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导语:雷击是导致输电线路跳闸的首要气象灾害,但传统数值模式算得慢、外推方法撑不久。近日发表于《Atmospheric and Oceanic Science Letters》的一项研究,用一套融合注意力机制的卷积门控循环网络(Conv-GRU-attention),直接预报未来两小时的云-地闪频次与落区,并在2024年湖北冬季雷击跳闸和广东白云EF2龙卷风母风暴两次真实事件中通过检验,展现出跨季节、跨区域的泛化能力。
全球气候变化背景下,极端气象灾害频发,对电网构成持续威胁。云-地闪(CG)引发的线路跳闸,在各类气象灾害中位居前列。围绕雷电,学界已发展出多种探测手段——雷电定位、先导发展观测、雷暴电荷结构研究等,但准确预报雷电,至今仍是难题。
传统雷电预报主要有两条路径。一是求解大气动力学与微物理方程组的数值模式,物理机制清晰,但计算耗时,难以满足雷电临近预报的时效要求。二是雷暴外推法,依据风暴移动轨迹推算雷电落区,有效预报时效通常不足30分钟,且面对复杂非线性过程时力不从心。
近年来,深度学习为雷电非线性预报打开了新思路。由于雷电兼具时空变异性,其预报问题可视为一个“视频预测”问题。已有研究用卷积长短期记忆网络(Conv-LSTM)或卷积门控循环单元(ConvGRU)提取气象与雷电数据的时空特征。但多数工作预报的是雷电发生位置和概率,而非雷电频次;即便有个别研究实现了频次预测,也尚未落到电网应用场景中。
研究方案:Conv-GRU + 注意力机制,用卫星和闪电数据“看”未来
本研究构建了融合注意力机制的Conv-GRU雷电频次预报模型(Conv-GRU-attention),数据来自国家电网广域雷电监测网络和Himawari-8/9卫星。
研究区域为华中地区(29.0°–33.5°N,108.0°–116.5°E),主要覆盖湖北省。训练数据为2020–2023年5–9月暖季数据:2023年9月之前的数据作为建模数据,其中80%随机选为训练集、20%为验证集;2023年9月剩余数据为测试集。模型建好后,再用2024年一次华中冬季雷暴和一次华南龙卷风风暴,检验其泛化能力。
数据预处理上,闪电定位数据按10分钟、0.05°分辨率网格化,计算格点雷电频次后作高斯模糊。由于雷电频次分布高度偏态,研究采用对数变换 fl_tran = log₂(flash + 1),再作min-max归一化——相比直接归一化,对数变换显著降低了频次分布的偏态,提高了高频雷电事件的占比。卫星图像则直接作min-max归一化。
模型结构上,输入层接收过去6个时次的历史卫星与闪电网格图像作为预测因子,未来12个时次的雷电频次网格作为预测标签。卷积层与最大池化层提取空间特征,GRU层捕捉时间依赖,全连接层与输出层给出未来120分钟的雷电预报。注意力机制则通过计算不同位置的注意力权重,自适应调整模型关注重点。
针对雷电空间稀疏导致的样本不平衡,研究设计了时空加权损失函数,对后期时次赋予更大权重(时间权重从0.5递增至1.7),引导模型更关注远期预报精度。模型在NVA800-E4x16 GPU上训练,最大迭代1000次,采用Adam优化器。

核心发现一:平均POD 0.439、CSI 0.207,预报性能随提前时间平稳衰减
测试集上,模型在0–120分钟提前时间下的表现如下:
| 提前时间 | 10 min | 30 min | 60 min | 90 min | 120 min | 平均 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| ACC | 0.993 | 0.991 | 0.990 | 0.989 | 0.987 | 0.990 |
| POD | 0.586 | 0.501 | 0.423 | 0.393 | 0.371 | 0.439 |
| FAR | 0.543 | 0.607 | 0.686 | 0.751 | 0.771 | 0.679 |
| CSI | 0.336 | 0.267 | 0.197 | 0.152 | 0.132 | 0.207 |
| MAE | 0.010 | 0.012 | 0.012 | 0.013 | 0.014 | 0.013 |
平均POD为0.439,平均CSI为0.207,与已有同类研究水平相当。随着提前时间从10分钟延长至120分钟,各项指标呈平稳衰减:ACC从0.993降至0.987,POD从0.586降至0.371,FAR从0.543升至0.771,CSI从0.336降至0.132,MAE从0.01升至0.014。研究特别指出,在0.05°分辨率下逐格点评估是相当严格的;若采用邻域评估方法,模型性能还会更好。
从个例看,模型能较好刻画雷暴单体的移动与合并过程。测试集Case 1中,模型预测的单体#1向东南移动、单体#2自西向东移动,40分钟后二者合并,110分钟后单体#1逐渐消散——这些趋势与实际观测一致。Case 2中,模型大致反映了单体#1前80分钟东南移并减弱的过程,但后40分钟实际频次回升、以及从西侧新生的单体#3,模型未能捕捉。原因在于,模型只能依据历史帧中学习到的特征作预报,而新生单体的历史信息出现在模型区域之外。
核心发现二:暖季模型成功预报冬季雷击跳闸
为检验时间维度的泛化能力,研究用暖季(5–9月)数据构建的模型,去预报2024年2月的一次冬季雷暴。
2024年2月19日华中一次雷暴过程中,模型初始化时间为23:40。观测与预测结果一致显示,雷暴单体#1、#2向东移动,单体#2逐渐消散,雷暴向东北方向的扩展也在一定程度上被模型反映。不过,模型预测的单体边界比观测更平滑,在最后四个时次尤为明显。
这次过程中,湖北一条特高压输电线路在2024年2月20日01:14报告了一起雷击跳闸。对比预报结果可以看到,模型大致预报出了跳闸相关单体的雷电频次,尽管预测的雷电位置存在一定偏差。
一个有趣的细节是:跳闸位置东北方向的雷电频次更高,却没有跳闸报告。这说明雷击跳闸并不必然发生在雷电频次最高的区域——这是输电线路实际运行中常被观察到的现象。研究认为,这一结果体现了模型在冬季雷电及雷击跳闸预报上的时间泛化能力。

核心发现三:华中模型跨区预报华南龙卷风母风暴
为检验空间维度的泛化能力,研究用华中地区数据构建的模型,去预报2024年4月27日广东广州白云区EF2龙卷风的母风暴。
模型初始化时间为14:00。据灾情报告,该龙卷风风暴自西向东发展,14:42进入白云区钟落潭镇,约14:57触地,造成部分停电事故。对应地,雷暴单体#1自西向东移动并逐渐向东南扩展——这一点被模型成功反映出来。
不过在龙卷风触地前(15:00),观测到的雷暴呈现出三个雷电单体热点,而模型给出的是更平滑的预测结果。这限制了模型对小尺度涡旋特征的预报与挖掘能力,例如闪电洞和相关雷达钩状回波。研究分析,原因可能在于卷积与池化过程中的信息损失和平滑效应,导致模型刻画雷暴单体边界的能力有限。尽管如此,模型仍能预报龙卷风风暴的雷电位置和频次,对龙卷风预报具有参考价值。

结论与展望:从频次到电流,从单一数据到多源融合
本研究构建的Conv-GRU-attention模型,在0–120分钟提前时间下测试集平均POD为0.439、平均CSI为0.207,并用其预报了2024年两次雷击相关的电网跳闸事件——湖北冬季雷暴和广东春季EF2龙卷风母风暴,在时间和空间两个维度上均展现出良好的泛化能力。
模型对组织化对流雷暴的雷电频次和位置预报表现较好,因为这类风暴的发展、演变和消散趋势相对清晰、易于捕捉。其挑战主要在于:预报孤立单体或从模型边界新生的单体;预测的雷电位置与观测存在一定偏差;刻画雷暴单体边界的能力不足。研究认为,这一误差对雷电临近预报而言是可以接受的。
未来改进方向包括:用总闪数据替代云-地闪数据,因为总闪与卫星数据的相关性更强;融合更多数据源,如云内闪电、雷达、地面气象变量和数值天气预报,尤其是影响云起电和电荷区高度的因子;拓展模型输出,除频次和位置外,还应考虑电流等更多雷电参量,因为低频次雷电同样可能引发跳闸。
论文信息:Li F, Li J, Gu S, et al. Nowcasting of cloud-to-ground lightning location and frequency based on a deep learning technique. Atmospheric and Oceanic Science Letters, 2026, 19(3): 100607. DOI: 10.1016/j.aosl.2025.100607
作者单位:南瑞集团有限公司;中国气象局龙卷风重点开放实验室;国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司;国家能源雷电灾害检测预警与安全防护重点实验室;电网雷击风险预防湖北省重点实验室
资助信息:湖北省自然科学基金创新发展联合基金(2022CFD124)、中国气象局龙卷风重点开放实验室(TKL202305)
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GMT+8, 2026-10-22 17:42
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