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基于数值天气模式及其模式输出的闪电预报研究进展

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地球科学进展 2017年第1期32卷 44-55页

作者：王昊亮刘玉宝赵天良郭凤霞冯双磊王勃气象灾害预报预警与评估协同创新中心、南京信息工程大学江苏南京210044 新能源与储能运行控制国家重点实验室、中国电力科学研究院北京100085 应用研究实验室美国国家大气研究中心(NCAR)BoulderColoradoUSA 80307

鉴于闪电对人类生命、设备安全的威胁、对强对流天气的指示作用及其在大气化学反应链中的重要角色,国内外大量研究人员在中尺度数值天气模式、全球气候模式中开展了闪电预报的研究工作。在数值天气模式中,闪电预报方法可以分为3种:基于... 详细信息

鉴于闪电对人类生命、设备安全的威胁、对强对流天气的指示作用及其在大气化学反应链中的重要角色,国内外大量研究人员在中尺度数值天气模式、全球气候模式中开展了闪电预报的研究工作。在数值天气模式中,闪电预报方法可以分为3种:基于闪电活动发生时的天气背景场统计关系的闪电数值诊断预报;依据云动力、微物理场与起电活动的关系建立闪电率参数化方案;在数值天气模式中耦合详细的起电、放电参数化方案。详细综述了这3种预报方法的研究进展,总结了它们各自的特点,并且对现存的难点问题及未来的发展方向进行了探讨。

关键词：数值天气模式闪电预报强对流天气闪电参数化方案大气化学模式

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利用起放电模式开展闪电活动的直接预报试验

应用气象学报 2018年第5期29卷 534-545页

作者：徐良韬陈双姚雯谌芸张荣中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室/雷电物理和防护工程实验室北京100081 国家气象中心北京100081 中国气象局人工影响天气中心北京100081

利用耦合有起电和放电物理过程的中尺度起电放电模式WRF-Electric,开展了华北地区连续3年(2015—2017年)的闪电活动预报试验。结合全国地闪定位观测资料,针对不同影响范围雷暴类型和预报时间,对数值预报结果开展点对点的定量检验,评估... 详细信息

利用耦合有起电和放电物理过程的中尺度起电放电模式WRF-Electric,开展了华北地区连续3年(2015—2017年)的闪电活动预报试验。结合全国地闪定位观测资料,针对不同影响范围雷暴类型和预报时间,对数值预报结果开展点对点的定量检验,评估模式对闪电活动的预报能力及特点。结果表明:WRF-Electric中尺度模式具备一定的区域闪电活动预报能力,在起报后的6～12 h对闪电活动区域具有较好的预报效果。雷暴落区预报的点对点定量检验中,模式和业务预报在华北主汛期(6—8月)的预报临界成功指数(CSI)均为0.1,模式对于活动范围较小的局地性雷暴过程的预报更具参考价值。模式预报的闪电活动范围相对集中,闪电活动密度偏高,预报的主要问题存在于放电参数化方案的设计。应当考虑到模式空间分辨率对云内电场强度的影响,合理降低闪电参数化中的放电阈值以扩大预报的闪电活动范围。模式在闪电密度的定量预报上还有较大改进空间,单次放电中和电荷量应当更符合观测事实。

关键词：起放电模式闪电预报检验

闪电潜势预报及飑线过程中闪电雷达资料综合应用的初步研究

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闪电潜势预报及飑线过程中闪电雷达资料综合应用的初步研究

作者：黄延刚南京信息工程大学

学位级别：硕士

雷电是一种能造成重大人员伤亡和财产损失的大气自然现象。闪电定位资料在雷电和强对流天气预警预报中的应用为雷电防护提供了重要手段,对减少雷电灾害具有重要的作用。本文讨论了广州市6～9月雷电的时间变化特征,据此寻找闪电活动与大... 详细信息

雷电是一种能造成重大人员伤亡和财产损失的大气自然现象。闪电定位资料在雷电和强对流天气预警预报中的应用为雷电防护提供了重要手段,对减少雷电灾害具有重要的作用。本文讨论了广州市6～9月雷电的时间变化特征,据此寻找闪电活动与大气状态参数之间的关系,提出广州闪电潜势预报的初步方法,并分析了一次飑线过程中闪电和雷达资料之间的关系,为雷达资料在闪电临近预报中的应用积累基础资料。第一章首先介绍了本文研究工作的目的意义和国内外关于雷电、多普勒天气雷达的发展应用情况。第二章通过闪电定位资料,分析了广州市夏季6～9月闪电和回击的时间变化特征,发现闪电和回击主要出现在13:00～21:00,这与夏季经常出现午后强对流天气密切相关;各个时刻负闪、负回击频数均多于正闪、正回击;电流值一般是正闪、正回击大于负闪、负回击。第三章根据广州市闪电的时间变化特征,利用6～8月闪电定位资料和MICAPS探空资料,分析了闪电活动与大气状态参数之间的关系:闪电活动与大气参数有一定的相关性;并且超过阈值参数的总个数越多,闪电发生的概率越大,反之概率越小,并利用9月1～15号资料进行了验证;根据7个所选参数分析了闪电频数和电流与各参数的线性回归关系。第四章分析了一次飑线过程中多普勒雷达特征和闪电特征以及它们之间的关系,为雷达资料在闪电临近预警预报中的应用积累基础经验。第五章,指出此项研究工作中还存在的不足之处,并提出了下一步的工作和进一步研究的方向。

关键词：闪电定位地闪闪电预报多普勒天气雷达

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基于WRF模式的闪电预报方法研究

基于WRF模式的闪电预报方法研究

作者：姜蕾北京交通大学

学位级别：硕士

近年来,人工智能技术得到了社会的广泛关注,利用人工智能方法解决实际问题日渐成为主流。众所周知,每年的自然灾都会危害人们的正常生活,给国家、社会造成严重的财产损失和人员伤亡。而雷暴是最具威胁的自然灾害之一。雷暴的产生、强度... 详细信息

近年来,人工智能技术得到了社会的广泛关注,利用人工智能方法解决实际问题日渐成为主流。众所周知,每年的自然灾都会危害人们的正常生活,给国家、社会造成严重的财产损失和人员伤亡。而雷暴是最具威胁的自然灾害之一。雷暴的产生、强度和移动方向等特征很难通过人工分析方法准确做出判断。传统上,气象方面对雷暴自然灾害的预测受制于人工经验,耗费精力,效率不高,国内目前对雷暴预测还没有一套行之有效的方法,因此,如何利用计算机技术,改进目前国内雷暴预测方法,使雷暴预测更加准确,减少损失,是目前亟待解决的问题。气象上应用范围较广的闪电预报方法是结合中尺度预报模式输出的动力、微物理参量综合分析,判断该位置在未来短时间内是否会有闪电发生。模式输出的参量数据,同时在时间和空间都有很强关联性,输出的每个参量数据同时包含了经度、纬度、时间、计量单位和数值等信息,这给闪电预报带来很大挑战。为了解决雷暴预报带来的困难,在本文中我们利用这些输出信息,首先提出了一种基于位置修正的闪电预报方法。以一定经纬度范围为单位,要预测某一位置在短时内是否发生闪电,以预报时刻前一小时实际测量到的闪电为基础,计算其局部偏移向量和局部偏移向量,结合二者对WRF模式输出的闪电预报结果进行修正,验证闪电位置预报的可行性。从实验结果中,该方法能够对闪电位置进行有效修正,但是,该方案是在地面实际测量的闪电数据基础上进行的,WRF模式每次计算可以输出未来12小时的闪电预报结果,而实际测量时无法满足该方案的实施条件,无法应用在实际气象上的闪电预报中。因此,我们进一步改进实验模型,应用传统机器学习方法,根据气象上WRF模式输出的数据集的特殊性提出了一种闪电预报方式,设计出一种WRFTree模型。首先对中尺度预报模式输出的参量数据进行选择,选出对闪电预报贡献较大的参量,然后利用这些参量,对京津冀地区近三年的数据进行测试,进行短时闪电预报。实验结果表明,该方法优于目前气象上传统的闪电预报方法,仅仅利用冰、雪、霰离子浓度混合比三个参量,TS评分在6—12小时闪电累积预报结果可以达到0.117,比传统参数化闪电预报方法的6小时累积高出0.054,准确率达到0.430,四公里邻域法0.383,准确率达到0.527,在六公里邻域法评分TS达到0.395,准确率达到0.594。实验结果表明,我们的方法明显优于目前气象上主流的闪电预报方法。

关键词： WRF模式闪电预报位置修正机器学习

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基于深度时空数据模型的闪电预报方法研究

基于深度时空数据模型的闪电预报方法研究

作者：林天阳北京交通大学

学位级别：硕士

闪电是一种严重的自然灾害,其造成的危害不容小视。准确的闪电预报能帮助人们规避风险,降低损失。传统闪电预报包括基于外推的方法和基于数值模式的方法等,但是这些基于物理模型的方法在性能方面尚有很大的提升空间。本文充分考虑闪电... 详细信息

闪电是一种严重的自然灾害,其造成的危害不容小视。准确的闪电预报能帮助人们规避风险,降低损失。传统闪电预报包括基于外推的方法和基于数值模式的方法等,但是这些基于物理模型的方法在性能方面尚有很大的提升空间。本文充分考虑闪电活动及其他气象要素的时间和空间属性,把闪电预报问题建模为时空序列预测问题,并应用深度神经网络构建有效的闪电预报模型和系统。本文的主要工作包括以下两个方面。第一,本文提出了一种带有注意力机制的深度学习模型——ADSNet,以实现逐时段的高分辨率网格闪电预报。ADSNet发挥了双源数据的优势,编码器-解码器框架将历史观测资料与数值模式数据自然地融合。应用于通道域的注意力机制实时地调整数值模式各种参量的信息比例,以增强模型的长期预报能力。第二,本文以ADSNet为基础,提出了多源异构数据融合模型AHSNet。它将自动气象站数据作为额外的数据源,扩增了预报可利用的信息量。针对离散化的站点数据与网格化数据难以融合的难点,本文设计并实现了插值和卷积融合两种解决方案。这两种方案不仅适用于闪电预报任务,也可为其他任务中类似的数据融合问题提供借鉴。本文在京津冀地区真实数据集上检验了所提方法的效果。相比于3种常用的闪电参数化方案,ADSNet模型可将12小时闪电预报的格点对格点综合评价指标提升2～3倍,命中率提升1～2倍。AHSNet的两种版本则进一步改善了6小时闪电预报效果。本文还在实验部分进行了消融研究,充分验证了所提的数据融合方式和注意力机制的有效性。

关键词：闪电预报时空数据挖掘深度学习注意力机制

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北京地区闪电活动结束特征及预报试验

热带气象学报 2015年第1期31卷 112-118页

作者：石玉恒李迅张义军丁德平谢庄山笑李锐锋北京市气象服务中心北京100089 中国气象科学研究院雷电物理和防护工程实验室北京100081 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081 北京市突发事件预警信息发布中心北京100089 朔州市气象局山西朔州036001

基于雷达资料,SAFIR3000资料分析了北京地区10次雷暴个例。讨论了闪电活动结束与40 d Bz回波顶高以及超过30 d Bz的回波体积之间的关系。两个因子结合使用的预报试验结果表明,仅漏报1次,虚警1次,准确率80%,闪电活动在30 min内结束,即可... 详细信息

基于雷达资料,SAFIR3000资料分析了北京地区10次雷暴个例。讨论了闪电活动结束与40 d Bz回波顶高以及超过30 d Bz的回波体积之间的关系。两个因子结合使用的预报试验结果表明,仅漏报1次,虚警1次,准确率80%,闪电活动在30 min内结束,即可较好地指示北京地区雷暴闪电活动结束。

关键词：闪电活动结束闪电预报雷达回波总闪频次

湖北省“8.30”强雷雨天气闪电预报特征分析

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湖北农业科学 2018年第16期57卷 33-36页

作者：李国樑李俊李享余田野王小飞湖北省防雷中心武汉430074 湖北省气象信息与技术保障中心武汉430074

利用湖北省闪电定位资料、多普勒天气雷达以及气象卫星的观测资料,从环流背景、系统形成机理、雷达反射率、回波顶高、垂直液态水含量和云图特征等方面,对湖北省2014年8月30—31日的一次强雷雨天气过程进行分析。结果表明,在中尺度对流... 详细信息

利用湖北省闪电定位资料、多普勒天气雷达以及气象卫星的观测资料,从环流背景、系统形成机理、雷达反射率、回波顶高、垂直液态水含量和云图特征等方面,对湖北省2014年8月30—31日的一次强雷雨天气过程进行分析。结果表明,在中尺度对流云团的影响下产生雷雨天气,雷雨天气过程发生时间及区域与雷达强回波形成时间和位置相吻合。当区域回波强度大部分在40 d BZ以上,最大达到45d BZ;回波顶高大部分在9 km以上,最大达到17 km;K指数≥36和垂直液态水含量大部分在6 kg/m2以上,最大达到20 kg/m2时,对强对流天气的雷电预报有明确的指示作用。

关键词：闪电预报探测资料特征相关性分析湖北省

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利用WRF模式进行闪电活动的直接预报

利用WRF模式进行闪电活动的直接预报

基于闪电定位和雷达资料的邵阳地区雷电预报预警研究

创新驱动发展提高气象灾害防御能力——第30届中国气象...

作者：徐良韬张义军王飞郑栋中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室

目前的闪电活动预报主要有两类形式,一类是利用雷达、卫星以及闪电定位等资料基于风暴追踪等算法所进行的雷电预警,这类方法在短时内具有较高准确率,但是在2小时以后的预报中预报评分等都会迅速下降。另一类闪电预报方法则主要基于数值... 详细信息

目前的闪电活动预报主要有两类形式,一类是利用雷达、卫星以及闪电定位等资料基于风暴追踪等算法所进行的雷电预警,这类方法在短时内具有较高准确率,但是在2小时以后的预报中预报评分等都会迅速下降。另一类闪电预报方法则主要基于数值天气预报模式,由于数值模式具有较长的预报时效,所以可以在2小时以后的闪电活动预报中进行应用,从而与第一类雷电预警方法形成相互的补充。利用数值预报模式进行闪电活动的预报,又可以分为两种方法。一种是基于数值模式预报的动力和微物理场,利用各种与闪电发生密切相关的参数来预测闪电发生的可能,这类方式可以称为闪电活动的间接预报。而另外一类就是将各种粒子电荷浓度的预报方程直接的引入微物理方案,然后基于预报的云内电荷结构计算场强,通过放电参数化方案来给出闪电活动。这种方法不是基于统计参数和代用指标,而是将起电和放电的物理过程直接引入模式,可以称为闪电活动的直接预报方法。由于闪电活动的直接预报更符合闪电产生的物理机制,所以随着模式对于云内电过程把握得更加准确,直接预报的方法将具有更多的潜力。本文利用耦合了起电放电物理过程的WRF（WeatherResearchandForecasting）模式,对华北地区2008年6月23日一次雹暴天气过程行了闪电活动的直接预报试验。模拟时间从2008-6-230600UTC到1200UTC,共模拟6小时。模拟使用了包含起电放电物理过程的Morrison双参数微物理方案,同时利用ARPS-ADAS系统在初始场中同化了北京雷达站（Z9010）的雷达径向风和反射率因子资料（如图1）。模式具备闪电活动的模拟能力,可以利用全国地闪监测网数据对比模拟闪电密度的分布情况。如图2为模拟时间内3-6小时（0900UTC-1200UTC）的观测（a）和模拟（b）闪电密度分布情况。由图2可以看出在闪电活动的分布范围上,模拟的结果同观测结果比较一致,由于模拟的是总闪,而观测的仅是地闪分布,因此在闪电密度量值上模拟的结果偏大。

关键词：中尺度模式闪电预报起电 WRF

来源： cnki会议评论

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气象与环境学报 2021年第3期37卷 117-124页

作者：周明薇王道平罗龙友王少娟郭斌湖南省气象灾害防御技术中心湖南长沙410007 气象防灾减灾湖南省重点实验室湖南长沙410118 湖南省邵阳市气象局湖南邵阳422000

选取2018年夏季邵阳地区的17个雷暴单体和9个非雷暴单体,分析了单体30 dBz、35 dBz和40 dBz回波顶高及0℃、-10℃和-20℃层超过30 dBz、35 dBz和40 dBz的回波面积与闪电发生的关系,利用40 dBz回波顶高、-10℃层以上超过40 dBz的回波面... 详细信息

选取2018年夏季邵阳地区的17个雷暴单体和9个非雷暴单体,分析了单体30 dBz、35 dBz和40 dBz回波顶高及0℃、-10℃和-20℃层超过30 dBz、35 dBz和40 dBz的回波面积与闪电发生的关系,利用40 dBz回波顶高、-10℃层以上超过40 dBz的回波面积及其与单体总面积的百分比对该地区闪电进行预报。结果表明:雷暴单体和非雷暴单体在回波强度为40 dBz时,超过0℃、-10℃和-20℃三种层结高度所占百分比的差值最大。-10℃层的40 dBz回波顶高较其他层结高度能更好地区分邵阳地区的雷暴单体与非雷暴单体。-10℃层以上超过40 dBz的面积所占单体总面积百分比大于1%这一阈值时,可作为区分雷暴单体和非雷暴单体的一个有效预警指标。综合使用40 dBz回波顶高、-10℃层以上超过40 dBz的回波面积及其与单体总面积的百分比对12个单体样本进行检验,雷暴单体预报的准确率达66.7%,非雷暴单体判断的准确率为83.3%。

关键词：闪电预报临近预警雷达回波回波面积