| 成果简介： |
在全球气候变暖背景下，雷电活动多发，其灾害性影响已上升为全球性公共安全问题。中国作为雷电高发国，年均雷击伤亡近千人，经济损失达百亿元级。雷电防御体系面临显著技术瓶颈。尽管中国已建成闪电定位、大气电场等监测网络，但预警技术仍存在时空精度不足的缺陷。现有预警系统空间分辨率普遍超过10km，无法满足行业定点定量需求；服务产品缺乏基于位置强度的智能应答能力，导致旅游景区等重点场所难以及时响应。技术瓶颈的存在严重制约了防雷减灾效能，亟待通过多模态数据融合、智能算法优化等技术革新实现突破，为高危行业提供精准防控支撑。为此，在安徽省气象局创新发展专项项目“旅游景区雷电风险分级预警方法研究”、国家重点研发计划课题“基于影响的气象灾害预警模型和预警产品研究”等的支持下，安徽省公共气象服务中心和中国气象局公共气象服务中心组成的研究团队经过多年攻关，成功研发出公里级分钟级精细化雷电风险预警技术，将雷电预警精度提升至1km范围、6min间隔，实现从“模糊预警”到“精准预报”的重大突破。
1.研究内容：在黄山风景区及周边，研究团队收集整理了2015年9月到2019年5月8时和20时每日两次安庆站气温和位势高度探空数据、6min间隔的黄山光明顶和铜陵多普勒天气雷达基数据，开展了基于雷达的雷电临近预报技术研究，并建立了雷电风险分级预警模型。
1.1基于雷达的雷电临近预报技术。团队从建模样本准备、雷电临近预报方法建立、预测结果分析、各预报因子重要性的评估4个方面开展雷电临近预报技术研究。(1)建模样本准备。预报因子的选取基于雷电的非感应起电机制，从雷暴云发展强度、旺盛程度及移动趋势3个方面选取雷电临近预报因子。反映雷暴云发展强度因子为0℃、-10℃、-15℃、-20℃、-30℃共5层基本反射率因子(CAPPI)，垂直积分液态水含量(VIL)及其密度(VIL与回波顶高的比值)，以及东北(NE_CAPPI)、东南(SE_CAPPI)、西南(SW_CAPPI)和西北(NW_CAPPI)4个象限的-10℃的CAPPI。反映雷暴云旺盛程度因子为回波顶高(ET)、0℃层以上回波厚度。反映雷暴云移动趋势因子为0℃和-10℃层雷达反射率水平梯度(分别记为0℃_grad和-10℃_grad)等共16项预报因子。将16个预报因子通过线性插值形成1 km×1 km分辨率数据集，利用闪电定位仪数据作为真实雷电发生数据，将闪电出现位置与出现前半小时内半径10km范围内要素进行匹配，形成数据集样本。(2)雷电临近预报方法建立。通过整理得到348 457个样本，随机抽取无雷电样本以平衡样本比例，形成有无雷电样本。有效样本再随机分为训练集和测试集(3∶1)，利用随机森林(RF)、逻辑回归(LR)、K临近(KNN)、贝叶斯(GNB)、支持向量机(SVM)等5种算法训练和测试。结果表明，RF算法TS最高，被选为雷电风险等级预警的核心技术。(3)预测结果分析。采用RF、LR、KNN、GNB、SVM等5种算法对样本进行训练，整体上看5种机器学习算法预测方法准确率相差不大，但不同的算法优势不同。RF算法TS最高，LR算法最低，但漏报较多。KNN和GNB在各项指标没有明显突出方面，各项指标表现相对均衡。(4)各预报因子重要性的评估。研究表明，在各预报因子中，-20℃层CAPPI在RF模型中重要度最高，其次为0℃层以上回波厚度，其数值为30.89，另外大于20的预报因子包括-10℃层CAPPI、0℃层CAPPI、-30℃层CAPPI、VIL和VIL/ET。由此可见，在RF算法中系统强度和旺盛程度两类因子起主要作用。
1.2建立雷电风险分级预警模型。不同行业对雷电的敏感性不同，团队研发了雷电风险分级预警指标。不同行业可以通过关注不同预警级别来满足其需求，高敏感行业可以从雷电风险低级别开始关注，而低敏感行业可以从雷电风险高级别开始关注。雷电风险预警模型在雷电临近预报模型基础上，结合光流法外推的雷达回波强度，利用决策树方法构建雷电风险预警模型。雷电风险预警模型可逐6min生成空间分辨率为1km的网格化产品，实现未来30min内1～3级雷电风险的分级预报。1级表示风险很高，以红色表征；2级表示风险较高，以橙色表征；3级表示存在风险，以黄色表征。该系统在2023年运行稳定。对分辨率为1km逐6min雷电风险预警产品进行检验评估，将预警产品中1级至2级预警与闪电定位仪监测闪电实况进行比较，出现预警的格点，其半径7.5km范围内0～30min监测到闪电，则认为预警正确。依据“高分辨率区域数值预报业务检验评估指标及算法”(2019年)的评分方法，该系统2023年7月1日-8月31日命中率为96.9％，成功率为52.7％。
2.应用成效：2023年5月28日，安徽宁国境内发生雷击事件。闪电定位数据显示，在雷击点附近共监测到9次雷击，分别为12时22分、12时42分、12时43分、12时45分、13时05分、13时14分、13时31分、13时54分、13时56分。团队研发的雷电风险分级预警模型在12时12分预报雷电风险2级，12时18分雷电风险等级提升到1级，达到最高级别。该系统在位置和时间预警方面表现优异。在位置上，12时22分至13时56分发生的雷电均在预警范围内，无漏报；在时间上，第一次预警比第一次闪电提前10min，平均提前18 min。2022年8月26日19时25分，南陵县籍山镇南陵广场发生雷击事件。团队研发的雷电风险分级预警模型在19时整开始预报雷电风险等级2级(较高)，提前25 min；19时06分雷电风险等级加强到1级(高)，提前19min。
3.创新点：通过多模态数据融合、智能算法优化，团队建立精细化雷电预报新方法。整合多普勒雷达基数据、探空资料等，筛选出16项关键雷达特征参数，构建1 km分辨率雷电落区预报模型。采用5种机器学习算法择优训练，TS评分提升8％，达到52.7％。团队研发多要素联合判别的1～3级风险预警产品。在雷电临近预报模型基础上，结合光流法外推的雷达回波强度，利用决策树方法构建1 km分辨率的精细化雷电风险等级预报模型。
4.社会经济效益：团队通过数据融合、算法优选，提升了雷电风险预警的准确性和时效性，为及时、精确的雷电防护提供了科学依据，还有效降低了因雷电引发的经济损失和人员伤亡风险，得到了用户单位的高度评价。团队成果通过高精度雷电预警技术为行业用户及社会公众提供精准、及时的灾害预防指导。基于多源数据融合与智能化算法构建的预警系统提升了雷电预报的时效性与准确性，使景区等高风险区域提前采取分级响应措施。该成果通过降低直接经济损失和人员伤亡增强了社会灾害韧性，也通过科普提升了公众安全意识。其推广应用优化了气象服务产业链条，在维护社会稳定、保障民生安全方面体现重要的公共服务价值。 |
