第四章 雷暴(雷电)预报和预警
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第四章
雷暴（雷电）预报和预警
20世纪70或80年代，在美国多次发生雷击航天发射 器事故，肯尼迪宇宙空间研究中心（KSC）、空军联邦 航空管理局（FAA）、航空航天局（NASA）兰利研究 中心和新墨西哥理工大学联合研究，10年，建立闪电监 测网和KSC发射场的雷电预警系统，很少再出现雷击事 件。这一雷电预警系统包括 （1）短时雷暴潜势的预报； （2）短时雷暴监测跟踪； （3）当预报8km范围内可能有地闪（落雷）时，发 布雷电警报。
用TMJ和K指数作预报雷 暴点聚图（A为主要出现事件 区域；B为出现不出现的混合 区；C主要不出现事件区域。
2、多元回归方程方法
Y=b0+ b1 x1 + b2 x2 +· · · · bn xn ···+
预报量 Y=1，雷暴出现；预报量 Y=0，雷暴不出现。
3、参数化方法
将有效位能（CAPE）与对流云引发的闪电活动联系起来。 CAPE参数与对流云云顶高度有一定的关系，闪电频率也与对流云 云顶高度相关，Prince和Rind（1992）发现了闪电频率也与对流云 云顶高度相关的参数化方法。 云顶高度H与CAPE的关系： H=0.47（CAPE）0.44 陆地上闪电频率F与云顶高度H的关系：F=3.4410 -5 H4.9
一、雷暴的移动
在日常业务中，人们常使用雷达回波、卫星 云图闪电定位仪以及高空风资料作雷暴天气系统 的移动的预报。
1、预报雷暴移动的方法
(1)、用平均风速方法估算风暴的移动速度
Maddox（1976）通过计算地面、850、700、 500、300、和200hap高度的平均风速，统计平均 风速与雷暴移动速度与移动方向之间的关系得到： 雷暴以平均风速的75%的速度移向平均风右侧的 30º 方向。
第一节 雷暴的潜势预报
一、“成功的雷暴预报”的含义
Golde 20世纪60-70年代给出标准，以锋面移动和 不稳定气团引发的雷暴预报为例，假若预报一个相当
大的区域里（水平尺度为几百公里）有雷暴，而未来
该区内若有适当数目的雷暴出现则预报就是“成功的 ”。
二、雷暴潜势预报流程
输 入 资 料 显示环流形势
45WS（美国空军第45 天气中队）开发的预报方法。 1、局地辐合方法
局地辐合闪电临近预报规则
2、雷达方法
雷达闪电临近预报规则
六.雷电预报的决策树方法
在机场附近有对流单体 和闪电吗？ 机场附近有 雷暴威胁 在机场附近有弱降水和 闪电吗？ 在机场附近有单体但是否 未探测到闪电？ 机场附近无 雷暴威胁 在机场附近有弱VIL或闪 电相伴的强反射率吗？ 在机场附近有伴随VIL的 闪电吗？
槽线以东：气旋性切变 大，产生>3cm的冰雹
西侧：逆环流，上升气 流伴随着冷空气，下沉 气流伴随着暖空气
槽线 气旋性 切变区
··· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ··· ·· ·· ·· ·· ·· ··· ·· ··· ·· ·· ·· ·· ··· ·· ··· ·· ··· ·· · · · ·· ···· ·· ···· ·· ···· ·· ······· ·· · ···· ··· ·· · ··· ·· ·········· ·· ········· · ········· J··········· ·········· ········· ········ · ·· · ········· ········ ······· ·· · ·· ········ ······· ······ ······ ···· ···· ···· ···· ·· ·· J ··
(2)、用平均风速方法估算风暴的移动 速度的修正
Davies和Johns（1993）对用平均风速方法 估算风暴的移动速度的方法进行了修正： 当平均风速v15m/s时，风暴以平均风速的 75%移向0~6km平均风向的右方30º 。 否则，风暴以平均风速的85%移向0~6km平均 风向的右方20º 。 该方法减少了在较强的平均风环境下风暴移 速与平均风之间的偏差。
(5)、采用座标时的计算方法
先取为0.85~0.30各层u、v分量计算出平均风矢，将平 均风矢右转角（30度），将速率乘以（例如0.75）即得。
(6)、其它方法
在朱乾根教授等的《天气学原理和方法》一书中写到： 风暴运动方向一般偏向于对流云中层的风的右侧，这类风暴 称为“右移强风暴”，但是有的风暴也可以是左移的。 飑中系统生成后，会有规律地向前移动，飑线上的单体 移动的方向基本上与850-500hpa的平均风向一致，有时略偏 右。 另外飑线还有向着最不稳定的地区移动的趋向。 飑线移动的速度取决于大尺度天气形势、中尺度高压强 度地形等因子。
1989年10月14日2000UTC至10月15日 1000UTC时段内一次强风暴的地闪回击点的情况
四.第一次云地闪开始时间的预报
Smith用红外云图云顶冷却率研究预报第一次云地闪开始 时间：第一次云地闪经常发生在红外云图中最初云顶冷却率超 过0.5C/min之后30min或更长的时间。
五.45WS的经验预报方法
第三节 强雷暴天气分析举例
环流型对雷暴的发生发展和维持的作用是：持 续输送大量的潮湿空气，引气不稳定能量的释放， 提供雷雨云发展及维持的有利环境条件。如：
流 层高 对 层
D
1016hpa
墨
西 哥 湾
美国中西部大平原 强对流天气发展的环流模型
冷涡附近深厚积雨云发展区（影区）和 对流活动拟制区（圆点影区）分布模型
东侧：正环流，暖空 气上升，冷空气下沉
第四节
地闪的临近预报和预警
一.成功的临近预报方法的含义
用亚特兰大奥运天气保障办公室（OWSO）给出的标准：如果 在赛场能听到雷声，或者在预报的有效时间内，在距赛场9.3km范围 内，国家雷电探测网（NLDN）数据流指示出有闪电，就认为闪电预 报是成功的。 大量的研究表明：发现闪电初生指标到第一个云地闪出现的滞后 时间或预警时间的中值约为7.5分钟。
（2）风向垂直切变与雷暴云的传播方向
当低层为南风，高层为西风（风随高度顺转） 时，雷暴云一般向其前进方向（对流层中层风向 的右侧）传播。
辐合
v2
辐散
最大相对流入
v2
最大相对流出
现存云的运动
辐散 辐 v1 合
风向随高度顺转，有利于风暴云向右传播
风暴运动方向
雷暴云整体向单体移向的右侧偏移
在预报雷暴移动时，还要考虑江、河、糊、海及山脉 等地理条件的影响。白天沿河岸移动，很少过河（湖）。 锋面雷暴可越过河，但要减弱（夜间相反）。受山脉阻挡 时会顺山脉移动，有时在山区打转并从山口“夺路而出”。
(3)、用平均风速方法估算风暴的移 动速度的进一步修正
Davies（1998）对用平均风速方法估算风 暴的移动速度的进一步修正： 把风速划为三个风速段，0-10m/s：1115m/s：大于15m/s。这一修正，大大改进了弱 风环境下风暴移动的预报。
(4)、用环境垂直风廓线估算强雷暴移动速度
Colquhoun（1980）根据在上升气流和下沉气流之间 的质量通量的平衡估算强雷暴移动速度，方法假设： ①被上升气流和下沉气流带进、带出风暴的空气相等， 下沉气流的起始高度是450hpa。 ②上升气流和下沉气流中的空气流动速度达到最大时， 风暴强度达到最大。 ③相对于风暴，上升气流从前面接近，下沉气流从后 面接近。 当v>0.0m/s时，预报有右移的超级单体； 当v<0.0m/s时，预报有左移的超级单体； 当v=0.0m/s时，预报无偏移左右的运动。
判断是否属于雷暴环流型
y
N
计算与雷暴产生有关的物理参数
代人自动化、客观化预报方程
判断是否有雷暴
y
N
本地区未来有雷暴
雷暴潜势预报流程框图
本地区未来无雷暴
三、雷暴客观预报方法
1、点聚图法 印度德里地区季风来临之前5-6月雷暴。使用修正的Jefferson（TMJ ）和George（K）指数作点聚图预报。 TMJ=1.6w850-T500-0.5DPD700-8.0 K= T8500 - T500+ TD850 -DPD700 式中w850=850pha的湿球位温； T500= 500phaD的干球温度； DPD700=700pha的温度露点差； T850 = 850pha的干球温度； TD850 = 850pha的露点温度。
二、雷暴云的传播
1、雷暴云的平移和传播 雷暴云或强雷暴产生后，有两种作用使它产 生移动： 一种是大范围水平气流使云体不断平移，移 乡接近于云体中层高度上大范围水平气流的方向。
另一种是云体外围不断地形成新的雷暴单体， 而老云逐渐消散下去，使人们产生云体似乎在整 体移动的感觉。这种云体新陈代谢的现象叫做雷 暴的传播。
雷暴的传播一般又分两种情况： 一种情况是在原来云体前部增生新云，而后 部又在消散，结果看来云是在前进。
（+）
辐合
c<vc
辐散
（–）
c>vc （–） 消 散 （+） 新云生成
风速随高度增大时有 利 于雷暴向前传播
2、风速、风向垂直切变与雷暴云的传播
方向
（1）风速随高度增加与雷暴云的传播方向 当风速随高度增加时，假定云内风速上下一致， 这样就在云的前部低空产生辐合，高空产生辐 散（如图4-1）。有利于在云的前部有上升运动 发展，有新的雷暴单体产生，而在云的后部则 相反，有利于下沉运动发展，使原来的雷暴单 体消散。总效果使人看到有云体向前方传播。
F=8.51 10 -7 （CAPE）2.2
还可以通过计算最大垂直速度云顶高度H的关系估算出F。
Wmax =0.276H 1.73 F=1.439 10 -8 H7.86
第二节 雷暴的移动和传播
1991年长江流域暴雨天气过程中， 经统计有200多个中尺度暴雨云团沿梅雨 锋自西向东移动，所到之处都出现了大到 暴雨的天气。不难看出，在做好强雷暴天 气发生发展预报的同时，准确地估计和预 测雷暴天气系统的移动在雷暴天气的监测 和预警业务中也是十分重要的。
AWIPS预报 决策树示意图
三.举例
vx：风暴相对环境风；v：环境风；c：风暴移速 vx=v-c
246º /15
0.5km 12km 0 8km 10
4km
m/s
由12个龙卷雷暴平均的风暴相对风廓线
图中大圆圈代表上升气流核，双箭头表示 风暴移动速度，图中给出了0.5，4，8，12km 风暴相对速度。
三、回波串（系统串）
回波串：是指一个一个鱼贯移经或移到某 地的一连串（3个以上）雷暴单体（回波）的现 象。 例如：1991年江淮梅雨期200多个中尺度对 流云团。 中尺度系统串：是指一个接一个鱼贯移经 或移到某地的一连串（3个以上）中尺度系统。
二、临近预报方法 ①简单外推法； ②客观外推法； ③概念模型法； ห้องสมุดไป่ตู้统计方法 ⑤经验预报方法统计概念模型法 ⑥中尺度数值预报方法 ⑦经验、统计、概念模型等方法与中尺度 数值预报方法相结合的方法。
三.地闪风暴的监测和跟踪
Holle等人认为用定向探测器网的闪电数据可用于日常的短时预 报和临近预报：（1）探测地闪风暴；（2）用于警告目的的跟踪地闪 风暴；（3）了解地闪风暴何时形成，变强或消散；（4）在一个较短 时段内显示地闪活动的区域及移向。
雷暴（雷电）预报和预警
20世纪70或80年代，在美国多次发生雷击航天发射 器事故，肯尼迪宇宙空间研究中心（KSC）、空军联邦 航空管理局（FAA）、航空航天局（NASA）兰利研究 中心和新墨西哥理工大学联合研究，10年，建立闪电监 测网和KSC发射场的雷电预警系统，很少再出现雷击事 件。这一雷电预警系统包括 （1）短时雷暴潜势的预报； （2）短时雷暴监测跟踪； （3）当预报8km范围内可能有地闪（落雷）时，发 布雷电警报。
用TMJ和K指数作预报雷 暴点聚图（A为主要出现事件 区域；B为出现不出现的混合 区；C主要不出现事件区域。
2、多元回归方程方法
Y=b0+ b1 x1 + b2 x2 +· · · · bn xn ···+
预报量 Y=1，雷暴出现；预报量 Y=0，雷暴不出现。
3、参数化方法
将有效位能（CAPE）与对流云引发的闪电活动联系起来。 CAPE参数与对流云云顶高度有一定的关系，闪电频率也与对流云 云顶高度相关，Prince和Rind（1992）发现了闪电频率也与对流云 云顶高度相关的参数化方法。 云顶高度H与CAPE的关系： H=0.47（CAPE）0.44 陆地上闪电频率F与云顶高度H的关系：F=3.4410 -5 H4.9
一、雷暴的移动
在日常业务中，人们常使用雷达回波、卫星 云图闪电定位仪以及高空风资料作雷暴天气系统 的移动的预报。
1、预报雷暴移动的方法
(1)、用平均风速方法估算风暴的移动速度
Maddox（1976）通过计算地面、850、700、 500、300、和200hap高度的平均风速，统计平均 风速与雷暴移动速度与移动方向之间的关系得到： 雷暴以平均风速的75%的速度移向平均风右侧的 30º 方向。
第一节 雷暴的潜势预报
一、“成功的雷暴预报”的含义
Golde 20世纪60-70年代给出标准，以锋面移动和 不稳定气团引发的雷暴预报为例，假若预报一个相当
大的区域里（水平尺度为几百公里）有雷暴，而未来
该区内若有适当数目的雷暴出现则预报就是“成功的 ”。
二、雷暴潜势预报流程
输 入 资 料 显示环流形势
45WS（美国空军第45 天气中队）开发的预报方法。 1、局地辐合方法
局地辐合闪电临近预报规则
2、雷达方法
雷达闪电临近预报规则
六.雷电预报的决策树方法
在机场附近有对流单体 和闪电吗？ 机场附近有 雷暴威胁 在机场附近有弱降水和 闪电吗？ 在机场附近有单体但是否 未探测到闪电？ 机场附近无 雷暴威胁 在机场附近有弱VIL或闪 电相伴的强反射率吗？ 在机场附近有伴随VIL的 闪电吗？
槽线以东：气旋性切变 大，产生>3cm的冰雹
西侧：逆环流，上升气 流伴随着冷空气，下沉 气流伴随着暖空气
槽线 气旋性 切变区
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(2)、用平均风速方法估算风暴的移动 速度的修正
Davies和Johns（1993）对用平均风速方法 估算风暴的移动速度的方法进行了修正： 当平均风速v15m/s时，风暴以平均风速的 75%移向0~6km平均风向的右方30º 。 否则，风暴以平均风速的85%移向0~6km平均 风向的右方20º 。 该方法减少了在较强的平均风环境下风暴移 速与平均风之间的偏差。
(5)、采用座标时的计算方法
先取为0.85~0.30各层u、v分量计算出平均风矢，将平 均风矢右转角（30度），将速率乘以（例如0.75）即得。
(6)、其它方法
在朱乾根教授等的《天气学原理和方法》一书中写到： 风暴运动方向一般偏向于对流云中层的风的右侧，这类风暴 称为“右移强风暴”，但是有的风暴也可以是左移的。 飑中系统生成后，会有规律地向前移动，飑线上的单体 移动的方向基本上与850-500hpa的平均风向一致，有时略偏 右。 另外飑线还有向着最不稳定的地区移动的趋向。 飑线移动的速度取决于大尺度天气形势、中尺度高压强 度地形等因子。
1989年10月14日2000UTC至10月15日 1000UTC时段内一次强风暴的地闪回击点的情况
四.第一次云地闪开始时间的预报
Smith用红外云图云顶冷却率研究预报第一次云地闪开始 时间：第一次云地闪经常发生在红外云图中最初云顶冷却率超 过0.5C/min之后30min或更长的时间。
五.45WS的经验预报方法
第三节 强雷暴天气分析举例
环流型对雷暴的发生发展和维持的作用是：持 续输送大量的潮湿空气，引气不稳定能量的释放， 提供雷雨云发展及维持的有利环境条件。如：
流 层高 对 层
D
1016hpa
墨
西 哥 湾
美国中西部大平原 强对流天气发展的环流模型
冷涡附近深厚积雨云发展区（影区）和 对流活动拟制区（圆点影区）分布模型
东侧：正环流，暖空 气上升，冷空气下沉
第四节
地闪的临近预报和预警
一.成功的临近预报方法的含义
用亚特兰大奥运天气保障办公室（OWSO）给出的标准：如果 在赛场能听到雷声，或者在预报的有效时间内，在距赛场9.3km范围 内，国家雷电探测网（NLDN）数据流指示出有闪电，就认为闪电预 报是成功的。 大量的研究表明：发现闪电初生指标到第一个云地闪出现的滞后 时间或预警时间的中值约为7.5分钟。
（2）风向垂直切变与雷暴云的传播方向
当低层为南风，高层为西风（风随高度顺转） 时，雷暴云一般向其前进方向（对流层中层风向 的右侧）传播。
辐合
v2
辐散
最大相对流入
v2
最大相对流出
现存云的运动
辐散 辐 v1 合
风向随高度顺转，有利于风暴云向右传播
风暴运动方向
雷暴云整体向单体移向的右侧偏移
在预报雷暴移动时，还要考虑江、河、糊、海及山脉 等地理条件的影响。白天沿河岸移动，很少过河（湖）。 锋面雷暴可越过河，但要减弱（夜间相反）。受山脉阻挡 时会顺山脉移动，有时在山区打转并从山口“夺路而出”。
(3)、用平均风速方法估算风暴的移 动速度的进一步修正
Davies（1998）对用平均风速方法估算风 暴的移动速度的进一步修正： 把风速划为三个风速段，0-10m/s：1115m/s：大于15m/s。这一修正，大大改进了弱 风环境下风暴移动的预报。
(4)、用环境垂直风廓线估算强雷暴移动速度
Colquhoun（1980）根据在上升气流和下沉气流之间 的质量通量的平衡估算强雷暴移动速度，方法假设： ①被上升气流和下沉气流带进、带出风暴的空气相等， 下沉气流的起始高度是450hpa。 ②上升气流和下沉气流中的空气流动速度达到最大时， 风暴强度达到最大。 ③相对于风暴，上升气流从前面接近，下沉气流从后 面接近。 当v>0.0m/s时，预报有右移的超级单体； 当v<0.0m/s时，预报有左移的超级单体； 当v=0.0m/s时，预报无偏移左右的运动。
判断是否属于雷暴环流型
y
N
计算与雷暴产生有关的物理参数
代人自动化、客观化预报方程
判断是否有雷暴
y
N
本地区未来有雷暴
雷暴潜势预报流程框图
本地区未来无雷暴
三、雷暴客观预报方法
1、点聚图法 印度德里地区季风来临之前5-6月雷暴。使用修正的Jefferson（TMJ ）和George（K）指数作点聚图预报。 TMJ=1.6w850-T500-0.5DPD700-8.0 K= T8500 - T500+ TD850 -DPD700 式中w850=850pha的湿球位温； T500= 500phaD的干球温度； DPD700=700pha的温度露点差； T850 = 850pha的干球温度； TD850 = 850pha的露点温度。
二、雷暴云的传播
1、雷暴云的平移和传播 雷暴云或强雷暴产生后，有两种作用使它产 生移动： 一种是大范围水平气流使云体不断平移，移 乡接近于云体中层高度上大范围水平气流的方向。
另一种是云体外围不断地形成新的雷暴单体， 而老云逐渐消散下去，使人们产生云体似乎在整 体移动的感觉。这种云体新陈代谢的现象叫做雷 暴的传播。
雷暴的传播一般又分两种情况： 一种情况是在原来云体前部增生新云，而后 部又在消散，结果看来云是在前进。
（+）
辐合
c<vc
辐散
（–）
c>vc （–） 消 散 （+） 新云生成
风速随高度增大时有 利 于雷暴向前传播
2、风速、风向垂直切变与雷暴云的传播
方向
（1）风速随高度增加与雷暴云的传播方向 当风速随高度增加时，假定云内风速上下一致， 这样就在云的前部低空产生辐合，高空产生辐 散（如图4-1）。有利于在云的前部有上升运动 发展，有新的雷暴单体产生，而在云的后部则 相反，有利于下沉运动发展，使原来的雷暴单 体消散。总效果使人看到有云体向前方传播。
F=8.51 10 -7 （CAPE）2.2
还可以通过计算最大垂直速度云顶高度H的关系估算出F。
Wmax =0.276H 1.73 F=1.439 10 -8 H7.86
第二节 雷暴的移动和传播
1991年长江流域暴雨天气过程中， 经统计有200多个中尺度暴雨云团沿梅雨 锋自西向东移动，所到之处都出现了大到 暴雨的天气。不难看出，在做好强雷暴天 气发生发展预报的同时，准确地估计和预 测雷暴天气系统的移动在雷暴天气的监测 和预警业务中也是十分重要的。
AWIPS预报 决策树示意图
三.举例
vx：风暴相对环境风；v：环境风；c：风暴移速 vx=v-c
246º /15
0.5km 12km 0 8km 10
4km
m/s
由12个龙卷雷暴平均的风暴相对风廓线
图中大圆圈代表上升气流核，双箭头表示 风暴移动速度，图中给出了0.5，4，8，12km 风暴相对速度。
三、回波串（系统串）
回波串：是指一个一个鱼贯移经或移到某 地的一连串（3个以上）雷暴单体（回波）的现 象。 例如：1991年江淮梅雨期200多个中尺度对 流云团。 中尺度系统串：是指一个接一个鱼贯移经 或移到某地的一连串（3个以上）中尺度系统。
二、临近预报方法 ①简单外推法； ②客观外推法； ③概念模型法； ห้องสมุดไป่ตู้统计方法 ⑤经验预报方法统计概念模型法 ⑥中尺度数值预报方法 ⑦经验、统计、概念模型等方法与中尺度 数值预报方法相结合的方法。
三.地闪风暴的监测和跟踪
Holle等人认为用定向探测器网的闪电数据可用于日常的短时预 报和临近预报：（1）探测地闪风暴；（2）用于警告目的的跟踪地闪 风暴；（3）了解地闪风暴何时形成，变强或消散；（4）在一个较短 时段内显示地闪活动的区域及移向。