多普勒雷达在雷电临近预警中的应用浅析

冉 倩，刘俊翔，来立永，何正浩

（1.广东电网有限责任公司广州供电局，广东 广州 510000；2.华中科技大学电气与电子工程学院，湖北 武汉 430074）

雷电是大自然中的一种常见灾害，每年因雷电造成的财产和安全损失巨大[1]。据新闻报道，在中国每年因雷击造成的伤亡人数有几千人，导致的经济损失可达数百亿元，并且这一数字还在不断上升。由于雷电伴随着巨大的电流、炽热的温度和强烈的电磁效应，对工业区和高层建筑构成了极大的威胁。

随着近些年对防雷研究的不断深入，监测雷电的手段也变得多种多样[2]，在众多大气因子测量方法中，天气雷达能够以一定频率发射出电磁波，然后接收被云层中各种粒子散射回来的回波，从而可以获取其空间位置、强弱分布和垂直结构等信息，可以据此对多种灾害性天气进行识别和追踪。

由于人们急切需求及时准确的雷电预警播报，该领域的科研人员也在进行相关的研究工作，如何利用各类雷电资料探寻相关地区雷电的活动规律，并对雷暴发生的具体时间进行准确的预报，成为了该领域研究的热点和难点。

1 多普勒雷达原理

为了满足频率稳定度的要求，方便检测出回波信号微小的频率变化，也就是由降水粒子相对于雷达的径向运动而引起的雷达回波信号的频率变化，基于电磁波的多普勒效应，研制出多普勒天气雷达。目前有许多学者研究雷达回波特征与雷暴发生的关系，结果证明雷达回波在一定程度上可以反映雷电活动情况，但是雷达的空间分辨率会随着闪电发生距离的增加而下降，不同类型雷达的固有特性也会影响分辨率。本文中所用数据是由祥雨系列雷达采集，如图1所示。

图1 祥雨系列X波段双偏振雷达

天气雷达与数据服务器、预报工作站、维护工作站等附属设备所组成的系统具有高可靠性、高灵敏度、使用和维护方便等特点，特别适用于人工影响天气、重点区域防护、应急气象保障等领域。雷达具有集成化、系列化、标准化程度高，系统配置灵活等特点，其主要性能指标如表1所示。

表1 天气雷达主要参数指标

2 预警方案

对多普勒天气雷达探测出的各种不同的遥测数据（回波强度、径向速度与速度谱宽等）进行加工处理、坐标变换与计算，生产出的与气象有关的数据和图像统称为产品。本论文主要研究雷电预警，在多普勒天气雷达的各种产品中，回波强度与回波顶高是与雷电活动密切相关的物理量，这种产品有助于用户直接与某种天气现象联系起来进行分析与应用。对于一张雷达回波图，蓝色到紫色表示回波强度不断增大，一般在几十dBz不等，从不同颜色回波可以判断降雨强度，雨区范围、未来降雨强度和移动，而降雨往往伴随着雷暴天气的发生。一般情况下，对流云团的强弱程度与多普勒天气雷达所发射的电磁脉冲的回波伸展高度相关，因此回波顶高常常对多普勒天气雷达的探测范围内的对流云团的强弱有指示性作用，用户可根据当地的气象条件自行选择回波强度阈值。

根据天气雷达提供的上述数据资料，相关研究人员提出了多种预测雷电的方法，主要是根据雷达回波强度提取出闪电发生的特征值，这也是一种较为有效的观测手段。基于此，笔者收集了2020年发生在广州的20个雷暴单体与非雷暴单体的多普勒雷达回波强度及回波顶高等相关数据，如表2所示。

表2 广州地区20个雷达单体数据资料

在这20组雷达单体资料中，14个为雷暴单体，6个为非雷暴单体。14个雷暴单体中有1个雷暴单体仅发生了云闪，而并未发生对地放电现象。根据现有资料，不少科研人员认为应该选取-10℃层高度处40dBz回波强度作为预测初次雷电发生的特征值[3]；但VINCENT等[4]认为应该选取-10℃层高度的35 dBz回波强度作为依据来预测，命中率有一定的提高，但是虚报的情况变多；也有学者用0℃层10 dBz回波作为依据来预测，预警时间大约为15 min，可结合其他参考值来降低虚报率；MARTINEZ等[5]认为应选取对流天气中某个单体的40 dBz以上的回波，且顶高必须高于7 km。

根据相关参考文献及表2中的数据，首先假定40dBz的回波强度为是否有雷暴发生的临界判据，对表2中的20个个例进行检验，判断30 dBz、35 dBz和40 dBz是否能突破0℃层和-10℃层，具体如图2和图3所示。

由图2可以看出，所有雷暴单体的3个对应回波强度的顶高均突破了0℃层，大部分非雷暴单的30 dBz和35 dBz回波强度的对应顶高也突破了0℃层，而在40 dBz回波强度下，雷暴单体和非雷暴单体展现出较大的差异性。

由图3可知，对于选取的3种回波强度来说，在40 dBz下雷暴单体和非雷暴单体的差异是最大的，这与图2中的分析吻合，表明40 dBz对于区分是否为雷暴单体具有较大的价值。

图2 30 dBz、35 dBz、40 dBz回波强度突破0℃层高度占比

图3 30 dBz、35 dBz、40 dBz回波强度突破-10℃层高度占比

-10℃温度层同样是一个重要衡量标准，但是通过对雷暴单体的雷达资料分析后发现，30%以上雷暴单体在第一次云地闪放电之前，40 dBz回波强度的顶高并未突破-10℃，说明回波顶高的特征高度不是特别的固定，故两者的相关性并不大，而雷暴单体中40 dBz的回波顶高都超过了0℃层，非雷暴单体中40 dBz的顶高仅有一小部分超过0℃层。

综上所述，在广州地区将40 dBz回波强度的顶高超过0℃层作为雷电预警的依据较为合理。

3 实例分析

为了进一步说明上述分析的合理性，从广州地区2020年记载数据中选取28个雷暴单体和8个非雷暴单体的雷达资料进行统计分析，如图4和图5所示。

图4 雷暴单体40 dBz回波强度对应顶高

图5 非雷暴单体40 dBz回波强度对应顶高

根据图4和图5可知，所选取的28个雷暴单体中，有23个雷暴单体40 dBz回波强度对应的顶高超过了7.5 km，此高度正好是0℃层所对应的高度。对于非雷暴单体来说，除了一个特例之外，其余个体的40 dBz回波强度的顶高都没有突破0℃层。

图6为两次天气过程所对应的雷达体扫资料，展示了每个体扫时序中40 dBz回波强度对应的顶高。从图中可以发现，在雷暴发生的过程中，此回波强度在绝大多数时间都突破了0℃层，而非雷暴单体对应的回波顶高较低，仅有少部分时间突破0℃层，很有可能仅仅是雷达侦测到一片带雨云团。

图6 雷暴单体与非雷暴单体回波顶高对比

4 总结

多普勒雷达是用于预报和警戒中的主要探测工具之一，在气象监测中具有极为重要作用。本文通过分析2020年广州市雷达数据资料，提出利用40 dBz回波强度是否突破0℃层高度来判断是否有雷暴发生的依据，从而可以提前采取措施减少雷电灾害的发生。若仅仅使用雷达资料进行探测，很难把阵雨和雷暴特征区分开来，所以需要结合其他探测手段的数据来确定到底是由哪种天气引起。后续可结合大气电场仪、闪电定位系统等手段进一步提高预警的效果，减少时常发生的空报和漏报现象。