雷暴预警预报的研究进展

雷暴作为极端天气事件中的一种,不仅常产生强降水、破坏性大风和冰雹等严重的天气灾害,而且还伴有雷电,造成雷击灾害,给工农业生产和人民生活都可带来严重的损失。因此对雷暴的预警预报研究变得尤为重要,也促使其理论、技术及应用都取得了很大的发展。本文对有关雷暴预警预报技术的一些研究结果和进展如雷暴的潜势预报、雷暴的临近预报、雷电活动的观测信息在雷暴天气预警中的指示作用及雷暴云的数值模拟等方面进行了归纳和综述,总结了各方面研究所涉及的重要问题及主要进展,并对未来发展进行展望。      

雷暴预警预报的研究进展

雷暴作为极端天气事件中的一种,不仅常产生强降水、破坏性大风和冰雹等严重的天气灾害,而且还伴有雷电,造成雷击灾害,给工农业生产和人民生活都可带来严重的损失。因此对雷暴的预警预报研究变得尤为重要,也促使其理论、技术及应用都取得了很大的发展。本文对有关雷暴预警预报技术的一些研究结果和进展如雷暴的潜势预报、雷暴的临近预报、雷电活动的观测信息在雷暴天气预警中的指示作用及雷暴云的数值模拟等方面进行了归纳和综述,总结了各方面研究所涉及的重要问题及主要进展,并对未来发展进行展望。     

雷电临近预警方法和系统研发

为满足高速发展的现代社会对雷电预警预报气象服务日益增加的需求,中国气象科学研究院研发了雷电临近预警系统(CAMS_LNWS).CAMS_LNWS采用了多资料、多参数和多算法集成的雷电临近预警方法,能够综合利用雷达、卫星、闪电监测系统、地面电场仪和探空仪等的观测资料,参考天气形势预报产品和雷暴云起电、放电模式运行的结果,结合区域识别、跟踪和外推算法与决策树算法,自动生成雷电活动潜势预报结果和雷电临近预警结果,并提供多种形式的雷电临近预警产品,以满足不同的应用需求.该系统人机界面友好,参数接口丰富,简单易用,有利于在各地区的推广应用.同时该系统采用了模块化的结构设计,具有灵活的扩充性,便于今后对预警方法的不断升级和改进.     

T213/T639数值产品在河南省 雷电潜势预报中的释用

利用河南省地面观测站1960-2005年的雷暴观测资料分析了全省雷暴活动的时空分布特征.根据雷暴活动特征和雷暴天气产生的环境场条件,基于T213/T639数值模式输出产品计算了多个大气动力、热力参数,经诊断分析及相关性分析后选取与地闪关系较好的对流稳定度指数、850 hPa假相当位温、400～850 hPa垂直风切变等5个参数作为预报因子,采用ADTD地闪定位资料和T213/T639数值模式输出产品,分别建立雷电潜势预报模型.雷电潜势预报方法于2008-2009年在河南省汛期业务中应用评估表明,基于T213/T639数值产品的雷电潜势预报技术方法可以为河南省雷电天气的落区预报提供客观定量的参考和依据,且两者都对低槽切变型预报效果最好.     

雷电研究的回顾和进展

该文从雷电定位技术的研发、北京地区闪电特征和时空分布、闪电活动与强对流天气过程、雷电预警预报研究、雷电物理过程研究和雷暴起电放电数值模式研究6个方面综述了雷电研究的一些结果和近期的研究进展。通过对雷电多方面的研究, 对雷电放电特征有了较系统地了解, 特别是对北京地区的雷电时空分布特征有了较清晰地认识; 在雷电预警预报技术和方法、雷电物理过程等方面也取得了一些重要进展。但由于雷电发生的时空随机性和瞬时性, 对闪电放电物理过程的观测试验和理论研究十分困难, 目前对我国闪电活动规律的认识也仍然不够全面。因此需要对雷暴内动力、微物理和起电放电过程及它们之间的相关性开展深入和长期的基础研究, 加深对雷电发生发展特征的认识和理解, 这将为雷电预警预报以及雷电监测资料在强对流天气过程的监测预警中发挥更重要的作用提供理论基础; 而在雷电激发和传输研究的基础上, 开展地闪连接过程和不同频段雷电电磁辐射对电子设备的破坏效应等雷电成灾机理研究, 将为雷电防护技术的提高提供科技支撑。     

基于相似预报法的宁夏雷电潜势预报业务系统

以宁夏雷暴、闪电观测资料和ECMWF、T213数值预报产品为基础,采用VB、VC语言和MS SQL Server数据库等编程技术,研制开发了基于相似预报法的宁夏雷电潜势预报业务系统。系统在客观形势相似和影响系统判别的基础上进行物理量相似离度分析,可提供0～168h环流形势和物理量相似预报结果,并以相似离度最小的前10(20)个最佳相似个例中的一个作为预报蓝本,以人机交互的方式完成0～12h雷电潜势预报的制作与分发,增强了雷电潜势预报的客观化和自动化;实现了历史雷电数据的查询、统计、输出、保存、添加入库及闪电信息的统计显示等功能,成为宁夏雷电潜势预报制作发布的主要工作平台。     

关于提高天气预报准确率的几个问题

提高天气预报准确率是气象业务的一项基础性、系统性的工作。作者从天气预报的业务技术体系着眼,借鉴发达国家的发展经验,分析了提高天气预报准确率的若干问题,提出了发展精细化的预报技术体系,将数值预报模式、天气学预报方法、动力诊断和统计释用及基于卫星和雷达等现代探测技术的短时临近预警技术相结合的预报技术路线;提出了有利于精细化预报的业务体系,即发展以定量降水预报、台风预报和灾害性天气短时临近预警为重点的专业化预报业务体系;指出专家型预报队伍的建设是提高预报业务水平的关键环节。     

基于WRF模式物理量参数的雷电潜势MOS预报方法研究

该文采用ADTA闪电定位仪资料和WRF模式输出资料,利用MOS方法开展雷电潜势预报研究。通过研究获取了对贵州地区雷电潜势影响较大的几个物理量因子,也利用这几个物理量因子建立了雷电潜势预报方程,通过检验此雷电潜势预报方程对贵州地区的雷电潜势预报有一定的参考作用。     

Logistic回归联合ROC曲线模型在雷电潜势预报中的应用

利用贵阳站2020年1-10月逐日探空资料和闪电监测资料,逐一选取72个物理量参数纳入单因素逻辑回归,筛选具有显著性统计学意义（P＜0.001）的指标进入多因素逻辑回归模型,选取满足检验条件P＜0.05的参数得到雷电潜势预报模型,通过logistic回归联合ROC曲线模型开展雷电潜势预报研究。结果表明：①多因素逻辑回归模型预警效果优于单因素模型,预警准确度从75.4%提高到79.5%;②联合ROC曲线确定预报模型的概率阈值为0.611,雷电潜势预报的命中率POD为84.01%％,虚假警报率FAR为26.05%,临界成功指数CSI为69.38%,准确率较高,雷电潜势预报具有较好的预报能力;③Logistic回归模型联合ROC曲线法在气象预测预报,特别是非线性预测中有一定的应用价值。     

一种可业务化的雷电潜势预报方案

利用2000～2005年的闪电定位资料、常规气象观测资料,实时业务应用的数值预报产品以及NCEP/NCAR再分析资料等,基于雷电发生的天气学分型和完全预报方法原理,以可业务实时实现为原则,对广州地区雷电的短期潜势预报进行了研究,引入了"马赛克化"、不确定度概念以及多元回归、线性/非线性拟合方程等数学统计方法,得到一种较有效的雷电短期潜势预报方案,该预报方案在实时业务预报中试用,预报结果对雷电潜势预报具有参考价值.     

雷电临近预警系统在四川省的推广应用

为了提高四川省防雷减灾工作效率,推动雷电服务数字化、网络化、集约化、规范化、标准化,实现快速、准确、高效的雷电短时临近预警,四川省防雷中心协助中国气象科学研究院,共同研制开发了“四川省雷电短时临近预警系统”.目前四川省防雷中心已经结合本地的实际情况开展雷电临近预警业务试运行.同时在成都、凉山、眉山、绵阳、乐山等市州气象台进行区域化雷电监测预警预报推广应用,初步实现雷电监测预警预报业务和服务,并在2010 ～2011年几个重大天气过程中成功进行了雷电预警预报,同时对当地气象台站进行强天气过程预测预报提供了辅助手段,得到了有关职能部门及当地各级政府的充分肯定.     

基于闪电距离判定、雷达产品阈值控制的雷电预警算法研究

从研发专业雷电临近预警服务产品及提高其时效性的目的出发,以0.01°×0.01°栅格、6min为一个预警单元,在雷达阈值控制的雷电临近预警模型的基础上,对每个预警网格进行前5个时段内所发生闪电与网格的距离计算,按闪电逼近网格的距离和变化趋势确定预警规则,生成当前时刻往后6min栅格、重点区域雷电发生情况的临近预警产品,并对模型的预报成功率进行了定量和定性化的评估,结果表明该模型相比传统依靠雷达阈值控制进行雷电临近预警的方法在栅格、区域的预报准确率都有一定的提高,计算速度快,可以较好地被应用到实际特别是专业雷电临近预警服务中。     

基于卷积神经网络的雷电临近预警模型

从研究人工智能雷电临近预警模型的目的出发,以卷积神经网络模型为基础,结合多个时间序列的雷达产品(组合反射率、液态水含量、回波顶高)与闪电数据,对雷电临近预报方法进行基于卷积神经网络结构的应用,以福建省2017—2018年雷达、闪电数据为样本完成了模型的训练与预测研究。训练结果显示,15~30 min模型训练样本测试集准确率为0.7985;选取福建省2019年20个雷电过程验证分析表明,15~30 min模型对动力抬升型雷电过程预警TS评分为0.716,夏季局地热雷暴预警TS评分为0.694,与常规采用雷达、闪电阈值控制的雷电预警算法相比,准确率有一定的提高,具有一定的实践意义。     

基于观测系统模拟试验的海表气象观测站点布局方案研究

为了科学设计黄渤海海洋气象边界层观测站网并研究观测网布局对数值天气预报模式的影响,本文采用模式误差、海洋气象要素特征区域资料统计分析和观测系统模拟试验（OSSE）方法,根据边界层雾、层云降水、小风与中等风速天气条件设计布局方案,并分析站点观测要素对数值预报模式的要素预报的影响。模拟试验数据使用了每6 h NCEP再分析资料FNL（NCEP Final Operational Global Analysis data）、NCEP每天平均的高分辨率海温资料RTG_SST（Real-Time Global Sea Surface Temperature）和石油平台、浮标站等每小时实况观测资料,评估了黄渤海海洋气象站网布局各个方案的优缺点。评估结果表明,湿度和风的要素预报受实况风向风速条件影响,偏东和偏北风个例湿度要素预报较好。然而,在偏南中等风速个例中,风场预报要素更接近实况。温度场的分析综合结果显示,在海气相互作用影响较大的天气过程中,特征区域布站能明显提高温度要素的预报准确率。最后,综合分析多项模拟试验的结果,给出了改进数值预报准确率的海洋布站建议。     

人工智能技术在数值天气预报中的应用

当前,人工智能迎来第3次发展浪潮并在多个领域大数据分析中取得巨大成功,这为人工智能技术与数值天气预报结合提供了契机。已有大量研究尝试将人工智能技术用于数值天气预报的初值生成、预报和产品应用过程中,涉及观测资料预处理、资料同化、模式积分、后处理以及高性能计算,通过误差估计、参数估计和局部代理等手段使预报结果,得到改进且计算速度大幅提升,展示出良好的应用前景,一些神经网络模型也表现出纯数据驱动预报的可能性,在短时强对流天气、降水以及气候预测中已有较为理想的应用实例。然而,人工智能技术在数值天气预报中的应用与发展仍面临一些挑战,主要包括深度学习的弱解释性、不确定性分析以及两者的耦合等,除了应对这些挑战,未来两者的深度结合还需要在理论指导下的人工智能模型设计、高时空分辨率人工智能预报模型设计以及使用更多新型人工智能技术等方面深入探索。     

集合数值预报在洪水预报中的应用进展

水文集合预报是近几年正在形成和发展的水文预报分支,其发展大致可分为两个阶段:第1阶段是1970年至20世纪末进行的长期径流预报,第2阶段从21世纪开始,主要学习气象数值预报中集合预报的概念在短期水文集合预报中的应用。目前,除了单一预报中心的集合预报系统在水文集合预报中应用外,多个预报中心的集合预报大集合也逐渐被应用于流域水文预报,甚至一些小流域的洪水预报。如利用TIGGE(THORPEX Interactive Grand Global Ensemble)集合预报驱动形成的大气-水文-水力的串联系统进行早期的洪水预警研究,将全球集合预报作为洪水模型输入的有限区域模式的初始条件和侧边界条件的研究。这些均表明,基于水文集合预报的洪水预报增加了预报附加值,并能够延长预警提前时间。以欧洲中期天气预报中心的欧洲洪水预警系统(EFAS)和美国NOAA的先进水文预报系统(AHPS)为代表,实现了集合预报在洪水中的实时业务预报,但仍存在数据处理和计算量大,以及如何基于集合水文预报做决策等问题。对于水文集合预报的前处理和后处理的各种技术已处于探索和验证阶段,如何更好地理解基于概率预报的洪水预警决策仍存在许多困难和挑战。     

基于改进遗传小波神经网络的雷暴预报方法

为了进一步提高雷暴预报的准确率,在分析研究雷暴预报方法的基础上,提出了一种了基于改进遗传算法优化小波神经网络的雷暴预报方法(IGA-WNN).该方法利用聚类分析和牛顿迭代法对多种群遗传算法的收敛方向和精度进行改进,避免了种群同质化与局部最优问题,采用改进的遗传算法对小波神经网络的初始权值阈值进行了优化.选用南京地区2008—2009年6—8月的探空和闪电定位资料,使用灰关联法挖掘出关联程度较大的对流参数作预报因子,归一化处理后输入模型,采用独立样本进行预报检验.结果表明,与BP神经网络等方法相比,IGA-WNN预报准确率更高,具有更好的非线性处理能力和泛化性.     

数值预报中卫星资料同化效果实验研究

目前,卫星资料在数值天气预报中的同化应用显著改善了数值预报效果,尤其是在全球数值预报中更为明显.而在区域数值预报中,卫星资料同化应用的影响还需要开展进一步的研究与分析.采用基于GRAPES-3DVar 同化系统和中尺度数值模式WRF 构造的区域数值预报流程,引入NOAA16 卫星资料分别对T213 和T511不同背景场...     

保定地区雷电分布特征及短时预警模型分析

根据保定市近2002—2011年18个地面观测站的雷暴日资料,分析研究了保定市雷电活动的时空分布特点。在此基础上利用保定市11部大气电场监测仪组网实时监测数据,找出电场幅值和上升率两个预警因子确定预警阈值,建立保定雷电短时预警模型。通过对36个雷电样本进行检验：提前30分钟预警的准确率达到60%,前20分钟达到74%,提前10分钟达到88%。结果表明,随着时间临近其预警准确率明显提高,对雷电短时预警具有很好的参考价值。