CN104614597B - 一种雷暴预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种雷暴预警方法，通过追踪电场信号经EEMD分解后的分解层方差特性来反映雷暴的发展变化，通过方差极大值对应分解层数来进行雷暴预警，充分地运用了大气电场信号的振荡特征，其预报准确度和预警时间都有了很大程度的提升。
Description
技术领域
本发明属于天气预报技术领域，特别涉及了一种雷暴预警方法。
背景技术
雷暴是一种伴有冰雹、大风和雷电等多种天气现象的中小尺度天气过程，其发生频率因地而异、局地特征明显，预报十分困难。随着我国社会经济的快速发展，高层建筑和通信设施不断增多，雷暴带来的损失也逐年增加。加强对雷暴产生情况的分析和研究，对防灾减灾、农业生产等方面有着重要的意义。大气电场仪根据导体在电场中产生感应电荷的原理，可长时间连续地测量大气电场的强度和极性，并完整记录雷暴从形成到消亡的整个过程。雷暴过程属于复杂的非线性混沌系统，导致所测电场具有很强的非线性振荡特性。
目前，较多采用的是设置阈值、比较电场抖动速度和极性反转等方法来进行雷电预警，也有采用和地闪或雷达等资料综合预警，验证了大气电场数据预报雷暴的可行性，但目前大多数研究的临近预报时间较短，预报模型可靠性较差，且没有深入挖掘大气电场数据的振荡特性。一方面，限于不同地区、不同季节等限制因素，而且电场信号受到环境的影响严重，传统的雷暴预警方法不具有普适性，且预警准确率很低；另一方面，传统的雷暴预警方法的预警时间较短(小于15分钟)，难以满足实际需要。
发明内容
为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种雷暴预警方法，克服大气电场信号受环境等因素的影响，提高数据可靠性，且延长预警时间。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种雷暴预警方法，包括以下步骤：
(1)将大气电场数据作为原始输入信号x(t)，依次向原始输入信号x(t)加入m组不同的正态分布白噪声，从而得到m组数据序列xi'(t)，i＝1,2,...,m。
(2)针对每一组序列xi'(t)，找出其极大值和极小值，利用三次样条插值函数拟合出上下包络线，分别得到第1个均值mi,1(t)，xi'(t)与mi,1(t)的差值记为hi,1(t)，将hi,1(t)作为新的数据序列，检查其是否满足IMF条件，如果不满足，则将用hi,1(t)替换xi'(t)后重新进行步骤(2)k次，直至筛选出满足IMF条件的hi,k+1(t)＝hi,k(t)-mi,k+1(t)，k≥1；
(3)将满足IMF条件的hi,1(t)或hi,k+1(t)作为第1阶IMF分量ci,1(t)，并用加噪序列xi'(t)减去ci,1(t)得到残余数据ri,1(t)，用ri,1(t)替换xi'(t)后依次重复进行步骤(2)-(3)n次，直至筛选得到的残余数据ri,n+1(t)＝ri,n(t)-ci,n+1(t)为单调时终止，n≥1；
(4)还原原始输入信号x(t)，xi'(t)表示成m组IMF分量与残余数据的和形式，原始输入信号x(t)为xi'(t)的总体平均运算，即：
其中，ci,j(t)为步骤(3)得到的第i组xi'(t)的第j阶IMF分量；
(5)选定时间尺度，记录IMF分量方差最大值对应的层数的动态变化轨迹，定义时间尺度内IMF分量方差最大值对应的层数上的点为稳定点，其余层数上的点为跳变点，对稳定点和跳变点进行三次样条插值，统计跳变点的变化特征；
(6)设定预警时间和跳变点预警阈值，若跳变点的数量小于等于跳变点预警阈值，则判断在预警时间内没有雷暴，若跳变点的数量大于跳变点预警阈值，则判断在预警时间内有雷暴；进一步地，若跳变点的数量大于跳变点预警值且其IMF分量方差最大值对应的层数整体有递减趋势，则判断在预警时间内有强雷暴，若跳变点的数量大于跳变点预警值且其IMF分量方差最大值对应的层数整体无递减趋势，则判断在预警时间内有弱雷暴。
步骤(2)中IMF的条件包括：局部极大值和极小值的点数与零点个数相等或相差1；在任何时间点上下两条包络线的均值要接近于零。
步骤(5)中的时间尺度为10分钟。
步骤(6)中的预警时间为1小时。
步骤(6)中的跳变点预警阈值为3。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明利用总体平均经验模态分解(EEMD)理论，利用其对非平稳信号处理性能，结合方差极大值对应分解层数的变化特征，提出了一种雷暴预警方法，采用这种方法，第一，EEMD可克服大气电场信号受环境等因素的影响，提高数据的质量；第二，EEMD在不需要预先设定基函数的基础上，根据信号自身的特征进行平稳化处理，通过对方差极大值对应分解层数的追踪可有效地揭示雷暴发生前1小时左右的变化特征。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2～图4依次为晴天、弱雷暴、强雷暴三种天气条件下的电场强度随时间的变化图；
图5～图7依次为晴天、弱雷暴、强雷暴大气电场方差最大值对应的IMF层数随时间的动态变化轨迹图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示本发明的流程图，一种雷暴预警方法，包括以下步骤：
(1)将大气电场数据作为原始输入信号x(t)，依次向原始输入信号x(t)加入m组不同的正态分布白噪声，从而得到m组数据序列xi'(t)，i＝1,2,...,m。
(2)针对每一组序列xi'(t)，找出其极大值和极小值，利用三次样条插值函数拟合出上下包络线，分别得到第1个均值mi,1(t)，xi'(t)与mi,1(t)的差值记为hi,1(t)，将hi,1(t)作为新的数据序列，检查其是否满足IMF条件，如果不满足，则将用hi,1(t)替换xi'(t)后重新进行步骤(2)k次，直至筛选出满足IMF条件的hi,k+1(t)＝hi,k(t)-mi,k+1(t)，k≥1；
(3)将满足IMF条件的hi,1(t)或hi,k+1(t)作为第1阶IMF分量ci,1(t)，并用加噪序列xi'(t)减去ci,1(t)得到残余数据ri,1(t)，用ri,1(t)替换xi'(t)后依次重复进行步骤(2)-(3)n次，直至筛选得到的残余数据ri,n+1(t)＝ri,n(t)-ci,n+1(t)为单调时终止，n≥1；
(4)还原原始输入信号x(t)，xi'(t)表示成m组IMF分量与残余数据的和形式，原始输入信号x(t)为xi'(t)的总体平均运算，即：
其中，ci,j(t)为步骤(3)得到的第i组xi'(t)的第j阶IMF分量；
(5)以10分钟为时间尺度，记录IMF分量方差最大值对应的层数的动态变化轨迹，定义时间尺度内IMF分量方差最大值对应的层数上的点为稳定点，其余层数上的点为跳变点，对稳定点和跳变点进行三次样条插值，统计跳变点的变化特征；
(6)将预警时间定为1小时，若跳变点的数量小于等于3，则判断在预警时间内没有雷暴，若跳变点的数量大于3，则判断在预警时间内有雷暴；进一步地，若跳变点的数量大于3且其IMF分量方差最大值对应的层数整体有递减趋势，则判断在预警时间内有强雷暴，若跳变点的数量大于3且其IMF分量方差最大值对应的层数整体无递减趋势，则判断在预警时间内有弱雷暴。
本实施例采用南京信息工程大学自主研制的NUIST型大气电场仪的数据进行分析，仪器采用场磨式结构，采样频率为1s，探测半径15km，能够观测-50～50kV/m范围的场强。试验场地为校园内观测培训实习基地，观测场地比较空旷。结合雷达回波和闪电定位仪数据，将大气电场资料分为晴天、弱雷暴和强雷暴三种情况进行EEMD分析，将电场仪探测范围内回波强度小于10dBz的天气定义为晴天天气。在有雷击和闪电的条件下，弱雷暴定义为电场绝对值≤15kV/m，反之为强雷暴。图2～图4依次为晴天、弱雷暴、强雷暴三种天气条件下的电场强度随时间的变化图。
(1)晴天大气电场
图5为晴天大气电场方差最大值对应的IMF层数随时间的动态变化轨迹图，表明其电场十分平稳，能量主要集中在低频部分。
(2)弱雷暴大气电场
图6为弱雷暴大气电场方差最大值对应的IMF层数随时间的动态变化轨迹图，与图5相比，弱雷暴电场对应层数出现了明显的振荡，产生雷暴时间在18:40左右，在雷暴发生前的几个小时便有振荡出现，推测为雷暴云电荷的积累情况，目前的雷暴预报时间在0-2小时，图6在14:30之前对应层数均为11，可以从此后1小时的变化情况进行初步预警。
(3)强雷暴大气电场
图7为强雷暴大气电场方差最大值对应的IMF层数随时间的动态变化轨迹图，根据强雷暴电场对应层数的变化特征，将其化为无关区、蓄能区和放电区，其中蓄能区振荡特性明显，箭头方向表示对应层数逐渐降低，表明雷暴发生前电荷的快速积累，雷暴发生在6:30左右，以蓄能区5:20第四个“下尖峰”为预警时间点，有一个多小时的预警时间，是传统预警时间的4倍以上，满足临近预警要求。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (5)
1.一种雷暴预警方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将大气电场数据作为原始输入信号x(t)，依次向原始输入信号x(t)加入m组不同的正态分布白噪声，从而得到m组数据序列xi'(t)，i＝1,2,...,m；
(2)针对每一组序列xi'(t)，找出其极大值和极小值，利用三次样条插值函数拟合出上下包络线，分别得到第1个均值mi,1(t)，xi'(t)与mi,1(t)的差值记为hi,1(t)，将hi,1(t)作为新的数据序列，检查其是否满足IMF条件，如果不满足，则将用hi,1(t)替换xi'(t)后重新进行步骤(2)k次，直至筛选出满足IMF条件的hi,k+1(t)＝hi,k(t)-mi,k+1(t)，k≥1；
(3)将满足IMF条件的hi,1(t)或hi,k+1(t)作为第1阶IMF分量ci,1(t)，并用加噪序列xi'(t)减去ci,1(t)得到残余数据ri,1(t)，用ri,1(t)替换xi'(t)后依次重复进行步骤(2)-(3)n次，直至筛选得到的残余数据ri,n+1(t)＝ri,n(t)-ci,n+1(t)为单调时终止，n≥1；
(4)还原原始输入信号x(t)，xi'(t)表示成m组IMF分量与残余数据的和形式，原始输入信号x(t)为xi'(t)的总体平均运算，即：
其中，ci,j(t)为步骤(3)得到的第i组xi'(t)的第j阶IMF分量；
(5)选定时间尺度，记录IMF分量方差最大值对应的层数的动态变化轨迹，定义时间尺度内IMF分量方差最大值对应的层数上的点为稳定点，其余层数上的点为跳变点，对稳定点和跳变点进行三次样条插值，统计跳变点的变化特征；
(6)设定预警时间和跳变点预警阈值，若跳变点的数量小于等于跳变点预警 阈值，则判断在预警时间内没有雷暴，若跳变点的数量大于跳变点预警阈值，则判断在预警时间内有雷暴；进一步地，若跳变点的数量大于跳变点预警值且其IMF分量方差最大值对应的层数整体有递减趋势，则判断在预警时间内有强雷暴，若跳变点的数量大于跳变点预警值且其IMF分量方差最大值对应的层数整体无递减趋势，则判断在预警时间内有弱雷暴。
2.根据权利要求1所述一种雷暴预警方法，其特征在于：步骤(2)中IMF的条件包括：局部极大值和极小值的点数与零点个数相等或相差1；在任何时间点上下两条包络线的均值要接近于零。
3.根据权利要求1所述一种雷暴预警方法，其特征在于：步骤(5)中的时间尺度为10分钟。
4.根据权利要求3所述一种雷暴预警方法，其特征在于：步骤(6)中的预警时间为1小时。
5.根据权利要求4所述一种雷暴预警方法，其特征在于：步骤(6)中的跳变点预警阈值为3。
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