海南州雷电天气分布特征与预警指标研究.pdf

收稿日期：海南州雷电天气分布特征与预警指标研究夏雨虹，田辉春，李国玉（海南藏族自治州气象局，青海 共和）摘 要：本文利用闪电定位仪资料、海南多普勒雷达资料和 资料对海南地区雷电天气的时空分布特征进行分析，得出海南地区地闪主要发生在每年七八月份，共和地区是地闪的高发区（），贵德地区是地闪的低发区（）。利用雷达资料总结凝练雷电天气雷达产品的预警阈值得出：强度为 的回波顶高大于等于、强度为 的回波垂直累计液态水含量大于等于 和回波强度为 时垂直累计液态水含量大于等于 指标预警效果相对较好。关键词：地闪；环流形势；回波顶高；垂直累计液态水含量中图分类号：文献标志码：文章编号：（）引言雷电是发生于大气中的一种瞬时高电压、大电流、强电磁辐射的灾害性天气现象。基于天气雷达的雷电临近预报预警工作，许多学者已做了大量的研究，并取得诸多有意义的结果。刘敏等的研究表明，多普勒雷达径向速度大尺度符合风场特征对雷电落区及强度预报的意义较大。易笑园等发现回波顶高高于 的回波面积对地闪活动激烈程度具有预警意义。黄延刚等利用闪电定位系统和分析多普勒雷达资料发现，在雷暴云成熟和消散阶段，闪电主要发生在雷达回波强度、垂直液态水含量 所对应的区域。石玉恒等的研究工作为雷电预警指标的选取提供了较好的理论依据。由于雷电的发生与地域、环境等因素有关，不同地域的雷电具有不同的特征，因此各地的雷电预警指标也可能会有所不同。自海南州新一代天气雷达投入使用以来，在短临预报预警业务工作中发挥了十分重要的作用。雷电天气相比短时强降水、冰雹和雷暴大风而言，具有发生频率更高、影响区域更广、空间分布复杂等特点，本文结合海南州实际雷电天气过程，对比分析研究雷电天气的雷达回波特征，以期为提高海南州雷电天气预警准确率提供支撑。研究方法及资料本文所使用的资料主要为 年的闪电定位仪资料和海南多普勒雷达资料。闪电定位系统是由中科院研制的高精度 系统，包含海南共和、贵德、兴海 个县闪电监测站，覆盖了海南州所辖行政区。该系统采用时差法和定向时差联合法对云地闪进行定位，能够区分闪电的正、负极性，定位精度在 以内。闪电定位系统主要用来探测云地闪，能有效获取雷电的多种参数，在气象领域应用广泛。海南地区地闪时空分布特征 海南地区地闪的季节分布特征图 海南地区各月地闪平均发生次数 图 为 年海南地区各月地闪平均发生次数分布图。由图 可知，地闪主要发生在每年 月份，月份闪电次数就超过了 青海环境 第 卷第 期（总第 期）年 月次，月份闪电次数为全年的最大值，其中 月份和 月份发生的闪电占全年闪电次数的。季节分布上，夏季（月份）地闪出现次数最多，秋季与春季相当，冬季极少。海南地区地闪的空间分布特征图 为 年海南地区各县年平均地闪次数概率分布图。由图可知，共和地区是地闪的高发区（），其次为兴海地区（），同德和贵南地区发生概率相当（），贵德地区是地闪的低发区（）。图 各县年平均地闪次数概率分布图 海南地区雷电天气雷达预警指标研究根据海南地区地闪时空分布特征可知，海南地区地闪主要多发时段为 月份，而 月作为虫草采挖季需特别关注，因此主要研究 月份雷电 天 气 过 程 的 雷 达 回 波 演 变 特 征。利 用 年夏季 月的闪电定位仪资料，筛选了 次较为完整且具有代表性的雷暴过程作为雷电天气预警指标研究对象。典型雷电天气过程筛选标准为：雷电过程至少影响两个县及以上，过程期间一个县地闪次数在 次以上。从这 次过程的雷达产品数据中挑选出 组样本数据（表），个雷达观测时间间隔中出现的单体数据记为一组样本数据，对应闪电发生区域和发生时间，分别为 组雷暴样本数据（发生雷电）和 组非雷暴样本数据（未发生雷电）。通过分析雷达回波物理量参数与雷电活动区对应关系，将预警情况分为以下 类。：预警有雷暴，实况有雷暴；：预警有雷暴，实况无雷暴；：预警无雷暴，实况有雷暴。成功预警率（）表示在实况观测中，雷电预警成功的百分比，数值越大越接近成功预警；预警空报率（）表示在雷电预警中误报的百分比，数值越小越接近成功预警，其计算公式如下：（）（）（）（）表 雷电天气过程样本数据汇总过程编号样本编号日期时间属性（）（）雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 非雷暴样本 非雷暴样本 非雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 非雷暴样本 非雷暴样本 非雷暴样本 非雷暴样本海南州雷电天气分布特征与预警指标研究 夏雨虹，田辉春，李国玉续表：过程编号样本编号日期时间属性（）（）雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 非雷暴样本 非雷暴样本 非雷暴样本 非雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 非雷暴样本 非雷暴样本 非雷暴样本 非雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 非雷暴样本 非雷暴样本 非雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 非雷暴样本 非雷暴样本 非雷暴样本 非雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 非雷暴样本青海环境 第 卷第 期（总第 期）年 月续表：过程编号样本编号日期时间属性（）（）非雷暴样本 非雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 非雷暴样本 非雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 非雷暴样本 非雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 非雷暴样本 非雷暴样本 非雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 非雷暴样本 非雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 非雷暴样本 非雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本海南州雷电天气分布特征与预警指标研究 夏雨虹，田辉春，李国玉续表：过程编号样本编号日期时间属性（）（）雷暴样本 雷暴样本 非雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 雷暴样本 非雷暴样本 非雷暴样本 闪电与雷达回波顶高、垂直累积液态含水量的关系回波顶高（）产品显示海平面以上回波强度值 等 于 某 一 阈 限 值（目 前 设 定 为 回 波）时对应的最高高度，是应用体积扫描获取的三维分布数据制作而成。通过回波顶高产品可以清晰地看出回波发展、演变过程中其顶部的分布特征。对流的强弱在一定程度上与回波伸展的高度有关，因而 产品能反映降水过程的发展情况，分析估计雷达探测范围内不同地区的对流发展与否以及对流相对强弱的情况。垂直累积液态含水量（）表征在降水云团中某一确定底面积的垂直柱体内液态水总量分布，反映了反射率因子的垂直累积，代表了风暴的综合强度，值随着反射率因子的增强而增强，是判别强降水及其降水潜力、强对流天气造成的暴雨、暴雪和冰雹等灾害性天气的有效工具之一。当对流云中含有的冰雹等大粒子的散射性不满足瑞利散射的条件时，由其反演的垂直累积液态水含量远远大于云中实际具有的垂直累积液态水含量，因而偏大的垂直累积液态水含量恰好反映了云中含有较大的降水粒子，这些区域往往也是对流发展旺盛的地方，有强烈的垂直上升运动和充足的水汽。刘维成等在对高原东北侧的雷达阈值进行研究时指出，在雷电预警中 值不能太小，亦不能太大，太小水汽通量不足，太大以至于水汽在冻结高度之前凝结成降水。通过统计不同回波强度的顶高（表）可知，在同一次过程的相同回波强度下，的雷暴样本的回波顶高比非雷暴样本的大，经过分析计算，相同的回波强度下的雷暴样本比非雷暴样本回波顶高平均高；的雷暴样本的垂直累计液态水含量比非雷暴样本的大，经过分析计算，相同的回波强度下的雷暴样本比非雷暴样本垂直累计液态水含量平均大 。雷电天气预警阈值凝练 表 回波顶高（）及垂直累计液态水含量（）预警结果检验 阈值 阈值 青海环境 第 卷第 期（总第 期）年 月 利用不同指标对 组样本数据开展雷电预警检验分析（表）：对于某一回波强度的回波顶高和垂直累计液态水含量而言，其 随着阈值的增加而减小；分析 数据，则出现两种情况，一种情况为 随着阈值的增加而减小；另一种情况为 随着阈值的增加而先减小，后增大。这说明将雷电预警阈值设置得较小，即范围设置得越大，成功预警率较高，但是其空报率也会很高，不利于业务运用。将雷电预警阈值设置得较大，即范围设置较窄时，其成功预警率就会下降，而空报率不一定会降低，有可能出现先降后增的情况。因此，最合适的预警指标必须权衡 和 的不同表现。强度为 的回波顶高大于等于、强度为 的回波垂直累计液态水含量大于等于 和回波强度为 时垂直累计液态水含量大于等于 指标预警效果相对较好，分别为、和，分别为、和。预警思路通过以上分析，海南地区雷电预警因子主要为：回波强度、垂直累积液态水含量和回波顶高。综合权衡不同预警指标的 与 的表现，具体预警分析步骤为：首先查看回波强度为 的回波顶高是多少，如大于等于，再关注回波强度为 的垂直累计液态水含量是否大于等于 。若两个同时满足，则认为会有雷电发生；若只满足一项，则可再继续观察，待对流增强时再作判断。当对流单体最大回波强度大于等于 时，则查看回波强度为 的垂直累计液态水含量是否大于等于 ，如果是，则认为会有雷电发生；如果不是，则继续加强关注。结论（）海南地区地闪主要发生在每年七八月份，夏季（月份）地闪出现次数最多，秋季与春季相当，冬季极少。从地区分布来看，共和地区是地 闪 的 高 发 区（），其 次 为 兴 海 地 区（），同德和贵南地区发生概率相当（），贵德地区是地闪的低发区（）。（）在相同回波强度下，的雷暴样本的回波顶高比非雷暴样本的高，平均高；的雷暴样本的垂直累计液态水含量比非雷暴样本的大，平均大 。（）强度为 的回波顶高大于等于、强度为 的回波垂直累计液态水含量大于等于 和回波强度为 时垂直累计液态水含量大于等于 指标预警效果相对较好，可在业务工作中加以应用。参考文献：陈渭民雷电学原理北京：气象出版社，：刘敏，王宁，张硕吉林省雷电雷达回波特征分析及预警指标吉林气象，（）：易笑园，宫全胜，李培彦，等华北飑线系统中地闪活动与雷达回波顶高的关系及预警指标气象，（）：黄延刚，顾松山，杨才文，等一次强对流过程中的闪电特征分析广东气象，（）：石玉恒，张义军，郑栋，等北京地区雷暴的雷达回波特征与闪电活动的相关关系气象，（）：吴乃庚，林良勋，冯业荣，等 年初春华南“高架雷暴”天气过程成因分析气象，（）：黄兰兰强雷电天气过程闪电定位资料分析及预警服务气象与环境科学，（）：舒国勇，黄红，晏理华 年 月 日贵州梵净山强雷电特征及天气成因分析气象与环境科学，（）：洪景山云对地闪电和雷达回波参数之相关：个案研究大气科学（台湾），（）：冯桂力，郄秀书，袁铁，等雹暴的闪电活动特征与降水结构研究中国科学 辑：地球科学，（）：张一平，俞小鼎，孙景兰，等 年早春河南一次高架雷暴天气成因分析气象，（）：李南，魏鸣，姚叶青安徽闪电与雷达资料的相关分析以及机理初探热带气象学报，（）：洪景山云对地闪电和雷达回波参数之相关：个案研究大气科学，（）：石玉恒雷暴雷达回波特征与闪电活动的相关关系北京：中国气象科学研究院，刘维成，苟尚，傅朝雷达资料在高原东北侧雷电预警中的应用气象，（）：海南州雷电天气分布特征与预警指标研究 夏雨虹，田辉春，李国玉