CN105468899A - 基于micaps风场信息低空急流自动识别及绘制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及中尺度气象预报技术领域，为利用常规观测资料、加密自动站资料和MICAPS系统风场信息，结合低空急流特征，实现850hPa等压面上中国东部沿海地区低空急流的自动识别。为此，本发明采取的技术方案是，基于MICAPS风场信息低空急流自动识别及绘制，包括以下步骤：步骤1自动站提取：步骤2预处理：步骤3聚类：步骤4拟合：聚类结束后每一类代表一条急流，为了将急流直观地表示出来就需要对聚类后的自动站进行拟合，先进行折线拟合，再对折线进行平滑。本发明主要应用于气象预报。

Description

基于MICAPS风场信息低空急流自动识别及绘制

技术领域

本发明涉及中尺度气象预报技术领域，具体讲,涉及基于MICAPS系统风场信息的低空急流自动识别及绘制。

背景技术

急流是一股强而窄的气流带，目前我国气象界通常把600hPa以下，风速大于等于12米/秒的风速带限定为低空急流。低空急流之所以能够被越来越多的学者所关注，是因为它与暴雨、暴雪等强对流天气、航空安全、火箭和导弹发射的准确性等有密切的联系。据统计，华南汛期暴雨、长江流域梅雨，华北暴雨(暴雪)，大多数都伴随着低空急流，并且绝大部分的暴雨发生在低空急流的左侧200公里之内，其中多数降落在低空急流中心的左前方，所以研究低空急流对预报暴雨(暴雪)有着非常重要的指导意义。金宏忆提出了基于多普勒天气雷达径向速度资料，分析有低空大风现象出现的多普勒天气雷达速度图像，模拟其径向速度分布特征，尝试实现低空急流自动识别的方法。王俊等提出了一种对限定区域急流的自动识别技术。然而，上述这两种方法识别出的急流轴都是直线形式的。所以，目前对低空急流的识别还停留在基于MICAPS平台的手工识别，效率低并且存在很多主观因素。

发明内容

为克服现有技术的不足，利用常规观测资料、加密自动站资料和MICAPS系统风场信息，结合低空急流特征，实现850hPa等压面上中国东部沿海地区低空急流的自动识别。为此，本发明采取的技术方案是，基于MICAPS风场信息低空急流自动识别及绘制，包括以下步骤：

步骤1自动站提取：

本文的数据是世界范围内的，由于主要研究中国东部沿海地区的低空急流，所以将急流有效区域限定在北纬3°—北纬53°，东经100°—东经125°及北纬40°—北纬53°，东经125°—东经135°范围内；自动站选取就是提取出急流有效区域内风速大于12米/秒，并且风向为西南风、偏西风、东南风和偏东风的所有自动站；

步骤2预处理：

分析低空急流，就需要找到位于大风区几何中心的自动站，所以首先要对初选的自动站进行预处理，滤除干扰点；

步骤3聚类：

经过预处理之后存在一些孤立点，这些点都是无法形成急流的，通过聚类算法将其删除；同一时刻不同地区可能会出现多个急流，聚类算法将属于不同急流的自动站数据分出来；由于风是矢量，所以聚类算法需要考虑两个方面：距离、风向；

步骤4拟合：

聚类结束后每一类代表一条急流，为了将急流直观地表示出来就需要对聚类后的自动站进行拟合，先进行折线拟合，再对折线进行平滑。

聚类具体步骤为：

1)根据距离聚类：首先对预处理之后的所有自动站按照纬度从小到大的顺序排列，假如按纬度排列好的两个连续测站之间距离大于600km，则认为它们不是在同一条急流上的；依据以上原则将预处理之后的自动站聚类；当两个以上连续测站风速超过12米/秒时分析低空急流，所以聚类之后每一类的自动站个数必须大于2，否则认为这一类不会形成急流，因此该类直接删除，不予考虑；如果某类中所含自动站个数大于2，则保留这一类数据；

2)根据风向聚类：根据风向聚类的原则如下：

原则1：对于西南风急流和偏西风急流，后一个自动站的经度值必须大于前一个自动站经度值；

原则2：对于东南风急流和偏东风急流，后一个自动站的经度值必须小于前一个自动站经度值；

原则3：对于风向存在转折的急流，转折条件是至少存在两个自动站风向与前边自动站风向不一致。

步骤4拟合具体为：

1)折线拟合：如果某些相邻自动站之间的距离较远，选取相邻自动站之间的中点代替原

始点进行折线拟合；

2)折线平滑：利用B样条曲线进行折线平滑：

B样条的定义：

设控制顶点P₀,P₁,...,P_n，则k阶即k-1次B样条曲线的数学表达式为：

$P\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}{P}_i{N}_{i,k}\left(t\right)---\left(1\right)$

其中P₀,P₁,...,P_n(P_i)为控制顶点，k为B样条曲线的阶数，t为节点矢量,P(t)为B样

条曲线表达式。N_i,k(t)是第i个k-1次B样条的基函数，每一个称为B样条；

B样条的基函数是一个称为节点矢量的非递减的参数t的序列所决定的k阶分段多项式，也称k阶多项式样条

B样条基函数的定义：

$N_{i,k}\left(t\right)=\frac{t-t_i}{t_{i+k-1}-t_i}{N}_{i,k-1}\left(t\right)+\frac{t_{i-k}-t}{t_{i+k}-t_{i+1}}{N}_{i+1,k-1}\left(t\right),k\≥2---\left(3\right)$

约定：

$\frac{0}{0}=0---\left(4\right)$

其中t_i,t_i+1,…,t_i+k为k+1个节点。

该递推公式表明：欲确定第i个k阶B样条N_i,k(t)，需要用到t_i,t_i+1,…,t_i+k共k+1个节点，称区间[t_i,t_i+k]为N_i,k(t)的支撑区间；

曲线方程中，n+1个控制顶点P₀,P₁,...,P_n要用到n+1个k阶B样条基N_i,k(t)。支撑区间的并集定义了这一组B样条基的节点矢量T＝[t₀,t₁,……,t_n+k]，利用上述方法得到一条平滑的急流轴。

由于聚类原则将急流起始点作为参考点，所以确定急流起始点是决定最终结果的关键因素，确定起始点的步骤为：

1)所有自动站按照纬度顺序编号1,2,…，n，n为自动站的个数；将第一个自动站作为可能的起始点，判断1,2连线与1风向之间的夹角，假如夹角小于一定阈值，则认为1作为起始点；否则，执行2)；

2)将1,2作为可能的起始点；判断1,3连线与1风向之间的夹角以及2,3连线与2之间的夹角；假如两个夹角都小于给定阈值，执行3)；假如其中一个夹角小于给定阈值，另一个大于给定阈值，执行4)；假如两个夹角都大于阈值则执行5)；

3)判断1,2的风速大小，取风速大的自动站作为起始点；

4)取夹角小的自动站作为起始点；

5)将1,2,3作为可能起始点，依据以上原则，继续判断。

本发明的技术特点及效果：

由于本发明采用了聚类、拟合等步骤，因而提高了识别效率，剔除了过多的主观因素。

附图说明：

图1根据经纬度、风速、风向初选的自动站

图2预处理之后的结果。

(图中圆形点代表预处理之后保留的站点，矩形点代表预处理之后被删除的站点)

图3示意图(圆点代表自动站，箭头代表风向)。

图4聚类结果(图中不同大小的点代表不同的类)。

图5折线拟合得到的急流轴。

图6曲线平滑后的急流轴(图中箭头代表急流方向)。

图7部分测试结果。

具体实施方式

基于MICAPS系统风场信息的低空急流自动识别及绘制主要包括以下步骤。

步骤1自动站提取：

本文的数据是世界范围内的，由于本文主要研究中国东部沿海地区的低空急流，所以将急流有效区域限定在北纬3°—北纬53°，东经100°—东经125°及北纬40°—北纬53°，东经125°—东经135°范围内。自动站选取就是提取出急流有效区域内风速大于12米/秒，并且风向为西南风、偏西风、东南风和偏东风的所有自动站。

步骤2预处理：

分析低空急流，就需要找到位于大风区几何中心的自动站，所以首先要对初选的自动站进行预处理，滤除干扰点。

步骤3聚类：

经过预处理之后存在一些孤立点，这些点都是无法形成急流的，本文通过聚类算法将其删除。同一时刻不同地区可能会出现多个急流，聚类算法可以将属于不同急流的自动站数据分出来。由于风是矢量，所以本文提出的聚类算法需要考虑两个方面：距离、风向。

步骤4拟合：

聚类结束后每一类代表一条急流，为了将急流直观地表示出来就需要对聚类后的自动站进行拟合。本文提出了先进行折线拟合，再对折线进行平滑的方法。

2009年6月4日-2009年7月31日，2011年6月1日-2011年6月30日，2015年5月17日-2015年6月17日共162个样本进行测试，运行结果正确的达到151个，正确率为93.21％。部分测试结果如图7所示。

步骤1自动站提取：

将急流有效区域限定在北纬北纬3°—北纬53°，东经100°—东经125°及北纬40°—北纬53°，东经125°—东经135°内。自动站选取就是提取出急流有效区域内风速大于12米/秒，并且风向为西南风、偏西风、东南风和偏东风的所有自动站。通常将南部沿海地区的风速阈值设为10米/秒，即假如南部沿海地区存在风向满足要求、风速达到10米/秒的自动站，并且其风速大于它相邻自动站的风速值，则认为它是有效的，与风速大于12米/秒的自动站一并提取出来。图1中点为基于以上原则对2009年7月17日08时(北京时,下同)的数据进行处理之后保留的自动站。

步骤2预处理：

对初步选取出来的风向为西南风和东南风的自动站，根据表1所示原则进行预处理，删除干扰点。风向为偏西风和偏东风的自动站，根据表2所示原则进行预处理，删除干扰点。图2为对2009年7月17日08时数据进行预处理之后的结果。

表1西南风、东南风预处理原则

表2偏西风、偏东风预处理原则

步骤3聚类：

1)根据距离聚类：首先对预处理之后的所有自动站按照纬度从小到大的顺序排列。假如按纬度排列好的两个连续测站之间距离大于600km，则认为它们不是在同一条急流上的。依据以上原则将预处理之后的自动站聚类。又由于《中尺度天气图技术规范(修改稿)》规定，当两个以上连续测站风速超过12米/秒时分析低空急流，所以聚类之后每一类的自动站个数必须大于2，否则认为这一类不会形成急流，因此该类直接删除，不予考虑。如果某类中所含自动站个数大于2，则保留这一类数据。

2)根据风向聚类：根据风向聚类的原则如下：

原则1：对于西南风急流和偏西风急流，后一个自动站的经度值必须大于前一个自动站经度值；

原则2：对于东南风急流和偏东风急流，后一个自动站的经度值必须小于前一个自动站经度值。

原则3：对于风向存在转折的急流，转折条件是至少存在两个自动站风向与前边自动站风向不一致。

由于以上聚类原则将急流起始点作为参考点，所以确定急流起始点是决定最终结果的关键因素。确定起始点的步骤为：

1)所有自动站按照纬度顺序编号1,2,…，n，n为自动站的个数。将第一个自动站作为可能的起始点。判断1,2连线与1风向之间的夹角，假如夹角小于一定阈值，则认为1可以作为起始点。否则，执行2)。

2)将1,2作为可能的起始点。判断1,3连线与1风向之间的夹角以及2,3连线与2之间的夹角。假如两个夹角都小于给定阈值，执行3)。假如其中一个夹角小于给定阈值，另一个大于给定阈值，执行4)。假如两个夹角都大于阈值则执行5)。

3)判断1,2的风速大小，取风速大的自动站作为起始点。

4)取夹角小的自动站作为起始点。

5)将1,2,3作为可能起始点，依据以上原则，继续判断。

图3是确定初始点的示意图。图3(a)(b)(c)是聚类过程中可能出现的几种情况，自动站1,2,3,4是按照纬度从小到大的顺序排列的，根据以上原则可知，图3(a)中急流经过的自动站为2,3,4；图3(b)中1,3连线与1的夹角和2,3连线与2的夹角都小于一定阈值，所以取1,2两点中风速较大的点作为起始点；图3(c)中急流经过的自动站为1,2,4。根据风向聚类原则，保证了每一类数据风向的一致性和急流轴的流畅性。图4为对2009年7月17日08时数据进行聚类之后的结果。

步骤4拟合：

1)折线拟合：如果某些相邻自动站之间的距离较远，直接进行折线拟合得到的结果不太理想，为解决这一问题，选取相邻自动站之间的中点代替原始点进行折线拟合。对图4中的数据进行折线拟合得到的结果如图5所示。

2)折线平滑：利用B样条曲线进行折线平滑。

B样条的定义：

设控制顶点P₀,P₁,...,P_n，则k阶(k-1次)B样条曲线的数学表达式为：

$P\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}{P}_i{N}_{i,k}\left(t\right)---\left(1\right)$

其中N_i,k(t)是第i个k-1次B样条的基函数，每一个称为B样条。

B样条的基函数是一个称为节点矢量的非递减的参数t的序列所决定的k阶分段多项式，也称k阶(k-1次)多项式样条。

B样条基函数的定义：

$N_{i,k}\left(t\right)=\frac{t-t_i}{t_{i+k-1}-t_i}{N}_{i,k-1}\left(t\right)+\frac{t_{i-k}-t}{t_{i+k}-t_{i+1}}{N}_{i+1,k-1}\left(t\right),k\≥2---\left(3\right)$

约定： $\frac{0}{0}=0---\left(4\right)$

该递推公式表明：欲确定第i个k阶B样条N_i,k(t)，需要用到t_i,t_i+1,…,t_i+k共k+1个节点，称区间[t_i,t_i+k]为N_i,k(t)的支撑区间。

曲线方程中，n+1个控制顶点P₀,P₁,...,P_n要用到n+1个k阶B样条基N_i,k(t)。支撑区间的并集定义了这一组B样条基的节点矢量T＝[t₀,t₁,……,t_n+k]。

利用上述方法得到一条平滑的急流轴，如图6所示。

步骤5测试结果及分析：

本文对2009年6月4日-2009年7月31日，2011年6月1日-2011年6月30日，2015年5月17日-2015年6月17日共162个样本进行测试，部分测试结果如图7所示。图7(a)—(d)分别代表不同风向的低空急流。由图7可以看出自动识别结果满足《中尺度天气图技术规范(修改稿)》中对低空急流的技术要求。

Claims (4)

1.一种基于MICAPS风场信息低空急流自动识别及绘制，其特征是，包括以下步骤：

步骤1自动站提取：

本文的数据是世界范围内的，由于主要研究中国东部沿海地区的低空急流，所以将急流有效区域限定在北纬3°—北纬53°，东经100°—东经125°及北纬40°—北纬53°，东经125°—东经135°范围内；自动站选取就是提取出急流有效区域内风速大于12米/秒，并且风向为西南风、偏西风、东南风和偏东风的所有自动站；

步骤2预处理：

分析低空急流，就需要找到位于大风区几何中心的自动站，所以首先要对初选的自动站进行预处理，滤除干扰点；

步骤3聚类：

经过预处理之后存在一些孤立点，这些点都是无法形成急流的，通过聚类算法将其删除；同一时刻不同地区可能会出现多个急流，聚类算法将属于不同急流的自动站数据分出来；由于风是矢量，所以聚类算法需要考虑两个方面：距离、风向；

步骤4拟合：

聚类结束后每一类代表一条急流，为了将急流直观地表示出来就需要对聚类后的自动站进行拟合，先进行折线拟合，再对折线进行平滑。

2.如权利要求1所述的基于MICAPS风场信息低空急流自动识别及绘制，其特征是，聚类具体步骤为：

1)根据距离聚类：首先对预处理之后的所有自动站按照纬度从小到大的顺序排列，假如按纬度排列好的两个连续测站之间距离大于600km，则认为它们不是在同一条急流上的；依据以上原则将预处理之后的自动站聚类；当两个以上连续测站风速超过12米/秒时分析低空急流，所以聚类之后每一类的自动站个数必须大于2，否则认为这一类不会形成急流，因此该类直接删除，不予考虑；如果某类中所含自动站个数大于2，则保留这一类数据；

2)根据风向聚类：根据风向聚类的原则如下：

原则1：对于西南风急流和偏西风急流，后一个自动站的经度值必须大于前一个自动站经度值；

原则2：对于东南风急流和偏东风急流，后一个自动站的经度值必须小于前一个自动站经度值；

原则3：对于风向存在转折的急流，转折条件是至少存在两个自动站风向与前边自动站风向不一致。

3.如权利要求1所述的基于MICAPS风场信息低空急流自动识别及绘制，其特征是，步骤4拟合具体为：

1)折线拟合：如果某些相邻自动站之间的距离较远，选取相邻自动站之间的中点代替原始点进行折线拟合；

2)折线平滑：利用B样条曲线进行折线平滑：

B样条的定义：

设控制顶点P₀,P₁,...,P_n，则k阶即k-1次B样条曲线的数学表达式为：

$P\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}{P}_i{N}_{i,k}\left(t\right)---\left(1\right)$

其中P₀,P₁,...,P_n(P_i)为控制顶点，k为B样条曲线的阶数，t为节点矢量,P(t)为B样条曲线表达式。N_i,k(t)是第i个k-1次B样条的基函数，每一个称为B样条；

B样条的基函数是一个称为节点矢量的非递减的参数t的序列所决定的k阶分段多项式，也称k阶多项式样条；B样条基函数的定义：

$N_{i,k}\left(t\right)=\frac{t-t_i}{t_{i+k-1}-t_i}{N}_{i,k-1}\left(t\right)+\frac{t_{i-k}-t}{t_{i+k}-t_{i+1}}{N}_{i+1,k-1}\left(t\right),k\≥2---\left(3\right)$

约定：

$\frac{0}{0}=0---\left(4\right)$

其中t_i,t_i+1,…,t_i+k为k+1个节点。

该递推公式表明：欲确定第i个k阶B样条N_i,k(t)，需要用到t_i,t_i+1,…,t_i+k共k+1个节点，称区间[t_i,t_i+k]为N_i,k(t)的支撑区间；

曲线方程中，n+1个控制顶点P₀,P₁,...,P_n要用到n+1个k阶B样条基N_i,k(t)。支撑区间的并集定义了这一组B样条基的节点矢量T＝[t₀,t₁,……,t_n+k]，利用上述方法得到一条平滑的急流轴。

4.如权利要求2所述的基于MICAPS风场信息低空急流自动识别及绘制，其特征是，由于聚类原则将急流起始点作为参考点，所以确定急流起始点是决定最终结果的关键因素，确定起始点的步骤为：

1)所有自动站按照纬度顺序编号1,2,…，n，n为自动站的个数；将第一个自动站作为可能的起始点，判断1,2连线与1风向之间的夹角，假如夹角小于一定阈值，则认为1作为起始点；否则，执行2)；

2)将1,2作为可能的起始点；判断1,3连线与1风向之间的夹角以及2,3连线与2之间的夹角；假如两个夹角都小于给定阈值，执行3)；假如其中一个夹角小于给定阈值，另一个大于给定阈值，执行4)；假如两个夹角都大于阈值则执行5)；

3)判断1,2的风速大小，取风速大的自动站作为起始点；

4)取夹角小的自动站作为起始点；

5)将1,2,3作为可能起始点，依据以上原则，继续判断。