申请/专利权人：青岛市生态与农业气象中心(青岛市气候变化中心)

申请日：2023-12-27

公开（公告）日：2024-03-15

公开（公告）号：CN117473878B

主分类号：G06F30/27

分类号：G06F30/27;G06F17/11;G06N3/0464;G06F18/243;G06N20/20;G01R29/08;G01W1/00;G06F111/08

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.15#授权;2024.02.20#实质审查的生效;2024.01.30#公开

摘要：本发明公开了一种基于静止卫星数据的地闪强度反演方法，涉及地闪回击强度反演技术领域，包括利用匹配的组特征数据、闪电类型数据，建立云地闪特征数据集；利用匹配的组数据、地闪强度数据和按影响因素选取的静止卫星气象观测数据，建立星地同步闪电数据集；使用机器学习方法，利用云地闪特征数据集和星地同步闪电数据集进行训练，分别构建云地闪区分模型和地闪强度反演模型，实现基于静止卫星数据的地闪强度反演。本发明弥补了利用静止卫星数据进行地闪强度反演的空白，实现了对静止卫星数据更深层次地应用，可以为闪电监测预警等方面的工作提供更好的数据支撑。

主权项：1.一种基于静止卫星数据的地闪强度反演方法，其特征在于，利用静止卫星多源数据实现地闪强度反演，包括如下步骤：步骤1，建立和完善地基三维雷电探测网和地基广域雷电定位网，并对地基三维雷电探测网和地基广域雷电定位网获取的闪电数据进行预处理；步骤2，建立云地闪特征数据集和星地同步闪电数据集；步骤3，使用机器学习方法，利用云地闪特征数据集和星地同步闪电数据集，分别构建云地闪区分模型和地闪强度反演模型；步骤4，利用云地闪区分模型筛选出和地闪相关且与模型采用的特征量对应的静止卫星新数据，将数据输入地闪强度反演模型，输出地闪强度，实现基于静止卫星数据的地闪强度反演；所述步骤2中建立云地闪特征数据集的具体方法为：将地基三维雷电探测网数据与静止卫星闪电探测数据进行匹配，以地基三维雷电探测网确定的闪电类型作为标签，匹配的组特征数据作为特征量，形成云地闪特征数据集，其中组特征数据为组面积、组总能量；所述步骤2中建立星地同步闪电数据集的具体步骤为：步骤2.1，建立同时考虑闪电光源结构和云的不规则形状与不均匀特性的闪电光辐射传输优化模型，并通过模型提取影响闪电光辐射特征的因素；步骤2.2，按影响因素确定要选择静止卫星气象观测数据，将匹配的组数据、地基广域雷电定位网获取的地闪强度数据以及选择的静止卫星气象观测数据一起组成星地闪电同步数据集；所述步骤2.1包括：闪电光辐射传输模型中采用MonteCarlo方法，对闪电光源释放的每一个光子在云中多次散射的全过程进行计算，不断重复，直到达到设定好的模拟光子数；其中对单个光子的模拟过程为：赋予光子一个初始权重，根据光子所在位置的特性计算其下一步的散射方向和距离，逐步跟踪其散射路径，并在每次散射发生之前产生一个在0到1之间的随机数与1-ω0进行比较，此随机数小于1-ω0时认为光子被吸收，其中ω0为单次散射反照率；当光子被吸收或从云中逸出时模拟过程终止，记录光子的位置及状态信息后开始对下一个光子的模拟；光子每次的散射方向和距离通过下式进行计算，散射方向由散射相函数pμ确定： 其中，g表示不对称因子,是所有散射角的平均值，与波长和云粒子的大小相关；μ＝cosα，α表示光子传输的散射角； 其中，α表示光子传输的散射角；r表示均匀分布在0到1之间的随机数；s＝-lnr·Λ其中，s表示光子在两次散射过程间行进的距离；Λ表示光子在云中的平均自由程； 其中，a表示云中粒子平均半径，N表示粒子平均数浓度；所述闪电光辐射传输模型可加载的光源形式包括点光源和线光源；其中线光源由多个等距间隔的点光源组成，组成线光源的每个点光源平分发射的总光子，从而实现光源在空间上的延伸；为考虑云的不规则形状与不均匀特性，利用边长为200m的立方体网格组成任意形状的三维云；每个小立方体内云的性质相同，按照需要给每个小立方体赋予不同参数值来表现云的不均匀性；向小立方体添加的参数来源于对云的实际观测数据，且符合云水粒子常见分布趋势；对影响因素进行提取的方法为：在闪电光辐射传输优化模型中通过控制变量的方法，研究不同的光源的形状、位置、云几何形状、云不均匀性和观测角度对闪电光辐射特征的影响，并对影响程度大的那些因素进行提取；所述步骤2.2包括：对地基广域雷电定位网数据与静止卫星闪电探测数据按时间间隔小于10ms、空间间隔小于20km的标准进行匹配，确定共同观测到的地闪；按地基广域雷电定位网与静止卫星匹配上的闪电的发生时间和位置以及提取的影响因素，选取闪电周围100km*100km范围内同一时间的静止卫星气象观测数据；将匹配的组数据、地基广域雷电定位网获取的地闪强度数据以及选择的静止卫星气象观测数据一起组成星地闪电同步数据集；其中组数据、选择的静止卫星气象观测数据作为特征量，地基广域雷电定位网获取的地闪强度数据作为标签。

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