¹湖南省气象灾害防御技术中心，湖南 长沙

²气象防灾减灾湖南省重点实验室，湖南 长沙

³宁远县气象局，湖南 永州

⁴湖南长昊气象科技有限公司，湖南 长沙

收稿日期：2022年6月10日；录用日期：2022年7月6日；发布日期：2022年7月18日

摘要

本文利用2021年夏季长沙地区的闪电定位资料及雷达资料，统计了11个雷暴单体和5个非雷暴单体的回波顶高，包括30 dBZ、35 dBZ和40 dBZ三种雷达反射率，通过相关性分析，对0℃、−10℃和−20℃的温度层结高度上超过上述三种雷达反射率因子的回波面积和闪电频次进行讨论。从结果中可以得出：在40 dBZ情况下，两种单体超过三种温度层高的比例差最大。可通过−10℃层上40 dBZ回波顶高来对两种单体进行区分，此条件下的回波面积至少大于47.84 km²。

关键词

初闪预报，回波顶高，回波面积

Study on Prediction of Initial Lightning Based on Lightning Location and Radar Data in Changsha

Xinyu Nie^1,2, Ting Zhang³, Pan Liu⁴, Hao Huang^1,2

¹Hunan Meteorological Disaster Prevention Technology Center, Changsha Hunan

²Key Laboratory of Meteorological Disaster Prevention and Mitigation in Hunan Province, Changsha Hunan

³Ningyuan Meteorological Bureau, Yongzhou Hunan

⁴Hunan Changhao Meteorological Technology Co., Ltd., Changsha Hunan

Received: Jun. 10^th, 2022; accepted: Jul. 6^th, 2022; published: Jul. 18^th, 2022

ABSTRACT

Based on the lightning location data and radar data in Changsha in the summer of 2021, the echo top heights of 11 thunderstorm cells and 5 non-thunderstorm cells, including 30 dBZ, 35 dBZ and 40 dBZ radar reflectivity, are counted. Through correlation analysis, the echo area and lightning frequency of 0˚C, −10˚C and −20˚C temperature stratification heights that exceed the above three radar reflectivity factors are discussed. It can be concluded from the results that under the condition of 40 dBZ, the proportion difference between the two monomers with more than three temperature layer heights is the largest. The two monomers can be distinguished by the 40 dBZ echo top height on the −10˚C layer, and the echo area under this condition is at least greater than 47.84 km².

Keywords:Initial Flash Prediction, Echo Top Height, Echo Area

Copyright © 2022 by author(s) and Hans Publishers Inc.

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1. 引言

通常而言，在对流发展旺盛的雷暴云容易形成闪电，闪电过后所形成的暴雨和大风，给人们的生产生活带来不利影响，因此如何提高闪电预警的准确率一直是国内外研究的重点。一些学者发现 [1] - [7]，闪电的频数变化与强对流天气发生有一定的相关性，闪电频数与雷暴云顶高度之间存在5次方的函数关系 [8]；在−10℃层以上有两个连续的雷达体扫达到了 ≥40 dBZ的回波反射率，是夏季雷暴预警指标中最优的 [9]；雷达反射率为40 dBZ处的回波顶高 ≥ −10℃层可作为雷电预警的阈值 [10] [11]；地闪频次与 > 65 dBZ的回波面积之间存在反相关，系数为−0.74 [12]。

由于不同区域内雷暴过程中的闪电活动特征存在差异，使得雷电预警指标有所不同，故有必要开展不同区域的雷暴过程研究。通过对闪电定位、探空、多普勒雷达等资料的利用，选取了长沙地区2021年夏季16个单体进行研究，包括11个雷暴单体和5个非雷暴单体，寻找能够对初次闪电进行临近预报的指标，以期为该地区的雷电预警工作提供参考。

2. 资料来源与处理

本文的闪电数据来自于湖南省雷电探测系统，通过该系统开展云对地的闪电探测工作，对闪电发生的各方面的信息进行记录，包括陡度、时间、经纬度等，时间精度为10⁻⁷ s，探测效率可达80%及以上，定位精度小于300 m，本次研究对资料的质量进行了控制。

雷达基数据来源于长沙市气象局CINRAD/SA雷达，体扫时间为5~6 min，230 km为有效探测半径，本文所使用的单体均落于该半径范围内。参考文献 [13] 对雷达基数据进行1 km × 1 km × 1 km的插值，转换成笛卡尔坐标系。选取的单体个例满足如下条件：当组合反射率因子 ≥ 35 dBZ时，该回波可被确定为单体 [10]；非雷暴单体定义为在一个体扫周期内地闪出现次数在3次以下的单体，反之则为雷暴单体 [11]。表1为本研究选取的11个雷暴单体和5个非雷暴单体的描述汇总。

表1. 2021年夏季长沙地区16个单体汇总

3. 雷达回波特征分析

3.1. 回波顶高分析

在30 dBZ、35 dBZ和40 dBZ中，对16个单体的回波顶高(表现形式为H₃₀、H₃₅、H₄₀，下同)进行计算，同时与三种温度层高度(即0℃、−10℃和−20℃) (用h₀、h₋₁₀、h₋₂₀表示，下同)进行对比。结果发现，11个雷暴单体中H₃₀、H₃₅、H₄₀均超过了h₀、h₋₁₀，且H₃₀全都高于h₋₂₀，有90.91%的雷暴单体H₃₅高于h₋₂₀，81.82%的雷暴单体H₄₀突破了h₋₂₀；非雷暴单体中H₃₀超过h₀、h₋₁₀、h₋₂₀的比例为100%、80%、80%，H₃₅超过h₀、h₋₁₀、h₋₂₀的比例为80%、60%、40%，H₄₀超过h₀、h₋₁₀、h₋₂₀的比例依次为60%、20%、0。计算两种单体之间的比例差值，从图1可以看出，两种单体H₄₀超过h₀、h₋₁₀、h₋₂₀的比例差最大，为40%、80%、81.82%。

图1. 2021年长沙地区16个单体个例中H₃₀、H₃₅、H₄₀突破h₀ (a)、h₋₁₀ (b)、h₋₂₀ (c)所占比例

3.2. 40 dBZ回波顶高分析

表2为11个单体H₄₀与h₀、h₋₁₀、h₋₂₀的对比分析结果，由表可知：

1) 统计时段为初闪发生时前1 h内的雷达体扫：

11个雷暴单体H₄₀均突破了h₀；10个雷暴单体(除1#外)H₄₀突破了h₋₁₀，所占比例为90.91%；5个雷暴单体(3#、7#~9#、11#) H₄₀突破了h₋₂₀，所占比例为45.45%。

4个非雷暴单体(除16#) H₄₀突破了h₀，所占比例为80%；1个非雷暴单体(14#)H₄₀突破了h₋₁₀，占非雷暴总个例的20%；H₄₀均低于h₋₂₀。

因此，雷暴单体和非雷暴单体H₄₀突破了h₀的比例差为20%，突破了h₋₁₀的比例差为70.91%，突破了h₋₂₀的比例差为45.45%。

2) 统计时段为初闪发生前一个雷达体扫：

11个雷暴单体H₄₀均突破了h₀和h₋₁₀；9个雷暴单体(除1#和10#外) H₄₀突破了h₋₂₀，所占比例为81.82%。

4个非雷暴单体(除16#) H₄₀突破了h₀，所占比例为80%；1个非雷暴单体(14#) H₄₀突破了h₋₁₀，占非雷暴总个例的20%；H₄₀均低于h₋₂₀。

因此，雷暴单体和非雷暴单体H₄₀突破了h₀的比例差为20%，突破了h₋₁₀的比例差为80%，突破了h₋₂₀的比例差为81.82%。

综上所述，对初闪发生前1 h内的体扫周期进行统计，两种单体的比例在h₋₁₀的相差最大，统计初闪发生前一个体扫周期，却发现该比例差最大出现在h₋₂₀。故，仅用H₄₀是否突破h₋₁作为雷暴单体和非雷暴单体的判别因子存在一定的局限性。

表2. 2021年夏季长沙地区H₄₀与三种温度层结的统计情况

3.3. 回波面积分析

雷暴中的冰相粒子影响着0℃层以上的回波面积，且粒子的浓度和大小可通过雷达反射率的强度来体现 [14]。也有研究指出 [15]，−15℃层以上的区域中 > 30 dBZ的粒子主要是冰雹和冰晶，较大的冰相粒子则出现在 > 50 dBZ的区域。

在0℃、−10℃和−20℃三种温度层高度上，统计11个雷暴单体的雷达反射率分别超过30 dBZ (S₃₀)、40 dBZ (S₄₀)、50 dBZ (S₅₀)的回波面积，分析了发生在该面积范围内的闪电频次与相应回波面积的相关性(表3)。由表3可知，相关系数平均值最大为0.7149，出现在S₄₀，其次是S₃₀，而最差的为S₅₀。11个雷暴单体中，在0℃、−10℃和−20℃温度层高度上，S₃₀的最大值出现在6#雷暴单体−10℃层高度，为0.7695；S₄₀的最大值为0.9034，出现在6#雷暴单体0℃层高度；S₅₀的最大值出现在6#雷暴单体−10℃层高度，相关系数为−0.8014，其中有3个雷暴单体与回波面积之间没有相关性。

总体来说，S₃₀在三种温度层高度上的相关系数最大值出现在S_30t−20，为0.6445；S₄₀的相关系数最大值出现在S_40t−10，为0.7741；S₅₀的相关系数最大值出现在S_50t−10，为0.3222。

表3. 2021年长沙地区11个雷暴单体的回波面积与地闪频次的相关系数统计

注：S为回波面积，“t”左、右两侧数字分别代表回波强度和温度，表格首行的S₃₀、S₄₀、S₅₀分别为第二行各部分的集合。

表4为上述三个拟合系数最大值S_30t−20、S_40t−10和S_50t−10与地闪频数F进行对数拟合和线性拟合的结果，均通过了F_0.05显著性检验。由表4可知，两种方法中拟合结果最好的为S_40t−10，拟合优度分别为0.72、0.84。

表4. 相关系数最大项的拟合结果

通过上述分析可知，F和S之间存在相关性。当F取0时，可得出S_40t−10的拟合优度最高，落在[47.84, 89.68] (km²)范围，47.84 km²可作为单体是否能够发展为雷暴单体的判别阈值。对11个雷暴单体在初闪发生前一个雷达体扫、初闪发生时所处雷达体扫内的回波面积进行统计，结果发现在两个统计时段中，分别有3个时刻的回波面积小于47.84 km²。分别统计5个非雷暴单体在起始时间前一个雷达体扫、单体所处雷达体扫周期内的回波面积，发现仅有一个时刻的回波面积大于47.84 km²。因此，可将47.84 km²作为初闪发生预警的回波面积阈值。

4. 闪电预警步骤

通过上面的分析，提出初闪发生的预警步骤：

1) 计算某时刻的单体H₄₀，与该时刻h₀相比，若H₄₀ > h₀，则该单体存在发展为雷暴单体的可能；

2) 与该时刻h₋₁₀相比，若H₄₀ > h₋₁₀，对S_40t−10与47.84 km²再进行对比，如果前者较大，可认为在该时刻后的一个雷达体扫周期内有闪电出现的可能。下图2为预警流程：

图2. 长沙地区夏季初闪发生预警流程

5. 结论与思考

1) 对比分析2021年夏季长沙地区11个雷暴单体与5个非雷暴单体H₃₀、H₃₅、H₄₀分别超过h₀、h₋₁₀、h₋₂₀的比例，两种单体比例的最大差值出现在40 dBZ回波顶高。

2) 对11个雷暴单体与5个非雷暴单体H₄₀和h₋₁₀进行比较，有10个雷暴单体H₄₀突破了h₋₁₀，非雷暴单体仅有1个H₄₀ > h₋₁₀。

3) 分析11个雷暴单体在0℃、−10℃和−20℃三个温度层结上的S₃₀、S₄₀、S₅₀与地闪频次F的相关性，S₃₀、S₄₀、S₅₀中相关系数最大项分别出现在S_30t0、S_40t−10、S_50t0。从拟合优度看，对数拟合高于线性拟合，其中最高值为S_40t−10，判别两种单体的回波面积阈值为47.84 km²。

4) 长沙地区初闪发生的预警方案为：1) 比较单体某个时刻的H₄₀与h₀，如果H₄₀突破了h₀，表明该单体可能发展成雷暴单体，反之则判断为非雷暴单体；2) 对比可能为雷暴单体的H₄₀与h₋₁₀，如果在某个雷达体扫周期中H₄₀ > h₋₁₀，那么可认为该单体会发展成为雷暴；3) 计算该单体的S_40t−10，与阈值47.84 km²进行比较，如果前者较大，那么在此时刻之后的一个雷达体扫周期内会有闪电形成。

基金项目

湖南省气象局2022年短平快项目(XQKJ22B014)。

文章引用

聂新宇,张 婷,刘 盼,黄 浩. 长沙地区基于闪电定位与雷达资料的初闪发生预报研究
Study on Prediction of Initial Lightning Based on Lightning Location and Radar Data in Changsha[J]. 气候变化研究快报, 2022, 11(04): 473-480. https://doi.org/10.12677/CCRL.2022.114050

参考文献