冰雹天氣分型和預(yù)報方法研究

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

關(guān)鍵詞：冰雹；天氣預(yù)報；預(yù)報方法

中圖分類號：P45 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）06–0-03

冰雹是一種極端天氣現(xiàn)象，不僅會對農(nóng)作物和人類生活造成重大影響，還會引發(fā)嚴重的經(jīng)濟損失和安全隱患。因此，研究冰雹天氣的分型和預(yù)報方法對氣象災(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)報方法，提高冰雹天氣預(yù)報的準確性，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。冰雹的形成機制復(fù)雜，涉及大氣中的動力、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，水滴會遇到冰凍層，這是一個溫度低于0 ℃的區(qū)域。此時水滴會迅速冷卻，形成冰的核心。

冰雹的進一步發(fā)展涉及凍云滴凝結(jié)增長。凍云滴的表面吸引云中的水蒸氣，使凍滴逐漸變大。同時，凍滴被上升氣流帶入云中的不同層次，每經(jīng)過一個層次，就會在其表面增加一層冰。這個過程會一直持續(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)報中具有不同的影響和預(yù)測難度，對其進行準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，雖然其個頭較小，但仍然可能對農(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，具備較強的破壞力，可能會導(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，可能會對房屋、農(nóng)田、車輛等造成嚴重破壞。

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)報中相對較易識別。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。不規(guī)則冰雹則形狀不規(guī)則，表面不光滑，通常由多個冰塊組合而成，其預(yù)測和分類較為困難。

不同類型的冰雹給天氣預(yù)報帶來了挑戰(zhàn)。例如，大冰雹可能會對交通、農(nóng)業(yè)和人類安全造成重大威脅，因此需要及時預(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確預(yù)測，需要更精細的氣象數(shù)據(jù)和模型來支持預(yù)報工作。

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)系對提高冰雹天氣的預(yù)報準確性至關(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迅速冷卻并結(jié)冰，從而促進冰雹的形成。此外，冰雹的大小和形狀也會受溫度的影響，較低的溫度可能會導(dǎo)致冰雹的生長速度減緩，形成較大的冰雹。

濕度是另一個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，水滴可能會在較低的高度就開始結(jié)冰，形成較小的冰雹。因此，濕度會影響冰雹的大小和質(zhì)量。

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

通過對溫度、濕度、風(fēng)速等因素的綜合分析，可以更準確地預(yù)測不同類型冰雹的發(fā)生概率、規(guī)模和影響范圍。隨著氣象觀測技術(shù)的不斷進步，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)報和預(yù)警提供助力。

2 冰雹天氣預(yù)報方法

2.1 傳統(tǒng)預(yù)報方法

在冰雹天氣預(yù)報領(lǐng)域，傳統(tǒng)方法扮演著重要的角色。主要基于氣象學(xué)知識和經(jīng)驗，結(jié)合衛(wèi)星、雷達等觀測數(shù)據(jù)，以及地面觀測站點的數(shù)據(jù)，進行天氣預(yù)判。然而，盡管傳統(tǒng)預(yù)報方法起到了一定作用，但也存在一定限制。

傳統(tǒng)預(yù)報方法的核心是基于氣象學(xué)家和氣象專家的經(jīng)驗判斷。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)報員可以根據(jù)以往的經(jīng)驗對冰雹天氣進行判斷和預(yù)測。不過這種方法存在主觀性較強的問題，不同預(yù)報員可能會有不同的判斷，從而影響預(yù)報的一致性和準確性。同時，傳統(tǒng)預(yù)報方法依賴于衛(wèi)星和雷達等觀測數(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)報不準確。尤其是在一些偏遠地區(qū)或惡劣氣象條件下，觀測數(shù)據(jù)可能不完整和不準確[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)進行綜合分析。冰雹天氣的形成和發(fā)展涉及多個氣象因素的復(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)報方法在面對復(fù)雜多變的氣象環(huán)境時存在局限性。為了提高預(yù)報的準確性和可靠性，需要引入更多的技術(shù)手段和創(chuàng)新方法，充分利用先進的觀測技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，以及數(shù)據(jù)驅(qū)動的預(yù)測模型，以實現(xiàn)更精準的冰雹天氣預(yù)報。

2.2 氣象數(shù)據(jù)分析與機器學(xué)習(xí)

近年來，隨著氣象觀測技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)驅(qū)動方法，尤其是機器學(xué)習(xí)，在冰雹天氣預(yù)報領(lǐng)域引發(fā)了一場革命。通過利用海量的氣象數(shù)據(jù)，機器學(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)報的準確性和可靠性。機器學(xué)習(xí)在冰雹預(yù)報中的應(yīng)用主要包括數(shù)據(jù)分析和模式識別。通過對歷史氣象數(shù)據(jù)的分析，機器學(xué)習(xí)模型可以識別出冰雹發(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，進而建立冰雹發(fā)生的預(yù)測模式。

機器學(xué)習(xí)可以識別出氣象數(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制[5]。例如，通過分析大量的歷史觀測數(shù)據(jù)，機器學(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)測工作。機器學(xué)習(xí)的優(yōu)勢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)測的準確性。然而，機器學(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。雖然機器學(xué)習(xí)方法在冰雹預(yù)報中表現(xiàn)出巨大潛力，但也需要持續(xù)研究和改進。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，有望更好地利用機器學(xué)習(xí)方法來揭示冰雹天氣的規(guī)律，為準確預(yù)報和有效防范冰雹災(zāi)害提供有力支持。

2.3 數(shù)值模擬與預(yù)報模型

作為一種基于物理原理的預(yù)報方法，數(shù)值天氣模擬近年來在冰雹天氣預(yù)報領(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)報信息，從而準確評估和預(yù)測極端天氣事件的發(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、輻射傳輸、湍流等相互作用。數(shù)值模擬能夠考慮多個因素的復(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)測不同類型冰雹的發(fā)生概率和強度。這種方法的預(yù)報結(jié)果通常具有較高的空間分辨率，能夠揭示細微的氣象變化。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算資源，包括高性能計算設(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)報方法

3.1 數(shù)據(jù)整合與特征提取

在冰雹天氣預(yù)報的綜合性方法中，數(shù)據(jù)的整合和特征提取是至關(guān)重要的步驟。這個過程旨在從多源氣象數(shù)據(jù)中提取有價值的信息，包括衛(wèi)星觀測、雷達數(shù)據(jù)、地面觀測等，為后續(xù)的預(yù)報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、高分辨率的觀測數(shù)據(jù)，而雷達可以提供具有時空特征的降水和云信息，地面觀測站點則提供實時的溫度和濕度等數(shù)據(jù)。將這些多源數(shù)據(jù)整合在一起，可以構(gòu)建一個更全面、多角度的氣象觀測網(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)測能力的特征。特征可以是各種氣象要素的統(tǒng)計指標、空間分布特征、時空變化趨勢等。例如，可以從雷達數(shù)據(jù)中提取降水強度的時序特征，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，同時為后續(xù)的模型訓(xùn)練和分析提供更有針對性的數(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)報建模做好準備。預(yù)報模型可以是基于機器學(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，識別出冰雹發(fā)生的模式和規(guī)律，從而實現(xiàn)對冰雹天氣的預(yù)測。值得注意的是，數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準確性對整合和特征提取過程至關(guān)重要。不準確的數(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)報的準確性。因此，在數(shù)據(jù)整合和特征提取過程中，需要進行嚴格的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和驗證。

3.2 綜合模型建立

綜合性冰雹天氣預(yù)報方法的核心在于將機器學(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)報模型。這種綜合模型可以充分利用機器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)驅(qū)動能力和數(shù)值模擬的物理基礎(chǔ)，更準確地預(yù)測冰雹天氣的發(fā)生概率和強度。

在綜合模型中，機器學(xué)習(xí)方法主要被用于處理和分析大量的氣象數(shù)據(jù)，識別冰雹發(fā)生的模式和關(guān)聯(lián)規(guī)律。通過對歷史觀測數(shù)據(jù)的分析，機器學(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，進而建立冰雹發(fā)生的預(yù)測模型。模型能夠從大量數(shù)據(jù)中提取有價值的信息，為冰雹天氣的預(yù)測提供有力支持。同時，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動、變化和物理過程，從而為預(yù)報提供更準確的依據(jù)。通過將數(shù)值模擬的輸出與機器學(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，實現(xiàn)對冰雹天氣發(fā)生概率和強度的預(yù)測。

綜合模型的優(yōu)勢在于能充分利用不同方法，突破各種方法的局限。機器學(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、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因素的復(fù)雜相互作用，提供更堅實的物理基礎(chǔ)。綜合模型的預(yù)測結(jié)果能夠綜合考慮這些因素，具有更高的預(yù)測精度。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)對齊、模型融合等問題，同時還需要考慮模型參數(shù)的調(diào)整和驗證等方面。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)報模型，是一種有前景的冰雹天氣預(yù)報方法。通過充分利用不同方法的優(yōu)勢，綜合模型能為冰雹天氣的預(yù)測提供更準確和可靠的信息，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)化與驗證

在綜合性冰雹天氣預(yù)報方法中，模型的優(yōu)化與驗證是確保預(yù)報準確性和可靠性的關(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)進行模型驗證和評估，可以逐步提升模型的預(yù)報性能，從而實現(xiàn)更準確、穩(wěn)定的冰雹天氣預(yù)報。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)知識和經(jīng)驗進行，以實現(xiàn)模型在不同情況下的最佳性能。參數(shù)的選擇和調(diào)整可以通過交叉驗證等方法進行，以尋找最佳的參數(shù)組合。同時，模型的算法也可以根據(jù)數(shù)據(jù)特點進行選擇，以提高預(yù)報的準確性。

模型驗證和評估是確保模型性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。利用歷史數(shù)據(jù)進行驗證，可以評估模型在以往的預(yù)測中的表現(xiàn)。這包括對比模型的預(yù)測結(jié)果與實際觀測數(shù)據(jù)，分析預(yù)測的誤差。模型評估還可以利用各種統(tǒng)計指標，如均方根誤差、相關(guān)系數(shù)等，來量化模型的預(yù)測能力。在模型驗證的基礎(chǔ)上，可以不斷調(diào)整和優(yōu)化模型，以提高預(yù)報的準確性和穩(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，需要多次驗證和調(diào)整，逐步靠近最佳的預(yù)報結(jié)果。模型優(yōu)化和驗證的過程需要嚴密的科學(xué)方法和嚴格的實驗設(shè)計，同時還需要考慮不同情況下模型的適應(yīng)性和魯棒性。模型在驗證集上的表現(xiàn)需要在新數(shù)據(jù)上進行驗證，以確保其預(yù)報能力的泛化性。

4 結(jié)束語

通過綜合利用氣象數(shù)據(jù)、機器學(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)報方法。該方法在實際應(yīng)用中具有較大的價值，能夠為減輕冰雹災(zāi)害帶來的影響提供支持。然而，預(yù)報方法的改進和優(yōu)化是持續(xù)的，未來需要進一步完善預(yù)報模型，增強其在實際應(yīng)用中的效果。

參考文獻

[1] 莫麗霞，高憲權(quán)，歐徽寧，等.基于數(shù)值模式產(chǎn)品的廣西冰雹客觀預(yù)報方法研究[J].干旱氣象，2020，38（3）：480-489.

[2] 謝媛.青南地區(qū)冰雹天氣預(yù)報指標研究及風(fēng)險區(qū)劃[J].湖北農(nóng)機化，2020（11）：43-45.

[3] 丁建芳，楊敏，劉磊.河南省冰雹短期預(yù)報方法研究[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，2017，40（1）：47-53.

[4] 周福然，白雪，張翠艷，等.錦州地區(qū)冰雹氣候特征及潛勢預(yù)報方法研究[J].科技風(fēng)，2021（32）：147-149.

[5] 劉曉璐，劉建西，張世林，等.基于探空資料因子組合分析方法的冰雹預(yù)報[J].應(yīng)用氣象學(xué)報，2014，25（2）：168-175.

[6] 郭璐璐，周學(xué)云，高國路.基于多普勒天氣雷達資料的冰雹預(yù)報模型及應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古氣象，2022（2）：35-39.

收稿日期：2024-03-03

作者簡介：王智宇（1981—），男，吉林磐石人，高級工程師，研究方向為天氣預(yù)報、氣象服務(wù)與應(yīng)用氣象等。