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。
Table 1. Summary of 16 monomers in Changsha in 2021 summer
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%。
Figure 1. The proportion of H30, H35, H40 reached h0 (a), h−10 (b), h−20 (c) in 16 individual cases of Changsha in 2021
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。
Table 2. The statistics of H40 and three temperature stratification of Changsha area in 2021
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S30t−20,为0.6445;S40的相关系数最大值出现在S40t−10,为0.7741;S50的相关系数最大值出现在S50t−10,为0.3222。
Table 3. The correlation coefficients between echo area and CG lightning frequency of 11 thunderstorm cases over Changsha in 2021
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S30t−20、S40t−10和S50t−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F0.05显著性检验。由表4可知,两种方法中拟合结果最好的为S40t−10,拟合优度分别为0.72、0.84。
Table 4. The fitting result of the largest term of the correlation coefficient
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S40t−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S40t−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:
Figure 2. The flow chart of summer initial CG lightning warning in Changsha
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S30t0、S40t−10、S50t0。从拟合优度看,对数拟合高于线性拟合,其中最高值为S40t−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S40t−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)。