一种基于双线偏振雷达的地闪分级预警方法技术

本发明专利技术公开一种基于双线偏振雷达的地闪分级预警方法，包括如下步骤：S1、获得每个雷达观测距离库上的霰的概率；S2、识别每个距离库上对应位置是否为霰，并结合反射率因子反演霰质量；S3、识别对流区域作为潜在雷暴区域；S4、在雷暴区域内计算回波顶高、垂直累计液态水含量和特定稳定层高度以上霰质量。利用客观识别雷暴范围内特定温度层高度以上霰质量、垂直累计液态水含量和回波顶高，从而判断该雷暴发生地闪频率高低或有无地闪，首次实现地闪频率临近预报，为预报人员发布预警提供信息。为预报人员发布预警提供信息。为预报人员发布预警提供信息。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双线偏振雷达的地闪分级预警方法


[0001]本专利技术涉及天气预报
，具体是涉及一种基于双线偏振雷达的地闪分级预警方法。

技术介绍

[0002]闪电是雷暴中的放电现象，具有严重的致灾性，通常伴随着冰雹、龙卷、强风和强降水。闪电为地闪和云闪，其中地闪是雷暴云对地放电，直接影响人们经济活动和生命财产安全。随经济和现代科学技术的发展，地闪造成经济损失越发严重。据统计，地闪每年对全世界造成高达10亿美元以上的损失。受雷暴影响的行业众多，例如航天航空、国防、通讯、计算机、电力输送和石油化工等，且较多行业关乎国计民生。所以，地闪的预报对社会、经济以及民众具有非常重要的意义。
[0003]随着越来越多的研究者关注于地闪的预报。基于数值模式的闪电预报得到开展，中尺度模式虽然能够通过技术手段再现雷暴热力以及动力过程，但目前的模式对闪电的预报能力还十分有限，这主要是因为对真实雷暴中起电的认识还比较有限，模式中的起电和放电参数化方案还不能准确描述起电和放电实际情况。此外该模式对闪电的预报依赖于正确的微物理过程，而其中的参数化方案主要是基于国外的观测，与我国的过程存在显著差异。
[0004]以地面自动站、闪电探测网和卫星等为代表的观测不断建设，为研究人员提供了大量观测事实。依赖于这些观测的研究不断得到开展，对认识理解该地区雷暴活动特征和影响机制做出非常重要的贡献。地面自动站资料虽然可以提供实时降水观测，但是不能观测到雷暴垂直方向的结构特征，也不能观测到站点之间的雷暴。闪电探测网虽然能够提供较大范围地闪时空信息，但对认识雷暴本身结构以及微物理信息有较大的局限性。卫星资料优势在于可以观测到大范围的雷暴活动特征，但是对于特定区域的观测时空分辨率有待提高，还受到信号衰减的影响，难以揭示雷暴生命史、移动、垂直结构和日变化等特征。多普勒天气雷达可以观测到雷暴高时空分辨率的三维结构，目前的地闪临近预报方法主要基于雷达观测回波结构，该方法主要依赖于特定温度层(0到
‑
20℃)反射率因子达到阈值(30到40dBZ)，则预报闪电触发。这些基于雷达回波结构的临近预报方法不能预报闪电频率高低。此外，由于雷暴起电主要贡献来自于微物理过程，而这些方法没有和微物理特征产生联系，很难进一步提高预报准确率，近年来，国内较多S波段多普勒雷达升级为双线偏振雷达（SPOL）。不仅提供反射率因子(Z
H
)，径向速度和谱宽，还提供差分反射率（Z
DR
）、比差分相位(K
DP
)和相关系数(ρ
hv
)。这些变量可以用来分析雷暴中的水凝物粒子相态、浓度、大小和形状等信息，可以用来描述雷暴内部微物理特征。基于以上现状考虑，急需在利用雷暴微物理特征反演的基础上，发展基于双线偏振雷达的地闪分级预警方法。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：本专利技术目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于双线偏振雷达的地闪分级预警方法，包括如下步骤：S1、将双线偏振雷达在每个距离库上的观测信息输入到式（1）的贝叶斯分类方法条件相似概率密度函数，Z
H
‑
Z
DR
、LK
DP
和交叉相关系数ρ
HV
的模型中，经加权平均后，得到每个雷达观测距离库上的霰的概率；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）；式中SF代表归一化参数，代表每个距离库上霰的后验条件概率密度函数，代表先验概率密度函数，代表条件相似概率密度函数；S2、根据霰的概率判识每个距离库上对应位置是否为霰，并结合反射率因子反演霰质量；S3、利用客观对流层云分类方法，根据雷达回波纹理结构，识别对流区域作为潜在雷暴区域；S4、在雷暴区域内计算回波顶高、垂直累计液态水含量和特定稳定层高度以上霰质量，与预设条件对比，进行预警，将地闪预警分为低频率、中等频率、高频率和无地闪。
[0006]本专利技术进一步优选地技术方案为，步骤S1中在建立条件相似概率密度函数时，选取双线偏振雷达观测多变量统一指示霰的观测区域的数据。
[0007]作为优选地，步骤S2中识别每个距离库上对应位置是否为霰时，将探空温度插值到雷达观测坐标高度上，输入到贝叶斯分类方法的先验概率函数中，利用温度信息和霰在垂直高度的概率，对识别结果进行约束。
[0008]优选地，约束的具体方法为，将雷达观测每个距离库上的温度信息放入垂直方向先验概率密度函数中进行计算，得到相应的的概率结果，并将其与步骤S1中每个距离库上的霰的概率相乘，获得最终约束结果。
[0009]优选地，步骤S2中霰质量的反演公式如式（2）：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（2），其中z代表线性反射率因子。
[0010]优选地，步骤S4中垂直累计液态水含量的计算公式如式（3）：
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（3），其中，Z
i
代表反射率因子，Δ
h
为Z
i
和Z
i+1
之间的高度。
[0011]优选地，步骤S4中预设条件的获得方式为：计算雷达观测资料上每个雷暴的地闪发生频率高低，得到地闪发生频率高、中、低和无地闪雷暴4类数据集，其中地闪少于或等于1次/6分钟的定义为低频率地闪，地闪为2
‑
12次/6分钟的定义为中等频率地闪，地闪多于或等于13次/6分钟的定义为高频率地闪；统计分析各数据集雷暴内部霰粒子含量、回波顶高和垂直累计液态水含量VIL，构建预警模型，并确定各级地闪频率下的预设条件。
[0012]有益效果：本专利技术利用双线偏振雷达观测数据建立条件相似概率密度函数，利用将探空温度插值到雷达观测坐标高度上，进行约束，从而识别每个雷达观测距离库上的霰，在此基础上反演霰质量；利用客观识别雷暴范围内特定温度层高度以上霰质量、垂直累计
液态水含量和回波顶高，从而判断该雷暴发生地闪频率高低或有无地闪，首次实现地闪频率高低临近预报，为预报人员发布预警提供信息。
附图说明
[0013]图1为本专利技术地闪频率分级预警方法流程图。
具体实施方式
[0014]下面通过附图对本专利技术技术方案进行详细说明，但是本专利技术的保护范围不局限于所述实施例。
[0015]实施例：一种基于双线偏振雷达的地闪分级预警方法，如图1所示，包括如下步骤：S1、计算雷达观测资料上每个雷暴的地闪发生频率高低，得到地闪发生频率高、中、低和无地闪雷暴4类数据集；其中地闪少于或等于1次/6分钟的定义为低频率地闪，地闪为2
‑
12次/6分钟的定义为中等频率地闪，地闪多于或等于13次/6分钟的定义为高频率地闪。
[0016]统计分析各数据集雷暴内部冰雹和霰粒子含量、回波顶高和垂直累计液态水含量VIL，构建预警模型，并确定各级地闪频率下的预设条件。
[0017]S2、将双线偏振雷达在每个距离库上的观测信息输入到式（1）的贝叶斯分类方法条件相似概率密度函数、Z
H
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双线偏振雷达的地闪分级预警方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、将双线偏振雷达在每个距离库上的观测信息输入到式（1）的贝叶斯分类方法条件相似概率密度函数，Z
H
‑
Z
DR
、LK
DP
和交叉相关系数ρ
HV
的模型中，经加权平均后，得到每个雷达观测距离库上的霰的概率；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）；式中SF代表归一化参数，代表每个距离库上霰的后验条件概率密度函数，代表先验概率密度函数，代表条件相似概率密度函数；S2、根据霰的概率判识每个距离库上对应位置是否为霰，并结合反射率因子反演霰质量；S3、利用客观对流层云分类方法，根据雷达回波纹理结构，识别对流区域作为潜在雷暴区域；S4、在雷暴区域内计算回波顶高、垂直累计液态水含量和特定稳定层高度以上霰质量，与预设条件对比，进行预警，将地闪预警分为低频率、中等频率、高频率和无地闪。2.根据权利要求1所述的基于双线偏振雷达的地闪分级预警方法，其特征在于，步骤S1中在建立条件相似概率密度函数时，选取双线偏振雷达观测多变量统一指示霰的观测区域的数据。3.根据权利要求1所述的基于双线偏振雷达的地闪分级预警方法，其特征在于，步骤S2中识别每个距离库上对应位置是否为霰时，将探空温度插值到雷达观测坐标高度上，输入到贝叶斯分类方法的先验概率函数中，利用温度信息和霰在垂直高度的概率，对识别结果进行约束。4.根据权利要求3所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨吉，郑媛媛，李熠，陈刚，孙康远，慕瑞琪，徐芬，
申请(专利权)人：南京气象科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：