[发明专利]台风中心电离层TEC异常的滑动三次曲线探测方法

摘要

本发明公开了一种台风中心电离层TEC异常的滑动三次曲线探测方法。该探测方法利用了欧洲定轨中心根据IGS站和各国GPS站得到的以2个小时为间隔形成的50×2.50的TEC格网图数据，以台风移动路径中风速最大时距离台风中心最近的TEC网格点为研究对象，探测电离层TEC异常情况。此外，针对现有电离层TEC异常值探测方法存在的探测异常值不可靠或者计算的背景值的精度有限等缺点，本发明利用了滑动窗口思想解决了静态探测方法未能剔除样本数据中异常数据的缺点，利用信号分离思想，将复杂信号分离成简单信号的集合，解决了滑动探测方法对非线性、非平稳信号异常值探测精度不高的问题。

主权项

1.台风中心电离层TEC异常的滑动三次曲线探测方法，其特征在于，包括如下步骤：s1.搜索台风中心电离层TEC网格点根据日本气象厅发布的台风观测数据，以及欧洲定轨中心提供的电离层TEC网格点，搜索台风风速最大时，距离台风中心最近的TEC网格点；s2.构建电离层TEC时间序列以距离该台风中心最近的TEC网格点为观测点，当探测该TEC网格点第Y天的TEC背景值时，选择第Y天之前d天和当天的TEC数据构成一个序列；其中，d被称为滑动时间窗口长，滑动时间窗口d为27天；第Y天和前27天电离层TEC序列，一共构成28天的电离层TEC序列{Xz}，z＝1,2,…,28；由于欧洲定轨中心提供的全球电离层地图时间分辨率是2小时，因此，构成的电离层TEC时间序列总长度数目N＝12*28＝336；s3.电离层TEC时间序列的分离s3.1.搜索电离层TEC时间序列极值点设电离层TEC时间序列的第a个值为TECa，在一个邻域T内的任意点，都有TECbTECa，则TECa是电离层TEC时间序列的一个极小值；其中，T为TEC时间序列的平均周期，TECb为TECa一个邻域T内的任意值；s3.2.极值点线段的分段按照时间顺序分别将电离层TEC极大值点和极小值点进行编号，同时分别将电离层TEC的极大值和极小值连接起来，构成由多个极值点组成的直线段；对数据进行分段时，按照编号由前向后的顺序每五个数据分为一段，直至将所有数据都分成不同的线段，若最后数据不足五个时，则与前一条线段组成线段；s3.3.最小二乘三次曲线拟合某极值点线段数据的三次拟合曲线函数为：wt＝a1+b1t+c1t2+d1t3，t＝‑2,‑1,0,1,2，利用最小二乘原理求解三次拟合曲线的系数a1、b1、c1和d1，从而得到各线段的曲线方程；s3.4.电离层TEC时间序列的分离将由极大值点构成的三次拟合曲线和由极小值点构成的三次拟合曲线求取平均值，得到电离层TEC时间序列的子序列；s3.5.重复步骤s3.1～s3.4，直到无法构成极值点线段，即无法再分离出子序列；s4.探测各电离层TEC时间子序列的背景值和上下限值，将每天同一时刻的TEC子序列|Tij|，按从小到大排列得到序列T′kj，然后分成四等分，其等分点依次表示为Q1、Q2和Q3；其中，i表示天数，i＝1,2,…,28，j表示时段，j＝1,2…,12；k表示排序后的天数，k＝1,2,…,28；公式如下：式中，Q1、Q2、Q3分别为第一、第二、第三四分位数；Q1表示由j时段排在第7位和第8位的TEC值T′7j和T′8j计算的平均值；Q2表示由j时段排在第14位和第15位的TEC值T′14j和T′15j计算的平均值；Q3表示由j时段排在第21位和第22位的TEC值T′21j和T′22j计算的平均值；IQR＝Q3‑Q1               (2)IQR为四分位差，它是第三四分位数Q3与第一四分位数Q1的差；则第i天第j时段的电离层TEC异常的背景值为Q2，其上下限值为：εij＝3IQR         (4)其中，l1j和l2j表示第i天第j时段电离层TEC异常的上下限；εij表示以3倍的四分位差IQR作为误差限值；s5.重构电离层TEC的背景值和上下限值步骤s4得到的是步骤s3分离后的各个电离层TEC时间子序列的背景值和上下限值，而整个时间序列的背景值和上下限值需要将各个子序列的背景值和上下限值合并，即求和；假设某电离层TEC被分离成s个子时间序列，由各子序列的背景值求和得到总的背景值，即第i天第j时段的电离层TEC的背景值为Q2′(i,j)，计算公式如公式(5)所示：式中，f表示被分离的各子时间序列的序号，s表示被分离的子时间序列的个数；定义第i天第j时段的电离层TEC的上下限值为l′1j和l′2j；则l′1j和l′2j的计算公式分别如公式(6)和公式(7)所示：当电离层TEC值超过上限值或下限值，即表示电离层TEC出现异常。