的一個重要預警指標;雷達回波頂高與閃電的發生之間具有較好的相關性;垂直累積液態水含量（VIL）可以表征的對流強弱對雷電預警具有一定程度的指示作用。

關鍵詞：基本反射率因子;回波頂高;垂直累積液態水含量;徑向速度

中圖分類號：P416文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）16-0132-03

Abstract： This paper mainly studied the correlation between radar products such as basic reflectivity factor， echo top height， vertical cumulative liquid water content and radial velocity and lightning prediction factors. The results show that the extension height of 40 dBZ echo ≥ 7.5 km is an important early warning index to distinguish whether lightning occurs in a single building; There is a good correlation between the top height of radar echo and the occurrence of lightning; Vertical cumulative liquid water content （VIL） can characterize the convective intensity， which can indicate the lightning early warning to a certain extent.

Keywords： basic reflectance factor;echo top height;vertical cumulative liquid water content;radial velocity

雷電作為一種自然災害，影響范圍越來越廣，給各行各業帶來的損失也越來越嚴重。湘潭市位于衡山山脈的小丘陵地帶，每年都有不同程度的雷擊事故發生，屬多雷區，每年以春、夏兩季出現雷暴的頻數最多，雷暴多發生在4月、7月、8月，給人民群眾生命財產造成重大損失。因此，準確地做出雷電預警，減少雷電災害所帶來的損失尤為重要。

目前，國內外已經對雷電監測預警做了大量研究，并且部分研究成果已在實際工作中有所體現。許愛華等通過對閃電定位、多普勒雷達、天氣形勢、衛星云圖等資料進行分析，指出雷電發生的重要依據是雷達回波徑向速度場上的“零值線”、雷達回波上的回波合并與高層強回波區以及水汽云圖上的強水汽累積區等特征[1]。張義軍等開發了雷電監測和預警系統，該預警系統可以給出0～2 h可能發生雷電的區域及雷電發生概率[2]。馮桂力等通過研究發現，在雹云的不同時期，正閃電頻數和負閃電頻數隨著雹云的發展而呈現有規律的變化，通過研究雷達回波、云圖和雷電三者之間的配置關系以及多種短期預報方法的集成，建立了3～6 h雷暴臨近預報流程[3]。

湘潭新一代國家天氣雷達站自2018年投入業務運行以來，本地的預報預警工作有了進一步發展，特別是對流性天氣的短臨預警有了很大提升。本文通過分析雷達產品和雷電預報因子的相關性，來提高雷電預警預報的準確率。

1 資料和方法

本文所用資料為閃電定位系統數據，雷達產品資料采用基本反射率因子、回波頂高、垂直累積液態水含量、徑向速度，提取出2019年以來5次典型雷電災害和5次暴雨過程，將這10次個例組合反射率（CR）≥35 dBZ的回波定義為回波單體，并從10次對流云團中抽取96個單體樣本。通過對這些過程的雷達、閃電、探空資料進行對比分析，找出雷暴天氣的雷達產品特征，提取出雷電發生整個過程中雷達產品特征值的變化規律?？紤]到閃電定位儀存在誤差，因此，判定對應閃電發生區域出現3次及以上的單體為雷暴單體，即認為是發生雷電的單體。

2 湘潭市雷電預警預報因子分析

2.1 雷電與反射率因子的關系

雷達回波向上發展的高度在一定程度上決定了對流云團的強弱，因此，利用不同強度的雷達回波伸展到不同溫度層高度，可以研究對流云團中雷暴單體的強弱和發展變化情況，云頂越高，對流發展就越強[4]。

本文選取了10次對流過程的96個回波單體樣本作為研究對象，在回放雷達基數據時，對基本反射率進行垂直剖面，得到50號反射率垂直剖面產品（Vertical Cross Section，VCS）（圖略），然后對反射率垂直剖面產品進行分析，逐個對比分析雷暴單體40 dBZ強度回波所能伸展到的高度，最終對比發現：對于96個雷暴單體，閃電發生時其40 dBZ強度回波大部分都伸展在7.5 km以上。因此，7.5 km是區分單體是否發生閃電的一個重要預警指標，這也與業界學者的研究基本一致[5]。

2.2 雷電與回波頂高的關系

41號產品回波頂高（Echo Tops，ET）顯示了海平面以上回波強度值等于某一門限值時對應的最高高度，通常情況下，產生閃電的雷暴單體發展的高度比較高，這是因為對流的強弱與回波頂高關系比較密切，回波發展的高度是產生閃電的先決條件。一般情況下，回波頂高較高說明上升氣流強;反之，回波頂高低則說明上升氣流弱，弱的上升氣流不利于產生雷電。不同回波頂高的雷暴單體個數如表1所示。

統計分析本文研究所采集的96個回波單體的回波頂高和區間值分布情況，其回波強度最大值一般都超過40 dBZ，回波頂高超出8 km的有86個（占89.6%），低于8 km的有10個（占10.4%）?；夭敻叱^8 km的雷暴單體，其頂高主要位于8～14.9 km，回波頂高低于8 km的主要位于5～7.9 km。這一統計結果驗證了閃電的發生與雷達回波頂高之間具有較好的相關性，回波垂直發展的程度與閃電密切相關，云頂越高，上升氣流越強，就更容易發生閃電。

2.3 雷電與垂直累積液態水含量的關系

垂直累積液態水含量（Vertically Integrated Liquid，VIL）表示將反射率因子轉換為等價的液態水值，反映的是反射率因子的垂直累積。偏大的垂直累積液態水含量反映出云中含有較大的降水粒子，說明對應區域的對流發展比較旺盛，垂直上升運動強烈且水汽充足，因此，可將垂直累積液態水含量（VIL）作為判別強對流天氣造成的暴雨、暴雪及冰雹等災害的有效工具之一。但垂直累積液態水含量（VIL）對于雷電的預警意義，目前業內學者們尚存一些分歧。

筆者認為，垂直累積液態水含量（VIL）與雷電的發生并沒有直接關系，但可以表征的對流強弱對雷電預警具有一定程度的指示作用。本文通過對96個雷暴單體樣本的垂直累積液態水含量（VIL）值進行逐個對比分析，得出如表2所示的結果。從表2來看，96個雷暴單體中，單體垂直累積液態水含量（VIL）值在10～70 kg/m2的占88.5%。一般來說，當垂直累積液態水含量（VIL）大于10 kg/m2時，出現雷電的可能性較大?？梢?，湘潭市出現雷電的可能性較大。

2.4 雷電與徑向速度的關系

從部分徑向速度產品（多普勒速度場）可以看到，同一種方向的速度區中出現相反方向的速度區，即正（負）速度區中包含小塊的負（正）速度區，被包含的區域稱為逆風區。逆風區一般出現在春末和夏季，6月、7月、8月出現的頻率比較高。這主要是因為6月、7月、8月出現的對流性天氣較多，而逆風區一般就出現在這些強對流云團中。10月至次年3月一般不會出現強對流天氣，多數情況為大面積降水（雪），并且降水強度也不大，所以這些月份存在逆風區的可能比較小。

統計分析本文的96個雷暴單體的徑向速度產品，并從中挑選了52個逆風區，其中41個逆風區所在地發生了閃電，這說明逆風區的出現與雷電活動存在較好的對應關系。同時，對比逆風區出現的時間和閃電發生的時間會發現，逆風區的出現時間與閃電的出現時間相比有一定的提前量，提前量不固定，幾分鐘到幾十分鐘不等。進一步將逆風區的出現與自動站降雨量進行對比發現，逆風區出現的地方降雨強度都比較大，但累計降雨量卻不一定大，這與逆風區的移動速度快慢有關。

3 結論

本文分析了雷達產品與雷電預報因子的關系，得出以下結論。

①對于96個雷暴單體，閃電發生時其40 dBZ強度回波大部分都伸展在7.5 km以上。因此，7.5 km是區分單體是否發生閃電的一個重要預警指標，這與業界學者的研究基本一致。

②分析單體的回波頂高，回波頂高超出8 km的占89.6%，低于8 km的占10.4%?；夭敻叱^8 km的雷暴單體，其頂高主要位于8～14.9 km，回波頂高低于8 km的單體，其頂高主要位于5～7.9 km。這一統計結果驗證了閃電的發生與雷達回波頂高之間具有很好的相關性，回波垂直發展的程度與閃電密切相關。

③湘潭市雷暴單體的垂直累積液態水含量（VIL）值基本都在10 kg/m2以上。

由于本文分析的僅僅是近幾年發生在湖南省湘潭市的雷電與雷達產品的相關性，再加上雷電的發生與地域、氣候關系較大，不同地區的雷電預警指標必然各不相同，因此本文的研究結論缺乏廣泛的代表性。

參考文獻：

[1]許愛華，馬中元，郭艷，等.7·17廬山雷擊事件分析[J].氣象，2003（6）：35-38.

[2]張義軍，孟青，馬明，等.閃電探測技術發展和資料應用[J].應用氣象學報，2006（5）：611-620.

[3]馮桂力，邊道相，劉洪鵬，等.冰雹云形成發展與閃電演變特征分析[J].氣象，2003（3）：33-37.

[4]李南，魏鳴，姚葉青.安徽閃電與雷達資料的相關性分析以及機理初探[J].熱帶氣象學報，2006（3）：265-272.

[5]宮翠鳳，宮新春.淺談威海市新一代天氣雷達站的雷電防護措施[J].農業災害研究，2019（6）：3.