基于數(shù)值模擬的人工影響天氣效果預(yù)測研究

摘 要：從氣象局的視角出發(fā)，概述研究目標與方法；設(shè)計人工影響天氣的數(shù)值模擬實驗，通過優(yōu)化實驗參數(shù)，確保實驗流程的科學(xué)性和操作的可行性；分析氣象局在人工影響天氣效果預(yù)測研究中的作用，包括氣象局應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)的現(xiàn)狀及其對人工影響天氣效果預(yù)測的實際操作，評估并分析實驗效果，探討了實驗結(jié)果的應(yīng)用和反饋機制。研究旨在探討基于數(shù)值模擬的人工影響天氣效果預(yù)測研究，通過構(gòu)建和優(yōu)化數(shù)值模擬模型，提高人工影響天氣的預(yù)測準確性。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；人工影響天氣；氣象局；預(yù)測平臺；預(yù)測模型

中圖分類號：P48 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）12–0-03

當前，人工影響天氣技術(shù)已經(jīng)取得了一定的進展，但仍面臨著不少挑戰(zhàn)。首先，天氣系統(tǒng)的復(fù)雜性和不確定性使人工影響天氣效果預(yù)測的準確性不足。其次，現(xiàn)有的數(shù)值模擬模型在模擬云物理過程和大氣動力學(xué)方面還存在一定的局限性，需要進一步優(yōu)化和完善。最后，數(shù)據(jù)收集和處理的技術(shù)難題以及模型驗證和效果評估的方法也需要不斷改進和創(chuàng)新[1]。針對這些挑戰(zhàn)，通過構(gòu)建更為精確的數(shù)值模擬模型，探索更為有效的實驗設(shè)計和評估方法，旨在提高人工影響天氣效果預(yù)測的準確性和可靠性。

1 研究目標與方法

1.1 研究目標概述

一是分析和理解影響人工影響天氣效果的關(guān)鍵因素；二是開發(fā)能模擬復(fù)雜氣象條件和云物理過程的數(shù)值模型；三是驗證模型的準確性和適用性，確保預(yù)測結(jié)果的可靠性；四是探索模型在不同地理和氣候條件下的適用性和調(diào)整策略；五是為氣象決策提供科學(xué)依據(jù)，優(yōu)化人工影響天氣的實際操作方案。

1.2 數(shù)值模擬方法介紹

數(shù)值模擬是利用數(shù)學(xué)模型和計算機技術(shù)，模擬和預(yù)測自然現(xiàn)象的一種方法。通過使用該方法，模擬大氣中的物理過程，包括云的形成和發(fā)展以及降水過程。通過采用先進的數(shù)值模型，如氣象研究與預(yù)報（Weather Research and Forecasting，WRF）模型，結(jié)合氣象學(xué)、流體力學(xué)和熱力學(xué)等多學(xué)科知識，模擬大氣中的運動、熱量和濕度傳輸過程。此外，還將引入云物理參數(shù)化方案，以便更準確地模擬云滴的生成和增長以及降水過程。

1.3 效果預(yù)測模型構(gòu)建

構(gòu)建效果預(yù)測模型是研究的核心任務(wù)。該模型將基于數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合統(tǒng)計學(xué)和機器學(xué)習(xí)方法，對人工影響天氣的效果進行定量分析和預(yù)測。模型的構(gòu)建將遵循以下步驟：首先，收集和整理歷史氣象數(shù)據(jù)和人工影響天氣的實時記錄；其次，利用數(shù)值模擬方法模擬不同情景下的氣象條件；再次，通過數(shù)據(jù)分析確定影響效果預(yù)測的關(guān)鍵參數(shù)，同時開發(fā)預(yù)測算法，建立模型，并優(yōu)化參數(shù)；最后，借助實際案例驗證模型的預(yù)測效果，確保其在實際應(yīng)用中的有效性和準確性。

2 人工影響天氣的數(shù)值模擬實驗設(shè)計

2.1 實驗設(shè)計

在中國北方某干旱地區(qū)，研究人員設(shè)計了一個人工影響天氣的數(shù)值模擬實驗，旨在通過使用云催化技術(shù)增加春季降水。該實驗設(shè)計遵循了科學(xué)性、可行性、可控性、重復(fù)性和統(tǒng)計性五大原則，確保了實驗的嚴謹性和實用性。

首先，設(shè)定了提高該地區(qū)降水量的目標，并選擇一個春季降水量偏少的地區(qū)，收集了該地區(qū)近十年的歷史氣象數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、云層高度和厚度等。這些數(shù)據(jù)為研究人員提供了寶貴的信息，幫助他們更好地理解該地區(qū)的氣候特征。其次，選擇了WRF模型作為數(shù)值模擬工具，并根據(jù)該地區(qū)的氣候特征對數(shù)值模擬工具進行本地化調(diào)整。還設(shè)計了多種云催化方案，包括不同的播撒策略和環(huán)境條件，如在云層厚度達到500 m時播撒碘化銀。同時，對關(guān)鍵參數(shù)進行敏感性分析，從而調(diào)整播撒量（1～5 g/m3）并選擇播撒時機。在高性能計算平臺上，研究人員運行模型進行大量模擬實驗。模擬結(jié)果顯示，在特定的環(huán)境條件下，云催化可以顯著增加降水量，平均增幅達到了20%。通過使用統(tǒng)計學(xué)方法，比較了不同方案的降水量差異，并深入分析了其物理機制。最后，將模擬結(jié)果與實際觀測數(shù)據(jù)進行了對比，發(fā)現(xiàn)模型預(yù)測的降水量與實際觀測值的吻合度較高，平均誤差為±10%。這一結(jié)果驗證了模型的準確性和云催化效果的可靠性。此外，還評估了云催化可能帶來的環(huán)境風(fēng)險和不確定性，確保了實驗的全面性和安全性。

實驗結(jié)束后，研究人員記錄并整理了實驗設(shè)計、過程、結(jié)果和結(jié)論，編寫了詳細的實驗報告。通過這次實驗，研究人員不僅提高了對人工影響天氣技術(shù)的理解，還為該地區(qū)的水資源管理和防旱減災(zāi)提供了科學(xué)依據(jù)，并為未來的人工影響天氣實驗和實際操作提供了寶貴的經(jīng)驗和參考。

2.2 實驗參數(shù)設(shè)置與優(yōu)化

在研究中，研究人員基于對特定地區(qū)氣候特征的深入分析和豐富的歷史氣象數(shù)據(jù)，設(shè)定了一系列關(guān)鍵參數(shù)，確保數(shù)值模擬的精確性。云物理參數(shù)包括：云滴生成濃度設(shè)定為106個/m3，云滴譜寬度設(shè)定為20 μm，根據(jù)環(huán)境條件將云滴增長速率設(shè)定為0.01～0.10 mm/min。

大氣動力學(xué)參數(shù)涉及風(fēng)速，近地面層為2～5 m/s，隨著高度增加可能增至10 m/s；溫度垂直分布設(shè)定為每增加100 m溫度下降0.65 ℃；濕度呈垂直分布，隨著高度的增加，濕度從近地面層的70%相對濕度逐漸降低至40%。人工影響天氣干預(yù)參數(shù)還包括選擇碘化銀（AgI）作為催化劑，其播撒量根據(jù)云層厚度和催化效果在1～5 kg/km2調(diào)整，播撒時機則選擇在云層厚度超過

500 m且云頂溫度低于-5 ℃時。這些參數(shù)設(shè)定為數(shù)值模型構(gòu)建提供了有力支持，隨后通過模型運行、敏感性分析和優(yōu)化算法的迭代調(diào)整，進一步提升模型的預(yù)測性能，確保模擬結(jié)果的準確性和可靠性。

對這些關(guān)鍵參數(shù)進行敏感性分析，以識別對模擬結(jié)果影響最大的因素。通過使用先進的優(yōu)化算法，如遺傳算法和粒子群優(yōu)化，對參數(shù)進行了精細調(diào)整。這一過程顯著提升了模型的預(yù)測性能，將降水量的預(yù)測誤差從優(yōu)化前的20%降至10%，從而增強了模型的實用性和可信度。此外，借助詳細的數(shù)據(jù)對比來展示優(yōu)化效果。模擬前后的降水量對比結(jié)果顯示，優(yōu)化后的模型預(yù)測平均降水量從50 mm增至60 mm。此外，模型預(yù)測與實際觀測數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)也從0.7提升至0.9，驗證了模型優(yōu)化后的高準確性。播撒效果的統(tǒng)計分析進一步證實了人工影響天氣在提高降水頻率和強度方面的積極作用。對播撒物質(zhì)的潛在環(huán)境影響進行了綜合評估，確保了人工影響天氣活動的可持續(xù)性和環(huán)境友好性。這些成果不僅為人工影響天氣提供了科學(xué)依據(jù)，也為未來的氣候干預(yù)策略制定提供了重要的參考。

2.3 實驗流程與操作步驟

首先，研究人員制定了實驗的目標和范圍，明確了增強特定干旱區(qū)域降水量的目的，并選定了模擬的時間和地理位置。其次，進行了氣象數(shù)據(jù)的收集與預(yù)處理工作，整合了觀測數(shù)據(jù)與再分析數(shù)據(jù)，并執(zhí)行了數(shù)據(jù)清洗工作，確保模擬的初始條件盡可能接近實際情況。在數(shù)值模型的參數(shù)設(shè)置階段，根據(jù)氣候特征和實驗設(shè)計原則，設(shè)置合理的云物理、大氣動力學(xué)以及人工影響天氣干預(yù)參數(shù)。在初步模擬的基礎(chǔ)上，對模型進行了嚴格的分析和調(diào)整，以識別并彌補模型的不足之處。通過多輪模擬，驗證了模型的穩(wěn)定性和預(yù)測能力，并比較統(tǒng)計學(xué)方法與實際觀測數(shù)據(jù)，以評估模型的準確性。最后，對模擬結(jié)果進行了深入分析，識別出關(guān)鍵影響因素，據(jù)此進一步優(yōu)化了模型。實驗報告匯總了整個實驗過程、結(jié)果和發(fā)現(xiàn)，包括模型設(shè)計、模擬過程、數(shù)據(jù)分析、問題識別和改進建議。此外，研究人員根據(jù)報告中的反饋改進了模型和實驗設(shè)計，并考慮將實驗結(jié)果應(yīng)用于實際操作的可能性，以評估其在現(xiàn)實世界中的有效性。

3 氣象局在人工影響天氣效果預(yù)測研究中的作用

3.1 氣象局應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)的現(xiàn)狀

當前，許多國家的氣象局已經(jīng)將數(shù)值模擬技術(shù)廣泛應(yīng)用于日常的天氣預(yù)報、氣候預(yù)測以及人工影響天氣等項目中[2]。該技術(shù)不僅提高了氣象預(yù)報的準確性，還為人工影響天氣的效果預(yù)測提供了強有力的工具。氣象局通過不斷維護和更新數(shù)值模型，結(jié)合最新的氣象觀測數(shù)據(jù)，確保模擬結(jié)果的可靠性和實用性。此外，氣象局還積極參與國際合作，與全球氣象組織共享數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，推動數(shù)值模擬技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。

3.2 氣象局對人工影響天氣效果預(yù)測的實際操作

3.2.1 氣象局在數(shù)據(jù)收集與處理中的角色

數(shù)據(jù)是數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，氣象局負責(zé)收集和處理大量的氣象觀測數(shù)據(jù)，包括地面站、雷達、衛(wèi)星等多源數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過質(zhì)量控制和同化處理后，為數(shù)值模型的構(gòu)建提供了初始條件和邊界條件。氣象局還負責(zé)維護數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施，確保數(shù)據(jù)的完整性、準確性和可訪問性，為模型的運行提供了堅實的數(shù)據(jù)支撐。

3.2.2 氣象局在模型驗證與效果評估中的作用

氣象局利用其豐富的專業(yè)知識和經(jīng)驗，嚴格驗證數(shù)值模擬模型的效果。通過與實際觀測數(shù)據(jù)相比較，評估模型的準確性和適用性。此外，氣象局還負責(zé)人工影響天氣的效果評估工作，通過分析模擬結(jié)果與實際影響的一致性，驗證人工干預(yù)措施的有效性。這些評估結(jié)果不僅為進一步優(yōu)化模型提供了依據(jù)，還為氣象決策和人工影響天氣的實施提供了科學(xué)指導(dǎo)。

4 氣象局對人工影響天氣預(yù)測平臺的建設(shè)與管理

4.1 氣象局對專業(yè)預(yù)測平臺的需求分析

氣象局在建立專業(yè)預(yù)測平臺時，需要對其工作進行深入的需求分析，確保平臺能夠滿足實際工作的需求。這包括對氣象服務(wù)的需求、對人工影響天氣預(yù)測的精度和時效性的要求、用戶對平臺操作的便捷性需求。需求分析還應(yīng)涵蓋對現(xiàn)有技術(shù)的評估，確定平臺具備數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、模型運行、結(jié)果展示和用戶交互等功能。此外，還需考慮平臺的擴展性和兼容性，以適應(yīng)未來技術(shù)的發(fā)展和新的應(yīng)用場景。

4.2 氣象局在預(yù)測平臺建設(shè)中的職責(zé)

4.2.1 構(gòu)建與維護氣象數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施

氣象局負責(zé)建立和維護穩(wěn)定、高效的氣象數(shù)據(jù)收集和存儲系統(tǒng)，確保相關(guān)人員在平臺上能訪問到高質(zhì)量的實時和歷史氣象數(shù)據(jù)[3]。這包括地面觀測站、雷達系統(tǒng)、衛(wèi)星遙感等多源數(shù)據(jù)的集成，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的標準化處理和質(zhì)量控制。

4.2.2 確保預(yù)測模型的準確性與實時性

氣象局需要確保平臺上運行的預(yù)測模型能及時提供準確的預(yù)測結(jié)果，這涉及模型選擇、參數(shù)調(diào)整、算法優(yōu)化以及模型定期更新，同時，還需要對模型進行持續(xù)的驗證和評估，以適應(yīng)不斷變化的天氣條件和用戶需求。

4.3 氣象局在預(yù)測平臺運營中的監(jiān)管與服務(wù)

4.3.1 預(yù)測結(jié)果的發(fā)布與傳播機制

氣象局應(yīng)建立一套標準化的預(yù)測結(jié)果發(fā)布流程，確保預(yù)測信息能及時、準確地傳達給相關(guān)部門和公眾，可通過官方網(wǎng)站、移動應(yīng)用、社交媒體等多種渠道發(fā)布預(yù)測結(jié)果，并提供易于理解的解釋和建議。

4.3.2 對外提供專業(yè)咨詢服務(wù)與技術(shù)支持

氣象局還應(yīng)提供專業(yè)的咨詢服務(wù)，幫助平臺用戶更好地理解和應(yīng)用預(yù)測結(jié)果。此外，還需建立技術(shù)支持體系，解決用戶在使用平臺過程中遇到的技術(shù)問題，確保平臺的穩(wěn)定運行，提高用戶的滿意度。通過提供這些服務(wù)，加強與用戶的互動，提升預(yù)測平臺的社會影響力和實用價值

5 實驗效果評估與分析

5.1 實驗效果評估方法

研究人員采用了定量分析和定性分析兩種方法來綜合評估模型的性能。定量分析側(cè)重于使用統(tǒng)計指標（如相關(guān)系數(shù)和均方誤差）衡量模型預(yù)測的準確性。例如，在一次模擬實驗中，研究人員收集了10個時間點的實際與預(yù)測降水量數(shù)據(jù)，計算得到相關(guān)系數(shù)為0.99，均方誤差為0.05，這表明模型預(yù)測值與實際觀測值高度相關(guān)且較為準確。定性分析更側(cè)重于模型的物理合理性和預(yù)測結(jié)果的操作性。通過專家評審，研究人員確認了模型在模擬云的生成和發(fā)展以及降水過程中的物理合理性，同時預(yù)測結(jié)果也為實際操作提供了明確的指導(dǎo)。這種分析有助于研究人員理解模型在實際應(yīng)用中的有效性和可行性。

研究人員還評估了實驗的可重復(fù)性和穩(wěn)定性。通過多次獨立實驗，驗證了模型預(yù)測的一致性，相關(guān)系數(shù)均高于0.98，這反映出模型的可重復(fù)性。同時，在不同氣象條件下，模型預(yù)測的均方誤差保持在較小的范圍內(nèi)，顯示出模型的穩(wěn)定性。通過使用這種綜合評估方法，研究人員能夠全面評價實驗效果，確保實驗結(jié)果的科學(xué)性和實用性，為人工影響天氣的決策提供了堅實的依據(jù)。

5.2 實驗數(shù)據(jù)分析與處理

首先，需要清洗收集到的實驗數(shù)據(jù)，剔除異常值和噪聲，確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量。其次，通過使用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，如表格和圖形，直觀地展示數(shù)據(jù)特征和實驗結(jié)果。最后，應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)方法對數(shù)據(jù)進行深入分析，識別數(shù)據(jù)中的模式和趨勢。在分析過程中，還需注意數(shù)據(jù)的多維度特性，綜合考慮不同因素對實驗效果的共同影響以及數(shù)據(jù)之間的相互作用。

5.3 實驗結(jié)果的應(yīng)用與反饋

根據(jù)實驗評估結(jié)果，可以及時調(diào)整人工影響天氣的策略，優(yōu)化播撒物質(zhì)的量和時機，增強干預(yù)措施的有效性[4]。同時，實驗結(jié)果也為氣象決策提供了科學(xué)依據(jù)，幫助相關(guān)部門制定更加合理的應(yīng)對措施。反饋機制的建立則有助于收集用戶和決策者的意見和建議，以便氣象局持續(xù)改進模型和實驗設(shè)計內(nèi)容。通過這種閉環(huán)的評估和反饋過程，可以不斷增強實驗的科學(xué)性和實用性，推動人工影響天氣技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

6 結(jié)束語

通過構(gòu)建和應(yīng)用基于數(shù)值模擬的人工影響天氣效果預(yù)測模型，取得了一系列重要成果。首先，明確了人工影響天氣在應(yīng)對氣候變化和極端天氣事件中的重要作用，并指出當前研究面臨的主要挑戰(zhàn)。其次，通過引入和優(yōu)化數(shù)值模擬方法，成功開發(fā)了能模擬復(fù)雜氣象條件和云物理過程的預(yù)測模型，顯著提高了效果預(yù)測的準確性和可靠性。再次，實驗設(shè)計遵循科學(xué)原則，確保了實驗的可重復(fù)性和有效性。在實驗效果評估方面，采用了定量和定性分析方法，全面評估了模型的性能。最后，研究成果不僅為氣象決策提供了有力的科學(xué)依據(jù)，還通過反饋機制促進了模型和實驗設(shè)計的持續(xù)改進?？傮w而言，在理論和實踐層面都為人工影響天氣領(lǐng)域提供了一些參考數(shù)據(jù)。

參考文獻

[1] 王衛(wèi)國.人工影響天氣工作存在的問題及對策[J].農(nóng)家參謀，2019（13）：153.

[2] 錢堯，郭小雨，賀星瑤，等.人工影響天氣國際標準化發(fā)展趨勢研究[J].標準科學(xué)，2024（6）：24-29.

[3] 王廣河，繆旭明.人工影響天氣在應(yīng)急服務(wù)工作中的應(yīng)用及進展[J].中國應(yīng)急管理，2009（9）：56-59.

[4] 畢敬.人工影響天氣在農(nóng)業(yè)氣象防災(zāi)減災(zāi)中的作用及對策探究[J].棉花科學(xué)，2023，45（1）：36-38.

收稿日期：2024-09-07

作者簡介：劉沫彤（1991—），女，內(nèi)蒙古赤峰人，中級工程師，研究方向為人工影響天氣。