[发明专利]一种非平稳天气系统高频强风的分级检测方法

说明书

本发明公开了一种非平稳天气系统高频强风的分级检测方法，包括以下步骤：1)测得瞬时风速；2)利用由瞬时风速表征的风脉动序列，提取高频风脉动；3)检测高频风脉动偏离高斯分布的阈值；4)利用分级的阈值判断高频风特性。针对的是秒到分钟时间尺度高频强风检测技术的研究空白，可以对高频破坏性强风进行更精准的预警。

技术领域

本发明属于气象监测技术领域，具体涉及一种非平稳天气系统高频强风的分级检测方法。

背景技术

破坏性强风一般发生在雷暴、飑线、台风、沙尘、寒潮等强天气过程的情况下，这些天气具有强烈的非线性和非平稳特征，对这类极端性灾害天气的监测和预警有着非常重要的意义。

对于破坏性强风，现有的研究均集中在天气尺度的强风和阵发性的大气湍流尺度。例如雷暴大风是夏季出现频率最高，也是最易漏报的灾害性天气之一。随着观测手段的多样化，风廓线雷达、边界层梯度风等新型探测技术的发展为对流风暴结构的精细化研究提供了进一步支撑。涂小萍等(涂小萍,姚日升,漆梁波,等.2014,浙江省北部一次灾害性大风多普勒雷达和边界层特征分析[J].高原气象,33(6):1687-1696.)，基于2部多普勒雷达、风廓线雷达和370米高塔等多种资料揭示了浙江省一次致灾大风的成因，结果表明是强对流单体出流边界与阵风锋合并导致了灾害性大风，并分析了阵风锋影响前后的边界层特征。陈雯超等(陈雯超，刘爱君，宋丽莉，等.2019,不同强风天气系统风特性的个例分析[J].气象，45(2):251-262.)，分析了不同强风天气系统近地面边界层的平均风和脉动风特性，发现台风、强对流大风和冷空气大风由于生成机理不一样，其风特性也会有差别。强对流的风速变化最为剧烈，平均湍流强度也远大于台风和强冷空气大风，台风强风的湍流能谱值要显著高于强对流和强冷空气大风。如果能获得连续而密集的大气湍流数据，则风场特性统计值能较好地揭示出平均速度、风向角、湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度和脉动风速功率谱密度函数的连续变化趋势及其短时段内的强风脉动规律(Cao S Y,Tamura Y,Kikuchi N,et al.2009,Wind characteristics of a strong typhoon.WindEng.Ind.Aerod.,97(1):11-21.)。

一般来说具有破坏性的强风分为两类，一类表现在低频的平均风速远超正常值，例如超强台风的最大风速可以超过12级，雷暴引起的灾害性阵风瞬时风速大于17m/s，针对这类强风已经有了很多研究；另一类强风的危害性也很大，表现在其平均风速中等偏大，但是它的高频脉动会频繁发生偏离平均值较大的极端风速。极端风发生得越频繁、能量强度越高，破坏性就越强，它会增加户外设备的疲劳载荷、减少设备的使用寿命，甚至直接造成永久性损坏。对于这类高频强风，现有的研究集中在频率为10-20Hz的大气湍流尺度，而针对秒至分钟时间尺度的强风的研究则很少。同时由于获取湍流数据需要超声风速仪，一般的气象站很难得到湍流尺度的风脉动数据。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种非平稳天气系统高频强风的分级检测方法，针对的是秒到分钟时间尺度高频强风检测技术的研究空白，可以对高频破坏性强风进行更精准的预警。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种非平稳天气系统高频强风的分级检测方法，包括以下步骤：

1)测得瞬时风速；

2)利用由瞬时风速表征的风脉动序列，提取高频风脉动；

3)检测高频风脉动偏离高斯分布的阈值；

4)利用分级的阈值判断高频风特性。

上述技术方案中：

步骤1)中，所述瞬时风速由风杯式风速计测得。

步骤2)中，所述提取高频风脉动的过程包括：

21)将原始的风脉动序列分解为一系列内模函数，记为：