基于大气电场的雷电监测预警方法.pdf
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1、第 卷 第期气 象 与 减 灾 研 究V o l N o 年月M e t e o r o l o g ya n dD i s a s t e rR e d u c t i o nR e s e a r c hJ u n 郭泓,谢克勇,罗淑尹,等,基于大气电场的雷电监测预警方法J气象与减灾研究,():G u oH o n g,X i eK e y o n g,L u oS h u y i n,e t a l,T h u n d e r s t o r m m o n i t o r i n ga n de a r l yw a r n i n gb a s e do nt h ea t m o
2、s p h e r i ce l e c t r i c f i e l dJ M e t e o r o l o g ya n dD i s a s t e rR e d u c t i o nR e s e a r c h,():基于大气电场的雷电监测预警方法郭泓,谢克勇,罗淑尹,陈义轩,张勇平江西省气象服务中心,江西 南昌 南昌市气象局,江西 南昌 南昌县气象局,江西 南昌 新余市气象局,江西 新余 摘要:利用大气电场强度数据设计了一种雷电监测预警方法,并对江西省南昌县 年月的一次雷电过程进行预测.首先对大气电场仪采集的电场数据进行去噪处理和缺失填补,然后利用经验模态分解法分解大气电场数
3、据,得到大气电场数据的幅值和频率的分布特征,运用多元回归模型构建雷电预警模型,预测未来一段时间内的大气电场强度值.参考大气电场强度等级划分表,开展雷电监测预警.结果表明,运用模型预测的大气电场强度结果与实况之间的可决系数均在 以上,即大气电场强度预测结果与实况较为接近,该监测预警方法具有一定的可行性.关键词:雷电预警,大气电场,特征提取,模型构建中图分类号:P 文献标识码:A文章编号:()D O I:/q x y j z y j 收稿日期:;修订日期:基金项目:江西省气象局重点项目(编号:J X Z )作者简介:郭泓,助理工程师,主要从事雷电防护业务和服务,E m a i l:q q c o
4、m谢克勇(通信作者),副高级工程师,主要从事应用气象服务研究,E m a i l:x i e k e y o n g c o mT h u n d e r s t o r m M o n i t o r i n ga n dE a r l yW a r n i n gB a s e do nt h eA t m o s p h e r i cE l e c t r i cF i e l dG u oH o n g,X i eK e y o n g,L u oS h u y i n,C h e nY i x u a n,Z h a n gY o n g p i n gJ i a n g x iM
5、 e t e o r o l o g i c a lS e r v i c eC e n t e r,N a n c h a n g ,C h i n aN a n c h a n gM e t e o r o l o g i c a lB u r e a uo fJ i a n g x iP r o v i n c e,N a n c h a n g ,C h i n aN a n c h a n gC o u n t yM e t e o r o l o g i c a lB u r e a uo fJ i a n g x iP r o v i n c e,N a n c h a n g
6、,C h i n aX i n y uM e t e o r o l o g i c a lB u r e a uo fJ i a n g x iP r o v i n c e,X i n y u ,C h i n aA b s t r a c t:I no r d e r t ob e t t e r c a r r yo u t a c c u r a t e l i g h t n i n gm o n i t o r i n ga n de a r l yw a r n i n g,a l i g h t n i n gm o n i t o r i n ga n de a r l y
7、w a r n i n gm e t h o dw a sd e s i g n e db a s e do n t h e a t m o s p h e r i ce l e c t r i c f i e l dd a t ao fN a n c h a n gC o u n t y,J i a n g x i p r o v i n c e i nA u g u s t F i r s t l y,t h ee l e c t r i c f i e l dd a t aw e r ed e n o i s e da n d i n t e r p o l a t e d T h e
8、n,t h e a t m o s p h e r i c e l e c t r i c f i e l dd a t aw e r ed e c o m p o s e db y t h e e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o nm e t h o d,s oa s t oo b t a i nt h ea m p l i t u d ed i s t r i b u t i o na n df r e q u e n c yd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so
9、 f t h ea t m o s p h e r i ce l e c t r i c f i e l dd a t a T h e l i g h t n i n gw a r n i n gm o d e lw a sc o n s t r u c t e db yt h em u l t i p l er e g r e s s i o nm o d e l t op r e d i c t t h el i g h t n i n g i n t e n s i t yv a l u e i nt h e f u t u r ep e r i o d L i g h t n i n
10、gm o n i t o r i n ga n de a r l yw a r n i n gw e r e c a r r i e do u tb yc o n s i d e r i n gt h e c l a s s i f i c a t i o nt a b l eo f l i g h t n i n gi n t e n s i t y T h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r ew a sag o o dc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h es i m u l a t e dr e s u
11、l t so fl i g h t n i n g i n t e n s i t ya n dt h e a c t u a l r e s u l t s,w i t ht h e c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t a b o v e T h ep r e d i c t e dr e s u l t so f l i g h t n i n g i n t e n s i t yw e r ec l o s e dt ot h ea c t u a l s i t u a t i o n,i n d i c a t i n gt h a
12、 t t h em o n i t o r i n ga n dw a r n i n gm e t h o dw a s f e a s i b l e K e yw o r d s:t h u n d e r s t o r m w a r n i n g;a t m o s p h e r i ce l e c t r i c f i e l d;f e a t u r ee x t r a c t i o n;m o d e l c o n s t r u c t i o n引言雷电是发生于大气中的一种瞬时高电压、大电流、强电磁辐射的灾害性天气现象.许多学者针对雷电现象开展了广泛的研究
13、(罗林艳等,;余勇等,;李典南等,).大气的云系中都或多或少带有电荷,尤其在积雨云等对流活动强盛的云体中,电荷分离会使得云中的不同部位之间或云与地面之间的电位梯度不断增大,当电位梯度超过大气能够承受的范围时,就会出现击穿现象,这就是大气发生的闪电.随着社会经济的发展,各种电子器件和信息技术得到广泛应用,雷电灾害给社会造成的损失也越来越严重,许多行业对雷电灾害监测、预警的需求越来越多.我国的雷电监测预警研究取得了很多成果.例如,孟青等()、罗林艳等()利用地面电场仪的组网,以大气电场测量为基础,并结合闪电定位系统观测结果,研究了雷电预警预报的技术方法.赵伟等()利用融合的三种设备的雷电监测数据,
14、通过一种预测模型实现雷电预警.张烨方等()以天气雷达和闪电监测资料为基础,进行切片处理和压缩处理,输入到卷积神经网络当中,实现雷电临近预警.陈靖宇等()利用 年广东省大气电场仪探测和闪电定位资料,应用集成学习方法,建立不同分类器,开展雷电预警.文中利用 年月江西省南昌县大气电场监测资料,采用小波分析、经验模态分解、多元线性回归等方法,设计了基于大气电场强度数据的雷电监测预警方法,以期为雷电预警业务提供参考.大气电场监测设备目前国际和国内采用的雷电监测设备有许多,一般分为雷电定位探测设备和大气电场探测设备两大类(孟青等,).雷电定位探测设备一般可提供闪电放电的发生时间、地点以及雷闪回击的电磁场强
15、度、电流幅度、电流波形等特征信息.大气电场探测设备目前多为大气电场仪,可用来测量地面大气电场的极性和强度,可对大气中对流云的起电过程进行连续监测,既可连续记录雷电发生前雷暴体中的电场活动,又可记录雷暴过程中发生的闪电信息.江西省南昌县选用的大气电场仪为P r e s t o r m,该设备采用了差模测量技术(有个电极,所采集的数据是个电极的差模),避免干扰信号,提供更为准确的测量结果.量程范围 k V/m,有效监测半径 k m.单个大气电场仪可单独记录局地雷电变化情况,多个联网则可监测整个区域内电场结构及其变化情况,能够提供整个监测区域内电场等值线分布,从而实现雷电预警及相关服务.雷电监测预警
16、方法构建大气电场的雷电监测预警方法,主要步骤包括:)大气电场强度的采集与处理;)大气电场强度的特征提取;)建立预测模型,开展雷电监测预警.数据采集与处理晴天时大气电场波动较小,雷暴等恶劣天气时大气电场就会发生剧烈的波动.大气电场仪能测量反映大气平均电场的连续变化情况.利用大气电场仪测量和采集大气平均电场的强度及极性的连续变化,既能得到静电电场的缓慢变化,又能得到近距离雷暴过顶时雷暴在地面产生的静电场和云闪、地闪的变化情况.因此,大气电场仪既能用于局地的雷电监测与预警,也可用在易起静电或易受静电危害的场所,以监测静电强度避免相关危险.采集和分析大气电场强度资料数据,是实现雷电监测和预警的前提.大
17、气电场仪的工作原理是通过感应周围电荷变 化 来 检 测 电 场 强 度,其 计 算 式(张 鸿 波 等,):ESQ()式中,E为电场强度,单位:k V/m;S为感应等效面积,单位:m;Q为感应电荷密度,单位:k V/m,其计算式:QfKU()式中,f为空气中介电常数;K为电场畸变系数,单位:m;U代表电压,单位:k V.大气电场仪得到的电场强度数据,既包含需要探测的实际地面大气电场强度数据,也掺杂着各种干扰噪声,这些干扰噪声有系统的、也有随机的(杨仲江等,).预处理分为缺失数据填补和干扰数据去噪.受到各种外界因素的影响,大气电场强度数据在采集过程中部分时间序列的数据可能会缺失,需要进行填补,使
18、得数据恢复完整.缺失数据填补采用以下步骤:)对数据进行统一标准的规范化处理:x xxm i nxm a xxm i n(xx)x()式中,x 代表规范化处理后的数据;x代表处理前的数据;xm a x、xm i n代表数据中最大值和最小值;x、郭泓 等:基于大气电场的雷电监测预警方法x代表规范后映射区间的极大值和极小值.)将原始数据集(包含缺失数据)作为一个测试样本,记为Al;将完整的没有数据缺失的N个数据集作为训练样本,记为Ai(i,N).)计算Al与Ai之间的欧式距离.)对N个距离按照从小到大的顺序排序.)在Ai中找出Al的k个最近相邻样本.)计算Al与k最近相邻之间距离的平均值.该平均值即
19、为要填补的缺失数据.经缺失填补之后,大气电场资料完整,有效降低了数据缺失的干扰.除去大气电场资料中的干扰数据(即去噪),这里选择小波分析法.具体步骤:)选择合适的H a a r小波基(李红等,).)利用H a a r小波变换将大气电场数据分解为层数据.)分别得到高频系数和低频系数.)用阈值函数对高频系数进行阈值量化处理:H,()式中,H为阈值量化后的高频系数;为包含噪声的小波高频系数;为给定阈值.)对低频系数和高频系数进行小波重构,实现大气电场数据去噪.经过资料数据处理后,大气电场数据质量得到提高,可以保证后续计算具有更高效率和准确性.大气电场特征的提取大气电场强度数据采集处理后,利用经验模态
20、分解法(孙娴和林振山,)得到若干个本征模态函数(I n t r i n s i c M o d eF u n c t i o n,I MF)分 量,这 些I MF分量中包含了时间特征.大气电场强度数据的分解步骤:)预处理好的大气电场强度数据记为x(t).)确定x(t)中个极值点.)拟合个极值点,得到x(t)的上、下包络线,记为m a x(t)和m i n(t).)计算m a x(t)、m i n(t)平均值,得到F(t),其计算式为F(t)m a x(t)m i n(t)()用x(t)减去F(t),得到P(t),即P(t)x(t)F(t)()一般P(t)不是一个平稳信号,不满足I MF定义的两
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