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雷电综合预警预报方法张其林南京信息工程大学大气物理学院2•国内外研究人员采用各种资料，对雷电的临近预报方法进行了研究，主要手段：探空、雷达、卫星、闪电定位、大气电场以及数值模式产品3显然，每种资料用于雷电预警都有其优势和不足，比如：①闪电定位资料的实时性很好，但预警提前时间有限，并且，地闪定位资料通常比较离散，可造成外推得到的可能发生闪电的区域的空间分辨率较粗；②地面电场资料的实时性很好，但其单站的预警区域范围有限，对于移近的雷暴能够提前预警的时间也有限；③雷达资料的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，提前预警时间同样有限；④卫星资料的空间尺度很大，可达上千km，但目前能够得到的卫星资料的时空分辨率较粗，在雷电临近预报中的作用还有限；等。因此，多种资料配合使用，取长补短，可提高雷电活动预警预报的准确性，增加提前预警时间。4主要内容•第一节综合预警思路•第二节潜势预警方法•第三节临近预警方法•第四节雷电监测预警系统介绍•第五节预报个例分析5第一节综合预报思路依据观测资料的时空尺度，分别给出不同时空尺度上的预报结果。利用天气形势预报产品、探空资料和雷暴云起电、放电模式（代表区域约200km×200km，预报实效为0～12h或0～24h，非格点化资料），在大的时空尺度上给出雷电活动潜势预报。利用卫星、雷达、闪电定位仪等（大范围卫星定时观测，小范围闪电定位仪和雷达实时或准实时观测，均为格点化资料）对强对流天气系统进行监测，对有可能发生闪电的区域进行识别、跟踪和外推，给出雷电活动发展和移动的趋势预报。并结合地面电场仪的实时观测，提供局部地区的雷电临近预报。61)探空资料和数值预报:大尺度潜势预报2)卫星、雷达、闪电定位和地面电场资料：临近预报。7第二节0-12h潜势预警方法•基于天气形势的预报•基于探空资料的预报•基于数值模式的预报8•针对特定地区各类型天气系统产生雷暴的个例进行历史统计，得出某种天体系统产生雷暴的概率，或根据预报经验进行人为的判定。如华北地区产生强对流天气的基本形势主要有：冷涡型、横槽型、涡前低槽型、阶梯槽型和西北气流型等五种（寿绍文等，2002）。基于天气形势的预报9图天气形势预报模块（吕伟涛，2006）10举例（广州）•“一种可业务化的雷电潜势预报方案”，梁巧倩，林良勋，广州中心气象台，2008，气象科技•逐日计算2000～2003年3～10月的雷电,选出共232个强雷暴个例。对232例的500hPa、850hPa以及地面3层天气形势场和影响系统的分析结果表明,强雷电主要发生在西风槽、副热带高压和热带天气系统影响下,大致可分为3类共6型,见下表。11基于探空资料的预报•电活动取决于微物理场和动力场的发展特征，而微物理场和动力场的特征又主要取决于云启动区域的环境层结，所以环境温湿层结参数与电活动特征之间有紧密的联系。12预报方法•对多种大气不稳定参数和闪电频数的关系进行分析，挑选相关较好的参数或者参数组合•方法：统计、决策树、神经网络等•时空分辨率都很差13郑栋选取了8个表征大气不稳定度的层结参数：①700hpa~400hpa平均湿度；②800~600hpa平均相对湿度；③潜在性稳定度指数；④对流性稳定度指数；⑤潜在－对流性稳定度指数；⑥抬升指数；⑦对流有效位能；⑧700hpa相当位温。•统计结果表明，有闪电活动主要分布在处于不稳定的参数个数较多时，超过70%的闪电活动出现在三个以上的参数处于不稳定时。同时，超过70％无闪活动主要分布在只有两个或更少的参数满足不稳定的状态下。14对流有效位能决策过程示例潜在性稳定度指数极高中强不稳定700hpa相当位温对流性稳定度指数700hpa相当位温高700hpa相当位温对流性稳定度指数低高雷电发生概率：100％强度等级：强强不稳定不稳定对流性稳定度指数700hpa相当位温强不稳定雷电发生概率：66％强度等级：中中对流性稳定度指数中雷电发生概率：50％强度等级：强强不稳定CAMS_LDWS（吕伟涛，2006）15决策树算法•利用决策树算法选择对流有效位能、对流性稳定度指数和潜在性稳定度指数作为预报白天雷电活动的条件属性•选择700hPa相当位温、潜在性稳定度指数和800～600hPa平均相对湿度作为预报夜间雷暴活动的条件属性。16神经网络算法为了对网络进行训练，我们将所有的数据分为两组，每组122个事例，一组用来训练网络，一组用做模拟预报。为了计算的方便，我们应用Matlab的神经网络工具箱对输入数据进行训练，网络的初始权值是随机设置的，并将通过训练数据优化这些权值，以求达到网络参数对数据最佳匹配的效果。发现：潜在性稳定度指数；K指数，抬升指数等六个因子具有很好的预报功能17•Neumann使用800～600hpa平均相对湿度来预报闪电活动的发生•Solomon和Baker（1994）在研究新墨西哥州雷暴时，使用了对流有效位能和抬升指数等因子，并发现，当对流有效位能的值大于400时，可以较好的预报闪电活动的发生，而抬升指数不是预报闪电活动的关键因子•Peterson,et.al.（1996）发现在24小时的对流有效位能和24小时的地闪总数之间存在着一较弱的关联18单站探空资料的缺点•现有的方法主要是依据单站探空资资料，由于探空台站网时空分辨率与雷暴尺度相比过大，所以很难将该预报方法应用到广阔的地域。•利用中尺度数值天气预报模式的输出探空，可以用于每个网格点来提供雷暴可能出现的区域以及这些区域随时间演变的信息。这样，就有可能为日常业务预报提供一个预警系统，使预报员们将临近预报的注意力集中到强雷暴最可能发生的地区。19•利用已有的数值预报模式的预报产品计算各个区域多种大气不稳定参数等特征量，利用统计关系获得雷暴潜势预报结果。•NSSL(NationalSevereStormsLaboratory)用高时空分辨率的RUCNWP模式输出，运用完全预报（PerfectPrognosis）逼近方法和主分量分析，把模式给出的200个预报结果和闪电气候学特征结合后简化为10多个预报，运用逻辑回归最后得到合理预报。同以前的方法比较，有明显的改进，且填补了外推和模式诊断之间的空白。但当延长时间后由于模式运行本身的误差，闪电预报变得很差，建议采用更新的WRF模式以有助于闪电预报。基于中尺度数值模式的预报20•雷暴起电放电模式•雷暴云起电、放电模式的研究随着实验室试验结果的增多、探测技术和计算机技术的飞速发展而取得了很大的进展，其模拟结果对雷暴的预报有一定的参考价值。•250m分辨率的电荷分布；12.5m的精细放电。21举例•可采用Micaps提供的探空数据，包括各层的气压、海拔、温度、露点温度、风向和风速等。系统会根据用户设定的时间自动获取之前12h之内的探空资料（每天08:00和20:00两次），雷暴云起电、放电模式模拟能够模拟得到在该探空的天气条件下可能产生的云闪和地闪次数等特征。22•目前，雷暴云起电、放电模式模拟结果的应用是比较简单的，模拟结果只要有闪电发生，就认为0～12h内200km×200km范围内发生闪电的概率为100%，否则概率为0。•可以预见，雷暴云起电、放电模式在雷电预警系统中的应用前景是比较广的：积累比较多的个例，对模拟结果和实际观测结果进行统计，可以给出模式预测结果的准确率、误警率等指标，而不只是目前简单给出有（100%）无（0）的预测结果。•目前只能模拟单体雷暴云的起电放电。23雷暴云起电、放电模式流程图24•将中尺度数值预报模式和雷暴云起电、放电模式相耦合，可以对每个格点区域内发生闪电的可能性进行模拟，能够提高模拟结果的时空分辨率，目前正在研究。随着探空技术的发展和加密探空的实施，雷暴云起电、放电模式在雷电预警中的作用也将越来越大。25中尺度模式和起电模式结合，有望提高精度26第三节临近预报方法•区域识别、跟踪和外推算法（AreaIdentification,TrackingandExtrapolatingAlgorithm，AITEA）27•区域（Area）：有可能发生或已经发生闪电的区域。•雷达资料：指回波强度超过某个阈值的格点构成的区域；•卫星TBB资料：指云顶亮温低于某个阈值的格点构成的区域；•闪电定位资料：指有闪电发生的格点构成的区域。•各种资料在经过了预处理得到格点资料之后，还需要经过二值化处理（符合条件的格点取值为1，否则为0）才能利用AITEA进行识别、跟踪和外推。定义区域2829区域识别、跟踪和外推算法流程图30能较好的观测云中粒子的一些宏观特征，尤其是双向偏振天气雷达能够提供云内粒子的相态、排列取向、空间分布和尺度谱等细致信息，观测精度高：具备了分辨雷暴云的能力。由于雷暴云内的起电与其中的微物理过程息息相关。雷达在雷电监测预警中的应用31LR,MR,HR:Light,mediumorheavyrain;LD:largedrops;R/H:hail-rainmixture;GSH:graupel,smallhail;HA:grêle;DS,WS:dryorwetsnow;IH,IV:horizontalorverticalicecrystals3202:053302:453403:3535雷达资料•回波顶高、回波强度、回波体积层结温度等进行预警36•探测循环时间短：通常的多普勒雷达两次体扫之间的时间间隔只有5～6分钟。•目前，天气雷达在世界上许多国家都已建成观测网络并投入了业务应用。因此利用多普勒雷达进行雷电的预警预报是目前相关领域研究的重点。37全国天气雷达网基于雷达拼图数据，可以进行更大范围的雷电预警38利用雷达资料进行雷电预警的方案•GremillionandOrville[1999]分析了39个途经美国肯尼迪航天中心的雷暴后发现：对于夏季雷暴，最好的预警指标是在-10°C温度高度上两个连续的体扫都能达到40dBz的反射率阈值。使用这种方法的预报准确率达到84%，虚警率为7%，中值预警时间为7.5min。39•BrandonVincent和LawrenceCarey[2003]对北卡罗莱那州中部地区的50个雷暴个例进行了研究：回波强度为40dBz、环境温度参数为-10℃，和回波强度为40dBz、环境温度参数为-15℃是预测云地闪最好的参数组合。检验中，前一种预报组合的预报概率为100%，而后一种为86%，但后一种组合的虚警率较前一种要低7个百分点。预警时间分别为14.7分钟和11分钟。•根据检验评分的结果，认为40dBz回波达到-10℃温度层结高度是预测云地闪最好的预报因子。40•MaribelMartinez[2002]分析了STEPS试验过程中12个雷暴个例和2个非雷暴个例的雷达和闪电资料，发现：若要闪电能够发生，则至少40dBz的回波要达到海拔7公里的高度；•只发生云闪的雷暴和将要发生云地闪的雷暴在闪电初始激发位置的高度和回波强度方面的差异很明显；将要发生正地闪的雷暴和将要发生负地闪的雷暴通过各自初始云闪发生处的回波强度的差异，和最早出现25dBz回波的时间和初次云闪发生时间间隔的差异也能够被识别出来。41综合以上的分析结果可以将利用40dBz回波强度对夏季孤立单体的雷电预警的流程：读取雷达资料40dBz回波顶高突破0度层高度40dBz回波顶高突破-10度层高度非雷暴云雷暴云非雷暴云是是否否42强回波区的识别、跟踪和外推•雷电监测预警系统中既可以采用雷达在某一高度上的基本反射率也可以采用组合反射率来进行强回波区域的识别、跟踪和外推。•对于不同类型的对流云，其回波强度的最低阈值不一样（DixonandWiener，1993），最小面积以及最大移动速度的阈值也不尽相同，预报员可以根据具体需要采用不同的设置。43•A.双回波强度阈值：D1和D2，D1＜D2，例如可分别选为30dBz和45dBz。采用区域识别、跟踪和外推算法对雷达回波强度不低于D1的区域进行识别、跟踪和预测（基本反射率和组合反射率均可），在这些区域中如果存在回波强度不低于D2的格点，则认为该区域有可能发生闪电。44•1）雷达资料的时