湖北省雷电的特征分析及预测

摘要

雷电是发生在自然大气中的瞬间放电现象,并同时伴有声、光的出现。在现代生活中,雷击建筑物不仅造成建筑物损毁,使森林发生火灾,更严重的是对人的生命造成危害。随着社会经济和科学技术的迅速发展及城镇化进程不断加快、现代建筑物中高科技含量的增加、建筑材料的多样化、新建建筑物智能化程度的提高、计算机与通信信息系统及电子控制系统的广泛应用,雷电对电力、广播电视、航天航空、邮电通讯、国防建设、交通运输、石油化工、电子工业等系统的电子、电气设备损坏越来越严重,尤其是雷击电磁脉冲对微电子控制系统损坏的事件时有发生,灾害造成的损失逐年扩大。湖北省地处我国腹地的长江中游,位于29°05’---33°20’N、108°21’---116°07’E之间,东连安徽省,西靠四川、重庆市,北接河南省,南临湖南省,东南与江西省相壤,西北与陕西省交界。湖北省水陆交通发达,气候温暖湿润,适合人类生活和交往,形成了具有政治、经济、文化、人口中心地位的大省,工农业发展速度快,经济发达。湖北省具有从亚热带向暖温带过渡的特征,夏半年冷暖气流常在其所在的长江流域交汇而形成梅雨锋,沿梅雨锋雷暴多有发生。只有深入研究并掌握雷电时空分布规律及其相关因素,提高雷电的预警预报能力,才能有效避免或减轻雷电灾害造成的经济损失和人员伤亡,保证区域各项工作的正常进行。
　　本文使用湖北省20个气象站人工观测的雷暴日资料、TRMM卫星的闪电定位资料和湖北省闪电监测定位系统(LLS)的闪电定位资料,应用数学统计分析方法对湖北省雷暴的时空分布特征及相关参数进行了分析,发现湖北省雷暴日总体呈下降趋势,雷暴日数存在16a,8-9a的长周期,以及3a、4a交替出现的短周期。闪电主要发生在全年3—9月,其中夏季最多,12月和1月最少;湖北省闪电日变化特征,夏季属于白天主导型,春季属夜间主导型。计算湖北省地闪密度的空间分布,发现利用雷暴日资料计算的地闪密度＞LLS地闪密度＞LIS地闪密度,LIS地闪密度和LLS地闪密度空间分布特征基本一致,与雷暴日数空间分布存在差异,但总体上反映了湖北省地闪密度的空间分布特征。闪电密度高值区位于湖北省中西部和中东部,而雷暴日高值区位于鄂西北和鄂东南;闪电密度分布与地形高程有关,海拔高度在300—400m和400-500m的过渡区间闪电密度值最大,500m以后反而随海拔高度增加而减弱。负闪频数远大于正闪,但正闪平均强度和平均陡度均高于负闪;负闪和正闪均主要分布在20-40KA之间;雷电流强度东西向差异较大,南北差异较小;正闪强度和次数月变化呈现明显的负相关特性,负闪强度在2-10月变化不明显。使用NCEP/NCAR再分析场资料、NOAA公布的Nino3+4区域的海温资料分析了大尺度天气环流、ENSO事件与雷暴异常年的关系:多雷暴年,东亚地区500hPa位势高度场出现大范围的负距平,西太平洋副热带高压较弱,且位置偏东,少雷暴年则相反;1ENSO期间易发生雷暴异常现象,El Nino期间,春季雷暴活动易于频繁,且兼有ENSO冷暖事件的各年或其相邻年份易出现雷暴异常现象。用ARIMA-NN集成模型对武汉市雷暴日数进行预测分析,发现拟合的平均相对误差绝对值从16.83％降低到0.45％,说明集成模型拟合精度明显高于单一ARIMA模型,预测表明2011年武汉市预计雷暴日数为22天,相对2010年明显减少。

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 研究的目的和意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 国外研究进展

1.2.2 国内研究进展

1.3 论文研究内容

第二章 雷电监测及预测原理和方法

2.1 星载闪电观测和闪电成像传感器(LIS)

2.3 闪电定位系统LLS

2.3.1 VLF/LF的磁定向(MDF)定位技术

2.3.2 VLF/LF的时间到达法(TOA)定位技术

2.3.3 VLF/LF综合定位(IMPACT)技术

2.4 MORLET小波分析方法

2.5 经验正交分解(EOF)方法

2.6 ARIMA模型原理

2.6.1 ARIMA模型一般形式

2.6.2 模型的识别

2.6.2.2 AR(p)序列的自相关和偏自相关函数

2.6.3 模型阶数的确定

2.6.4 模型参数的估计

2.6.5 运用ARIMA(p,d,q)模型进行预测

2.7 神经网络(NN)模型简介

2.8 本章小结

第三章 湖北省雷电时空特征分析

3.1 资料来源

3.2 时间分布特征

3.2.1 年际变化特征

3.2.2 雷暴日数的小波分析

3.2.3 月季变化特征

3.2.4 日变化特征

3.3 空间分布特征

3.3.1 总闪密度分布

3.3.2 地闪密度

3.3.4 雷暴日数EOF分析

3.4 闪电电流参数特征分析

3.4.1 闪电电流参数基本特征

3.4.2 地闪电流分布特征

3.5 本章小结

第四章 湖北省雷暴异常年及可能的影响因素

4.1 资料来源

4.2 雷暴异常年的确定

4.3 雷暴异常年同期500HPA大气环流的特征

4.4 湖北省雷暴异常年与ENSO事件的关系

4.5 本章小结

第五章 武汉市雷暴日数预测

5.1 资料来源

5.2 雷暴日数的预测思路

5.3 ARIMA模型的建立

5.3.2 模型识别、参数估计及模型建立

5.3.3 模型检验

5.3.4 模型预测

5.4 残差NN模型的建立

5.5 预测结果

5.6 结论与讨论

第六章 结论与讨论

6.1 主要结论

6.2 研究的创新点

6.3 讨论

参考文献

作者简介

致谢