基于微波辐射计的雷暴预警方法与流程

本发明属于气象预测，具体涉及一种基于微波辐射计的雷暴预警方法。

背景技术：

1、微波辐射计是一种用来接收在天线视场范围内的各种物体自身所辐射、散射或反射的微波噪声能量，并把它等效变换成黑体温度表示出来的一种无源微波遥感电子仪器，它具有能穿透云层、可日夜工作及受雾、雨、雪等气象影响较小的优点，微波辐射计主要用于分析局部中小尺度天气现象，如局地的雷暴、降雨、雾、冰冻及边界层紊流，局部短时间内生成或消散的中小尺度天气灾害，部分事件危害性较大，在目前中尺度天气现象监测过程中，探空气球和天气雷达是常用的手段，探空气球会受到使用时间和空间的限制；天气雷达资料基本局限于降雨过程，无降水时有明显欠缺；在离地面5公里范围内卫星遥感数据存在较大的误差，地基微波辐射计的出现，填补上述研究方法监测方面的空白，是极其有效的补充手段。

2、目前基于微波辐射计的雷暴预警方法包括k指数、ko指数、si指数、li指数、s指数、tt指数、tq指数、tc指数、cape指数和sweat指数，k指数是一个在850hpa，700hpa，和500hpa处的温度和湿度信息的函数，ko指数由德国气象局研发，目的是估测欧洲范围内的雷暴可能性，这个指数对湿度更为敏感，能稳定地进行指示，并能够很好地在寒冷和湿润的气候中使用，si指数依靠850hpa的数据，当雾层到达850hpa高度时，si指数是最可靠的，li指数是一个改进的si指数，它消除了对850hpa处数据的依赖，s指数是由德国军方地球物理办公部门研发的，它最初用来指示从四月到九月期间的发生雷暴的可能性，tt指数一般被用作极端天气指示器，它基于温度和湿度数据，tq指数一般用于估计低顶对流可能性，tc指数是通过沿着从ccl(对流凝结高度)直到地表高度的干绝热线得到的，对流温度是地球表面必须达到的温度，才能在没有天气强迫机制的情况下发生暴风雨，对流温度最可能在下午晚些时候达到，一旦温度达到对流温度，空气团能够自然地上升到ccl，而且由于遍及对流层的正浮力将会使气团自由上升并发生暴风雨，cape指数是评估垂直大气是否稳定、对流是否容易发展的指标之一，sweat指数被特意地创造出来用于帮助预测严重的雷暴和龙卷风活动，并且不能用于预测普通的雷暴。

3、上述指数都有各自的适用环境，并且一些指数的主要用途也并非用于雷暴预警。

4、另外，在现有专利文献中，例如中国发明专利申请号cn202010690956.4的专利文献公开了一种雷暴预警系统及方法，该发明包括雷暴短临预报模块、雷暴潜势预报模块、雷暴实时监测模块、用户管理模块以及雷暴预报预警可视化模块五个部分，基于电网雷暴预报数据的短临预报、潜势预报提供精细化预报产品数据，通过api接口接入所部署的服务器，实时传输预报结果，通过基于webgis技术的预报预警可视化系统平台展示。雷暴预报预警项目系统总体可分为数据来源层、原始数据层、数据存储层、计算层、应用服务层等五个层次。该方法可提前有效的发现雷电活动对输电线路的影响，提高调度及应急预案制定管理水平，并为电网的安全、稳定、优质及经济运行奠定良好的基础。

5、又例如中国发明专利申请号cn201510045289.3的专利文献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进行雷暴预警，其预报雷暴预警和预警时间都有了提升。

6、上述发明专利申请涉及的雷暴预警方法均存在雷暴预警准确度不足的缺陷。为了在不同的环境下都能够有效的对雷暴进行预警，亟待提出一种基于微波辐射计改进的雷暴预警方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于微波辐射计的雷暴预警方法，包括：

2、步骤1，使用微波辐射计进行探测，得到不同海拔高度上的温度和相对湿度，将海拔高度h转换为大气压值p，得到不同大气压处的温度和相对湿度；

3、步骤2，计算k指数；

4、步骤3，计算cape指数；

5、步骤4，计算si指数，公式如下：

6、si＝t500-t`……(1)；

7、公式中，tn表示在大气压为nhpa处的温度，t`是小空气块由850hpa干绝热地上升到lcl，再按湿绝热线上升到500hpa时的温度；

8、步骤5，计算平均假相当位温，公式如下：

9、

10、公式中，θsen表示在大气压为nhpa处的假相当位温，m表示从大气压为700hpa处到微波辐射计处的采样点的个数，n的值为从700hpa开始至微波辐射计处之间的采样点的大气压值；

11、步骤6，计算假相当位温差值，公式如下：

12、diff(θse)＝θse850-θse500……(3)；

13、步骤7，计算平均露点温度，公式如下：

14、

15、公式中，tdn表示在大气压为nhpa处的露点温度；

16、步骤8，计算雷暴预警综合指数ts，根据ts的值判断雷暴等级，公式如下：

17、

18、公式中，a1至a6是权重系数，能够根据实际情况进行调整。

19、进一步地，步骤1中：

20、海拔高度h转换为大气压值p的转换公式如下：

21、

22、进一步地，计算k指数，公式如下：

23、k＝t850-t500+td850-t700+td700……(7)；

24、

25、

26、公式中，t是起始高度的温度，rh是相对湿度，tn表示在大气压为nhpa处的温度，tdn表示在大气压为nhpa处的露点温度，露点温度由温度和相对湿度计算得到。

27、进一步地，步骤3中包括：

28、步骤3.1，计算抬升凝结高度lcl；

29、步骤3.2，计算自由对流高度lfc和平衡高度el，lfc是层结曲线和状态曲线第一个交点所在高度，el是层结曲线和状态曲线第二个交点所在高度，其中，层结曲线是大气中实际温度垂直分布情况的曲线，状态曲线是空气块绝热上升时温度变化的曲线，空气块干绝热上升直到到达凝结高度后变为湿绝热上升，状态曲线在凝结高度之下的部分称为干绝热线，状态曲线在凝结高度之上的部分称为湿绝热线；

30、步骤3.3，用单位质量的上升气块在重力和浮力的合力作用下所作的功来度量cape指数，获得cape指数。

31、进一步地，步骤3.1中：

32、抬升凝结高度lcl，计算公式如下：

33、lcl＝124×(t-td)……(10)；

34、公式中，t是起始高度的温度，td是起始高度的露点温度，得到lcl后根据转换公式能够得到lcl处的大气压。

35、进一步地，步骤3.2中：干绝热线的公式如下：

36、

37、公式中，t0是初始状态气块的温度，p0是初始状态气块的压强，根据公式得到温度随大气压的变化曲线，获得干绝热线。

38、进一步地，步骤3.2中：湿绝热线的公式如下：

39、

40、

41、

42、

43、公式中，θse是假相当位温，exp()是自然常数为底的指数函数，假相当位温随高度的变化曲线构成湿绝热线。

44、进一步地，步骤3.3中：cape指数，公式如下：

45、

46、tv＝t×(1+0.61×q)……(17)；

47、公式中，tv是虚温，tvp是状态曲线上点的虚温，tve是层结曲线上点的虚温，g是重力加速度。

48、本发明的有益效果是：

49、本发明所述基于微波辐射计的雷暴预警方法，综合了不同指数的优点，能够适用于不同的环境，并能够根据实际环境对雷暴预警综合指数中的系数进行调整，对雷暴的预警更加准确，k指数代表了垂直温度直减率、底层水汽条件和底层饱和程度，cape指数用于评估垂直大气的稳定度和对流是否容易发展，si指数反映了大气的稳定度，假相当位温是判断对流性不稳定的一个重要依据，露点温度反映了大气中的水汽含量，综合这些参数可以更准确的对雷暴进行预警。