一种计算机气象软件中基于风场数据的槽线自动绘制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及气象槽线自动分析，属于气象分析中的自动化分析领域，具体地说是 一种计算机气象软件中基于风场数据的槽线自动绘制方法。
【背景技术】
[0002] 天气图是填有各地同一时间气象观测记录的特种地图，它描述了某一瞬间某一区 域的天气情况。在日常的气象业务工作中，需要绘制地面天气图（简称地面图）和等压面 图（简称高空图）两类。其中地面天气图填有地面各种气象要素和提拿起现象，如气温、湿 度、风向、风速、海平面气压、雨、雪、雾和云高云状等。等压面图是用来表示等压面起伏形势 的图，常用的等压面绝对形势图有；850hpa，70化pa，500hpa等压面图。等压面图分析的主 要内容包括等高线的分析，等温线的分析，湿度场的分析，槽线和切变线的分析，温度平流 和湿度平流。其中已经实现自动分析的功能包括等值线的自动绘制。而槽线作为高空图中 很重要的一项还没有实现自动分析。
[0003] 一般来说槽线与脊线相对应，它是等值线曲率最大点按一定规则的连线，在地形 数据分析过程中称为山脊线，山谷线。在气象领域，槽线定义为低压槽区内等高线曲率最大 点的连线，是气旋中屯、到低压槽内气压最低点的集合所组成的曲线。在天气分析中，槽线的 分析有着非常重要的作用，它一定程度上可W反映出天气的变化趋势，可W为预报人员提 供重要的参考，例如，在水平方向上槽线的前方多为西南暖湿气流，后方盛行干燥的西北气 流，而暖湿气流通常可带来降雨，干燥气流一般使得天气晴朗；在垂直方向上，槽线前方有 气流的上升运动，水汽充沛，可产生降水，后方则一般为气流下沉伴随天气转晴。综上所述， 槽线是预报中成云致雨的重要依据。
[0004] 准确判断槽线是天气系统分析和天气图绘制的重要内容。美国AWIPS系统与国家 气象局MICAI^S系统均已实现天气图的自动填绘和等值线的自动绘制等功能，但都没有实 现槽线的自动分析。目前，气象预报中的槽线分析基本上采用人工分析的方法实现。人工分 析槽线存在着明显的缺陷，一方面分析工作量较大，效率较低；另一方面对于槽线的分析， 预报员主观上分析经验不同，客观上侧重依据差异，都对槽线的分析产生影响，不利于改进 提高及应用推广。因此，建立一个稳定的、准确的系统来实现槽线的自动绘制，对于实现气 象自动分析、提高工作效率具有重要的理论研究意义和实际应用价值。
【发明内容】
[0005] 发明目的；本发明所要解决的技术问题是针对目前槽线自动分析不准确、不完善， 提出了一种计算机气象软件中基于风场数据的槽线自动绘制方法。
[0006] 技术方案；本发明公开一种基于风场网格数据的槽线自动识别方法，包括W下步 骤：
[0007] 步骤1，长波槽生成；对风场网格数据进行特征点提取，判别逆向环流中屯、，同时 提取候选长波槽点，对于每一个逆向环流中屯、，将其作为起点进行槽点追踪，输出单条长波 槽，并将已使用槽点标注；
[0008] 步骤2,短波槽生成；标记步骤1中长波槽区域，对风场网格数据进行祸度、角度偏 转筛选得到候选短波槽点，排除长波槽区域内的候选短波槽点后，对剩下的候选短波槽点 的集合进行最小生成树聚类，在各个生成类的候选短波槽点集合中进行曲线拟合作为短波 槽分析结果；
[0009] 步骤3,计算机气象软件根据步骤2的结果，自动绘制风场的槽线并显示。
[0010] 其中，步骤1包括W下步骤：
[0011] 步骤1-1，提取逆向环流中屯、；在风场网格数据中查找局部风速最小点得到特征 点，计算特征点处雅可比化cobian矩阵并判断矢量拓扑结构，得到逆向环流中屯、；
[0012] 步骤1-2,提取候选长波槽点；遍历风场网格数据，计算网格点风矢方向，依据水 平、垂直两个方向上相邻网格风矢方向特点判断候选槽点，得到候选槽点集合；
[0013] 步骤1-3,追踪槽线：通过步骤1-1、步骤1-2分别得到逆向环流中屯、和候选槽点集 合，将用于南向追踪的候选槽点记为WP，WP构成的候选槽点集合为5"，将用于东向追踪的候 选槽点记为EP，EP构成的候选槽点集合为Se，由长波槽起点开始分两个方向分别追踪两类 候选槽点，分别得到槽线分析结果为点列PList郝化ist E，即单条长波槽。
[0014] 步骤1-1包括W下步骤：
[0015] 步骤1-1-1，查找特征点；遍历风场网格数据，在每一个3*3网格中屯、查找局部风 速最小点，选取对称位置上风向相反的点作为特征点；
[0016] 步骤1-1-2,筛选逆向环流中屯、；构建化cobian矩阵，求矩阵特征值，通过特征值 判断特征点类型，筛选出所需逆向环流中屯、。
[0017] 步骤1-1-1包括W下步骤：
[0018] 步骤1-1-1-1，查找局部风速最小点；从风场网格数据左上角开始选取一个网格 数据3*3点阵，寻找局部风速最小点，该点阵形式如下表所示：
[0019]
[0020] 每个方格代表风场中的一个网格点，Vii，Vi2, ... V33代表在各自网格点的风速大 小，由下式计算：
[0021]
[0022] 其中，ii、jj分别为网格点行、列坐标索引，ii、jj取值范围1~3，Uu，Vy分别为 网格点坐标处的风速水平分量与垂直分量，在该点阵中，如果中屯、点V22的值比它 周围的8个点处的值都小，则判别该点为局部风速最小点，并将其作为一个特征点候选点；
[0023] 步骤1-1-1-2,结合风向判断；对于满足步骤的特征点候选点，判断关于 该特征点候选点成中屯、对称的网格点上的风速方向是否相反，即在该3*3矢量点阵中，是 否满足W下条件：
[0024] UuXU33< 0 且VuXv33< 0，
[00巧]或
[0026] UnXUw< 0 且 VnXvw< 0，
[0027] 如满足，该候选点即为特征点，否则判定不是特征点；
[0028] 步骤1-1-1-3,按行列顺序坐标增1对风场网格数据所有3*3点阵，重复步骤 ~1-1-1-2直到最后一个网格结束；
[0029] 步骤1-1-2包括W下步骤：
[0030] 步骤 1-1-2-1，求解Jacobian矩阵 J ;
[0031]
[003引其中U，V分别为任意一点处风速水平分量与垂直分量，1^，!^分别表示该点风速 水平分量U在水平与垂直方向上的偏导；1^，!^分别表示该点风速垂直分量V在水平与垂 直方向上的偏导。
[0033] 对于矩阵中非边界数据点，即下标大于1，行标小于矩阵行数，列表小于矩阵列数 的网格点，坐标索引为（i，j)的网格点处偏导用下式表示：
[0042] 步骤1-1-2-2,求解特征值；采用下式求解坐标索引为（i，j)的网格点处化cobian 矩阵Ju;
[0046] 得到该点的化cobian矩阵的特征值，即A的两个解，记为A。入2;
[0047] 步骤1-1-2-3,判断特征点类型：根据矢量拓扑结构特性，提取其中吸引旋转点和 旋转点两种拓扑结构即为逆向环流中屯、：
[0048] 通过步骤1-1-2-1计算得到的特征值A 1，A 2,其中入1对应的实部与虚部分别为 Ri，Ii，入2对应实部和虚部分别为R 2, 12,当Ri< 0, R 2< 0 ;11声0,12声0时，判定特征点为 吸引旋转点；当Ri= 0, R2= 0 ;11声0,12声0时，判定特征点为旋转点；
[0049] 步骤1-1-2-4,对于每一个特征点，重复步骤1-1-2-1~1-1-2-3直到最后一个特 征点，得到逆向环流中屯、点集合。
[0050] 步骤1-2包括W下步骤：
[0051] 步骤1-2-1，计算风矢方向：在风场网格数据中，建立弧度坐标系，北风弧度为9 东°，东风的弧度为180°，南风弧度为270°。通过风矢水平、垂直两个方向上的分量求得 每一个网格点处风矢的方向。
[005引风场网格数据的网格尺寸为R0w*Col，Pu表示坐标索引为（i，j)的网格点，P X 为P。点处X方向上的几何坐标，P Y为P。点处Y方向上的几何坐标，PU处风矢方向为 a U，分别计算一个由四个相邻网格点组成的网格中各点处弧度，即计算Pu、Pu+i、Pi+u、 Pw，w处的方向为曰u、曰u+i、曰W，j、曰
[005引步骤1-2-2,判断au与au+i角度范围：若au<90。且270 ° < au+i < 360°，则Pu、Pi，w两点间存在用于南向追踪的候选槽点WP，候选槽点WP在X方向上、 Y方向上的几何坐标WP.X和WP.Y分别为；
[0054]
[00巧]WP.Y=Pi，j.Y;
[005引步骤1-2-3,判断aU与aWJ角度范围：若180° < a u< 270 °且270。 < a wj< 360°，那么P 两点间存在用于东向追踪的候选槽点EP，候选槽点EP在 X方向上、Y方向上的几何坐标EP. X和EP. Y分别为；
[0057] EI\X = Pu. X，
[0058]
[0059] 步骤1-2-4,遍历风场网格中所有网格点数据，重复步骤1-2-1~1-2-3筛选候选 长波槽点直到最后一个网格，得到候选槽点集合。
[0060] 步骤1-3包括W下步骤：
[0061] 步骤1-3-1，选择追踪起点：从逆向环流中屯、集合中按序任意选取一个点作为长 波槽追踪起点StartP，当追踪方向Direction=270°时，设候选槽点集合S=S"，点列 PList二化istw;当追踪方向Direction=180°，设候选槽点集合S=S E，点列PList= PListg；
[0062] 步骤1-3-2,筛选候选长波槽点；通过距离、方向筛选选取符合条件的候选槽点：
[0063] 步骤1-3-2-1，距离筛选；遍历候选槽点集合S，通过距离阔值化re化对其进行筛 选，设水平相邻网格点间距为disAdjacent，网格点间距是经绅度上网格点风矢对应到绘制 几何坐标系中两个水平相邻网格点间的几何距离，由绘制风矢时选取的距离决定。化re化 应为3*disAdjacent~5*disAdjacent之间。点Pk为S集合中第k点，点P k与追踪起点 StartP距离为Lk，若Lk< ^re化，将P k加入筛选后候选槽点集合S1中，否则舍弃，若不存 在满足Lk< ^re化的点，返回执行步骤1-3-1;
[0064] 步骤1-3-2-2,方向筛选；遍历候选槽点集合S1，点Pm为候选槽点集合S1中第m 点，点Pm与追踪起点StartP构成的直线与追踪方向Direction夹角为丫m，
[0065] 候选槽点与追踪方向构成的弧度满足W下弧度偏转的条件：
[0066] 若槽线已探索延伸至点Pi，追踪方向为AB，下一个可能在槽线上的关键点应在W AB为轴一定大小的张角范围内。那么左侧存在一个可偏转的弧度，其阔值设定为a kft，右 侧存在一个可偏转弧度阔值，其阔值设定为〇^6化，设置〇1。^=30。，〇^6扣=30。。槽线 的追踪设置在上述规定