基于FFT的大气电场频谱分析及雷暴预报研究

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• 作者：李颖王振会肖稳安曾庆锋杨天琦
• 会议时间：2011-11-01
• 关键词：FFT大气电场 ; 幅度谱分析 ; 欧氏距离判别法 ; 雷暴预报 ; 大气电场频谱分析
• 作者单位：南京信息工程大学,气象灾害省部共建教育部重点实验室,南京 210044 南京信息工程大学大气物理学院,南京 210044
• 母体文献：2011年第二十八届中国气象学会年会论文集
• 会议名称：2011年第二十八届中国气象学会年会
• 会议地点：厦门
• 主办单位：中国气象学会
• 语种：chi

摘要

地面大气电场仪作为一种雷电观测仪器,直接记录着电场的极性和大小变化;因此对雷暴以及雷暴过境前后的地面电场分析一直是雷电研究的热点之一。目前国内外的研究主要集中在对大气电场时间序列变化特征的分析上,预报雷暴的方法主要有阈值法和极性反转法,预报的时效性和准确率仍有待提高。傅里叶分析是经典的谱分析方法,能清楚揭示电场数据的频谱结构,发现时域中容易被掩盖的规律。本文的研究采用快速傅里叶变换的方法将大气电场时间序列转换到频域,将样本数据(样本容量为92)分为训练样本和待测样本,训练样本中的29 个数据样本中共有14 个雷暴天气样本和15 个非雷暴天气样本;选取能够包含雷暴发生发展的时间序列为30 分钟的电场数据进行分析。雷暴天气样本定义为:(1)距离测站10km 范围内有闪电定位数据,且该次闪电电流幅度大于10kA;(2)闪电位置周围回波强度大于30dBZ;非雷暴天气定义为没有发生雷暴的天气,包括晴天和阴雨天。研究将记录有闪电定位数据的时刻定义为首次地闪时间,发现:(1)14 个雷暴天气样本首次地闪前(包含首次地闪时间)30 分钟的电场数据在频域下的幅值表现出一定的共性,且雷暴天气的频谱幅值普遍高于非雷暴天气;(2)雷暴天气的幅度频谱较非雷暴天气波动起伏变化更为明显,在0-0.006Hz 频率范围内,其幅值衰减迅速,波形陡度大。这和时域下当有剧烈天气现象发生时,电场值会出现大幅值的不规则变化这一事实相符合;相对而言,在0-0.006Hz 频率范围内,非雷暴天气的幅度只有小范围的波动,波形呈指数形式衰减。研究表明:首次地闪前30 分钟的电场数据与非雷暴天气中任意时段三十分钟的电场数据的幅度谱分布具有明显差异,两类天气的幅度谱分布有一定规律可循,由此提出利用观测站的组网数据分别建立雷暴和非雷暴天气的平均幅度谱作为训练样本和判别标准,采用欧式距离判别法对待测样本进行判别分类和效果检验的方法。预测结果显示:对于雷暴的短时临近预报TS 技术评分大于0.5, 表明此种新方法在雷暴预报研究方面是有效并且可行的。