冰雹天氣分型和預(yù)報(bào)方法研究

摘 要：作為一種極端天氣現(xiàn)象，冰雹對(duì)人類生活、農(nóng)業(yè)和交通等方面造成嚴(yán)重威脅。因此，研究冰雹的天氣分型和預(yù)報(bào)方法顯得尤為重要，旨在深入探討冰雹的定義、形成機(jī)制以及其與氣象環(huán)境的關(guān)系，進(jìn)而對(duì)傳統(tǒng)預(yù)報(bào)方法、氣象數(shù)據(jù)分析與機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)值模擬與預(yù)報(bào)模型等方面進(jìn)行綜合研究，最終構(gòu)建一種綜合性冰雹天氣預(yù)報(bào)方法。

關(guān)鍵詞：冰雹；天氣預(yù)報(bào)；預(yù)報(bào)方法

中圖分類號(hào)：P45 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）06–0-03

冰雹是一種極端天氣現(xiàn)象，不僅會(huì)對(duì)農(nóng)作物和人類生活造成重大影響，還會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。因此，研究冰雹天氣的分型和預(yù)報(bào)方法對(duì)氣象災(zāi)害防范具有重要意義。旨在研究不同類型冰雹天氣特征和預(yù)報(bào)方法，提高冰雹天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，為相關(guān)部門提供決策支持。

1 冰雹天氣的分型

1.1 冰雹的形成機(jī)制

冰雹被定義為一種在雷暴云中形成的降水物，其直徑通常超過5 mm。冰雹的形成機(jī)制復(fù)雜，涉及大氣中的動(dòng)力、熱力過程的協(xié)同作用。冰雹的形成過程可以追溯至雷暴云內(nèi)的強(qiáng)烈上升氣流區(qū)域，即上升氣流的核心區(qū)域。這些氣流帶動(dòng)水滴在云內(nèi)迅速上升，隨著高度的上升，溫度逐漸下降[1]。在適當(dāng)?shù)臍庀髼l件下，水滴會(huì)遇到冰凍層，這是一個(gè)溫度低于0 ℃的區(qū)域。此時(shí)水滴會(huì)迅速冷卻，形成冰的核心。

冰雹的進(jìn)一步發(fā)展涉及凍云滴凝結(jié)增長(zhǎng)。凍云滴的表面吸引云中的水蒸氣，使凍滴逐漸變大。同時(shí)，凍滴被上升氣流帶入云中的不同層次，每經(jīng)過一個(gè)層次，就會(huì)在其表面增加一層冰。這個(gè)過程會(huì)一直持續(xù)到冰雹足夠大，使得上升氣流無法繼續(xù)支撐，最終冰雹從云中墜落。

冰雹的大小、形狀和組成受到多種氣象條件的影響。溫度、濕度、氣流速度等因素在冰雹的形成和發(fā)展過程中起著關(guān)鍵作用。冰雹可以呈現(xiàn)出不同的外形，如球狀、橢圓形或不規(guī)則形狀。其大小可能因氣象條件的不同而差異顯著，從小到大的范圍廣泛[2]。

1.2 冰雹的分類

作為一種多樣性的降水現(xiàn)象，冰雹種類繁多，因其直徑、結(jié)構(gòu)和形狀等得以區(qū)分。不同類型的冰雹在天氣預(yù)報(bào)中具有不同的影響和預(yù)測(cè)難度，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確分類具有重要意義。根據(jù)冰雹的直徑來分類，可以將冰雹分為小冰雹、中等冰雹和大冰雹。小冰雹的直徑通常在5 mm以下，雖然其個(gè)頭較小，但仍然可能對(duì)農(nóng)作物和交通等造成不利影響[3]。中等冰雹的直徑在

2～5 mm之間，具備較強(qiáng)的破壞力，可能會(huì)導(dǎo)致車輛、建筑物等受損。大冰雹直徑超過2 cm，其墜落速度較快，可能會(huì)對(duì)房屋、農(nóng)田、車輛等造成嚴(yán)重破壞。

除了直徑，冰雹的結(jié)構(gòu)和形狀也為其分類提供了依據(jù)。在這個(gè)維度上，冰雹可以被分為球狀冰雹、半透明冰雹和不規(guī)則冰雹。球狀冰雹外表光滑，結(jié)構(gòu)均勻，其在天氣預(yù)報(bào)中相對(duì)較易識(shí)別。半透明冰雹表面透明，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其發(fā)展和降落路徑較為復(fù)雜，不易預(yù)測(cè)。不規(guī)則冰雹則形狀不規(guī)則，表面不光滑，通常由多個(gè)冰塊組合而成，其預(yù)測(cè)和分類較為困難。

不同類型的冰雹給天氣預(yù)報(bào)帶來了挑戰(zhàn)。例如，大冰雹可能會(huì)對(duì)交通、農(nóng)業(yè)和人類安全造成重大威脅，因此需要及時(shí)預(yù)警和防范。而半透明冰雹和不規(guī)則冰雹的軌跡和破壞范圍難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，需要更精細(xì)的氣象數(shù)據(jù)和模型來支持預(yù)報(bào)工作。

1.3 冰雹與氣象環(huán)境的關(guān)系

冰雹的發(fā)生發(fā)展與大氣環(huán)境關(guān)系密切。不同類型的冰雹在形成過程中受到不同的氣象因素影響，包括溫度、濕度、風(fēng)速等，這些因素的綜合作用決定冰雹的特征和規(guī)模。因此，深入理解冰雹與氣象環(huán)境之間的關(guān)系對(duì)提高冰雹天氣的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性至關(guān)重要。

溫度是影響冰雹形成的重要因素之一。冰雹的形成通常需要存在冰凍層，這就要求在一定的高度上，氣溫必須低于0 ℃。溫度的降低有助于水滴在遇到冰凍層時(shí)迅速冷卻并結(jié)冰，從而促進(jìn)冰雹的形成。此外，冰雹的大小和形狀也會(huì)受溫度的影響，較低的溫度可能會(huì)導(dǎo)致冰雹的生長(zhǎng)速度減緩，形成較大的冰雹。

濕度是另一個(gè)影響冰雹形成的重要因素。高濕度有助于在冰雹形成過程中保持水滴的液態(tài)狀態(tài)，從而為冰雹的逐層包裹提供條件。如果濕度較低，水滴可能會(huì)在較低的高度就開始結(jié)冰，形成較小的冰雹。因此，濕度會(huì)影響冰雹的大小和質(zhì)量。

風(fēng)速會(huì)影響冰雹的運(yùn)動(dòng)和降落路徑。強(qiáng)風(fēng)會(huì)影響冰雹在云內(nèi)的分布和形狀，甚至可能使其在云中被撕裂成小塊。風(fēng)速還會(huì)影響冰雹的下落速度和落地位置。

通過對(duì)溫度、濕度、風(fēng)速等因素的綜合分析，可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)不同類型冰雹的發(fā)生概率、規(guī)模和影響范圍。隨著氣象觀測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，有望更好地把握冰雹與氣象環(huán)境之間的關(guān)系，為冰雹災(zāi)害預(yù)報(bào)和預(yù)警提供助力。

2 冰雹天氣預(yù)報(bào)方法

2.1 傳統(tǒng)預(yù)報(bào)方法

在冰雹天氣預(yù)報(bào)領(lǐng)域，傳統(tǒng)方法扮演著重要的角色。主要基于氣象學(xué)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合衛(wèi)星、雷達(dá)等觀測(cè)數(shù)據(jù)，以及地面觀測(cè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行天氣預(yù)判。然而，盡管傳統(tǒng)預(yù)報(bào)方法起到了一定作用，但也存在一定限制。

傳統(tǒng)預(yù)報(bào)方法的核心是基于氣象學(xué)家和氣象專家的經(jīng)驗(yàn)判斷。通過分析氣象現(xiàn)象、觀察云層形態(tài)、風(fēng)向風(fēng)速等數(shù)據(jù)，預(yù)報(bào)員可以根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)對(duì)冰雹天氣進(jìn)行判斷和預(yù)測(cè)。不過這種方法存在主觀性較強(qiáng)的問題，不同預(yù)報(bào)員可能會(huì)有不同的判斷，從而影響預(yù)報(bào)的一致性和準(zhǔn)確性。同時(shí)，傳統(tǒng)預(yù)報(bào)方法依賴于衛(wèi)星和雷達(dá)等觀測(cè)數(shù)據(jù)，但這些數(shù)據(jù)可能受到不同程度的干擾和誤差影響，從而導(dǎo)致預(yù)報(bào)不準(zhǔn)確。尤其是在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)或惡劣氣象條件下，觀測(cè)數(shù)據(jù)可能不完整和不準(zhǔn)確[4]。

傳統(tǒng)方法通常只考慮有限的氣象要素，而沒有充分利用多源數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。冰雹天氣的形成和發(fā)展涉及多個(gè)氣象因素的復(fù)雜相互作用，單一要素的分析難以全面把握其規(guī)律。因此，傳統(tǒng)的冰雹天氣預(yù)報(bào)方法在面對(duì)復(fù)雜多變的氣象環(huán)境時(shí)存在局限性。為了提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和可靠性，需要引入更多的技術(shù)手段和創(chuàng)新方法，充分利用先進(jìn)的觀測(cè)技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，以及數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的預(yù)測(cè)模型，以實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的冰雹天氣預(yù)報(bào)。

2.2 氣象數(shù)據(jù)分析與機(jī)器學(xué)習(xí)

近年來，隨著氣象觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，尤其是機(jī)器學(xué)習(xí)，在冰雹天氣預(yù)報(bào)領(lǐng)域引發(fā)了一場(chǎng)革命。通過利用海量的氣象數(shù)據(jù)，機(jī)器學(xué)習(xí)模型能夠揭示隱藏在數(shù)據(jù)中的模式和規(guī)律，從而顯著提高冰雹天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和可靠性。機(jī)器學(xué)習(xí)在冰雹預(yù)報(bào)中的應(yīng)用主要包括數(shù)據(jù)分析和模式識(shí)別。通過對(duì)歷史氣象數(shù)據(jù)的分析，機(jī)器學(xué)習(xí)模型可以識(shí)別出冰雹發(fā)生的條件和環(huán)境。這包括溫度、濕度、氣流速度等因素的組合效應(yīng)。模型可以發(fā)現(xiàn)不同氣象要素之間的非線性關(guān)系，進(jìn)而建立冰雹發(fā)生的預(yù)測(cè)模式。

機(jī)器學(xué)習(xí)可以識(shí)別出氣象數(shù)據(jù)中的潛在模式和關(guān)聯(lián)規(guī)律，這有助于更好地理解冰雹的形成機(jī)制[5]。例如，通過分析大量的歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)，機(jī)器學(xué)習(xí)模型可以發(fā)現(xiàn)某些特定的氣象模式可能與冰雹發(fā)生有關(guān)，從而指導(dǎo)預(yù)測(cè)工作。機(jī)器學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)在于其能夠處理大規(guī)模、多維度的數(shù)據(jù)，并從中提取有用的信息，更好地把握冰雹天氣的復(fù)雜性，提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。然而，機(jī)器學(xué)習(xí)方法的成功依賴于高質(zhì)量的數(shù)據(jù)和合適的模型。雖然機(jī)器學(xué)習(xí)方法在冰雹預(yù)報(bào)中表現(xiàn)出巨大潛力，但也需要持續(xù)研究和改進(jìn)。數(shù)據(jù)質(zhì)量、模型可解釋性和算法的魯棒性等問題仍有待解決。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，有望更好地利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法來揭示冰雹天氣的規(guī)律，為準(zhǔn)確預(yù)報(bào)和有效防范冰雹災(zāi)害提供有力支持。

2.3 數(shù)值模擬與預(yù)報(bào)模型

作為一種基于物理原理的預(yù)報(bào)方法，數(shù)值天氣模擬近年來在冰雹天氣預(yù)報(bào)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。通過建立數(shù)學(xué)方程組，模擬大氣中溫度、濕度等的變化，數(shù)值模擬可以提供更精確的冰雹天氣預(yù)報(bào)信息，從而準(zhǔn)確評(píng)估和預(yù)測(cè)極端天氣事件的發(fā)生概率。數(shù)值模擬方法的基本原理是將大氣分為一系列網(wǎng)格，然后通過求解一組復(fù)雜的非線性方程，模擬大氣中的物理過程。這包括空氣流動(dòng)、輻射傳輸、湍流等相互作用。數(shù)值模擬能夠考慮多個(gè)因素的復(fù)雜耦合，如地形、氣象要素之間的相互影響等，從而為冰雹天氣的預(yù)測(cè)提供全面的信息。

數(shù)值模擬方法具有高度的靈活性和可調(diào)整性。通過調(diào)整模型的參數(shù)和初始條件，可以模擬不同的氣象環(huán)境，從而預(yù)測(cè)不同類型冰雹的發(fā)生概率和強(qiáng)度。這種方法的預(yù)報(bào)結(jié)果通常具有較高的空間分辨率，能夠揭示細(xì)微的氣象變化。然而，數(shù)值模擬方法應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)如下：第一，模擬的準(zhǔn)確性受限于初始條件和邊界條件的精確性，以及模型本身的參數(shù)選擇；第二，數(shù)值模擬需要大量的計(jì)算資源，包括高性能計(jì)算設(shè)施和大量的氣象數(shù)據(jù)；第三，模型中可能存在不確定性，特別是在模擬復(fù)雜的氣象過程中[6]。

3 綜合性冰雹天氣預(yù)報(bào)方法

3.1 數(shù)據(jù)整合與特征提取

在冰雹天氣預(yù)報(bào)的綜合性方法中，數(shù)據(jù)的整合和特征提取是至關(guān)重要的步驟。這個(gè)過程旨在從多源氣象數(shù)據(jù)中提取有價(jià)值的信息，包括衛(wèi)星觀測(cè)、雷達(dá)數(shù)據(jù)、地面觀測(cè)等，為后續(xù)的預(yù)報(bào)建模和分析提供必要的數(shù)據(jù)支持。

數(shù)據(jù)整合是將不同來源的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和融合的過程。衛(wèi)星可以提供大范圍、高分辨率的觀測(cè)數(shù)據(jù)，而雷達(dá)可以提供具有時(shí)空特征的降水和云信息，地面觀測(cè)站點(diǎn)則提供實(shí)時(shí)的溫度和濕度等數(shù)據(jù)。將這些多源數(shù)據(jù)整合在一起，可以構(gòu)建一個(gè)更全面、多角度的氣象觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。特征提取技術(shù)的應(yīng)用可以將原始的氣象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為更具有解釋性和預(yù)測(cè)能力的特征。特征可以是各種氣象要素的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)、空間分布特征、時(shí)空變化趨勢(shì)等。例如，可以從雷達(dá)數(shù)據(jù)中提取降水強(qiáng)度的時(shí)序特征，從衛(wèi)星數(shù)據(jù)中提取云的高度分布特征。特征提取有助于減少數(shù)據(jù)維度，凸顯數(shù)據(jù)中的重要信息，同時(shí)為后續(xù)的模型訓(xùn)練和分析提供更有針對(duì)性的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)整合和特征提取的目的在于為后續(xù)的預(yù)報(bào)建模做好準(zhǔn)備。預(yù)報(bào)模型可以是基于機(jī)器學(xué)習(xí)的模型，也可以是基于數(shù)值模擬的模型。這些模型將通過分析提取的特征，識(shí)別出冰雹發(fā)生的模式和規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)冰雹天氣的預(yù)測(cè)。值得注意的是，數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性對(duì)整合和特征提取過程至關(guān)重要。不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)可能導(dǎo)致誤導(dǎo)性的特征提取結(jié)果，從而影響預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。因此，在數(shù)據(jù)整合和特征提取過程中，需要進(jìn)行嚴(yán)格的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和驗(yàn)證。

3.2 綜合模型建立

綜合性冰雹天氣預(yù)報(bào)方法的核心在于將機(jī)器學(xué)習(xí)方法與數(shù)值模擬相結(jié)合，以構(gòu)建更為精確和全面的預(yù)報(bào)模型。這種綜合模型可以充分利用機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)能力和數(shù)值模擬的物理基礎(chǔ)，更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)冰雹天氣的發(fā)生概率和強(qiáng)度。

在綜合模型中，機(jī)器學(xué)習(xí)方法主要被用于處理和分析大量的氣象數(shù)據(jù)，識(shí)別冰雹發(fā)生的模式和關(guān)聯(lián)規(guī)律。通過對(duì)歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析，機(jī)器學(xué)習(xí)模型可以學(xué)習(xí)到不同氣象要素之間的復(fù)雜關(guān)系，進(jìn)而建立冰雹發(fā)生的預(yù)測(cè)模型。模型能夠從大量數(shù)據(jù)中提取有價(jià)值的信息，為冰雹天氣的預(yù)測(cè)提供有力支持。同時(shí)，數(shù)值模擬在綜合模型中也扮演著重要角色。數(shù)值模擬可以模擬大氣中的運(yùn)動(dòng)、變化和物理過程，從而為預(yù)報(bào)提供更準(zhǔn)確的依據(jù)。通過將數(shù)值模擬的輸出與機(jī)器學(xué)習(xí)方法的分析結(jié)果相結(jié)合，綜合模型能夠在綜合考慮不同因素的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)冰雹天氣發(fā)生概率和強(qiáng)度的預(yù)測(cè)。

綜合模型的優(yōu)勢(shì)在于能充分利用不同方法，突破各種方法的局限。機(jī)器學(xué)習(xí)方法可以挖掘數(shù)據(jù)中的模式和規(guī)律，解決傳統(tǒng)方法主觀性強(qiáng)、數(shù)據(jù)質(zhì)量不穩(wěn)定的問題；數(shù)值模擬方法可以考慮多個(gè)因素的復(fù)雜相互作用，提供更堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)。綜合模型的預(yù)測(cè)結(jié)果能夠綜合考慮這些因素，具有更高的預(yù)測(cè)精度。然而，構(gòu)建綜合模型也面臨一些挑戰(zhàn)。不同方法的融合需要解決數(shù)據(jù)對(duì)齊、模型融合等問題，同時(shí)還需要考慮模型參數(shù)的調(diào)整和驗(yàn)證等方面。這需要多學(xué)科的協(xié)同和跨領(lǐng)域的合作。將機(jī)器學(xué)習(xí)方法與數(shù)值模擬相結(jié)合構(gòu)建綜合預(yù)報(bào)模型，是一種有前景的冰雹天氣預(yù)報(bào)方法。通過充分利用不同方法的優(yōu)勢(shì)，綜合模型能為冰雹天氣的預(yù)測(cè)提供更準(zhǔn)確和可靠的信息，從而在減輕冰雹災(zāi)害的影響方面發(fā)揮重要作用

3.3 模型優(yōu)化與驗(yàn)證

在綜合性冰雹天氣預(yù)報(bào)方法中，模型的優(yōu)化與驗(yàn)證是確保預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵步驟。通過不斷優(yōu)化模型的參數(shù)和算法，以及利用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證和評(píng)估，可以逐步提升模型的預(yù)報(bào)性能，從而實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確、穩(wěn)定的冰雹天氣預(yù)報(bào)。模型優(yōu)化的過程包括調(diào)整模型的參數(shù)、算法和結(jié)構(gòu)等方面。這需要基于專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，以實(shí)現(xiàn)模型在不同情況下的最佳性能。參數(shù)的選擇和調(diào)整可以通過交叉驗(yàn)證等方法進(jìn)行，以尋找最佳的參數(shù)組合。同時(shí)，模型的算法也可以根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)進(jìn)行選擇，以提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

模型驗(yàn)證和評(píng)估是確保模型性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。利用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，可以評(píng)估模型在以往的預(yù)測(cè)中的表現(xiàn)。這包括對(duì)比模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析預(yù)測(cè)的誤差。模型評(píng)估還可以利用各種統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，如均方根誤差、相關(guān)系數(shù)等，來量化模型的預(yù)測(cè)能力。在模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，可以不斷調(diào)整和優(yōu)化模型，以提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。這可能涉及數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征工程、模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面的工作。優(yōu)化的過程是迭代的，需要多次驗(yàn)證和調(diào)整，逐步靠近最佳的預(yù)報(bào)結(jié)果。模型優(yōu)化和驗(yàn)證的過程需要嚴(yán)密的科學(xué)方法和嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，同時(shí)還需要考慮不同情況下模型的適應(yīng)性和魯棒性。模型在驗(yàn)證集上的表現(xiàn)需要在新數(shù)據(jù)上進(jìn)行驗(yàn)證，以確保其預(yù)報(bào)能力的泛化性。

4 結(jié)束語

通過綜合利用氣象數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)值模擬等技術(shù)手段，提出了一種新的綜合性冰雹天氣預(yù)報(bào)方法。該方法在實(shí)際應(yīng)用中具有較大的價(jià)值，能夠?yàn)闇p輕冰雹災(zāi)害帶來的影響提供支持。然而，預(yù)報(bào)方法的改進(jìn)和優(yōu)化是持續(xù)的，未來需要進(jìn)一步完善預(yù)報(bào)模型，增強(qiáng)其在實(shí)際應(yīng)用中的效果。

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收稿日期：2024-03-03

作者簡(jiǎn)介：王智宇（1981—），男，吉林磐石人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樘鞖忸A(yù)報(bào)、氣象服務(wù)與應(yīng)用氣象等。