一种雷暴预警方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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宄，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。
[0003]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 目前大多数研宄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】
[0004] 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。
[0005] 为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
[0006] 一种雷暴预警方法，包括以下步骤：
[0007] (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=l，2，...，m。
[0008] (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个均值叽1(〇，<(〇与％1(〇的差值记为&1(〇，将&1(〇 作为新的数据序列，检查其是否满足MF条件，如果不满足，则将用hM(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hu+Jt) = ，k彡1 ;
[0009] (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cu(t)得到残余数据ru(t)，用替换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彡1 ;
[0010] (4)还原原始输入信号x(t)，Xi'（t)表示成m组MF分量与残余数据的和形式，原 始输入信号x(t)为\'（t)的总体平均运算，即：
【主权项】
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=l，2，...，m。 (2) 针对每一组序列< (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％i(t)，Xi'⑴与％i⑴的差值记为hi:i⑴，将hi:i⑴作 为新的数据序列，检查其是否满足MF条件，如果不满足，则将用hM(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hu+Jt) =huW-mu+Jt)，k彡1 ; (3) 将满足MF条件的hu(t)或hu+Jt)作为第1阶IMF分量(^⑴，并用加噪序 列Xi'（t)减去cu(t)得到残余数据r^a)，用替换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彡1 ; (4) 还原原始输入信号x(t)，Xi'（t)表示成m组MF分量与残余数据的和形式，原始输 入信号x(t)为\'（t)的总体平均运算，即：
其中，(^⑴为步骤（3)得到的第i组Xi'⑴的第j阶MF分量； (5) 选定时间尺度，记录MF分量方差最大值对应的层数的动态变化轨迹，定义时间尺 度内頂F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MF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 頂F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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G01R29-08
【公开号】CN104614597
【申请号】CN201510045289
【发明人】行鸿彦, 张强, 季鑫源, 徐伟
【申请人】南京信息工程大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年1月28日