引言

如何利用常规观测资料和非常规观测资料得出雷暴天气的规律，并对雷电的发生做出准确的预报预警，是当前研究的热点和难点。雷电与对流性天气过程有关，而天气雷达是对流云观测的最佳手段，因此研究雷电活动与雷达回波参数的关系对于雷电的预报预警具有重要意义。Buechler等(1990)通过研究美国的雷暴个例，提出利用-10℃层高度处的回波强度和回波顶高2个阈值建立雷电预警指标；Mosier等(2011)通过统计分析67384个对流单体，指出在-15和-20℃层高度至少两次连续体扫都能探测到30 dBz雷达回波可以作为雷电预警指标，检验发现该指标的临界成功指数为68%；中国气象科学研究院雷电临近预警系统(CAMS-LNWS)(孟青等，2009；吕伟涛等，2009)采用双回波强度阈值和某等温度高度层上的回波强度阈值，结合闪电定位资料预报未来雷电发生概率；彭丽英等(2007)研究发现，广东中部地区负闪电和雷达回波强度存在着一定的统计关系，高负闪频数既不发生在最强回波区，也不发生在弱回波区，而是发生在较强回波区；易笑园等(2009)、石玉恒等(2012)、张一平等(2014)分别对不同雷暴系统的雷达回波特征做了分析，找出了雷暴天气预警指标；刘冬霞等(2010)分析中尺度对流系统的闪电活动变化特征发现负地闪主要集中在雷达回波大于40 dBz区域，而正地闪分布在30~40 dBz的回波范围中。

由于不同地区的气候特征差异很大，雷电预警指标也各不相同，本文结合青藏高原东北侧地区的气候特征，对比分析雷暴天气的雷达回波和闪电活动的相关特性，试图找出适合本地的雷电预警指标，并能通过实际业务检验。

1 资料来源和雷电预警检验方法 1.1 资料来源和选例

雷达资料来源于甘肃省兰州市的CINRAD/CC型新一代天气雷达(36°00′36″N、103°51′3″E，2189.65 m)，有效探测范围为150 km(图 1)，库长为300 m，扫描方式为VCP21，即5~6 min扫描14个仰角(第1至14层扫描仰角分别为0.5°、1.5°、2.4°、3.4°、4.3°、5.3°、6.2°、7.5°、8.7°、10.0°、12.0°、14.0°、16.7°、19.5°)。文中采用资料为经过雷达基数据插值后得到的回波等高平面位置显示(Constant Altitude Plan Position Indicator，CAPPI)产品，高度分别率为21层(分别为0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、7、8、9、10、12、14、15.5、17和19 km)，其具体算法和实现见文献(肖艳姣等，2006)。

闪电资料来源于甘肃中部地区的LD-Ⅱ型雷电定位系统，其探测原理是以测量雷击甚低频电磁脉冲到达不同基站雷电定位仪的时间差作为定位基础，精确地测定出闪电发生的地理位置，系统共有5个单站探头(分别位于永登、靖远、临夏、定西和兰州)和1个分析处理器(位于兰州)，采用授时型GPS作时间基准，时间精度达0.1 μs，探测距离可达600 km，定位误差小于500 m，探测数据中包括闪电发生序号、时间、经度、纬度、闪电强度、陡度、电荷量和类型等。

不同温度层高度来自兰州市榆中观测站(35°52′N、104°9′E，1875.4 m)的常规探空数据。各观测站点的详细分布见图 1。

本文中选取的单体个例为2011年5—8月和2012年5—8月间发生在甘肃中部地区的17次对流性降水过程个例，将组合反射率因子≥35 dBz的回波确定为单体，并按照雷达观测时间间隔(5~6 min)分别将17次个例解析为多个单体样本，即1个雷达观测时间间隔中出现的单体视为1个单体，17次个例可确定单体样本95个。考虑到闪电定位仪观测的误差，将对应闪电发生区域出现5次以上的单体视为雷暴单体，其余的单体则为非雷暴单体，最终确定雷暴单体(发生闪电)样本59个和非雷暴单体(未发生闪电)样本36个，其简要情况汇总见表 1。

1.2 雷电预警检验方法

通过分析雷达产品特征量及与雷电活动区的对应关系，利用列联表的方法对每个产品特征量进行雷电预警可靠性检验分析，具体分类、检验方法如下。

成功预警率(Probability of Detection, POD)表示在实况观测中，雷电预警成功的百分比，其值介于0~1，数值越大越接近成功预警，定义为

$POD = \frac{A}{{A + C}} \times 100\% $

(1)

预警虚报率(False Alarm Ratio, FAR)表示在雷电预警中虚报的百分比，其值介于0~1，数值越小越接近成功预警，定义为

$FAR{\rm{ = }}\frac{B}{{A + B}} \times 100\% $

(2)

临界成功指数(Critical Success Index, CSI)表示在整个雷电预警事件中(包括正确预警、虚报预警和漏报预警)正确预警的百分比，其值介于0~1，数值越大越接近成功预警，定义为

$CSI{\rm{ = }}\frac{A}{{A + B + C}} \times 100\% $

(3)

2 雷电活动与不同高度回波强度的关系

观测发现，闪电主要活动中心与过冷云层有关联，云地闪电负电荷区主要源地位于-25℃~-5℃等温度高度层(陈渭民，2006)。因此，在甘肃中部不同的地理位置和气候特征背景下，本文提出12个雷电预警的回波强度随高度分布特征量(表 3)进行检验分析，根据闪电定位资料中发生地闪的时间和地理位置，分别统计所选个例中对应地闪时段的雷达回波体扫资料进行云地闪预警的效果，从中得出一个最好的指标。

通过对95个单体中20、25、30、35、40和45 dBz雷达回波顶高在单体发展演变过程中的统计，结合各单体发生当日探空的-10、-15和-20℃层高度进行分析，绘制成图 2。从图 2a可以看出，所有雷暴单体中30 dBz回波顶高都能突破-10℃层高度，35、40和45 dBz回波顶高突破这一高度的雷暴单体所占比重逐渐下降，只有26%的雷暴单体中45 dBz回波顶高突破该高度。而对于非雷暴单体中，30 dBz及以上的回波顶高突破-10℃层高度所占比重较雷暴单体要小的多，40和45 dBz回波顶高突破该高度的非雷暴单体各只有1次个例；对于-15℃层(图 2b)，其结果与-10℃层相类似，但该层统计的回波强度均较突破前一个高度层的回波强度小5 dBz，在该层上雷暴单体与非雷暴单体的区别较大在35 dBz回波顶高，两者突破这一高度所占比重分别占其各自单体总数的77%和23%。对于-20℃层(图 2c)，其结果与前2层的统计也一致，同样的该层统计的回波强度均较突破-15℃层高度的回波强度小5 dBz，雷暴单体与非雷暴单体的随回波强度的增大，其顶高突破该层的单体比例逐渐减小，且非雷暴单体中突破该层的单体比例总是比雷暴单体中突破该层的单体比例小，但对于两者的区分在该层却没有明显的指标。

利用列联表的计算结果，检验分析在选取的95次单体个例中不同指标开展雷电预警的实际效果统计(表 4)。从中看出，对于某一温度层，POD随着突破该温度层高度的回波强度阈值的增大而减小，同时随着某一温度层的增高，利用同一回波强度阈值突破该温度层预警雷暴的POD也逐渐减小；但是，随着回波强度阈值增大和温度层的增高，FAR值也是呈现下降趋势。两者共同所反映的趋势表明，将雷电产生的条件范围设置较为宽广时，其成功预警率就会很高，但其虚报率也会很高，将雷电产生的条件范围设置较为狭窄时，其成功预警率就会下降，但其虚报率也会下降；同时也表明，回波强度阈值越大、各温度层越高，即对应对流活动越强烈时，触发雷电的条件也越充足，雷电预警的虚警率FAR就会很小。因此，要想找到一个最为合适的预警指标，必须权衡各个指标的不同表现(POD、FAR、CSI)，分析表 4可以看出35 dBz回波顶高突破-10℃、40 dBz回波顶高突破-10℃和35 dBz回波顶高突破-15℃等3个指标预警效果较好，3个指标成功预警率POD分别为0.98、0.94和0.91，且3个指标虚警率FAR均不超过0.2。引入预警提前时间(T_f)的概念，其定义为雷达回波出现预警指标的时间与首次地闪发生时间的时间间隔，3个指标的预警提前平均时间分别为23、16和17 min。综合考虑3个指标的预警效果，选取CSI较大的2个指标(35 dBz回波顶高突破-10℃层、40 dBz回波顶高突破-10℃层)为雷电的预警指标。

3 雷电活动与VIL的关系

垂直累积液态含水量(Vertically Integrated Liquid, VIL)产品表征在降水云团中，某一确定的底面积的垂直柱体内液态水总量分布，它反映的是反射率因子的垂直累积，代表了风暴的综合强度，VIL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。

统计95次对流单体的VIL值分布情况发现(表 5)，雷电活动区VIL值的变化没有明显的规律，无论雷暴单体还是非雷暴单体VIL值几乎全部小于10 kg·m^-3，其余的雷暴单体其VIL分布在10~25 kg·m^-3，非雷暴单体几乎没有大于10 kg·m^-3，但有两例非雷暴单体VIL值位于35~40 kg·m^-3。李南等(2006)对此解释为暴雨天气过程其整层的水汽含量很高，有利于凝结成降水，中低层水汽充足，对流并不需发展太高就可以完成凝结降水；但冰雹等天气过程只是下层的水汽含量高，高层水汽含量很低，有利于对流不断向上发展，产生冰相粒子和过冷水滴，而不至于在中层由于水汽饱和而产生降水，过早地释放了能量，从而丧失了形成冰相粒子所需要的水汽和很低的温度条件，不利于闪电的形成，因此雷电预警中VIL不能太小，否则水汽量不足，也不能过大，在达到冻结高度之前便会凝结降水而无法在更高处产生大量的冰相粒子和电荷。

本文分析表明，对于雷电预警VIL值指示意义较小，其指标不是必要条件，可以将其作为判断雷暴是否发生的一个充分条件，即在其他条件满足时，只要VIL值大于0即可判断为雷暴发生，但其值也不宜过大，统计发现以小于30 kg·m^-3为宜。

4 雷电活动与回波顶高的关系

回波顶高(Echo Tops, ET)产品显示海平面以上回波强度值等于某一门限值(目前设定为回波≥18.3 dBz)时对应的最高高度。一般而言，对流的强弱在一定程度上和回波伸展的高度有关，因此ET产品能反映降水过程的发展情况，并可用来判断降水的性质，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。

统计95个单体中不同回波顶高的雷暴单体和非雷暴单体个数分布(表 6)，可以看出所有的雷暴单体其ET值均大于7 km，主要分布区域为10~12 km，占总雷暴单体数目的76%，有20%的雷暴单体ET值在12~17 km；对于非雷暴单体，ET值主要分布在7~10 km，占总非雷暴单体数目的67%，5~7 km区间是另一个非雷暴单体数目占比的峰值区域，在此区间有9个雷暴，占所有非雷暴单体的25%，剩余的非雷暴单体其ET分布在10~12 km，ET值为12 km以上和5 km以下均没有单体分布。同时可以发现，雷暴单体与非雷暴单体ET值的区间分布有明显区别，以10 km高度为阈值，ET值在10 km以上的雷暴单体占总雷暴单体的97%，而ET值在10 km以下的非雷暴单体占总非雷暴单体的92%，这充分说明了回波发展的高度是闪电发生的一个重要条件，闪电的发生需要较高的云顶，云顶越高云内上升气流越强烈，观测表明，发生闪电伴随有很强的上升气流，闪电活动开始的时间与大于20 m·s^-1的强上升气流相一致(陈渭民，2006)，另一方面，回波顶高越小上升气流越弱，发生闪电的几率越小。

表 7列出了应用10 km ET指标进行雷电预警的结果检验分析，通过分析，可以看出这一指标的预警效果很好，成功预警率POD在0.90以上，且虚警率FAR很小，综合评价(临界成功指数CSI)为0.87，可以确定10 km ET为预警雷电发生的一个很好的指标，并且该指标可以单独使用，这与Gremillion等(1999)的结论相类似，只是后者的指标比本文提出的指标低0.5 km。但该指标的预警提前时间较短，T_f平均为7 min，这意味着在雷达回波上首次出现这一指标，1个体扫结束后单体对应区域就会出现闪电。

5 雷电预警方案的建立与个例检验

依据上述提取的雷电预警指标，经过对各指标的预警效果做进一步分析后，雷电预警的具体方案和步骤归纳如下：

(1) 确定特征回波强度达到的温度层高度。依据计算当天08时(北京时)的探空资料，获取计算区域的0、-10和-15℃温度层高度，判断35和40 dBz回波顶高是否突破0和-10℃温度层高度。如果35 dBz回波顶高突破这两层，则说明在28 min后该单体对应区域雷电发生几率较大，若在1个体扫结束后40 dBz回波顶高突破-10℃层高度则可以判定该体扫结束10 min后单体对应区域会发生雷电。

(2) 确定回波顶高。通过计算得到的回波顶高ET，判断其值是否大于10 km，若满足此条件则可确定该次体扫结束后ET>10 km的单体对应区域雷电发生几率很大。

(3) 判断垂直累积液态含水量。据前文所知，VIL值对于雷电活动区没有明显规律，用此指标是为进一步降低雷电预警的虚警率。该指标其值只要大于0即可判断雷电将会发生，但同时也要判断其值是否小于30 kg·m^-3。

综合以上三个方面，将雷暴天气雷电预警的具体流程表述为图 3。

为检验上述已形成的雷电预警方案效果，本文选取了2013年6、7月发生在甘肃中部地区的几次强对流天气过程，从中挑选出对流单体16个作为独立检验样本，其中包括雷暴单体12次，非雷暴单体4次。表 8列出了所有检验样本的雷电预警效果。

样本检验过程中，根据雷电预警方案识别出雷暴单体11个、非雷暴单体4个。通过闪电定位资料的实际对比检验，发现识别出的雷暴单体中有2个单体没有发生闪电，而在识别出的非雷暴单体中却有2个单体发生了闪电，其余的单体识别结果均正确。在预警时间方面，3次过程雷暴单体发生闪电的时间在预警时间之内的有7个，发生闪电时间没有在预警时间之内的有2个。图 4为2013年7月4日强对流过程20:18—20:48雷电预警位置与实况叠加显示。

分析其中出现4个单体预警结果与闪电实况结果不符合的情况，导致可能原因是从探空观测获取的温度层高度与雷暴发生时相应的温度层高度不一致。整体评价来看，从已有的检验结果中可以说明该方案在雷暴天气具有较好的预警效果，无论是对雷电的落区预警还是雷电发生的预警提前时间都有不错的表现。

6 结论

选取2011和2012年夏季发生在甘肃中部地区的17次对流性降水过程的95个单体样本，分析每个样本的雷达产品特征量与闪电活动区的对应关系，提取反映较好的预警指标，建立雷电预警方案，并通过实际检验。主要有以下结论：

(1) 通过分析选取的12个回波强度随高度分布特征量指标，综合考虑各指标的预警效果，发现35 dBz回波强度顶高突破-10℃层高度和40 dBz回波强度顶高突破-10℃层高度等2个指标在雷电预警效果较好，两者的临界成功指数CSI分别为0.79、0.82，预警提前时间分别为23和16 min。

(2) 分析雷电活动区与雷达回波VIL对应关系，发现VIL值对于雷电预警指示意义不大，但可以将其作为判断雷暴是否发生的一个充分条件，即在其他条件满足时，只要VIL值大于0即可判断为雷暴发生，但其值不能超过30 kg·m^-3。

(3) 雷电活动区与回波顶高ET的对应关系分析表明，10 km ET为预警雷电发生的一个很好的指标，并且该指标可以单独使用，预警提前时间平均为7 min。已形成的雷电预警方案对2013年的个例进行效果检验分析，结果表明该方案在雷暴天气具有较好的预警效果。