基于大气电场的雷电短临局地预警方法技术

本发明专利技术涉及雷电预警领域，公开了一种基于大气电场的雷电短临局地预警方法，用以提高雷电预警准确率，降低漏报率。本发明专利技术通过收集待预警地区一段时间内的雷电监测网和大气电场仪同步观测资料，并对收集到的资料进行质量订；从样本集中筛选出典型雷电天气案例，并对进行时序差分，得到各案例对应的差分阈值；通过统计分析，得出待预警地区发生雷电的大气电场强度阈值和大气电场一段时间随时间变化率阈值；利用测试集对大气电场强度阈值和大气电场随时间变化率阈值进行测试，测试合格之后以大气电场强度阈值和大气电场随时间变化率阈值作为预警指标，对待预警地区进行雷电短临局地预警。本发明专利技术适用于成都平原地区进行短临时雷电预警。

Lightning Short-term and Imminent Local Early Warning Method Based on Atmospheric Electric Field

The invention relates to the field of lightning early warning, and discloses a lightning short-term and imminent local early warning method based on atmospheric electric field, which can improve the accuracy of lightning early warning and reduce the missed rate. The invention collects synchronous observation data of lightning monitoring network and atmospheric electric field meter in the area to be warned for a period of time, and determines the quality of the collected data; screens typical lightning weather cases from the sample set, and obtains the corresponding differential threshold of each case by time sequence difference; and obtains the atmospheric electric field intensity threshold of lightning occurrence in the area to be warned by statistical analysis. The threshold value of atmospheric electric field intensity and the threshold value of atmospheric electric field change rate with time are tested by the test set. After passing the test, the threshold value of atmospheric electric field intensity and the threshold value of atmospheric electric field change rate with time are used as early warning indicators to carry out short-term and imminent local lightning early warning in the early warning area. The invention is suitable for short temporary lightning warning in Chengdu plain area.

【技术实现步骤摘要】
基于大气电场的雷电短临局地预警方法
本专利技术涉及雷电预警领域，特别涉及基于大气电场的雷电短临局地预警方法。
技术介绍
目前国内外对于雷电预警一般采用两种方法：1、闪电定位仪方法：通过组网闪电定位仪实现对雷电实时监测，根据实际发生的雷电落点及雷达、风场资料确定未来雷电可能的落区和发生的概率。此方法缺陷在于依据雷电监测实况来判断未来雷电活动趋势预警时效滞后，且依赖于闪电定位仪探测效率和探测精度，一般雷电探测效率应>70％，探测精度＜3km。然而四川省雷电监测网建设时间为2005年，实际探测效率已经＜50％，探测精度＞5km。由于此种方法在预警时效性和准确性上对雷电监测网探测效率和精度依赖太高，具有较大缺陷，雷电预警漏报率太高，且没有提前时效。2、大气电场阈值方法：该方法是通过在某一雷电预警需求点上安装一台大气电场仪，测量各种天气条件下近地面大气垂直静电场强度、极性连续变化，同时可以探测周边带电云团和雷电放电所引起的电场变化，通过设置大气电场阈值来达到预警。此种方法需要先对该地区大气电场仪背景值进行研究，再设置雷电来临前或闪电发生时大气电场的异常变化大气电场阈值。前期研究表明，成都平原地区雷电预警阈值为±2～5kV/m，对一定范围内未来0-数十分钟以内即将发生的雷电进行预警。虽然此方法仅与仪器工作状态有关，资料缺漏情况较少，但存在以下三点缺陷：(1)在雷暴云接近大气电场仪或雷电发生时，基于静电学基本原理，带电云团或雷电将会引起大气电场值出现偏离晴天大气变化规律的异常变化，用高斯公式表达如下：Er＝Q/(4πεr3)从上述公式可以看出大气电场强度随雷电或带电云团引起的电场强度与大气电场仪距离带电云团或雷电呈距离r衰减，因此电场仪对雷电或带电云团预警范围不可能太大，因此电场资料有效范围为大气电场仪所在位置半径10-20km以内。目前利用大气电场对雷电预警除本人外均未考虑距离衰减因子作用。(2)根据2013年-目前四川省雷电定位资料和四川省大气电场观测资料检验，已经发现利用四川在有大气电场仪布点的有效区域内，利用大气电场对雷电作出预警提前时间最多为10分钟。因此利用大气电场仪真实预警时间远低于厂家说明书中的数十分钟。(3)成都平原地区当云-地间静电场强达到某一阈值将会产生击穿而形成闪电，这时电场强度变化将会呈大幅震荡抖动。但根据大气电学理论Er＝f(Q，ε，r，ΔE/ΔT)，Er击穿电场阈值与空气介电常数e、探测点与闪电位置距离r、带电云团电荷量Q和电场强度变化率ΔE/ΔT有关，放电位置距离电场仪较近时，还应考虑带电云高度H。目前所有厂家在设置预警阈值时均未考虑电场强度变化率ΔE/ΔT造成利用大气电场预警雷电虚警率高、准确率低，不能通过检验，至今未能正式进入气象雷电预警业务。索然、张其林、郄秀书等、李银勇等提出，应该把电场变化率纳入预警因子，并且王强等人在《电场时序差分在雷电预警中的有效性分析》，气象科学，2009，29(5)：657-663中提出利用时序差分方法来提取大气电场变化率技术方法，但目前均未提出提取电场变化率时间间隔和大气电场随时间变化率具体指标，因此无法在雷电预警业务中的实际应用。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供一种基于大气电场的雷电短临局地预警方法，用以提高雷电预警准确率，降低漏报率。为解决上述问题，本专利技术采用的技术方案是：基于大气电场的雷电短临局地预警方法，包括如下步骤：步骤1、收集待预警地区一段时间内的雷电监测网和大气电场仪同步观测资料，并对收集到的同步观测资料中不同型号、批次的大气电场仪数据做质量订正；步骤2、将质量订正后的同步观测资料分为样本集和测试集；步骤3、从样本集中筛选出典型雷电天气案例，从各典型雷电天气案例中得到即将发生雷电前的大气电场强度，并对各典型雷电天气案例中雷电天气过程对应时间的大气电场进行时序差分，得到即将发生雷电前大气电场强度在一段时间内随时间变化率；步骤4、对步骤3得到的所有大气电场强度及大气电场强度在一段时间内随时间变化率进行统计分析，得出待预警地区发生雷电的大气电场强度阈值及大气电场强度在一段时间内随时间变化率阈值；步骤5、利用测试集对步骤4得到的大气电场强度阈值及大气电场强度在一段时间内随时间变化率阈值进行测试，并对测试结果进行评价；若测试结果满足要求，则将此时的大气电场强度阈值及大气电场强度在一段时间内随时间变化率阈值输出，并进入步骤6；若测试结果不满足要求，则返回步骤3；步骤6、以大气电场强度阈值和大气电场强度在一段时间内随时间变化率阈值作为预警指标，对待预警地区进行雷电短临局地预警。进一步的，步骤3对对各典型雷电天气案例中雷电天气过程对应时间的大气电场进行5或10分钟时序差分，分别得到5和10分钟时序差分阈值，5或10分钟时序差分阈值分别就是大气电场在0-5分钟内和0-10分钟内随时间变化率。进一步的，步骤3的筛选典型雷电天气案例的条件为：雷电天气过程中发生雷电次数大于M次，且雷电与大气电场观测站的距离小于N千米，其中，M为正整数，N为正数，基于大气电场观测站实际情况考虑，M一般为40，N根据实际情况来取。进一步的，在步骤5中，输出的大气电场强度阈值E0满足：或者或者输出的大气电场在0-5分钟内随时间变化率阈值ΔE/ΔT5满足：或者或者输出的大气电场在0-10分钟内随时间变化率阈值ΔE/ΔT10满足：或者进一步的，所述预警指标为：进一步的，所述预警指标为：进一步的，所述预警指标为：进一步的，所述预警指标为：进一步的，所述预警指标为：进一步的，所述预警指标为：本专利技术的有益效果是：由于本专利技术的预警指标综合考虑了大气电场阈值和大气电场随时间变化率阈值，因此比采用传统大气电场阈值法雷电预警准确率提高、雷电虚警率降低、漏报率大幅降低。同时，本专利技术可以不依赖雷电定位仪在无雷电监测网和雷达覆盖区域实现独立雷电短时临近局地预警，经过实施例的结果分析，本专利技术比雷电定位仪方法预警方法时效上有一定提前且漏报率降低。附图说明图1为实施例的流程图。具体实施方式本专利技术首先收集待预警地区一段时间内的雷电监测网和大气电场仪同步观测资料，并对收集到的同步观测资料中不同型号、批次的大气电场仪数据做质量订正；然后将质量订正后的同步观测资料分为样本集和测试集；然后从样本集中筛选出典型雷电天气案例，筛选条件可以是雷电天气过程中发生雷电次数大于M次，且雷电与大气电场观测站的距离小于N千米；然后从各典型雷电天气案例中得到即将发生雷电前的大气电场强度，并对各典型雷电天气案例中雷电天气过程对应时间的大气电场进行时序差分，得到即将发生雷电前大气电场强度在一段时间内随时间变化率；然后对得到的所有大气电场强度及大气电场强度在一段时间内随时间变化率进行统计分析，得出待预警地区发生雷电的大气电场强度阈值及大气电场强度在一段时间内随时间变化率阈值；然后利用测试集对得到的大气电场强度阈值及大气电场强度在一段时间内随时间变化率阈值进行测试，并对测试结果进行评价；若测试结果满足要求，则将此时的大气电场强度阈值及大气电场强度在一段时间内随时间变化率阈值输出；若测试结果不满足要求，则通过调整筛选条件(例如调整M或者N的值)来重新筛选典型雷电天气案例以及大气电场强度在一段时间内随时间变化率，并求得待预本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于大气电场的雷电短临局地预警方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、收集待预警地区一段时间内的雷电监测网和大气电场仪同步观测资料，并对收集到的同步观测资料中不同型号、批次的大气电场仪数据做质量订正；步骤2、将质量订正后的同步观测资料分为样本集和测试集；步骤3、从样本集中筛选出典型雷电天气案例，从各典型雷电天气案例中得到即将发生雷电前的大气电场强度，并对各典型雷电天气案例中雷电天气过程对应时间的大气电场强度进行时序差分，得到即将发生雷电前大气电场强度在一段时间内随时间变化率；步骤4、对步骤3得到的所有大气电场强度及大气电场强度在一段时间内随时间变化率进行统计分析，得出待预警地区发生雷电的大气电场强度阈值及大气电场强度在一段时间内随时间变化率阈值；步骤5、利用测试集对步骤4得到的大气电场强度阈值及大气电场强度在一段时间内随时间变化率阈值进行测试，并对测试结果进行评价；若测试结果满足要求，则将此时的大气电场强度阈值及大气电场强度在一段时间内随时间变化率阈值输出，并进入步骤6；若测试结果不满足要求，则返回步骤3；步骤6、以大气电场强度阈值和大气电场强度在一段时间内随时间变化率阈值作为预警指标，对待预警地区进行雷电短临局地预警。...

【技术特征摘要】
1.基于大气电场的雷电短临局地预警方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、收集待预警地区一段时间内的雷电监测网和大气电场仪同步观测资料，并对收集到的同步观测资料中不同型号、批次的大气电场仪数据做质量订正；步骤2、将质量订正后的同步观测资料分为样本集和测试集；步骤3、从样本集中筛选出典型雷电天气案例，从各典型雷电天气案例中得到即将发生雷电前的大气电场强度，并对各典型雷电天气案例中雷电天气过程对应时间的大气电场强度进行时序差分，得到即将发生雷电前大气电场强度在一段时间内随时间变化率；步骤4、对步骤3得到的所有大气电场强度及大气电场强度在一段时间内随时间变化率进行统计分析，得出待预警地区发生雷电的大气电场强度阈值及大气电场强度在一段时间内随时间变化率阈值；步骤5、利用测试集对步骤4得到的大气电场强度阈值及大气电场强度在一段时间内随时间变化率阈值进行测试，并对测试结果进行评价；若测试结果满足要求，则将此时的大气电场强度阈值及大气电场强度在一段时间内随时间变化率阈值输出，并进入步骤6；若测试结果不满足要求，则返回步骤3；步骤6、以大气电场强度阈值和大气电场强度在一段时间内随时间变化率阈值作为预警指标，对待预警地区进行雷电短临局地预警。2.如权利要求1所述的基于大气电场的雷电短临局地预警方法，其特征在于，步骤3...

【专利技术属性】
技术研发人员：靳小兵，卜俊伟，张亮，詹兆渝，纪奎秀，孙蕊，罗玉，马艳军，巫俊威，周威，张远洋，刘畅，杨了，
申请(专利权)人：四川省气候中心，四川省气象探测数据中心，四川省气象台，四川省防雷中心，
类型：发明
国别省市：四川,51