短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)、冰雹、龍卷風(fēng)等強(qiáng)對流天氣，能在短時(shí)間內(nèi)釋放巨大的能量，摧毀樹木、房屋，破壞公共交通、電力等設(shè)施，甚至造成人員傷亡。精準(zhǔn)預(yù)報(bào)強(qiáng)對流天氣，打出足夠的預(yù)警提前量，對于防災(zāi)避險(xiǎn)、保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。然而，強(qiáng)對流天氣來去匆匆，發(fā)生、發(fā)展、消亡的全過程往往就在一兩個(gè)小時(shí)之內(nèi)，且空間尺度小，監(jiān)測難度大，其精準(zhǔn)預(yù)報(bào)是世界性難題之一。

國家氣象中心牽頭的團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)強(qiáng)對流天氣的預(yù)報(bào)挑戰(zhàn)，通過自主創(chuàng)新和集成創(chuàng)新，深化對極端強(qiáng)降水、龍卷風(fēng)和雷暴大風(fēng)發(fā)生發(fā)展機(jī)理的認(rèn)識(shí)，在此基礎(chǔ)上綜合應(yīng)用雷達(dá)、衛(wèi)星、閃電定位和自動(dòng)站等多源觀測資料及外推預(yù)報(bào)、機(jī)器學(xué)習(xí)與物理機(jī)理相結(jié)合等多種方法，發(fā)展具有對流生成預(yù)報(bào)能力的分類強(qiáng)對流天氣精細(xì)化臨近預(yù)報(bào)預(yù)警新技術(shù)，即“綜合物理機(jī)理和深度學(xué)習(xí)的分類強(qiáng)對流天氣臨近預(yù)警技術(shù)”。

該新技術(shù)產(chǎn)品時(shí)空分辨率可以達(dá)到10分鐘、1公里，能夠顯著提升臨近預(yù)報(bào)性能，實(shí)現(xiàn)由單一資料、缺乏對流生消向物理規(guī)律和機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合、具有對流生消預(yù)報(bào)能力的轉(zhuǎn)變。此項(xiàng)成果在中國氣象局2023年度科技成果評價(jià)中獲評“優(yōu)秀”。

知己知彼，方能百戰(zhàn)不殆。掌握強(qiáng)對流天氣的科學(xué)機(jī)理是對其做出精準(zhǔn)預(yù)報(bào)的前提。該團(tuán)隊(duì)從對極端強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)和龍卷風(fēng)機(jī)理的認(rèn)識(shí)出發(fā)，揭示導(dǎo)致極端強(qiáng)降水的三類對流風(fēng)暴及其強(qiáng)降水特點(diǎn)；發(fā)現(xiàn)邊界層輻合觸發(fā)颮線初始對流的增強(qiáng)機(jī)制，總結(jié)中國龍卷風(fēng)研究進(jìn)展，并揭示造成遼寧開原龍卷風(fēng)發(fā)生的有利條件以及龍卷風(fēng)消亡的機(jī)理……這些研究成果為分類強(qiáng)對流天氣臨近預(yù)報(bào)技術(shù)發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。

在技術(shù)研發(fā)方面，該團(tuán)隊(duì)基于公里尺度高分辨率數(shù)值模式預(yù)報(bào)資料，發(fā)展綜合應(yīng)用物理機(jī)理和機(jī)器學(xué)習(xí)方法以及U-Net深度學(xué)習(xí)模型的對流生成預(yù)報(bào)技術(shù)。針對采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法獲得的臨近預(yù)報(bào)產(chǎn)品極值偏小、模糊等問題，團(tuán)隊(duì)發(fā)展了基于隱空間條件生成模型的3D像素卷積循環(huán)網(wǎng)絡(luò)模型、U2NetDD網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用對抗生成網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，對機(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行了改進(jìn)創(chuàng)新。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)綜合不同的臨近預(yù)報(bào)算法產(chǎn)品，形成基于歷史統(tǒng)計(jì)特征和實(shí)況動(dòng)態(tài)權(quán)重相結(jié)合以及小波變換的融合算法，有效集成不同臨近算法的優(yōu)勢，使預(yù)報(bào)細(xì)節(jié)信息較深度學(xué)習(xí)產(chǎn)品更加清晰。

據(jù)悉，該技術(shù)算法已集成到中國氣象局短臨預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)（SWAN）中，在中央氣象臺(tái)以及北京、河北、河南、青島等省市氣象部門開展測試和應(yīng)用，并通過中國氣象局業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)全部門業(yè)務(wù)應(yīng)用。

該項(xiàng)成果提升了強(qiáng)對流天氣的臨近預(yù)報(bào)能力和精細(xì)化水平，增強(qiáng)了國家氣象中心在強(qiáng)對流預(yù)報(bào)方面的技術(shù)輻射力和影響力；與此同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還通過參加?xùn)|亞中尺度強(qiáng)對流系統(tǒng)和高影響天氣國際會(huì)議、美國氣象學(xué)會(huì)年會(huì)和雷達(dá)氣象國際會(huì)議、歐洲臨近預(yù)報(bào)會(huì)議等國際學(xué)術(shù)交流會(huì)議，推動(dòng)該項(xiàng)科技成果走出國門，發(fā)揮國際影響力。

（作者：王曉凡?責(zé)任編輯：張林）