loading多普勒雷达资料在雷电预警中的应用研究
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多普勒雷达姿料在雷电预警巾响应用研穷 南京信息工程大学大气物理学院李芳黄兴友
[摘要]本文总结了国内外利用雷达资料进行雷电预警的研究成果,结合我国国情利用现有资料提出雷达回波强度,回波高度,强
回波比例,VIL四个雷电预警的预报因子并分别对其物理机理依据进行了初步探讨,这为我国在当前条件下开展雷电预警的研究工 作和实际业务应用提供了参考,具有积极的意义. [关键词]雷电预警多普勒雷达预报因子 引言
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,其危害不仅仅体现在直击时由于强电流等造成的损失, 更重要的是其产生的感应场和辐射场所带来的影响.在电力和电子设 备被广泛应用的今天,由雷电本身造成的人员和财产损失越来越引起 人们的关注,雷电灾害在上世纪末已经被联合国列为\最严重的十种自 然灾害之一\被中国国防电工委员会称为\电子时代的一大公害\Ⅲ. 由于雷暴云内的起电与其中的微物理过程息息相关,温度,云内粒 子的大小和相态,以及相应的变化特征等都成为了雷电预警所必须获 得的信息.但无论是常规气象观测得到的大气参数还是卫星观测资料 都存在一个空间和时间分辨率不足的问题,而雷达在观测方面体现出 了明显的优势,它不仅观测效果达到一定的精细程度,能够反映云内粒 子的一些宏观特征,同时探测周期短,为雷电的预警提供了空间结构上 相对完整,时间上足够密集的数据,这使得雷达资料成为了目前条件下 进行雷电预警的首选资料.
1.雷达资料在国内外雷暴预警中的研究进展 1.1国外雷暴预警进展
国外很多研究者在进行关于雷暴初生的研究时,已经运用了雷达
预报CG(Cloud一【0一Gmund)闪电起始的性能.这些关于温度高度的雷 达反射率的研究已经注意了一些与CG闪电活动起始相关的特征. Buechler和Goodmanm(1990)关于佛罗里达,亚拉巴马,新墨西哥的 15个累暴的研究得出:一旦回波强度40dBz部分温度达到一1O℃的高 度,并且顶部回波超过9km,云体很快就会产生闪电.
GremillionandOrville~(1999)分析了经过美国肯尼迪航天中心的39 个雷暴,结果表明当地闪将要发生时,雷达反射率和预报对象之间存在 一
个相关关系,对于夏季雷暴,找到的最好的预警指标是在一10℃温度 高度上,两个连续的体扫描都能达到40dBz的反射率阈值,同时产生云 地闪的每个雷暴的回波顶高度都超过了9.5kin,使用这种方法的预报准 确率是84%,虚警率是7%,中值预警时间是7.5min.
Maribel等通过研究美国STEPS(theSevereThunderstormEleetrifi— cationandPrecipitationStudy)期间的12个雷暴个例和2个非雷暴个例 在形成初期雷达反射率因子和闪电活动关系后发现:12个雷暴个例中 最初的闪电活动均为云闪,而要想闪电能够发生,单体回波中40dBz以 上回波的顶高必须高于7km;只发生云闪和将要发生地闪的单体在闪 电初始激发高度以及激发位置的雷达反射率都是不同的;而将要发生 正地闪的雷暴和发生负地闪的雷暴在各自最初云闪发生的时间里表现 出来的反射率,及各自从出现25dBz回波到发生最早云闪之间的时间 也截然不同.
Brandon等认为在一1OqC层结高度处40dBz回波强度是预测初次 地闪发生的最佳预测因子.这些研究结果表明雷达回波对雷暴单体中 闪电的发生具有一定的指示作用. 1.2国内雷暴预警进展
近年来在国内研究闪电的工作也不少,但以统计工作为主,对雷暴 初生的研究还不多,其工作主要针对我国青藏高原地区,所用的资料主 要是地面闪电观测资料,闪电的VHF辐射资料.国内关于雷电短时预
警的研究相对较少,尤其是接近实际业务应用的研究成果更少. 王飞利用多普勒雷达资料,结合探空,闪电资料对2005年夏季北 京地区的2O个单体过程进行综合分析发现:40dBz是比较适合该地区 雷电预警的一个雷达回波特征参量;在此基础之上,将OoC层结高度作 为基础特征高度,并结合一IO~C层结高度和强回波所占比例对孤立单体 基金项目:本文受国家自然科学基金项目(编号:40775029)资助. 的雷电发生进行综合预警是一种较为接近实际应用的方法. 2.基于雷达资料的雷电预警预报因子的物理依据初探
根据我国现有资料和雷电预警研究得到的成果总结提出四个雷电 预警的预报因子:雷达回波强度,回波高度,强回波比例,VIL,并初步探 讨了这四个预报因子的物理机理.' 2.1雷达回波强度
Maribel馓出:40dBz回波强度是最适合闪电预警的雷达回波强度. 由于40dBz回波强度是绝大多数发展较旺盛的单体都能够达到的 强度,并且这个强度的回波无论从出现时间,持续时间还是达到的高度 都和非雷暴单体有着较明显的差异,因而是区分雷暴和非雷暴单体的 一
个较好雷达特征参量.这也与BrandonVincent和IJarr)rc的结果 一
致,他们通过多种参数的组合和实际个例的验证后得到的最适合地 闪预警的组合有两套,即40dBz/-10oC和40dBz/-15℃,这两套组合都选 择了以40dBz回波强度为预报因子之一. 2.2回波高度
回波发展的高度(ET)是产生闪电的一个很重要的先决条件,没有 发展很高的云顶就没有产生大量冰相粒子的条件和净电荷分离的起电 机制.wiebk等认为雷暴的起电主要发生在起电区域的顶部附近,一般 位于一15℃至一30℃的温度层之间,在超过了这个区域之后不同相态的 水成物粒子将无法在上升气流的支持下继续共同存在;在电荷分离时, 每次碰撞转移的电荷量随着冰晶尺度的增大而增加.由以上研究结论