区域对流雷暴中首次云对地闪电的预测及闪电风险解除时机的确定

《Electric Power Systems Research》：Prediction of first cloud-to-ground flashes and determination of all-clear timing for lightning risk in regional convective thunderstorms

本研究针对机场雷暴安全预警难题，融合电场测量（FM）、闪电定位系统（LLS）和雷达数据，构建模块化规则预警系统，在格拉茨机场实测中，首次闪电预警中位数为12.8分钟，有效警报率达72.5%，且扩大监测范围不提升核心5公里区域性能，提出两种终止策略平衡总关机时长与误报率。

　　

塞巴斯蒂安·沙茨（Sebastian Schatz）|卢卡斯·施瓦尔特（Lukas Schwalt）|斯特凡·帕克（Stephan Pack）|汉内斯·科尔曼（Hannes Kohlmann）

奥地利格拉茨技术大学，高压工程与系统性能研究所

摘要

云对地（Cloud-to-Ground, CG）闪电对人员安全和机场运营构成重大威胁，需要在较小的操作相关区域内及时发出警报、实施关闭措施并做出可靠的解除危险决定。尽管可以预测雷暴的发展，但在指定半径内预测首次和最后一次CG闪电仍然具有挑战性，尤其是对于自动化或远程控制的机场而言。本研究以奥地利格拉茨机场为例，探讨了基于多传感器和规则的预测方法是否能为机场提供实用的CG闪电预警时间。研究开发了一种实验性的雷暴预警系统，该系统结合了本地电场测量仪（FM）网络的数据、闪电定位系统（LLS）数据以及天气雷达数据。预测参数是根据这些数据源的联合时间演变经验性得出的，并被逻辑地应用于警报和关闭启动标准，以及定义闪电风险解除时间的标准。该系统在2022年至2024年的三个对流性雷暴季节中进行了评估，共涉及79起雷暴事件，其中51起在关键5公里半径内产生了CG闪电。对于在5公里范围内有CG活动的雷暴，所提出的方法实现了12.8分钟的中位关闭预警时间，72.5%的关闭操作在2至30分钟的最佳操作范围内完成，7.8%的预警失败。敏感性分析表明，扩大观测范围会增加无效警报的数量，但不会改善关键5公里区域的预警效果。通过比较两种关闭终止策略，发现减少总关闭时间和增加无效警报频率之间存在权衡。研究结果表明，基于FM、LLS和天气雷达数据的模块化多参数预警方法相比传统操作实践显著提高了预警时间性能，同时仍能适应特定地点的操作要求。这支持了雷暴预警系统在提升机场运营安全性和效率方面的可行性。

引言

雷暴及其伴随的云对地（CG）闪电对机场的人员安全和基础设施有重大影响，同时对建筑工地和公共露天场所也有影响。这些闪电可能导致基础设施故障、运营延误和严重的安全风险。虽然现代天气预测模型能在时间和位置上合理预测雷暴的发展，但首次和最后一次CG闪电的不可预测性仍给户外服务的运营带来挑战。目前，通常由气象学家等人类专家在机场观察天气情况并分析数据以决定是否需要发出警报或关闭指令。然而，越来越多的趋势转向远程空中交通，这意味着专家无法在现场观察实时天气情况。此外，随着航空旅行的普及和航班数量的增加，飞行安全性得到了提升，但地面人员的安全也相应提高了。

机场希望优化雷暴预警时的运营流程。人员安全和基础设施保护是首要任务。此外，任何中断都会带来经济损失，因此关闭时间应尽可能短，但仍需有足够的时间让人们寻找避难所，以避免CG闪电的风险。

为应对这一挑战，选择格拉茨机场作为案例研究。本研究开发了一种结合多种数据源的闪电预测系统，旨在辅助未来气象学家的决策。分析涵盖了2022年、2023年和2024年的数据，重点关注格拉茨机场周围5公里范围内的对流性雷暴季节。数据来源包括安装在奥地利格拉茨机场附近的六个电场测量仪（FM）网络，以及由奥地利闪电检测与信息系统（ALDIS）和Austro Control GmbH（ACG）提供的闪电定位系统（LLS）数据和天气雷达数据（见图1）。据作者所知，这是欧洲首个此类FM网络，也是首次将FM网络数据与LLS和天气雷达数据结合用于闪电预测。

IEC 62,793标准[3]为雷暴预警系统（TWS）的实施提供了规范框架和技术建议，并定义了评估性能的指标（如有效警报（EA）、无效警报（Non-EA）、预警失败（FTW）等）。标准未给出默认值或参数，也未规定阈值的使用方法。本研究展示了如何实现这样的TWS系统。

电场（E-field）测量长期以来一直被认为是分析和理解雷暴行为的有效工具。1973年，佛罗里达州肯尼迪航天中心（KSC）开始使用单个电场测量仪监测地表电场。1974年，该系统扩展为21个FM组成的网络[4]。如今，KSC运营着一个由34个FM组成的网络，提供高分辨率的电场变化数据，以支持详细的雷暴分析[[5]、[6]、[7]]。巴西圣若泽多斯坎波斯（S?o José dos Campos）也运行着一个用于实验性预警的FM网络[8]。

KSC的美国太空计划采用了不同的电场阈值，这些阈值被定义为闪电发射启动标准（LLCC）。在建立FM网络后的初期，如果9公里范围内电场强度超过3 kV/m，则会发出闪电预警（未提供关于数据处理的详细信息）。后来，针对恶劣天气条件和附近的雷暴，增加了1 kV/m的阈值；如果18公里范围内的云层透明或云顶温度高于+5°C，则增加1.5 kV/m的阈值。因此，气象参数被纳入了闪电预警中。

米奇莫托（Michimoto）[10]的研究使用了日本冬季雷暴的10个案例，结合了27个FM网络（基线为10公里）以及天气雷达和VHF定向仪来监测闪电活动。FM数据用于根据电场特征的时间演变将雷暴分为三种类型。比斯利（Beasley）等人[11]分析了KSC的电场测量数据，发现电场强度超过1 kV/m的阈值与闪电风险增加有关。他们的研究表明，在81.3%的案例中，这一阈值能提前10分钟预警闪电；而在剩余的18.7%案例中，首次观测到CG闪电之前电场强度未超过1 kV/m。席尔瓦·费罗（Silva Ferro）[12]扩展了先前的研究，分析了巴西的FM网络，确定了0.9 kV/m的临界电场阈值，可在10公里范围内平均提前13分钟预警闪电。普斯托瓦洛夫（Pustovalov）和纳戈尔斯基（Nagorskiy）[13]在西伯利亚进行了类似研究，分类了与不同雷暴阶段相关的九种电场变化类型，强调了雷暴期间电场的动态特性。最近的发展集中在将电场数据与其他气象观测结合，以提高闪电预测的准确性。

巴拉尼斯基（Barański）[14]研究了基于电场测量重建单个CG闪电的电荷结构和三维电荷源位置，重点关注闪电物理和电荷估算。他们的数据结合了天气雷达数据和LLS数据，以确定物理闪电源模型的参数。他们的研究未涉及雷暴和闪电预警。

蒙塔尼亚（Montanya）[15]研究了西班牙加泰罗尼亚地区三个不同地点的79个雷暴日，应用了20公里半径的预警范围，并分析了不同关注区域（周围1公里、5公里和10公里），使用了LLS和天气雷达数据。他们定义了四种不同的预警标准：CG闪电、云内（IC）放电、预警区域内雷达阈值超出以及这些标准的组合。他们报告的平均预警时间为15分钟，无效警报多于有效警报（未提供具体数值）。他们还记录并分析了部分地点的FM电场测量数据，展示了使用FM进行闪电预警的可能性，但未将其应用于实际预警系统。

阿根廷[16]和日本[17]的最新研究专注于基于本地技术开发FM和FM阵列的应用。虽然这些工作展示了与雷暴测量相关的初步结果，但尚未应用于预测。在另一篇论文中，波夫奇申科（Povcshenko）和巴兹henov[18]比较了各种大气电场测量仪器和技术，旨在确定各自的优缺点。他们的研究结论是，FM仍然是最适合这一目的的设备。

操作背景和定义

本小节讨论了恶劣天气条件下机场的程序，并根据国际航空运输协会（IATA）《机场处理手册》[19]定义了警报和关闭的概念。在所有受影响的设施中，本研究特别关注雷暴活动期间机场启动警报和关闭的操作时间（见图2，阶段1、2和3）。

使用STC1的雷暴关闭预警时间

以下部分比较了该关闭算法在各个观测区域的应用情况。当将四种SIC和STC1应用于51起在关键5公里半径内发生CG闪电的雷暴时，各组的预警时间分布如下（见图6，“5公里，STC1”列）：

• •
  预警时间<2分钟：7.8%
• •
  预警时间2至30分钟：72.5%
• •
  预警时间超过30分钟：

讨论

本研究提出了一种模块化的机场雷暴预警方法，该方法结合了FM网络的电场测量数据、LLS和天气雷达数据。系统旨在完成两项任务：在关键5公里半径内首次CG闪电发生前提供预警时间（警报和关闭启动），并使用预定义的终止标准确定闪电风险解除时间（关闭终止）。

结论

本研究开发了一种基于本地FM网络、LLS数据和天气雷达数据的机场雷暴预警方法。该系统能在5公里半径内首次CG闪电发生前提供预警时间，并使用两种不同的终止标准确定闪电风险解除时间。敏感性分析表明，扩大观测范围不会影响有效警报的数量，但会增加关键5公里半径范围内的无效警报数量。比较...

CRediT作者贡献声明

塞巴斯蒂安·沙茨（Sebastian Schatz）：撰写——初稿、可视化、验证、软件开发、资源管理、方法论设计、数据收集、概念构建。卢卡斯·施瓦尔特（Lukas Schwalt）：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源管理、方法论设计、概念构建。斯特凡·帕克（Stephan Pack）：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理和资金获取、概念构建。汉内斯·科尔曼（Hannes Kohlmann）：撰写——审稿与编辑