闪电如何帮助预测风暴

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任何人都可以通过计算闪电和雷声之间的秒数来判断雷暴有多远。拥有超级计算机的气象学家可以利用闪电数据做出更复杂的预测。

俄克拉荷马大学气象学家Ming Xue领导的一个团队上个月在《大气科学进展》杂志上报道了一种将闪电数据纳入雷暴预测模型的新方法（https://link.springer.com/article/10.1007/s00376-023-2340-2）。早期使用闪电的努力主要集中在区域地面闪电探测器网络上（https://www.earthdata.nasa.gov/learn/sensing-our-planet/cloud-to-cloud-forecasting-storm-severity-with-lightning）。2016年，美国国家海洋和大气管理局（NOAA）发射了地球静止运行环境卫星（GOES）-16（https://eospso.nasa.gov/missions/geostationary-operational-environmental-satellite-16）和-17（https://www.noaa.gov/jetstream/satellites/goes-west-goes-17），这些卫星配备了用于探测闪电的相机，从而可以观察闪电是如何在美国两大洲的大部分地区演变的。

安装在卫星上的设备既有可能更好地了解闪电和雷暴之间的关系（https://journals.ametsoc.org/view/journals/mwre/148/5/mwr-d-19-0365.1.xml），也有可能利用闪电数据改进雷暴预报（https://www.mdpi.com/2072-4292/13/4/682）。事实上，在一次早期使用中，预报员曾预测，一场有威胁的风暴将绕开户外音乐会（https://www.nesdis.noaa.gov/news/tracking-lightning-space-how-satellites-keep-you-safe-during-thunderstorms），防止了进行不必要的早期疏散任务。

然而，将这些数据快速地纳入天气预报模型以改进风暴预报是一个巨大的计算挑战。气象学家使用各种不同的框架为每个可用的数据源分配不同的权重和不确定性，并将数据输入大气的计算机模型，然后生成风暴预报。

由于基于卫星的数据比以前的区域数据集要广泛得多，研究人员正试图找到更有效的方法，将大量的闪电数据引导到NOAA的超级计算机（https://www.noaa.gov/news-release/noaa-completes-upgrade-to-weather-and-climate-supercomputer-system）中。

Xue和他的同事之前曾使用一种称为网格点统计插值集合卡尔曼滤波器（GSI-EnKF）的框架将闪电数据提供给预测模型，他们决定测试一种不同的方法，称为GSI集合变分（EnVar）混合数据同化框架。GSI-EnVar方法不同，因为它包含了一种集成方法，这意味着它假设的初始条件略有不同，并多次运行相同的计算。他们从每次计算中得到的不同答案提供了关于总体不确定性的一些想法，以及答案如何取决于特定的初始条件。

然而，运行这么多计算需要在其他方面进行权衡，无论是在团队如何简化模型中风暴的物理过程，还是如何将不确定性和其他参数结合起来。

在最好的情况下，他们的方法将以更低的计算成本提供更好的预测。即使将其他模型的预测与较低的计算成本相匹配，也可以腾出气象计算机来整合其他数据来源，这也是一种胜利。

该团队决定针对2018年5月1日（https://www.weather.gov/gid/may12018svr#:~:text=A%20Few%20Brief%20Tornadoes,-Weather.gov%20%3E%20Hastings&text=Scattered%20severe%20thunderstorms%20developed%20during,the%20front%20slowly%20progressed%20southeast.）发生在堪萨斯州和内布拉斯加州南部的一场经过充分研究的风暴测试他们的新框架。当该团队将他们的集成框架与新的卫星闪电数据与设计用于容纳地面雷达闪电数据的三维框架进行比较时，卫星数据是二维的这一事实使他们的框架速度更快。

该团队发现，集成方法与以前框架的精度相匹配，其优点是它包括了卫星闪电数据，而且几乎没有计算成本。然而，研究小组指出，他们在一种名为霰（graupel，https://www.nssl.noaa.gov/education/svrwx101/hail/types/ - :~:text=Graupel%20are%20soft%2C%20small%20pellets,remain%20less%20than%200.2%20inches.）的风暴中使用了闪电和冰冻雨滴之间的简化关系。如果他们或另一个小组能够适应气象学家所知道的更复杂的关系，他们可能能够建立更好的预测。

马里兰大学的闪电科学家Daile Zhang说：“我认为这是将真实的闪电数据纳入NOAA模型的一个良好开端。”