巧用雷达图做好雷电预警服务初探

黄建勋，黄 昀，曾 璐

福建省上杭县气象局，福建上杭 364200

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。雷电常伴有闪电和雷鸣，其引发的灾害为联合国“国际减灾十年”公布的最严重的自然灾害之一,被中国电工委员会称为“电子时代的一大公害”。随着经济和科学技术的发展，雷电灾害通过直接雷击、间接雷击和雷电波入侵的形式产生危害，容易造成火灾、爆炸、人员伤亡和设备故障或被损坏等。

上杭县所处地理位置特殊、地形地貌复杂，属雷电活动高发区，紫金山金铜矿位于旧县镇，其拥有国际先进的技术，其黄金产量大，采选规模大，被中国黄金协会授予“中国第一大金矿”荣誉称号。因目前电气设备较多，为了避免雷电活动带来的隐患，除了做好专业防雷安全措施，还要对可能出现的雷电活动提前做好预警服务，并根据预警采取有效的防护措施。

为了确保企业安全生产调度，实现短时临近雷电预警服务显得非常重要。通过分析闪电定位资料、雷达资料和大气电场资料对短时临近雷电活动的预报方法，对多元资料进行融合应用，实现上杭县旧县镇紫金山区域雷电活动的短时临近预警服务，根据预警信息采取相应的安全防护措施，确保企业的安全生产。

雷暴日是指该天（前一日20:00至当日20:00为日界）发生雷暴的日子，对该天发生雷暴的次数及持续时间不做统计；
据1991—2020年气象资料统计，上杭县年平均的雷暴日数为71 d，做好雷电预警服务可以提高企业的生产效益和经济效益。通过研究闪电定位仪、双偏振天气雷达和大气电场仪等设备采集的实况资料，并综合利用在相关资料进行非线性外推，判断出雷电发生落区、时间和强度的预报[1]。

1.1 基于闪电定位资料的预测预警

闪电定位仪是一种探测闪电发生强度、方向、频率及其变化的仪器。雷电放电过程必然会产生电磁辐射脉冲，云闪产生的脉冲主要集中在甚高频频段，地闪产生的脉冲主要集中在甚低频频段。闪电定位仪通过实时接收闪电过程产生的电磁脉冲参数，可以全天候、长期、连续稳定运行，结合GPS技术，可以记录闪电发生的时间、位置、强度和极性等。通过对闪电特征进行分析，对中小尺度对流天气发生可以起到一定的提示作用。基于闪电定位资料的临近雷电活动预报预警目前较多的是采用IDBSCAN闪电聚类分析法，该方法依据闪电定位仪中的实时采集数据，搜索闪电密度大于阈值范围的地闪点，建立密度可达最大值的地闪聚类簇，并找到该簇类中的核心地闪点[2]。同时，在聚类分析结果基础上，对核心地闪点的移动方向进行拟合，实现对下一时刻核心地闪点的预报。

1.2 基于双偏振天气雷达资料的预报预警服务

双偏振天气雷达目前是强对流天气短临预报服务和监测预警最重要的工具，许多气象研究学者基于该资料提出了多种雷电预警方法，主要是分析雷达回波强度与闪电资料对应的回波物理量产品，提取闪电发生的阈值参数，利用获取的实况资料进行综合分析，提前做好雷电预报预警服务[3]。多年数据资料研究表明：针对夏季雷暴，最好的预警指标是在-10 ℃温度层高度上，2个连续的体扫都能达到40 dBz的反射率阈值。运用这种方法的预报准确率达到84%，虚警率达到7%，提前15 min预报出现地闪。如图1所示，判别出雷暴单体后，需要对雷暴单体进行跟踪和外推预报，以提高预报时效性。跟踪外推预报有2种方法：
SCIT（风暴跟踪算法）和TREC（交叉相关跟踪算法）。

图1 雷达反射率判断雷暴单体

1.2.1 SCIT（风暴跟踪算法） 根据雷暴单体的三维结构确立雷暴的中心，通过跟踪中心得到移向移速，进行1 h的外推预报。

1.2.2 TREC（交叉相关跟踪算法） 利用风暴回波的特征对前后时次体扫进行相关，通过相关计算比较最相似的回波来判断移向移速，并进行雷暴区1 h的外推预报（图2～图5）。

图2 2022年3月17日 16:09 雷达叠加TRE

图5 根据TREC的18:15预报位置

1.3 基于大气电场资料的预报预警服务

大气电场仪能够测量大气电场及其变化，它是通过导体在电场中产生感应电荷的原理来测量电场的。主要功能为实时测量并记录地面上的静电场值与变化率，其作用有3种：（1）测量晴空时，大气静电场数值的多少和极性的连续变化；
（2）测量雷暴所引起的大气电场数值和极性的连续变化；
（3）探测到有效范围内平均大气电场变化，可对局地潜在雷暴和静电事故发出警报，但无法确定雷电发生的具体位置和移动方向。

雷暴天气云地闪电及云下方地物和植物的尖端放电过程，将不断增加大气和大地所带的电荷数量，导致大气电场强度不断增强，利用大气电场资料进行雷电预警就是基于该原理方法[4]。利用大气电场仪进行雷电预报的方法主要有2种：（1）利用多个大气电场仪探测到的地面大气电场数值，估算雷暴云内电荷分布情况，预算出雷雨云中强电荷中心的强度、极性和分布，从而确定雷雨云的空间分布位置，对雷电的发生进行预报预警；
（2）在电场资料时间序列分析的基础上，分析雷暴初生、形成、成熟、衰减及消亡等阶段的电场频域特性，找出谐波振幅随频率变化的不同特征，建立雷电发生的预报预警判别标准。

闪电定位资料实时性强，但预报提前时间有限，且资料分布通常比较离散；
大气电场资料实时性较强，但其单站的预报区域范围有限；
雷达资料时空分辨率都比较好，但只有在降水粒子形成之后才会有较强的回波。由于单一设备资料应用的局限性和不确定性，因此，需要将多种观测资料融合进行雷电临近预报预警服务[5]。

对闪电定位数据、双偏振气象雷达数据和大气电场数据进行综合分析，并结合物理量、雷达基本反射率、组合反射率、回波顶高和垂直液态水含量等阈值建立雷电短时临近预报预警服务模型。

图3 16:49的半小时预报位置

图4 2022年3月17日 18:15 实况位置

根据雷暴云团的电场特征，将电场幅值阈值法和电场差分法2种方法相结合，分析研判电场阈值。大气电场资料和雷达回波强度资料结合分析，形成一定范围内首次地闪的临近预报方法，即首先判断反映雷暴云团电荷情况的电场资料能否达到设定电场幅值阈值和电场差阈值，如果电场满足了这两个阈值中的任意一个阈值，然后判断该时刻前后预警范围内雷达回波能否达到设定阈值，达到后即时发布预警。利用该方法对典型雷暴过程移动测区进行区域性雷电临近预报预警，可以直观地呈现出雷暴云团和闪电发展情况，也能更加精准地判断发生闪电的潜在区域，不仅能对一个地区进行预警，还能对雷暴云团的整个发生与发展过程进行监测。利用该预报方法和模式推演，建立基于大气电场和雷达资料的雷电临近预报方法，结合雷电短时临近预报预警模型，实现多元资料的融合。

3.1 短时临近雷电活动预报预警方法

通过获取数值模型预报、双偏振天气雷达、大气电场仪、自动气象站、闪电定位仪等资料，根据不同阈值信息生成相关雷电预报产品[6]。

雷电短时临近预报预警系统综合利用闪电定位系统、双偏振天气雷达和大气电场仪等资料的，可以提供在短时间内探测到的闪电定位信息和未来30 min可能出现的闪电。其预报方法流程见图6。最终的雷电预报效果见图7。

图6 综合资料运算做好雷电预警

图7 雷电预警效果图

3.2 紫金山金铜矿短时临近雷电活动预警服务

利用先进的GIS技术（三维地形图、影像图载入气象地理信息）。在GIS地图上，叠加显示雷达数据、大气电场数据、闪电定位数据，形成紫金山及周边区域的10 km×10 km网格，以紫金山为中心，按半径80、60 km、40、20 km分别绘制4个区域，对应雷电预警4级、3级、2级、1级区域，分别表示未来2 h、1 h、30 min、15 min可能在紫金山区域内发生的雷电活动。根据短时临近雷电活动预报方法，做出相应的雷电活动预报，并及时发布预警。具体流程如图8。

图8 雷电预警服务流程图

根据雷电发生，从命中率（POD）、误警率（FAR）和成功指数（CSI）3个方面反映预警结果。详细检验评分如下：将闪电定位系统监测到的雷电实况信息转换为与预报相同的格式模型，即把实况划分为 10 km×10 km的网格，对网格点内实况与预报进行比较评定。评定范围为覆盖上杭县的矩形区域。

其中，NA、NB、NC定义见表1 。

表1 质量评定分类表

（1）闪电资料、雷达资料、大气电场资料能很好地反映雷电活动情况，并能根据相关算法对雷电活动情况进行外推预报预警。

（2）通过闪电资料、雷达资料、大气电场资料及其他气象资料和地理信息的融合，能有效预报出紫金山的短时临近雷电活动。一年多的运行结果显示，紫金山雷电短时临近1级预警的成功指数(CSI)达95%以上。为紫金山金铜矿的生产安全、实现生产效益最大化提供了强有力的支撑，为其经济发展提供有力保障。

（3）该技术方法较为成熟，可以推广应用于其他需要进行雷电临近预警的行业。