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[摘 要]本文主要介绍了强对流天气雷暴，气象观测仪器雷达以及雷达资料在雷暴临近预警中的应用，总结了基于雷达回波强度、回波高度、强回波比例和垂直累积液态含水等预报因子的应用，对雷暴的辨识、追踪和临近预报等及利用多元线性方程对在雷暴中发生的云地闪活动的概率和强度进行预报。
[关键词]雷暴；雷达资料；临近预警
中图分类号：TN959.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）36-0325-01
1 雷达资料在雷暴预警中的应用
1.1 雷达回波强度
所有雷暴单体中30dBz、35dBz和40dBz回波顶高都突破了0℃层结高度；所有非雷暴单体中30dBz的回波顶都突破了0℃层结高度，83%的非雷暴单体中35dBz回波顶突破了0℃层结高度。33%的非雷暴单体中40dBz回波强度顶突破了0℃层结高度。40dBz处57%雷暴单体突破这个高度，而非雷暴单体都未到达该高度；在30dBz、35dBz回波强度上，满足突破-10℃层结高度条件的雷暴单体和非雷暴单体的个数分别相差33%和60%。
1.2 回波高度
0℃等温线至-20℃等温线之间区域由过冷水滴、雪花和冰晶组成，是冰雹生成“雹源区”。40dBz回波顶高突破-10℃层结高度是判断雷电发生的一个充分条件，而非必要条件，仅利用-10℃层高度作为判断雷电发生特征高度进行雷电预警具有局限性。可以将40dBz回波作为特征回波强度，将0℃层结高度作为特征高度，并结合40dBz 回波顶高是否突破-10℃层结高度，及其他雷达统计参量做出进一步判断。
1.3 强回波比例因子
强回波比例因子在雷暴单体发展过程演变特征可以为初次闪电发生时间预报提供丰富参考依据。大粒子所处的液态水含量、温度等环境条件，决定了大粒子起电极性及效率。作为辅助因子，强回波比例因子在雷暴和非雷暴中差异明显，非雷暴单体中P值相对大部分雷暴单体要小。
1.4 垂直累积液态含水量
对流云中含有的冰雹等大粒子的散射，由其反演的VIL远大于云中实际垂直累积液态水含量，因而偏大的VIL恰好反映了云中含有较大降水粒子，为闪电发生提供有利条件。但经统计发现地闪密集中心与VIL中心不重合，地闪密集中心常落在VIL高值边缘；地闪在VIL>40kg/m2等值线内出现的频数较少， 而常常在VIL<20kg/m2的地方出现。
1.5 雷暴单体和非雷暴单体的区分
①观察单体中40dBz回波顶高突破-10℃层结高度，可判断单体将发展成雷暴，并且在该次体扫后15分钟内发生初闪。
②如果40dBz回波顶高在突破0℃层结高度后始终未突破-10℃层结高度，而在这期间P值>5%阈值，也可判断单体会发展成雷暴单体，并在体扫出现后15分钟内发生初闪。
③如果单体既未突破-10℃，P值也没有超过5%，观察40dBz回波顶高维持在0℃层结高度以上时间足够长也可能会发生闪电，闪电出现时间≥15分钟，这样单体暂时判断为非雷暴单体。
2 雷暴辨识、跟踪和临近预警
下列风暴特性和该识别方法有关：反射率权重质心（xZ，yZ，zZ），使用Z 对权重质心计算；体积V；投影到一个水平面上風暴面积大小和形状。风暴形状被近似椭圆形（图1）。利用质心坐标（xe，ye），长轴半径和短轴半径（rmajor，rminor）及长轴相对与x轴方位（θ）描述该椭圆性质，后计算。
t1时刻有4个风暴，t2时刻有5个风暴，还表明了t1和t2之间风暴走的路径。Dixon 和Wiener 将定义的价格函数极小化并假设这个优化假定和正确选择是相同的，假定：
（1）在t1的一个风暴i 状态为：S1i=（xz1i，yz1i，V1i）；
（2）在t2的风暴j 状态为：S2j=（ xz2j，yz2j，V2j）；
（3）在t1有n1个风暴，t2有n2个风暴。
定义状态S1i到状态S2j的“价格”为Cij=w1dp+w2dv
其中：dp=[（xz1i-xz2j）2+（yz1i-yz2j）2]1/2是位置差异的一个量，dv=[V1i1/3-V2j1/3]是体积差异的一个量；w1和w2是权重（此处设为1）。则此等式可转化为Cij=dp+dv
令最大预期风暴移速为smax，如果dp/△t>smax可以通过设Cij等于一个大数而被限制。用组合最优化场的技术解决最小化目标函数Q=ΣCij的匹配，其中i为一条路径的始点，j为对应的终点，而且是对风暴路径的所有可能假定来求和。在匹配中的路径数量将≤n1和n2的最小值。这个转换空间有n×n大小，其中n是n1和n2中最大值。这个方法量级为O（n3）。
3 闪电概率和强度预报
3.1 闪电活动与雷达回波特征
国内外许多个例分析表明，雷达回波位置与闪电发生区域有较好一致性。闪电强度与闪电频数在时间变化上无明显对应，但不同时段闪电强度极大值与闪电频数有较好一致性，闪电频数大时段，闪电强度极大值也随之增大，极大值出现后紧跟着出现较多弱闪电。闪电频数变化早于强回波面积变化，强回波不一定有强闪电，而闪电活动频繁地区有回波发展，风暴越强正闪几率越大。云地闪密集区域和雷达强回波区不完全对应，多位于雷达强回波区边缘，且正闪多出现在强回波中后部，负闪多出现在高回波顶区中前部。
3.2 闪电概率预报
闪电发生与对流系统发展关系密切。越高云顶反映越强对流，发生越频密闪电，当云中反射率越强，闪电机率越高，且闪电发生与液态水总量呈正比，与凝结层以上反射率强度也呈正相关。虽然凝结层高度随季节变化，亚热带地区一般为3公里以上，能粗略反映凝结层附近对流情况。定义p是发生闪电概率，发生闪电几率的多元线性回归方程：
P=-0.298-0.221×REF3+0.311×TOP+0.340×VIL+0.106×MAX
经过实例检验，利用回归方程推算得到的闪电概率与实际概率大部分数据有很好相关性。
3.3 闪电强度的预报
闪电强度预报计算涉及以下几个因子：
⑴回波顶高度（TOP）：定义为10dBz回波最高海拔高度；
⑵垂直累积液态含水量（VIL）：垂直高度为1至18公里高度中累积液态水；
⑶等温面反射率：0℃、-10℃及-20℃等温面上的反射率分别为REF0、REF-10、REF-20。
閃电强度（用ζ表示）定义为个别雷暴单体在6分钟内可能出现的云地雷击次数α的对数ζ=log10α，预报强度的计算为多元线性回归方程：
ζ=-3.623×10-1+6.105×10-2×TOP+2.601×10-2×VIL
+1.967×10-6×REF-20+1.146×10-7×REF0
把以上方程应用到测试数据集得出：当云地闪强度ζ≤3时，预测强度与实况观测基本一致，当ζ>3时，预测强度有过大倾向。平均误差为0.025，均方根误差为0.35。
作者简介
黄莉（1985-），女，汉族，本科学历，河北省沧州市人，助理工程师，从事防雷工作。
[关键词]雷暴；雷达资料；临近预警
中图分类号：TN959.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）36-0325-01
1 雷达资料在雷暴预警中的应用
1.1 雷达回波强度
所有雷暴单体中30dBz、35dBz和40dBz回波顶高都突破了0℃层结高度；所有非雷暴单体中30dBz的回波顶都突破了0℃层结高度，83%的非雷暴单体中35dBz回波顶突破了0℃层结高度。33%的非雷暴单体中40dBz回波强度顶突破了0℃层结高度。40dBz处57%雷暴单体突破这个高度，而非雷暴单体都未到达该高度；在30dBz、35dBz回波强度上，满足突破-10℃层结高度条件的雷暴单体和非雷暴单体的个数分别相差33%和60%。
1.2 回波高度
0℃等温线至-20℃等温线之间区域由过冷水滴、雪花和冰晶组成，是冰雹生成“雹源区”。40dBz回波顶高突破-10℃层结高度是判断雷电发生的一个充分条件，而非必要条件，仅利用-10℃层高度作为判断雷电发生特征高度进行雷电预警具有局限性。可以将40dBz回波作为特征回波强度，将0℃层结高度作为特征高度，并结合40dBz 回波顶高是否突破-10℃层结高度，及其他雷达统计参量做出进一步判断。
1.3 强回波比例因子
强回波比例因子在雷暴单体发展过程演变特征可以为初次闪电发生时间预报提供丰富参考依据。大粒子所处的液态水含量、温度等环境条件，决定了大粒子起电极性及效率。作为辅助因子，强回波比例因子在雷暴和非雷暴中差异明显，非雷暴单体中P值相对大部分雷暴单体要小。
1.4 垂直累积液态含水量
对流云中含有的冰雹等大粒子的散射，由其反演的VIL远大于云中实际垂直累积液态水含量，因而偏大的VIL恰好反映了云中含有较大降水粒子，为闪电发生提供有利条件。但经统计发现地闪密集中心与VIL中心不重合，地闪密集中心常落在VIL高值边缘；地闪在VIL>40kg/m2等值线内出现的频数较少， 而常常在VIL<20kg/m2的地方出现。
1.5 雷暴单体和非雷暴单体的区分
①观察单体中40dBz回波顶高突破-10℃层结高度，可判断单体将发展成雷暴，并且在该次体扫后15分钟内发生初闪。
②如果40dBz回波顶高在突破0℃层结高度后始终未突破-10℃层结高度，而在这期间P值>5%阈值，也可判断单体会发展成雷暴单体，并在体扫出现后15分钟内发生初闪。
③如果单体既未突破-10℃，P值也没有超过5%，观察40dBz回波顶高维持在0℃层结高度以上时间足够长也可能会发生闪电，闪电出现时间≥15分钟，这样单体暂时判断为非雷暴单体。
2 雷暴辨识、跟踪和临近预警
下列风暴特性和该识别方法有关：反射率权重质心（xZ，yZ，zZ），使用Z 对权重质心计算；体积V；投影到一个水平面上風暴面积大小和形状。风暴形状被近似椭圆形（图1）。利用质心坐标（xe，ye），长轴半径和短轴半径（rmajor，rminor）及长轴相对与x轴方位（θ）描述该椭圆性质，后计算。
t1时刻有4个风暴，t2时刻有5个风暴，还表明了t1和t2之间风暴走的路径。Dixon 和Wiener 将定义的价格函数极小化并假设这个优化假定和正确选择是相同的，假定：
（1）在t1的一个风暴i 状态为：S1i=（xz1i，yz1i，V1i）；
（2）在t2的风暴j 状态为：S2j=（ xz2j，yz2j，V2j）；
（3）在t1有n1个风暴，t2有n2个风暴。
定义状态S1i到状态S2j的“价格”为Cij=w1dp+w2dv
其中：dp=[（xz1i-xz2j）2+（yz1i-yz2j）2]1/2是位置差异的一个量，dv=[V1i1/3-V2j1/3]是体积差异的一个量；w1和w2是权重（此处设为1）。则此等式可转化为Cij=dp+dv
令最大预期风暴移速为smax，如果dp/△t>smax可以通过设Cij等于一个大数而被限制。用组合最优化场的技术解决最小化目标函数Q=ΣCij的匹配，其中i为一条路径的始点，j为对应的终点，而且是对风暴路径的所有可能假定来求和。在匹配中的路径数量将≤n1和n2的最小值。这个转换空间有n×n大小，其中n是n1和n2中最大值。这个方法量级为O（n3）。
3 闪电概率和强度预报
3.1 闪电活动与雷达回波特征
国内外许多个例分析表明，雷达回波位置与闪电发生区域有较好一致性。闪电强度与闪电频数在时间变化上无明显对应，但不同时段闪电强度极大值与闪电频数有较好一致性，闪电频数大时段，闪电强度极大值也随之增大，极大值出现后紧跟着出现较多弱闪电。闪电频数变化早于强回波面积变化，强回波不一定有强闪电，而闪电活动频繁地区有回波发展，风暴越强正闪几率越大。云地闪密集区域和雷达强回波区不完全对应，多位于雷达强回波区边缘，且正闪多出现在强回波中后部，负闪多出现在高回波顶区中前部。
3.2 闪电概率预报
闪电发生与对流系统发展关系密切。越高云顶反映越强对流，发生越频密闪电，当云中反射率越强，闪电机率越高，且闪电发生与液态水总量呈正比，与凝结层以上反射率强度也呈正相关。虽然凝结层高度随季节变化，亚热带地区一般为3公里以上，能粗略反映凝结层附近对流情况。定义p是发生闪电概率，发生闪电几率的多元线性回归方程：
P=-0.298-0.221×REF3+0.311×TOP+0.340×VIL+0.106×MAX
经过实例检验，利用回归方程推算得到的闪电概率与实际概率大部分数据有很好相关性。
3.3 闪电强度的预报
闪电强度预报计算涉及以下几个因子：
⑴回波顶高度（TOP）：定义为10dBz回波最高海拔高度；
⑵垂直累积液态含水量（VIL）：垂直高度为1至18公里高度中累积液态水；
⑶等温面反射率：0℃、-10℃及-20℃等温面上的反射率分别为REF0、REF-10、REF-20。
閃电强度（用ζ表示）定义为个别雷暴单体在6分钟内可能出现的云地雷击次数α的对数ζ=log10α，预报强度的计算为多元线性回归方程：
ζ=-3.623×10-1+6.105×10-2×TOP+2.601×10-2×VIL
+1.967×10-6×REF-20+1.146×10-7×REF0
把以上方程应用到测试数据集得出：当云地闪强度ζ≤3时，预测强度与实况观测基本一致，当ζ>3时，预测强度有过大倾向。平均误差为0.025，均方根误差为0.35。
作者简介
黄莉（1985-），女，汉族，本科学历，河北省沧州市人，助理工程师，从事防雷工作。