CN103267987A

CN103267987A - 季风涡旋定位方法

Info

Publication number: CN103267987A
Application number: CN2013101432099A
Authority: CN
Inventors: 李肖雅
Original assignee: NANJING XINDA HIGH TECH DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: NANJING XINDA HIGH TECH DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2013-04-23
Filing date: 2013-04-23
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2033-04-23
Also published as: CN103267987B

Abstract

本发明公开了季风涡旋定位方法，其特征在于，包括：步骤一：获取全风场资料，在全风场资料中划分出季风涡旋发生区域；步骤二：利用低通滤波器对季风涡旋发生区域进行滤波，获得低频风场资料；步骤三：定位低频风场资料中所有涡旋的涡旋中心；步骤四：计算涡旋的环流强度和持续时间，得到涡旋的水平尺度，根据涡旋的水平尺度和持续时间定位季风涡旋。本发明识别误差小，方法消耗时间少，定位识别的过程也非常客观。

Description

季风涡旋定位方法

技术领域

本发明涉及一种定位方法，具体涉及一种季风涡旋定位方法。

背景技术

众所周知，对流层中低层的大气扰动是热带气象发生的条件之一。北大西洋绝大多数的热带气旋都在东风波中生成，而在对西北太平洋热带气旋活动的统计中发现，由于夏季西南季风盛行，有相当数量的热带气旋是在季风环流中生成的。季风涡旋是季风活动时的一种特殊的闭合环流形态，其发生于夏季对流层的中低层，是西南季风的一种特殊形态。

早在上个世纪中后期，季风涡旋就受到了国外学者的关注，但在国内的相关研究还很少。统计指出，西北太平洋海温异常能引起季风环流的变化，从而影响热带气旋活动的年际变化。Lander就西北太平洋中尺度低频涡旋活动对热带气旋生成影响展开了研究，针对季风涡旋及其活动过程中生成的几个热带气旋进行分析发现，当季风涡旋南-东南缘持续的深对流云带持续发展，云带的边缘会有中小尺度涡旋扰动出现，这与低频涡旋的Rossby波能量频散有关。Arakawa也观测到季风涡旋中有一系列台风生成。

Lander研究中对季风涡旋做过较明确的定义。即季风涡旋为持续时间达2～3周，对流层中低层的水平尺度大于2500km的环流系统。这里的水平尺度是指涡旋水平方向上的直径尺度。此定义指出季风涡旋具有低频、尺度大的特点。根据公知常识，所有的涡旋都应该满足气旋环流条件。比如北半球的涡旋应该具有逆时针风场、环流结构闭合的特点。

在以往的研究中多使用全风场资料。实际观测中发现，全风场上包含多种时间尺度的大气成分。全风场的大气成分既包括低频成分，也包括高频成分。其中，全风场中的季风涡旋这种大气成分呈现低频特征，而热带气旋这种大气成分呈现高频特征。

现有技术存在如下缺陷：1.只能采用人眼识别的方法来对全风场资料中的季风涡旋进行识别，当季风涡旋活动伴随着热带气旋发生时，使用肉眼很难明确区别出季风涡旋和热带气旋这两种系统；2.对于季风涡旋的活动没有客观的判断方法，比如对于季风涡旋这种系统的定义、季风涡旋活动的起止时间判断等都没有客观的方法；3.采用人眼识别的方法，不可避免带有主观误差，且需要进行长时间的统计工作，过程非常繁琐。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种季风涡旋定位方法。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

季风涡旋定位方法，其特征在于，包括：

步骤一：获取全风场资料，在全风场资料中划分出季风涡旋发生区域；

步骤二：利用低通滤波器对季风涡旋发生区域进行滤波，获得低频风场资料；

步骤三：定位低频风场资料中所有涡旋的涡旋中心；

步骤四：计算涡旋的环流强度和持续时间，得到涡旋的水平尺度，根据涡旋的水平尺度和持续时间定位季风涡旋。

前述的季风涡旋定位方法，其特征在于，所述低通滤波器为Lanczos低通滤波器。

前述的季风涡旋定位方法，其特征在于，所述全风场资料为格点形式。

前述的季风涡旋定位方法，其特征在于，所述步骤一包括：只选取全风场资料中位于设定经纬度范围的格点，以所述设定经纬度范围的全风场资料作为季风涡旋发生区域。

前述的季风涡旋定位方法，其特征在于，所述设定经纬度范围为0-30°N且110-180°E。

前述的季风涡旋定位方法，其特征在于，所述步骤二包括：利用低通滤波器过滤全风场资料中位于设定天数以下的大气成分，获得低频风场资料。

前述的季风涡旋定位方法，其特征在于，所述设定天数为10天。

前述的季风涡旋定位方法，其特征在于，所述步骤四包括：所述季风涡流的水平尺度大于2200km，且连续5日的环流强度均高于环流强度临界值。

前述的季风涡旋定位方法，其特征在于，所述环流强度临界值为3.0×10^-3s^-1。

本发明的有益之处在于：本发明提出了一种季风涡旋定位方法，识别误差小，方法消耗时间少，定位识别的过程也非常客观。

附图说明

图1是本发明的季风涡旋定位方法的步骤流程图；

图2是本发明中格点形式全风场资料上的一个涡旋示意图；

图3是本发明定位低频风场资料中所有涡旋的涡旋中心的一种示意图；

图4是本发明中环流积分的运算示意图；

图5是本发明的季风涡旋定位方法的实际定位示意图；

图6是本发明一次季风涡旋活动的强度演变示意图。

图中附图标记的含义：

1、格点，2、涡旋中心，3、起始圈，4、最外圈，5、季风涡旋。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

参照图1所示，本发明的季风涡旋定位方法，包括：

步骤三：定位低频风场资料中所有涡旋的涡旋中心2；

步骤四：计算涡旋的环流强度和持续时间，得到涡旋的水平尺度，根据涡旋的水平尺度和持续时间定位季风涡旋5。

本发明的目的之一在于对全风场资料进行处理，最终定位得到季风涡旋5，如图5所示。虽然Lander研究中对季风涡旋5做过定义，但是其定义仍不够明确，只能够作为参考作用，因此本发明的另一目的在于得到对季风涡旋5的非常明确的定义。

由于全风场资料中存在各种类型的涡旋，如果要对季风涡旋5这种特殊的涡旋进行筛选定位，必须要考虑涡旋的气旋环流条件、发生区域，持续时间和水平尺度。本发明中的涡旋必须具备一个闭合的环流结构。

根据公知常识，季风涡旋5发生区域在对流层中低层，因此步骤一的目的在于在全风场资料中划分出季风涡旋发生区域，只对季风涡旋发生的区域进行进一步的操作、处理、分析。

另外，季风涡旋这种大气成分呈现低频特征，而热带气旋等大气成分呈现高频特征，如果不对高频大气成分进行处理，将对接下来的处理造成很大的扰动。因此本发明步骤二利用低通滤波器对季风涡旋发生区域进行滤波，获得低频风场资料。这里的低频风场资料已经过滤掉了高频成分，因此能够使得扰动得到明显的衰减。

本发明的步骤三的作用在于根据涡旋的定义、其必须满足的气旋环流条件，在低频风场资料中识别出所有的涡旋，并获得涡旋中心2。由于季风涡旋5是涡旋的一种，因此本发明所要获得的季风涡旋5必然包含在步骤三识别出的涡旋中。

本发明的步骤四的作用在于在步骤一、步骤二和步骤三的基础上最终定位出季风涡旋5。根据公知常识，由于季风涡旋5需要满足一定的持续时间和水平尺度，例如根据Lander定义，季风涡旋5具有持续时间为2～3周，水平尺度大于2500km的特点。本发明的创新点之一在于通过环流强度来对涡旋的水平尺度进行衡量。这是因为观测表明，涡旋的正涡度区域会随着涡旋强度和尺度的增大而扩大，因此可以用环流强度来表征涡旋的强度、判断涡旋的水平尺度。流体力学中对环流的定义为流场中流体速度沿合闭合曲线的线积分。步骤四在于最终根据涡旋的水平尺度和持续时间定位季风涡旋5。

实际中，本发明低通滤波器优选为Lanczos低通滤波器。在气象研究领域，Lanczos低通滤波器是一种非常优秀的的低通滤波器。但本领域技术人员也可以采用其他恰当的滤波器作为本发明的低通滤波器使用。

本发明在实际操作时，通常的全风场资料均为格点形式，格点形式的全风场资料便于进一步的分析处理。如图2所示，在格点形式的全风场资料中，格点1之间的间隔长度代表实际的一段距离。图2的横轴和纵轴坐标数值就是用来表征涡旋的实际尺度。本发明优选的格点1间隔为1个经纬度，即110km。此外，通常的全风场资料一般是四维数据，多以NC、GRIB等二进制形式存放。

下面，本发明就以具有格点形式的全风场资料作为优选实施例中使用的全风场资料进行阐述，为使本发明实施例具有普遍性和代表性，选用北半球10年（2000-2009年）的夏季大气资料（5-10月）进行分析，并最终得到具有统计意义的季风涡旋5定义标准。

首先，本发明可以只选取全风场资料中位于设定经纬度范围的格点1，以所述设定经纬度范围的全风场资料作为季风涡旋发生区域。由于季风涡旋发生区域在对流层中低层，因此没必要对所有区域的全风场资料进行处理，此外，实际分析时技术人员可能只关注某一特定地区的季风涡旋的定位，因此也只需要在全风场资料中划分出相应的范围进行分析。因此，这里所谓的设定经纬度范围是指本领域技术人员可以根据实际对全风场资料的分析范围进行限定，这样就可以大大地减少信息处理量，加快信息处理进度。

作为进一步优选，设定经纬度范围为0-30°N且110-180°E。即北纬0-30°，东经110-180°的范围，这个范围是季风涡旋最常见的发生范围。实际中，可以对每个格点1进行计算，从而只保留位于设定经纬度范围的格点1进行分析。

接下来，本发明步骤二中利用低通滤波器过滤全风场资料中位于设定天数以下的大气成分，从而获得低频风场资料。同样，由于季风涡旋的持续时间较热带气旋等长，一般达2～3周，其呈现低频特征，因此低通滤波器可以过滤掉持续时间较短的、呈现高频的大气成分。本发明可以对低通滤波器进行调整，使得低通滤波器可以过滤掉设定天数以下的大气成分，这里的设定天数不同，低通滤波器的过滤效果也不同，作为优选，实际中设定天数为10天即能够获得较好的过滤效果。

本发明的一个重大创新在于定位低频风场资料中所有涡旋的涡旋中心2。作为一种优选，对低频风场资料的每一个格点1，均进行以下计算：

步骤a1：选择低频风场资料中的一个格点1作为计算区域中心；

步骤a2：以计算区域中心为基准，将计算区域中心正南方向的格点1由近及远依次命名为正南第N个格点，将计算区域中心正北方向的格点由近及远依次命名为正北第N个格点，将计算区域中心正西方向的格点由近及远依次命名为正西第N个格点，将计算区域中心正东方向的格点由近及远依次命名为正东第N个格点，将计算区域中心东南方向的格点由近及远依次命名为东南第N个格点，将计算区域中心东北方向的格点由近及远依次命名为东北第N个格点，将计算区域中心西北方向的格点由近及远依次命名为西北第N个格点，将计算区域中心西南方向的格点由近及远依次命名为西南第N个格点，这里的N是正整数。如图3所示。

步骤a3：将正北第k个格点、东北第k个格点、正东第k个格点、东南第k个格点、正南第k个格点、西南第k个格点西北第k个格点、正西第k个格点依次连接，构成第k个风圈，这里的k为大于等于1且小于等于N的整数。这样就围绕计算区域中心构成了一共N个风圈，并且从计算区域中心起依次为第1个风圈、第2个风圈……第N个风圈。

步骤a4：以第p个风圈为起始圈3，第p+5个风圈为最外圈4，如果从第p个风圈到第p+5个风圈都满足气旋环流条件，则该计算区域中心为涡旋中心2，否则就不是涡旋中心2。由于此实施例选用的是北纬0-30°，东经110-180°的范围，因此这里的气旋环流条件是涡旋应具有逆时针风场、环流结构闭合的特点。这里p，k优选为：1≤p≤k，5≤k≤7，p和k均为整数。p和k设置成上述范围的原因在于实际识别过程中，可能会出现一个涡旋存在两个涡旋中心2的情况，因此p，k设置成上述范围为一个优选范围，如果过大，将无法识别两个涡旋中心2的情况。

步骤a5：选择低频风场资料中的另外一个格点作为计算区域中心，重复上述步骤a1、步骤a2、步骤a3、步骤a4，直到对低频风场资料的每一个格点都完成上述步骤a1、步骤a2、步骤a3、步骤a4。

下面解决在识别过程中一个涡旋出现两个涡旋中心2甚至多个涡旋中心2的情况。在季风涡旋的形成初期和末期环流尺度较弱，风场结构往往不对称，中心风场有时较为混乱，为避免漏选尺度满足条件而环流较弱的涡旋，确保先将这些涡旋中心2保留，再通过下面几步判断逐步剔除不满足条件的涡旋。但对较弱的涡旋，以上方法常会判断出多个涡旋中心2，因此还需要进一步订正。实际中，可以根据按照如下几步进行订正：

步骤b1：在上述步骤a4中，如果某一计算区域中心为涡旋中心2，则记录该涡旋中心2的满足气旋环流条件时起始圈3为第几个风圈，即记录p的数值。这里，实际中可能存在一种情况，即一个涡旋存在2个以上的涡旋中心2，此时就有多个满足气旋环流条件的起始圈3，即同一个涡旋中的p的数值可以有2个以上。

步骤b2：在完成上述步骤a5后，对所有的涡旋中心2进行计算，如果任意两个涡旋中心2之间的格点间距不大于某个临界格点间距，则比较这两个涡旋中心2各自的p值的大小，舍去p值较大的那个涡旋中心2，保留p值较小的涡旋中心2；如果任意两个涡旋中心2之间的格点间距大于某个临界格点间距，则保留这两个涡旋中心2。这里的所谓临界格点间距可以由本领域技术人员根据实际加以定义，在本实施例中，可以将临界格点间距定义为6个格点间距，这样，如果任意两个涡旋中心2之间的不大于6个格点间距，则保留p值较小的涡旋中心2；如果任意两个涡旋中心2之间大于6个格点间距，则保留这两个涡旋中心2。

下面作一个举例，例如有格点间距为1的两个涡旋中心2，第一个涡旋中心2的起始风圈为第3个风圈，第二个涡旋中心2的起始风圈为第1个风圈，由于第二个涡旋中心2的起始风圈最近，这样，就保留第二个涡旋中心2，去掉第一个涡旋中心2。

上述步骤b2实际就是记录每一个涡旋中心2的满足条件的起始风圈，哪个涡旋中心2起始风圈最靠近中心，则保留该点，其余涡旋中心2去除。这样判定的依据是越靠近气旋中心，其风场气旋环流特征更显著。

在对涡旋中心2进行定位后，本领域技术人员可以计算涡旋的环流强度和持续时间，得到涡旋的水平尺度，根据涡旋的水平尺度和持续时间最终定位季风涡旋。

观测表明，涡旋的正涡度区域会随着涡旋强度和尺度的增大而扩大，因此可以用一定范围内的环流强度来表征涡旋的强度和判断涡旋的尺度。流体力学中对环流的定义为流场中流体速度沿合闭合曲线的线积分。流体力学中对环流的定义为流场中流体速度沿合闭合曲线的线积分。

若V是和环线方向一致的有向弧长上的速度，dl表示不同长度的有向弧长，则不同弧长对环流的贡献为：

dΓ=V·dl=|V||dl|cosθ

θ是V和dl之间的夹角。沿着闭合曲线C的环流积分为：

根据斯托克斯理论得到环流和涡度的关系：

即闭合曲线上的环流等于该曲线所包围的面积上的涡度和。

由于格点面积是均匀的，因此环流的大小可以用一定范围格点上的涡度和表示，即面积上的涡度和用格点上的涡度和代替。

根据斯托克斯理论，闭合曲线上的环流等于该曲线所包围的面积上的涡度和，由于所用的资料是格点形式的，所以环流为某一区域内涡度的离散积分，即系统的环流强度等于该区域内的涡度和。以涡旋的涡旋中心2为计算区域中心，在如图4中的矩形abcda所表征的1760km×2640km的最小范围到如图4中的矩形ABCDA所表征的2640km×2640km的最大范围内，分别向东西（南北）向各扩大一个网格距的宽度便进行一次环流积分运算，最后将几次运算中的最大值作为判断涡旋是否是季风涡旋的依据，这样计算能保证涡旋环流最强部分都落在计算区域。由于季风涡旋的形状多变不规则，一般呈东西向（也有少数为南北向），东-西或南-北向的直径相差较大，取最大值是为了避免过多的将周围的负涡度区域计算进去，影响涡旋强度的判断，漏选满足尺度的涡旋。

本发明用上述方法统计了2000-2009年5到10月低频风场上所有涡旋的平均环流积分值为1.98×10^-3s^-1，因此可以初步判断季风涡旋5的环流强度临界值（即其生命期开始强度，用涡旋的平均环流积分值表示）应大于1.98×10^-3s^-1，为保证不漏掉环流强度较弱但尺度达到条件的闭合涡旋，环流积分值也不宜取太高。根据系统时间、空间尺度相匹配的原则，我们对比了强度不同的季风涡旋5，发现当环流强度能持续5天达到3.0×10^-3s^-1，系统水平方向上的尺度可以满足条件，且已具备清晰的闭合环流结构特征，因此将环流强度不能连续5个自然日均达到环流强度临界值的涡旋剔除。这里每个自然日内每6小时一个观测资料，求平均值。故在本实施例中，将3.0×10^-3s^-1的环流积分值规定为环流强度临界值。如图6所示。季风涡旋5的定义规定为水平尺度达到2200k，且连续5日环流强度均能达到环流强度临界值的对流层低层闭合性气旋环流系统。若统计时段有较大的变化，应根据实际情况用以上方法载进行相应时段的统计。本发明最终可以定位得到如图5所示的季风涡旋5。

本发明提出了一种季风涡旋定位方法，识别误差小，方法消耗时间少，定位识别的过程也非常客观。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims

1.季风涡旋定位方法，其特征在于，包括：

步骤三：定位低频风场资料中所有涡旋的涡旋中心；

2.根据权利要求1所述的季风涡旋定位方法，其特征在于，所述低通滤波器为Lanczos低通滤波器。

3.根据权利要求1所述的季风涡旋定位方法，其特征在于，所述全风场资料为格点形式。

4.根据权利要求3所述的季风涡旋定位方法，其特征在于，所述步骤一包括：只选取全风场资料中位于设定经纬度范围的格点，以所述设定经纬度范围的全风场资料作为季风涡旋发生区域。

5.根据权利要求4所述的季风涡旋定位方法，其特征在于，所述设定经纬度范围为0-30°N且110-180°E。

6.根据权利要求1所述的季风涡旋定位方法，其特征在于，所述步骤二包括：利用低通滤波器过滤全风场资料中位于设定天数以下的大气成分，获得低频风场资料。

7.根据权利要求6所述的季风涡旋定位方法，其特征在于，所述设定天数为10天。

8.根据权利要求1所述的季风涡旋定位方法，其特征在于，所述步骤四包括：所述季风涡流的水平尺度大于2200km，且连续5日的环流强度均高于环流强度临界值。

9.根据权利要求8所述的季风涡旋定位方法，其特征在于，环流强度临界值为3.0×10^-3s^-1。