雷暴云特征數(shù)據(jù)集說(shuō)明文檔

雷暴云特征數(shù)據(jù)集說(shuō)明文檔1數(shù)據(jù)集信息數(shù)據(jù)集中文名稱：雷暴云特征數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)集建立時(shí)間：2021022數(shù)據(jù)源信息基于2010–2018年FY-2E衛(wèi)星的TBB產(chǎn)品、云分類（CloudClassification，CLC）產(chǎn)品以及全球閃電定位網(wǎng)（WorldWideLightningLocationNetwork，WWLLN）的閃電定位數(shù)據(jù)計(jì)算建立。3數(shù)據(jù)集實(shí)體信息3.1數(shù)據(jù)集實(shí)體內(nèi)容3.1.1文件名稱該數(shù)據(jù)集中數(shù)據(jù)的文件名為YYYYMMDD_hhmm.mat，YYYYMMDDhhmm分別表示數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間（世界時(shí)，UTC）：年、月、日、時(shí)、分，如20100112_0000表示2010年01月12日0時(shí)0分。3.1.2文件內(nèi)容該數(shù)據(jù)集為2010–2018年整個(gè)風(fēng)云2號(hào)E星（FY-2E）探測(cè)全圓盤區(qū)域內(nèi)的雷暴云特征數(shù)據(jù)集，其中包括了雷暴云時(shí)間、位置信息，用擬合橢圓表示的雷暴云形態(tài)（長(zhǎng)、短軸、旋轉(zhuǎn)角等）信息，表征雷暴云結(jié)構(gòu)的云面積、相當(dāng)黑體亮度溫度（BlackBodyTemperature，TBB）統(tǒng)計(jì)值、其中包含的閃電信息以及包含的強(qiáng)對(duì)流核、閃電簇信息等。數(shù)據(jù)集中數(shù)據(jù)文件格式為matlab格式。具體文件存儲(chǔ)格式見“\description\”路徑下的格式說(shuō)明文件“雷暴云特征數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)格式說(shuō)明.docx”。3.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取信息3.2.1存儲(chǔ)格式和讀取具體文件存儲(chǔ)格式和讀取見“\description\”路徑下的格式說(shuō)明文件“雷暴云特征數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)格式說(shuō)明.docx”。3.2.2數(shù)據(jù)集在介質(zhì)中的放置存儲(chǔ)介質(zhì)：移動(dòng)硬盤介質(zhì)數(shù)量：1個(gè)存儲(chǔ)目錄結(jié)構(gòu)：（1）\dataset\YYYY\：存放數(shù)據(jù)集實(shí)體文件，其中YYYY為數(shù)據(jù)文件對(duì)應(yīng)年份。（2）\description\：存放數(shù)據(jù)集說(shuō)明文檔。（3）\metadata\：存放元數(shù)據(jù)文檔。（4）\missdata\：存放數(shù)據(jù)集缺失統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)總量：538GB3.3時(shí)間屬性時(shí)制：世界時(shí)時(shí)間范圍：20100112–20181231時(shí)間分辨率：每小時(shí)3.4空間屬性空間分布類型：以雷暴個(gè)例為對(duì)象地理區(qū)域名稱：FY-2E衛(wèi)星探測(cè)的全圓盤區(qū)域最西經(jīng)度：14.5°E，2015年7月后為3.5°W最東經(jīng)度：194.5°E，2015年7月后為176.5°E最北緯度：90°N最南緯度：90°S空間分辨率：與FY-2E衛(wèi)星TBB產(chǎn)品空間分辨率一致，星下點(diǎn)（104.5°E，2015年7月后為86.5°E）分辨率為5km，越靠近衛(wèi)星探測(cè)全圓盤區(qū)域邊緣分辨率越低。3.5觀測(cè)儀器數(shù)據(jù)源中FY-2E衛(wèi)星的TBB產(chǎn)品、CLC產(chǎn)品由FY-2E衛(wèi)星搭載的可見光紅外自旋掃描輻射儀（StretchedVisibleandInfraredSpinScanRadiometer-II，VISSR-2）觀測(cè)處理得到。閃電定位數(shù)據(jù)由全球閃電定位網(wǎng)（WorldWideLightningLocationNetwork，WWLLN）的閃電電磁輻射信號(hào)探測(cè)得到。3.6數(shù)據(jù)處理方法數(shù)據(jù)集的建立方法見參考文章（馬瑞陽(yáng)等，2021）1.2節(jié)，大致步驟如下：初選TBB≤-32℃且在CLC產(chǎn)品中必須被識(shí)別為云區(qū)的區(qū)域?yàn)閭溥x區(qū)域，如圖1中紅色曲線所包圍的區(qū)域。在以往的研究中，TBB≤-32℃往往作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)流活躍區(qū)的識(shí)別（Maddox,1980）。圖SEQ圖\*ARABIC1雷暴云區(qū)域的識(shí)別示意圖（馬瑞陽(yáng)等，2021）（2）使用最小二階矩法對(duì)備選區(qū)的輪廓形狀進(jìn)行橢圓擬合，如圖1中藍(lán)色線條所示的橢圓。（3）選擇該TBB數(shù)據(jù)時(shí)刻前20分鐘和后40分鐘共1小時(shí)時(shí)段內(nèi)的所有WWLLN閃電疊加在TBB圖上，如果存在WWLLN閃電落在備選區(qū)域內(nèi)或者其擬合橢圓內(nèi)，則該備選區(qū)域被確認(rèn)為雷暴云。如圖1（馬瑞陽(yáng)等，2021）中，黃色“*”標(biāo)記WWLLN閃電的位置，紅色實(shí)線內(nèi)的區(qū)域即為識(shí)別出的雷暴云，其對(duì)應(yīng)擬合橢圓的藍(lán)線也為實(shí)線；虛線表示的云區(qū)為非雷暴云。另外，對(duì)于TBB≤-32℃區(qū)域內(nèi)無(wú)WWLLN閃電的備選區(qū)域，若其內(nèi)WWLLN閃電均來(lái)自于包含在其內(nèi)的其他備選區(qū)域，則該備選區(qū)域不被識(shí)別為雷暴云。若兩個(gè)TBB≤-32℃區(qū)域內(nèi)無(wú)WWLLN閃電的備選區(qū)域在擬合橢圓區(qū)域有重合，且僅在擬合橢圓重合的位置有WWLLN閃電，則這兩個(gè)備選區(qū)域均不進(jìn)入雷暴云樣本集。（4）獲得雷暴云參數(shù)，形成特征數(shù)據(jù)集。其中包括了雷暴云時(shí)間、位置信息，用擬合橢圓表示的雷暴云形態(tài)（長(zhǎng)、短軸、旋轉(zhuǎn)角等）信息，表征雷暴云結(jié)構(gòu)的云面積、TBB溫度統(tǒng)計(jì)值、其中包含的閃電信息以及包含的強(qiáng)對(duì)流核信息等。（5）對(duì)每個(gè)雷暴云中的WWLLN閃電進(jìn)行聚類，得到雷暴云中的閃電簇。閃電聚類使用的算法為DBSCAN算法，本研究參考Hutchinsetal.（2014）確定DBSCAN聚類參數(shù)分別為??=12km、MinPts=2，即要求雷暴云中的每個(gè)閃電簇中的閃電數(shù)大于2且都落在半徑12km以內(nèi)。如圖2為一個(gè)雷暴云內(nèi)通過(guò)DBCAN算法聚類得到的閃電簇示意圖，紅色實(shí)線和綠色實(shí)線分別為雷暴云的TBB≤-32℃邊界和擬合橢圓，深藍(lán)色點(diǎn)為閃電簇內(nèi)的WWLLN閃電，深藍(lán)色實(shí)線則為閃電簇的邊界，淺藍(lán)色點(diǎn)為落在閃電簇外的WWLLN閃電（噪音點(diǎn)）。對(duì)雷暴云內(nèi)每個(gè)閃電簇的位置、面積、其內(nèi)閃電數(shù)以及其內(nèi)閃電對(duì)應(yīng)的TBB值等信息進(jìn)行存儲(chǔ)。圖SEQ圖\*ARABIC2雷暴云內(nèi)閃電聚類成閃電簇的示意圖3.7數(shù)據(jù)質(zhì)量狀況數(shù)據(jù)完整性：見\missdata\路徑下的數(shù)據(jù)缺失文件“missdata_hour.mat”,該文件中變量missdate為3302×4的雙精度數(shù)組（double），儲(chǔ)存了雷暴云特征數(shù)據(jù)集中所有缺失數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)日期（精確到小時(shí)），共有3302個(gè)，每列分別為缺失數(shù)據(jù)日期的年、月、日、時(shí)。數(shù)據(jù)質(zhì)量控制：數(shù)據(jù)集本身未經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制，但預(yù)先分析發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)集中存在一些云面積極大，其內(nèi)閃電數(shù)量卻極少的異常雷暴云，雖然數(shù)量少，但可能對(duì)雷暴云特征參量的統(tǒng)計(jì)造成影響，因此在使用數(shù)據(jù)集和統(tǒng)計(jì)的過(guò)程中，可使用參考文章（馬瑞陽(yáng)等，2021）第2章所示方法對(duì)雷暴云特征參量數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，方法大致描述如下：選出質(zhì)心落在研究區(qū)域內(nèi)的所有樣本，根據(jù)雷暴云內(nèi)所含閃電數(shù)將它們對(duì)應(yīng)到不同的閃電數(shù)區(qū)間，區(qū)間的劃分確保落在每個(gè)區(qū)間內(nèi)的樣本數(shù)足夠多。針對(duì)每一個(gè)區(qū)間里雷暴云，進(jìn)行異常雷暴云的判斷。判斷方法為：得到相應(yīng)閃電頻次區(qū)間雷暴云面積分布的25分位值Q1，75分位值Q2，雷暴云面積如果大于Q2+1.5×(Q2-Q1)或者小于Q1-1.5×（Q2-Q1），則認(rèn)為其為異常雷暴云。上述閾值也是在箱線圖表征數(shù)值分布特征時(shí)默認(rèn)的異常值邊界，假設(shè)數(shù)據(jù)是正態(tài)分布，這個(gè)邊界值大致相當(dāng)于±2.7倍標(biāo)準(zhǔn)差和99.3%的數(shù)據(jù)覆蓋。隨后對(duì)在各個(gè)區(qū)間獲得的異常邊界面積閾值進(jìn)行擬合，該擬合曲線作為異常雷暴云的判別條件。圖3（馬瑞陽(yáng)等，2021）展示了研究區(qū)域內(nèi)不同閃電頻次和雷暴云面積區(qū)間的雷暴云樣本數(shù)分布。圖中“*”表示在不同閃電頻次區(qū)間得到的雷暴云面積異常值邊界。使用前述異常值判別方法，此處只存在極大異常值。黑色線表示這些根據(jù)異常面積閾值和對(duì)應(yīng)區(qū)間閃電頻次得到的擬合函數(shù)，只選擇位于該曲線下方的樣本才進(jìn)入分析。如中國(guó)及沿海區(qū)域內(nèi)，進(jìn)入分析的樣本數(shù)約占區(qū)域內(nèi)總樣本數(shù)的87%（馬瑞陽(yáng)等，2021）。圖SEQ圖\*ARABIC32010—2018年不同閃電頻次（F）和雷暴云面積（A）區(qū)間的樣本量分布（馬瑞陽(yáng)等，2021）數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)：雷暴云特征數(shù)據(jù)集覆蓋了FY-2E的圓盤狀觀測(cè)區(qū)域，但由于圓盤邊緣區(qū)域衛(wèi)星觀測(cè)到的云可能不完整，所以數(shù)據(jù)集并不適合在整個(gè)區(qū)域直接使用。雷暴云特征數(shù)據(jù)集來(lái)自于高頻率連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)（1小時(shí)），其中既包含了雷暴云頻次信息，也包含了雷暴云生命史的信息，因此本數(shù)據(jù)集的雷暴云統(tǒng)計(jì)量就會(huì)遠(yuǎn)大于基于TRMM數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。此外，TRMM較低的觀測(cè)頻率使得其可能漏掉閃電頻次較低的雷暴（在其掃描的約90s時(shí)間內(nèi)沒(méi)有發(fā)生閃電）。另外，數(shù)據(jù)集采用一個(gè)小時(shí)的閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行雷暴云判斷，會(huì)把閃電活動(dòng)較弱的雷暴云也納入樣本。在海洋對(duì)流活動(dòng)整體弱于陸地對(duì)流活動(dòng)的情況下，也會(huì)使得本數(shù)據(jù)集相比TRMM/RPF數(shù)據(jù)包含更多的海洋雷暴云樣本（馬瑞陽(yáng)等，2021）。在馬瑞陽(yáng)等（2021）的研究中，給出了使用該數(shù)據(jù)集統(tǒng)計(jì)得到的中國(guó)及其周邊區(qū)域雷暴活動(dòng)的空間分布圖，并與我國(guó)陸地地區(qū)年平均雷暴日的空間分布進(jìn)行對(duì)比，可以看到，陸地上的年平均雷暴日空間分布與本研究數(shù)據(jù)集得到的雷暴活動(dòng)空間分布非常相似，也一定程度上支持了本研究雷暴云特征數(shù)據(jù)集的可靠性。4引用文獻(xiàn)馬瑞陽(yáng),鄭棟,姚雯,等.雷暴云特征數(shù)據(jù)集及我國(guó)雷暴活動(dòng)特征.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2021,32(3):358-369.Du,Y.,Zheng,D.,Ma,R.,etal.ThunderstormactivityovertheQinghai–TibetPlateauindicatedbythecombineddataoftheFY-2EgeostationarysatelliteandWWLLN.SubmittedtoRemoteSensing,2022,（提交該數(shù)據(jù)集時(shí)已通過(guò)一審，小修，引用時(shí)請(qǐng)搜索正式出版版本）5數(shù)據(jù)集制作及技術(shù)支持5.1數(shù)據(jù)集制作者姓名：鄭棟、馬瑞陽(yáng)單位：中國(guó)氣象科學(xué)研究院E-mail：zhengdong@；ma_ruiyang@5.2數(shù)據(jù)集文檔編撰者姓名：馬瑞陽(yáng)單位：中國(guó)氣象科學(xué)研究院E-mail：ma_ruiyang@5.3技術(shù)支持單位：中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室電話政編碼：100081單位地址：北京市海淀區(qū)中關(guān)村南大街46號(hào)6數(shù)據(jù)應(yīng)用成果已發(fā)表論文：馬瑞陽(yáng),鄭棟,姚雯,等.雷暴云特征數(shù)據(jù)集及我國(guó)雷暴活動(dòng)特征.應(yīng)用