基于DBSCAN聚类的2σ闪电跃增算法应用

针对业务运行中雷达观测存在遮挡和雷达产品延迟,提出利用带噪声基于密度的空间聚类(density-based spatial clustering of applications with noise,DBSCAN)算法对闪电数据的聚类结果替代雷达产品,并分别利用北京三维闪电定位网(Beijing Total Lightning System,BJTLS)和升级后的国家闪电定位网(DDW1)总闪数据,应用2σ闪电跃增算法对北京2022年6月4日和12日两次强对流致灾过程进行临近预警,对比强对流单体识别法和DBSCAN聚类法的预警效果。结果表明:两种算法和两种闪电数据均能有效预警北京地区的灾害性天气,基于BJTLS总闪数据的预警效果较优;对于BJTLS总闪数据,两种方法的预警效果相当,预警命中率、误报率、临近成功指数和平均预警提前时间依次分别为100%,11.9%,88.1%,38.9 min和100%,13.3%,86.7%,42.8 min;仅利用闪电数据并应用2σ闪电跃增算法可对灾害性天气进行临近预警,摆脱对雷达产品的依赖。     

冰雹云中闪电特征观测研究

通过对西北地区11次冰雹过程闪电定位仪和多普勒雷达观测资料的分析结果表明,闪电5min频次分布呈现规律变化,在降雹前4-97min出现频次大于20次的峰值,冰雹过程正地闪占总地闪比值在24．7％-40％之间;闪电密度最大中心区出现在降雹位置之前,闪电逐时空间分布标识出冰雹云的发展移动路径;闪电分布在雷达回波区,并不与雷达最强回波区对应,闪电频次、正地闪所占的比值和闪电时间序列分布,可能起到预警冰雹的作用。     

闪电定位资料在天山北坡强对流天气短临预警中的分析及应用

选用2013—2015年4—9月天山北坡短时强降雨和冰雹过程,及其前后对应的闪电定位资料进行研究。通过分析,发现两种强对流天气过程前后正、负闪均在一定范围内呈波动性变化,且均以负闪为主。两种强对流过程前后均有2次闪电突增现象,且都是第一次突增现象更具指导意义,突增现象发生在强对流天气开始前10～40 min不等,持续时间10～20 min,突增量在2～8次。可得出闪电极性和闪电突增在强对流短临预警中的阈值。     

贵州中西部冰雹云闪电活动特征及对降雹指示作用研究

利用VLF/LF三维闪电监测资料、CINRAD/CD雷达资料和地面降雹观测资料,对贵州中西部冰雹云闪电特征进行分析。结果表明：高原台地威宁平均POP和Z值均高于斜坡过渡带区域,两者平均POP值均高于贵州10a（2006—2015）平均POP统计特征值。斜坡过渡区域内总闪峰值平均为22次/（5 min）,威宁总闪峰值平均为13次/（5 min）。斜坡过渡带区域2σLFCR闪电跳跃信号和闪电频次峰值提前量平均为20 min和 13 min,威宁2σLFCR闪电跳跃信号和闪电频次峰值提前量平均为33.7 min和29 min。2σLFCR闪电跳跃信号指示降雹优于闪电频次峰值信号,在实际中可以综合利用闪电2σLFCR跳跃信号与峰值信号识别降雹。     

贵州中西部冰雹云中闪电特征观测研究

利用贵州省三维闪电监测网资料、新一代天气雷达资料、地面观测资料,对贵州省中西部地区13次冰雹天气过程中闪电特征进行了分析。结果表明：雹暴整个生命史内主要以负地闪为主,且伴随强降水。冰雹云发展阶段,降雹区域闪电频次增加明显,降雹前闪电频次变化均出现“跃增”,部分降雹点出现闪电频次二次跃增;冰雹云消散阶段,闪电频次显著减少。冰雹云总闪、正闪均高于雷雨云,5 min闪电频数大于16次且闪电频次上升度大于12次/5 min可作为识别冰雹云的参考指标。另外,降雹落区与闪电密度中心区域较为吻合,闪电密度中心位置略偏降雹位置之前,闪电逐时分布标识出冰雹云的发展移动方向。以上这些特征可以为冰雹识别、冰雹短时预警预报及人工防雹作业提供参考。     

闪电探测技术发展和资料应用

文中综述了闪电探测技术和方法的发展状况, 阐述了闪电监测资料在闪电预警预报、防护以及在灾害性天气监测等方面的应用, 探讨了我国闪电探测站网建设的技术和方法, 以及利用闪电探测资料开展雷电预警预报的方法与途径.闪电探测技术对雷电研究和雷电防护技术的发展非常重要, 特别是随着科学技术的发展, 闪电探测技术得到了快速发展, 这为雷电监测和预警提供了重要手段, 对减少雷电灾害具有重要作用.     

福建冰雹云三维闪电及双偏振雷达回波特征分析

为了深入认识冰雹云中闪电的演变特征及云物理机制,利用VLF/LF三维闪电监测资料,结合S波段双偏振雷达、地面观测等资料,采用统计、对比方法,对福建2017—2020年31个冰雹单体闪电特征进行了分析.结果表明:降雹前闪电频数峰值约有2/3在50次·(6 min)-1以上,80％冰雹云地面降雹出现在闪电峰值后的3～25 ...     

不同闪电参数化方案对海南岛一次强对流闪电过程的数值模拟研究

利用耦合非感应起电方案和闪电参数化方案的WRF V3.9.1中尺度模式,模拟了2018年6月26日发生在海南岛的一次强对流过程,讨论模式中3种闪电参数化方案(LPI方案、PR92w方案和PR92z方案)对热带岛屿地区闪电活动的模拟能力。结果表明：模式能较好地反演出此次强对流过程的雷达回波特征,垂直速度和水成物粒子是影响模式预报闪电的重要因素,云内发展较强的垂直速度和丰富的冰相粒子有利于云内起电过程的发展。LPI方案和PR92w方案模拟出闪电的分布形式和闪电上正下负的结构,起电区域均位于8～15 km, PR92z方案模拟闪电分散,偏差较大;LPI方案的ETS评分(Equitable Threat Score)表现最优,为0.65;进一步分析LPI值与闪电频数的相关关系发现两者之间具有显著的正相关关系,区域平均LPI与闪电频数相关系数为0.9,拟合优度为0.83。     

闪电和大气电场资料在预警业务中的应用

近9a来,陕西省的闪电定位监测和大气平均电场资料不断积累,同时在预报预警业务中不断应用和研究,实践表明:闪电与强降水相关性好,在预报业务中,可以利用闪电实时监测资料有效预警强降水的移动方向、发生区域,也可以有效测估测降水量;地闪的演变可以预测雷暴的移动方向,地闪对雷达回波有明显的引导作用,闪电发生比≥30dBz的回波出现提前约10min;结合高低空观测、卫星云图、雷达、闪电监测实况等资料,关注大气电场强度变化、快速抖动特征,大气电场雷电预警可提前约28min。     

A Comparison of the Characteristics of Total and Cloud-to-Ground Lightning Activities in Hailstorms

The region of Beijing-Tianjin-Hebei is covered by two different lightning detection networks: SAFIR (Systeme d’Alerte Fondre par Interferometrie Radioelecctrique) for total lightning, including IntraCloud (IC) flashes and Cloud-to-Ground (CG) flashes, and the ADTD (ADvanced TOA and Direction system; TOA denotes time of arrival) network of China for CG lightning. Fourteen isolated hail-bearing thunderstorms in this region were examined in this study, using the data of SAFIR and ADTD. The peak of lightning frequency, for both total lightning and CG lightning, was often observed in advance of the occurrence of hailstones on the ground, with a trend of a rapid increase of lightning frequency before the hail was reported. The average lead times of the two types of lightning jump before hail events were obtained (total lightning: 32.2 min; CG: 25.4 min) through the 2σ lightning jump algorithm. Additionally, in hailstorms with a high ratio of positive CG flashes, the diameter of hail was larger and the duration of hail was longer; when negative CG flashes dominated, the diameter of hail was relatively small. The comparison of the characteristics of total lightning and CG flashes in hailstorms in this study is expected to serve as a supplementary tool for hail forecasting.     

一次强对流过程的多普勒雷达反演及预警分析

为进一步了解2009年6月5日发生在安徽的一次飑线天气过程的流场结构,本文将两步变分法应用于安徽省合肥多普勒天气雷达资料的风场反演,并利用反演结果检验发生冰雹、大风以及闪电等强对流天气过程的预警条件。结果表明,该次天气过程主要受到东北冷涡的影响,另外高空西北冷气流和地面暖气流以及深层的垂直风切变促进了该次飑线强对流天气的发生;冰雹、大风以及闪电等强对流天气对应的一些特征量关系符合相关预警条件。     

辽宁省一次强对流天气的地闪特征

利用闪电定位系统、多普勒雷达和加密自动站资料对辽宁一次冷涡天气中暴雨、冰雹过程的地闪变化特征进行分析。结果表明,暴雨和冰雹过程均出现了地闪密集区,冰雹过程中正地闪占总地闪比例高于暴雨过程;暴雨过程以负地闪为主,主要分布在45 dBz以上的强回波区内,和暴雨持续时间相当,负地闪最密集区位于风暴的核心部位。负地闪频数比强回波面积提前30至70分钟到达峰值,对于短时暴雨预报预警具有一定意义。冰雹过程中,负地闪集中在雹云前部,正地闪位于雹云核心部位,与降雹区一致,正、负地闪发生区域分离。正地闪提前降雹30分钟左右发生,总地闪、正地闪频数在降雹前明显增加;降雹出现在总地闪、正地闪频数和强回波面积达到峰值及从峰值迅速下降时间段内;雹云减弱消散阶段总地闪次数减少但正闪增加。     

北京地区闪电特征初探

对信息产业部第22所研制的XDD03A雷电探测系统获取的2000～2003年北京地区云-地闪电资料进行了闪电的日变化、月变化、闪电的强度、闪电密度、极性等方面的分析,研究了北京地区的闪电分布特征。结果表明：云地闪中负闪占大多数;正闪的平均强度大于负闪;闪电的发生有明显的日变化,呈双锋双谷形式;最多闪电日数出现在7月和8月,几乎每天都出现闪电,而闪电次数最多则出现于8月份。北京地区闪电分布主要集中于4个区域,闪电的空间分布与地形及下垫面的性质有关。     

利用地面电场仪与闪电定位资料进行短时雷电预警的方法

电场强度预警应以电场强度到达的门限等级、电场曲线初始阶段是否有快变抖动为判断的标准,雷电距离预警以雷电发生的位置和电场仪之间的距离为参考。综合两种预警手段,并结合人工判断雷电的移动趋势、对预警提前时间的要求以及电场仪安装的位置和本地的地形条件等因素,实现更准确的雷电短时预警。     

雷达资料在高原东北侧雷电预警中的应用

利用LD II闪电定位仪资料和兰州CINRAD/CC雷达资料,对甘肃中部2011和2012年夏季对流性降水过程中雷达回波单体与雷电活动之间的对应关系进行分析,提取反映较好的雷达产品特征量,建立雷电预警方案。结果表明,35 dBz回波顶高（ET）突破-10℃层高度和40 dBz回波顶突破过-10℃层高度等2个指标的雷电预警效果较好,预警时间可分别平均提前23和16 min;垂直累积液态含水量（VIL）可作为判断雷电发生的充分条件,但其值应小于30 kg·m-3;ET大于10 km预警雷电发生,预警时间可提前平均为7 min。利用建立的雷电预警方案对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。     

北京夏季强雷暴降水回波结构与闪电特征个例分析

利用北京市气象局短时临近交互预报系统（VIPS）资料,对2008年奥运会期间两次强降水天气过程雷达回波结构及闪电时空特征进行了细致分析。结果表明,局地性强雷暴降雨天气中,降雨率峰值与闪电活动峰值关系有超前也有略滞后的情况;关于云闪和地闪出现时间,云闪一般要超前地闪5～15min;强降水回波单体中,总闪电次数的70％以上出现在大于40dBZ的强回波区,当最大回波强度大于60dBZ时,云闪出现在强回波区的概率接近90％,说明回波强度越强,云闪出现在强回波区的概率越大;对云闪与雷达回波垂直结构分析发现,强降水单体中云闪发生的高度主要在6km以上,且云闪发生频数峰值出现在8～11km高度。     

强雷电天气过程闪电定位资料分析及预警服务

利用ADTD雷电定位显示监测系统资料和常规天气预报资料及驻马店多普勒雷达回波资料,对2013年7月20日信阳地区强雷暴天气的地闪和雷达回波的特征及相互关系进行了分析,结果表明闪电密集区移动方向的前沿位置与30dBz雷达回波区位置重叠,闪电密集区的移动可以准确地反映出对流云团的移动趋势。闪电密集区消失早于雷达回波区消散,地闪强度减小趋势比雷达回波减弱有30到60min的提前量。正地闪的出现,预示对流云团发展;正地闪消失,预示对流云团进入消亡阶段。利用闪电定位资料分析预测闪电落区和时效性比单一使用雷达回波资料更准确。闪电密集区的移动可以准确地反映出对流云团的移动趋势,因此可以将30或60min闪电分布图引入对流性天气的跟踪监测和预警预报业务中。     

武汉地区雷电预警阈值研究

利用湖北新一代多普勒雷达、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,就武汉市2012年1月至2014年7月184次雷暴过程中的1067次闪电和预警指标的相关性进行统计分析,初步确定武汉地区雷电预警指标阈值。结果表明：雷电发生与大气电场强度、雷达回波反射率因子、回波顶高、垂直累积液态水含量等指标关系密切;大气电场强度阈值为2 kV/m左右;-10 ℃高度上回波强度大于等于40 dBz且回波顶高为6 km左右、垂直累积液态水含量大于等于10 kg/m2可以作为武汉地区雷电预警阈值,且不同的月份阈值有所变化。