溪洛渡水电站坝区雷暴预报预警思路和方法

一、溪洛渡水电站坝区雷暴预报预警思路和方法

在综合溪洛渡水电站坝区雷暴天气的环流形势分型、要素场和物理量场、大气电场、多普勒雷达回波、卫星云图特征研究的基础上，分析了溪洛渡水电站坝区雷暴天气的预报预警思路和方法，对单站雷暴天气的预报有一定的参考价值。

1.雷暴天气的分类

雷暴天气过程伴随的天气现象是不同的，以雷暴过程中所伴随的灾害性天气为主要依据对溪洛渡水电站坝区的雷暴天气进行分类。将伴有或不伴有6级以下阵风和（或）中雨以下量级降雨的个例归类为“普通雷暴”，将雷暴天气过程中一个以上自动站出现7级以上短时大风灾害性天气的个例归类为“风暴”（其中瞬时极大风力≥13.9m/s而＜17.0m/s为一般性大风，瞬时极大风力≥17.0m/s为灾害性大风），将雷暴天气过程中一个以上自动站出现大雨或暴雨的个例归类为“雨暴”。

2.溪洛渡水电站坝区雷暴天气的环流分型和物理量场指标

（1）溪洛渡水电站坝区雷暴天气的环流分型

以500hPa关键区影响系统识别为主要依据来进行划分，将造成溪洛渡坝区雷暴天气的环流形势划分为5类，分别是：两高辐合类、东风带系统类（台风倒槽、东风波）、低槽类、副高边缘高能不稳定区类、高原涡类。其中两高辐合区（两高切变）类是溪洛渡水电站坝区雷暴天气的最主要的形势（占42.3％）。其次是热带系统类（东风波、台风倒槽）雷暴，占总次数的23.1％。居第三的是高空低槽类雷暴和副高边缘高能不稳定区类（分别占15.4％），还有高原涡类（占3.8％）。

（2）各类型的主要特征

两高辐合区（两高切变）类：在（81°～103°E，26°～38°N）有青藏高压或青藏高原上的移动性高压与副热带高压或副热带高压在大陆上的高压单体之间的辐合区，或者是滇缅高压与副热带高压之间的辐合区。在副热带高压减弱过程中，青藏高压或滇缅高压加强，造成两高辐合区加强东移或东南移。若低层有西南涡、切变和地面冷空气的共同影响则可在坝区造成强雷暴天气。

热带系统类：副高在30°N以北形成坝状，受其南侧东风波或登陆台风减弱后的低压倒槽影响，坝区出现雷暴天气。只要东风波或倒槽西移到位于（110°E附近，22°～35°N）的范围内，次日就可以对坝区造成影响。此类型雷暴主要发生在7～8月。

高空低槽类：副高偏南或偏东，在（81°～103°E，29°～36°N）范围内有中小尺度的低压生成，中心强度最强可达5790～5810gPm。这些中小尺度的低压可向西南、向南、向东南方向伸出低槽（根据其位置可分为高原槽、南支槽），有时与孟加拉湾低压槽前的西南气流相连，当副热带高压强度减弱时，低涡偏北东移过程中带动低槽东移影响坝区。另一种情况是高原小槽东南移影响。500hPa低槽东移过程中如低层有低涡、切变和冷锋其中一类以上的系统相结合时，则易给坝区带来强雷暴天气。第三种情况是：在高层高空槽已东移，冷平流引发干冷空气已入侵，而中层以下仍有浅薄的热低压接近，或有西南气流，或有显著的暖平流等情况时，使不稳定性加强，造成溪洛渡坝区雷暴天气。

副高边缘高能不稳定区类：坝区处于副热带高压控制区边缘，由于在对流层低层，副高边缘空气比较暖湿，常常储存大量的不稳定能量。而且，在副热带高压控制地区，一般天气晴好，夏季午后陆地表面受日射而强烈加热，常常在近地层形成绝对不稳定的层结，使对流容易发展而产生雷暴。

高原涡类：在西藏生成具有热带气旋类低涡并东移影响坝区。当它与冷空气等其他结合时可产生强雷暴天气。

（3）造成溪洛渡水电站坝区雷暴低层影响系统

700hPa影响系统按影响次数的多少从大到小依次为：西南涡、东风带系统（台风倒槽和东风波）、切变和西北涡、低槽。850hPa影响系统按影响次数的多少从大到小依次为：切变、东风带系统（台风倒槽和东风波）、偏北气流、热低压。

（4）溪洛渡水电站坝区雷暴天气海平面气压场特征

当溪洛渡坝区出现雷暴天气时，80％以上的情况都有冷空气的直接或扩散影响。可见，冷空气的抬升作用在溪洛渡水电站坝区对流性天气中的重要角色。坝区海平面气压场上表现为以下情况：弱的高压脊或高低压交界的特征；冷锋；分析不出明显的锋面，但分裂出的中尺度冷高压单体可直达坝区；08到14时热低压加强4hPa以上。

（5）物理量场和要素场特征和指标

溪洛渡水电站坝区雷暴天气前一天与高低空温度和湿度的平流差动有关的要素场和物理量场有明显特征，反映出雷暴天气所需的水汽条件和不稳定层结的建立。这些特征和指标对雷暴天气的短期预报具有一定的指示意义。

高空温度场：与进入关键区的影响系统配合有冷槽和冷中心存在，坝区为暖区或暖中心控制或者上下均为暖区，但温度差值大。

高空变压场和变温场：在高原东部或河套到川东北有－2～－4dagPm的负变高。当台风倒槽即将影响坝区时，在倒槽前部一般有－1～－3dagPm的负变高。并在高原东部或河西走廊到河套地区（90°～105°E，39°～44°N）配合有－3～－6℃的负变温区，最强的负变温可达－4～－8℃，在坝区一般为弱的变高区（－1～＋1dagPm），＋1～＋4℃的正变温中心。

地面变温场和变压场：地面变温场的关键区在高原东部、河西走廊到河套地区以及四川，负变温中心一般值为－8～－10℃，最强的可达－16～－18℃，最弱时－2～－3℃。并配合＋4～＋6hPa正变压区，中心最强可达＋8～＋9hPa，或者西藏有－2～－3hPa的负变压。坝区一般为＋1～＋2℃正变温区，最强时可达＋4～＋5℃。配合负变压－2～－4hPa，最强可达－4～－5hPa。

湿度场：雷暴出现的前一日08时为湿度场呈下湿上干的分布，当700hPa和850hPa两层的相对湿度同时上升到80％的当日和次日出现强雷暴。

比湿：低层850hPa一般在15～17g/kg，700hPa一般在10～12g/kg，500hPa一般在3～4g/kg。

K指数（k_i）：一般在37～42℃

山崎指数（k_y）：一般在0.8～1.5。

沙氏指数：－1～－3℃。

θ_se值：500hPa一般在67～71℃；700hPa一般在72～81℃；850hPa一般在78～85℃。

上下层θ_se之差：θ_se（500～700）一般在－9～－2℃，最小－15℃，最大4℃；θ_se（700～850）一般在－5～－11℃；θ_se（500～850）一般在－8～－16℃。

（6）基于环流分型的溪洛渡水电站坝区雷暴潜势预报概念模型（图9.42）

图9.42　基于环流分型的溪洛渡水电站坝区雷暴潜势预报概念模型

3.溪洛渡水电站坝区大气电场特征和大气电场仪在雷暴天气预警中的作用

（1）溪洛渡水电站坝区晴天大气电场特征

溪洛渡水电站坝区晴天大气电场的日变化规律性较强，但其量级较小，作为背景场，在雷暴天气过程中其作用完全可以忽略。

（2）溪洛渡水电站坝区雷暴天气时的峰（谷）值特征

溪洛渡水电站坝区雷暴天气时的峰值（大气电场值为正）与谷值（大气电场值为负）的平均值相差不大，分别为38.439kV/m和－39.645kV/m，大多数的雷暴个例（63.3％）大气电场值在＋50kV/m和－50kV/m之间振动。可见溪洛渡水电站坝区雷暴天气过程中大气电场变化很大。

（3）溪洛渡水电站坝区雷暴天气大气电场变化特征

典型的强雷暴大气电场仪特征为：从大气电场仪第一次报警（电场值的绝对值达到5kV/m）到第一次闻雷前大气电场值为负值（表示负闪），并且在第一次闻雷前6～35分钟闪电次数和（或）大气电场值有一个积累到跃增的过程，临近第一次闻雷大气电场值出现不规则的振荡，第一次雷声往往出现在第一个拐点（对应大气电场值＜－10kV/m）前后18分钟之内。第一次闻雷之后，大气电场值不规则振动加剧，表明闪电密度的加大和雷电强度的加强，雷暴结束时有振动——EOSO（End of storm oscillation）过程。雷暴结束时92.3％（24/26）的为云闪（对应大气电场值为弱正值）。但大多数不具备这种特征。且大气电场峰值小或（和）雷电密度小的雷暴过程也能产生强天气。

（4）溪洛渡水电站坝区不同类型的雷暴天气特征

溪洛渡水电站坝区不同类型的雷暴天气特征有所差别，但要通过现有的大气电场值演变情况对未来雷暴天气伴随的天气类型做出判断是困难的，必须综合分析雷达回波和卫星云图等其他资料来判断。

（5）大气电场仪在溪洛渡水电站坝区雷暴天气中最突出的作用

溪洛渡水电站坝区大气电场仪一般提前13～59分钟发出报警，最长的报警时间提前2小时以上，提前6～9分钟发出报警的个例只有4个（但一般为弱雷暴），为值班预报员向各施工单位发布雷电预警信息、施工单位及相关人员及时做出预防措施提供了较为充裕的时间，对提高雷暴的预警服务效果是非常重要的。这是溪洛渡水电站坝区雷暴天气预警工作大气电场仪应用中最突出也是最好的作用。

4.卫星云图识别雷暴云

（1）卫星云图识别云的判据

卫星云图识别云的主要依据有6个：结构型式、范围大小、边界形状、色调、暗影和纹理。其中暗影只能在可见光云图上看到。

（2）产生雷暴的积雨云的卫星云图特征

产生雷暴的积雨云常是几个雷暴单体的集合，在可见光和红外云图上，积雨云的色调最明亮，云顶光滑。当高空风速较小时，积雨云为孤立圆形的云区；当高空风很大时，积雨云顶部便出现卷云砧，在它上风方一侧，边界光滑整齐，下风一侧有卷云羽。有时，许多积雨云顶部的卷云砧合成大片卷云覆盖区，构成中尺度对流复合体，范围可达几百千米，但仍可见到点点白亮云区。

（3）溪洛渡水电站坝区雷暴天气的云系类别

溪洛渡水电站坝区雷暴天气的云系主要有低槽冷锋云带、短波槽云系、东风倒槽云系、高原切变线云系、高原低涡云系、中尺度对流云团、不稳定区积雨云单体发展合并等7种。

（4）利用卫星云图可以确定积雨云团的天气性质

一般而言，云顶温度愈低，云区的增长速率越大，产生灾害性天气的可能性愈大。

雹暴云团云体具有明显的长轴的椭圆形，共走向与风垂直切变方向一致。在初生阶段时，云团的边界十分光滑，并无明显卷云出现；到成熟阶段时，云体迅速扩大，其上风一侧边界十分光滑，下风一侧出现明显的卷云砧。雹暴云团的色调特别明亮，呈块状，但云体范围不大，一般在1个纬距左右。雹暴云团的发展速度快、强度大、生命短、日变化明显，其前界呈弧状或呈弧状排列。

暴雨云团表现为圆形、涡旋状、半圆形等多种型式。在初生时常呈离散的小亮点，到成熟时云区常表现为大小不等的云团，顶部出现向几个方向伸出的卷云羽；这种云团的色调差异较大，有的很亮，有的并不十分明亮；有的很密实，有的则呈松散的絮状；在云团的周围常伴有大片中低云区；云团的发展速度较雹暴云团慢。各个云团的强度差异大，持续时间长。一般在午后17时和凌晨5时发展最旺盛。

暴雨雹暴云团的外形与雹暴云团类似，即上风方边界光滑，下风方有明显卷云砧。但云团范围较大，常在2个纬距以上。云团的色调十分明亮，表现得十分密实。其生命长，移动较缓慢。

暴雨大风云团的外形与暴雨云团相类似，只是范围略小。其常出现在高空槽前大片卷云的西南端；云团的色调都较明亮。当存有几个云团时，常成带状排列，且前部边界呈弧状。

大风云团范围较小，常小于一个纬距，成弧状排列的云带，移动速度甚快；常出现于逗点云系或大片卷云区的后端（西南侧）。

以上几类云团在发展过程中，常会相互转化。

（5）卫星云图在溪洛渡水电站坝区雷暴天气中的先兆作用

卫星云图一般提前1～2小时能发现对流云的生成、发展及是否影响坝区。特别是提前1小时的卫星云图可为雷暴天气的临近预警提供更强的信息。卫星云图在坝区雷暴天气临近预报中的具有较好的先兆意义。

5.多普勒雷达资料在溪洛渡坝区雷暴天气临近预报中的重要作用

（1）多普勒雷达判别风暴类型

通过多普勒雷达强度PPI和RHI回波特征的分析，可以发现普通单个单体雷暴、多单体雷暴、飑线和超级单体雷暴等不同类型的雷暴其强度场特征和出现的强天气类型是有区别的，这为雷暴强度及其相伴随的强天气的预警提供了强有力的依据。

（2）多普勒雷达判别与雷暴有关的气流辐合、辐散以及旋转特征

雷暴天气的出现和发展往往和气流的辐合、辐散以及气流的旋转有关。与传统天气雷达不同，多普勒天气雷达可以测量目标物沿雷达径向的速度在距离雷达一定范围的一个小区域内，通过该区域内沿雷达径向速度特征的分析，可以确定该区域内的气流辐合、气流辐散和气流旋转等特征，从而大大加强了多普勒天气雷达对各种天气系统特别是雷暴系统及其产生的强对流天气的识别和预警能力。因此，多普勒天气雷达是雷暴天气的临近预报和识别的最好手段。

（3）溪洛渡坝区雷暴天气的多普勒雷达资料前兆特征

溪洛渡水电站坝区雷暴天气在大气电场仪报警前0～30分钟，在坝区周围0～30km范围内都能观测具有密实的结构、反射率因子空间梯度大的呈块状、团状、带状分布的雷暴云（积状云）回波，其强度中心值一般在30dBz以上，最小为27.8dBz，回波顶高一般在10km以上，最小6km，强回波（＞30.0dBz）底高一般在1km以上，最小1km，强回波（＞30.0dBz）顶高一般在4.5km以上，最小3km，最强回波高度平均4km，最小1km，最大7km，一般在1～4km之间。强雷暴在PPI和RHI图上可以看到“V”形缺口、钩状、弱回波区（WER）、有界弱回波区BWER、回波墙、悬挂回波等强雷暴的典型特征。当这样的雷暴回波移到或生成于大气电场仪监测有效范围内时（方圆10km）大气电场仪开始报警。从径向速度场分析可看到辐合、中气旋等影响系统。

6.基于大气电场仪、卫星云图、雷达回波资料的溪洛渡水电站坝区雷暴天气临近预报预警流程

在大气电场仪、卫星云图、雷达回波资料分析的基础上，我们设计了一个溪洛渡水电站坝区雷暴天气预警流程图，可以对坝区范围内的雷暴天气提前0～2小时进行预警（见图9.43）。

图9.43　溪洛渡水电站坝区雷暴天气0～2小时预警流程图