基于大气电场的雷电短临局地预警方法与流程

本发明涉及雷电预警领域，特别涉及基于大气电场的雷电短临局地预警方法。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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，本发明采用的技术方案是：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：

本发明的有益效果是：由于本发明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，本发明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，本发明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

本发明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，直到测试结果满足要求；最后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。由于该方法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。

下面以海拔低于600m的成都平原地区为例，对本发明做进一步说明。

根据2014年-2017年成都平原地区大气电场观测和雷电监测网试验结果，雷电来临前或者雷电发生时不仅大气电场强度会达到某一阈值，并且电场强度随时间变化率ΔE/ΔT在一定时间内或发生一定范围内的变化。因此在采用大气电场对平原地区雷电预警时，实施例必须采用雷电发生大气电场阈值与结合大气电场随时间变化率联合预警才能实现真正意义上的雷电预警。如图1所示，实施例的具体步骤如下：

步骤1、收集成都平原地区2014年-2017年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，例如将离散数据进行校正。

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，本例将2014年-2015年的同步观测资料作为样本集，将2016年-2017年的同步观测资料作为测试集。

步骤3、从样本集中筛选出雷电天气过程中发生雷电次数大于50次、且雷电与大气电场观测站的距离小于40千米的案例，并将其作为典型雷电天气案例，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5和10分钟时序差分，分别得到5和10分钟时序差分阈值，5和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，电场时序差分的具体方法可以参考：王强、王建初、顾宇丹，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。

步骤4、对步骤3得到的大气电场强度、大气电场在0-5分钟内随时间变化率以及大气电场在0-10分钟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、大气电场在0-5分钟内随时间变化率阈值以及大气电场在0-10分钟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、大气电场在0-5分钟内随时间变化率阈值以及大气电场在0-10分钟内随时间变化率阈值进行测试，并对测试结果中的虚警率和漏报率进行评价；若测试结果中的虚警率和漏报率不满足要求，则返回步骤3；若测试结果中的虚警率和漏报率满足要求，则将此时的大气电场强度阈值、大气电场在0-5分钟内随时间变化率阈值以及大气电场在0-10分钟内随时间变化率阈值输出，并进入步骤6。

本步骤可输出如下符合要求的阈值：

1、大气电场强度阈值E0满足：或者或者

2、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

3、大气电场在0-10分钟内随时间变化率阈值ΔE/ΔT10满足：或者

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。其中，本步骤所述的大气电场强度在一段时间内随时间变化率阈值既可以是大气电场在0-5分钟内随时间变化率阈值也可以是大气电场在0-10分钟内随时间变化率阈值，进而实施例预警指标可以有以下组合条件：

在实际运用时我们可以根据预警对象对预警时效需求采用不同组合条件阈值，若采用(1)或(2)或(3)作为预警指标可以做到最大提前5分钟对大气电场仪半径10km范围内雷电进行预警，若采用(4)或(5)或(6)随时间变化率阈值作为预警指标可以做到最大提前10分钟对大气电场仪半径10km范围内雷电进行预警。

经过实际的雷电预警验证，我们可以得到以下效果：

在条件组合(1)-(3)中，条件组合(1)的预警效果最优，其预警成功率为91％，虚警率为3％，漏报率为6％，时效达到0-3分钟。此外，条件组合(2)对于较强雷电天气过程效果较好，但对弱雷电漏报率较高，即预警成功率降低，同时预警时效降低，预警范围较小；条件组合(3)对于弱雷电灵敏较高，漏报率较低，但虚警率较高，预警时效也较高，预警范围也较大。

条件组合(4)-(6)中，条件组合(4)的预警效果最优，其预警成功率为87％，虚警率为6％，漏报率为7％，时效达到0-6分钟。此外，条件组合(5)对于较强雷电天气过程效果较好，但对弱雷电漏报率较高，即预警成功率降低，同时预警时效降低，预警范围较小；条件组合(6)该方案对于弱雷电灵敏较高，漏报率较低，但虚警率较高，预警时效也较高，预警范围也较大。

综上，实施例用于成都平原地区短、临时雷电预警时，可使得雷电预警准确率提高、雷电虚警率降低、漏报率大幅降低。