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探讨雷电预警中多源监测数据的应用

2020-07-02 264 上传者：管理员

摘要：以浙江省气象台已经业务运行多年的基于雷达数据的雷电预警产品（预警时效为60min，分辨率为1km×1km,4个预警等级）为基础，融合闪电定位系统数据和大气电场数据，提出一种基于多源监测数据的雷电预警方法。使用2018年的观测数据进行预警效果检验，结果表明：雷电预警的漏报率为31.89%，空报率为30.54%，临界成功指数为60.53%，比使用单一监测数据的雷电预警效果有所提高。由此可见，该雷电预警方法对浙江省雷电天气的预警具有参考价值和指示意义。

关键词：
大气现象
大气电场
闪电定位系统
雷电预警
雷达
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雷电是最为严重的自然灾害之一[1]。建立有效的雷电预测预警方法，对于减少雷电对人民生命和财产造成的损失有着重要的意义。目前，国内外采用的雷电预测预警方法一般都利用雷达、闪电定位探测和大气电场探测这3种设备，通过研究雷暴天气下各监测数据的变化特征，找到较为理想的预报因子，建立雷电预报方法。

刘维成等[2]研究雷达回波单体与雷电活动之间的对应关系，提取反映较好的雷达产品特征量，建立雷电预警方案。行鸿彦等[3]，周骏驰等[4]，秦微等[5]，柴瑞等[6]和王凯等[7]提取雷暴过境时地面大气电场变化特征作为预报因子建立雷电预警的多元回归方程。

闪电定位系统只能在闪电发生时才能对其监测，确定其强度和位置；大气电场只能在其有效探测范围内探测大气电场的变化和有无闪电发生，无法确定闪电发生的位置和可能走向；基于雷达的雷电预警方法的预报精度有所欠缺。再者，浙江省大气电场站数太少，导致有监测盲点，无法实现雷电预警；闪电定位系统用于雷电预警会有预警时效太短的缺陷。利用单一监测数据的雷电预警方法已不能满足雷电预警的精度要求，因此有必要将三者综合应用于雷电预警。将闪电定位系统和大气电场数据应用于雷电预警中，结合雷达预警产品和雷暴移动方向建立雷电预警方法。

张春龙等[8]利用大气电场和闪电定位2种资料相结合，依据大气电场强度等级和雷电发生距离等级2个因子建立雷电预警模型。李国梁等[9]利用湖北多普勒雷达、闪电定位仪、电场仪等探测设备获取的大气探测资料，采取概率统计方法，初步确定武汉地区雷电预警指标阈值。吴明江等[10]以大气电场资料为基础，利用地面电场仪的组网观测，监测雷雨云中强雷电活动中心在地面产生的电场强度、极性以及闪电数等，并结合闪电定位系统及天气雷达等设备的监测，探究雷电现象与各类监测数据的相关性，期待能为雷电的监测和预报提供更好的方法。

本文以浙江省气象台已经业务运行多年的基于雷达的雷电预警产品（预警时效为60min，分辨率为1km×1km,4个预警等级）为基础，鉴于其预警结果漏报率偏高的特点，融合闪电定位系统数据和大气电场数据，提出一种基于多源监测数据的雷电预警方法，解决了基于单一监测数据雷电预警效果欠佳的问题。

1、数据来源

雷达预警数据来自浙江省气象台，该数据基于雷达数据计算得到，每10min输出1次浙江省未来60min即将发生雷电的概率和雷暴路径数据，空间分辨率为1km×1km。其中雷电概率结果分为75%,50%,25%和0%4个等级，该业务已在浙江省气象台业务运行多年。

以2018年的雷暴样本对该预警数据进行检验，检验标准以漏报率、空报率和临界成功指数为评判标准[4]，其中概率预警结果为75%或50%认为是有雷电，25%或0%认为无雷电，检验结果如表1。从表1中可以看出，该预警方法的漏报率较高。

表1浙江省基于雷达数据的雷电预警检验

闪电定位系统数据来源于浙江省气象安全技术中心，该系统设备是中国科学院空间科学与应用研究所研制的ADTD雷电探测仪。ADTD通过测量云地闪回击电流辐射的强电磁脉冲，采用到达时间法（时差法）和定向时差联合法对雷电进行定位，闪电监测网单站的探测范围约为150km。系统探测范围覆盖全省及周边地区，闪电定位算法有4种，分别为1站振幅、2站混合、3站混合、4站算法。数据包括闪电时间、经纬度、电流幅值、回击、主机号、定位站数、定位方式等[11]。

大气电场数据资料也来自浙江省气象安全技术中心，主要参数见表2。

表2大气电场仪主要性能参数

依据2016—2018年闪电定位系统数据选取浙江省内3年内雷暴个例，其中2016—2017年有49个雷暴个例，2018年有28个雷暴个例。为了各个雷电预警方法的检验具有可比性，将2018年发生的雷暴个例作为下述各雷电预警方法的检验样本。

2、基于多源监测数据的雷电预警方法

目前国内外采用的雷电预测预警方法一般都利用雷达数据、闪电定位系统数据和大气电场数据这3种数据中一种或几种数据，建立雷电预警方法。以下研究将分别基于闪电定位系统数据和大气电场数据建立雷电预警方法，并在此基础上，融合3种监测数据进行雷电预警。

2.1闪电定位系统数据的应用

外推法，以闪电定位系统监测到的首次地闪（首闪）为基础，利用基于雷达数据得到的雷暴预警路径数据对未来时刻可能区域的雷电情况进行预警。

雷暴路径预测，当前时刻，依据雷达数据识别出的所有雷暴单体中心的位置，及间隔15min雷暴单体质心的预报位置，一直到雷暴单体消失。该数据每10min输出1次。起始位置与未来15min预测位置的连线，记为雷暴路径。

结合雷暴预测路径的外推法，以雷暴单体预报时间为准，以离预报时间不超过10min且离雷暴单体中心距离不超过10km的地闪为起始点，认为是该雷暴单体的首闪。以首闪发生地为起点，以雷暴预测路径为方向，建立不同距离缓冲区，分别计算不同缓冲区的预报效果。由于同一时刻有多个雷暴单体未来15min的预测位置，因此需要为首闪确定一个移动路径方向：(1)以首闪为中心，x(km）为半径内雷暴路径求得平均路径；另一种情况，无预报雷暴路径。(2)以首闪为中心，平均雷暴预测路径为方向，建立长为x，宽为2x的预报区，其中x为缓冲距离；如果无预报路径，则将下一次地闪和初闪距离在x以内，时间在15min以内，作为判断是否预报成功的依据。(3)如果以首闪为中心x为半径的缓冲区内无雷暴路径，则预报未来15min内预报区内无雷暴发生。由于模型中加入了雷达预测路径预报的数据，所以模型预警评估并不是缓冲区越大，预报效果越优。表3是不同缓冲距离下的基于闪电定位系统数据雷电预警结果检验。根据空报率和漏报率，临界成功指数的最优组合原则，选择缓冲距离为6km为最佳。表4为利用2018年的雷暴个例的检验结果。

表3不同缓冲距离下的基于闪电定位系统雷电预警检验

表4基于闪电定位系统数据的雷电预警结果检验%

2.2大气电场数据的应用

依据地面大气电场在地闪发生前后的变化特征，提取大气电场变化曲线的幅值特征、幅值差分变化率特征、幅值曲线斜率变化特征、极性反转和持续时间作为回归参数，利用多元回归方法提出基于大气电场数据的雷电预警方法。

以20km内出现首闪（该时刻记为t1）到5km内出现首闪（该时刻记为t2）的时间段T为研究对象，以浙江省第12号大气电场站大气电场监测数据为例（图1）。

统计晴天的大气电场幅值绝对值均值ET1；有雷暴过程的T时段的大气电场幅值绝对值均值ET2，幅值变化参数记为m=|ET2-ET1|/ET2，以此表征幅值变化特征。

统计20km内首次地闪发生前T时段的大气电场幅值变化率的均值P1；有雷暴过程的T时段的大气电场幅值变化率的均值P2。计算各站点p=|P2-P1|/P2的值，以此表征幅值差分变化率特征。

计算t1时刻的大气电场幅值和t2时刻大气电场的幅值连线的斜率的绝对值k，以此表征幅值曲线斜率变化特征。

如果在时间T时段内，出现大气电场的初次极性反转，则记为q=1，否则记为q=0。统计第12号站的个例发现，82.35%个例出现极性反转，17.65%的个例未出现极性反转。

图1浙江省第12号大气电场站一次雷暴过程的大气电场变化曲线及闪击点距离

计算每个个例的T，单位min。

利用多元回归方法，将m、p、k、q和T作为回归参数，建立预报方程。如显著性水平检验通过，则利用2015—2016年雷暴个例中m、p、k、q和T的均值作为一个新的参数，将其中1个参数作为因变量，其他4个参数作为自变量，计算各个参数值；如果显著性水平检验未通过，则直接将均值作为结果。

以第12号站点为例，其通过0.05显著性水平检验多元回归方程组：

利用上式，得各参数的回归方程计算值，分别为m=0.48,p=0.61,k=0.02,T=30.36。因此，从闪电定位系统监测到第12号站大气电场仪器周边20km范围内首次出现地闪开始，若出现以下特征：(1)斜率k绝对值达到0.02以上；(2)出现大气电场极性反转；(3)幅值变化的0.48以上；(4)差分变化率绝对值环比增大达到0.61以上，则该地区在30.36min后可能发生地闪。

同样的方法得出其余各站的大气电场预警阈值（表5）。

表5浙江省各大气电场站预警阈值

对2016—2017年的雷暴个例进行检验，采用任意1个，任意2个，任意3个，任意4个参数满足阈值则发出预警的评估结果，分别计算空报率、漏报率和临界成功指数，以期得到空报率和漏报率最低，临界成功指数最高的的参数组合。

以第12号大气电场站为例，根据空报率和漏报率最低，临界成功指数最高的原则，得出第12号站选择任意2项满足阈值预警的方式是最优的方式（图2）。同理，确定其他各站点预警方式。最后将2018年雷暴个例作为检验样本统计所有站的检验结果（表6）。

图2浙江省第12号大气电场站满足不同预警条件时的检验结果

表6基于大气电场数据的雷电预警检验

如果大气电场周边20km内出现首闪，则计算1次幅值变化、幅值差分变化率、幅值曲线斜率和极性反转，如果有任意2项参数满足预警阈值，则未来Tmin内20km范围内将可能有雷电发生，将这20km范围内的原有雷电发生概率提高1个等级。

2.3多源监测数据融合方法

上述分别对基于闪电定位系统和大气电场数据进行雷电预警方法和效果的分析研究。下面将以基于雷达数据的雷电预警产品为基础，融合多源监测数据进行雷电预警。步骤如下：(1)以雷电概率预警数据为基础，预警结果为0%,25%,50%和75%4个等级。(2)以6km为缓冲距离，未来15min内如有地闪发生，则在以此区域内雷电发生概率为原来概率基础提升1个等级，如果原来已经是最高75%等级则保持不变。(3)分别计算各个大气电场站点的幅值变化、幅值差分变化率、幅值曲线斜率、极性反转，如果计算结果满足该站的预警条件，则未来T内20km范围内的网格的雷击概率在原来基础上提升1个等级，如果原来已经是最高75%等级则保持不变。(4)预警的发布及检验，融合了闪电定位系统数据和大气电场的数据，依据步骤(2)和(3)的方法对原始的雷电预警等级进行修正，得到预警时效为60min的雷电预警等级，对在预警等级在50%和75%的区域发布雷电预警。

用2018年雷电个例检验全省雷电概率预警结果（表7）。从表4、6、7中可以看出，基于多源监测数据提出的雷电预警方法，其漏报率和空报率是最低的，成功临界指数是最高的，显示基于多源监测数据的雷电预警方法的雷电预警效果较佳。

表7基于多源监测数据的雷电预警检验

3、结论

本文以基于雷达数据的雷电预警结果为基础，尝试性地融合大气电场数据和闪电定位系统数据，提出一种基于多源监测数据的雷电预警方法，解决了基于单一监测数据雷电预警效果欠佳的问题，得出以下主要结论：

(1)浙江省气象台运行多年的基于雷达数据的雷电预警产品漏报率较高；利用外推法，基于闪电定位系统数据叠加雷暴路径数据提出的雷电预警方法，其预警效果有所提高，但预警时效较短；分析大气电场在雷暴发生过程中的变化特征，提取大气电场变化曲线的幅值特征、幅值差分变化率特征、幅值曲线斜率变化特征、极性反转和持续时间作为回归参数，利用多元回归方法提出基于大气电场数据的雷电预警方法，其预警效果较好，但由于大气电场站点有限，缺少大气电场站点的区域无法预警。

(2)利用2018年的雷电个例进行验证，其漏报率为31.89%，空报率为30.54%，临界成功指数为60.53%。相较于使用单一监测数据的雷电预警方法，融合多源监测数据的雷电预警方法大大降低了漏报率，提升了临界成功指数，预警效果最佳。

(3)虽然融合多源监测数据的雷电预警方法可提高预警的准确度和稳定性，但由于其预警时效相对较短，今后可在保证准确度的情况下，研究提高预警时效的方法。

参考文献:

[1]赵伟,李哲,史海锋,等.基于层次分析法的浙江电网雷击跳闸孕灾环境敏感性评估[J].高电压技术,2017,43(2):619-626.

[2]刘维成,苟尚,傅朝.雷达资料在高原东北侧雷电预警中的应用[J].气象,2015,41(10):1253-1259.

[3]行鸿彦,张强,季鑫源.基于地面电场资料的雷暴临近预报研究[J].大气科学学报,2017,40(1):111-117.

[4]周骏驰,王振会,冯民学,等.南京周边地区雷暴过境时电场特征及其在预警中的作用[J].高原气象,2013,32(5):1470-1477.

[5]秦微,张其林,姜苏,等.基于大气电场资料的雷电临近预警研究[J].南京信息工程学报(自然科学版)2016,8(3):247-251.

[6]柴瑞,王振会,肖稳安.等,大气电场资料在雷电预警中应用[J].气象科技,2009,37(6):724-728.

[7]王凯,朱浩,刘安平,等.黄山风景区雷暴电场特征及预警方法研究[J].气象与环境学报,2015,31(5):184-189.

[8]张春龙,李鹏飞,李春影.基于大气电场与闪电定位资料的哈尔滨地区雷电预警方法研究[J].黑龙江气象,2017,34(6):34-35.

[9]李国梁,李俊,李享,等.武汉地区雷电预警阈值研究[J].气象科技,2015,43(5):874-879.