w*Col，Pu表示坐标索引为（i，j)的 网格点，Pi，X为Pi，」点处X方向上的几何坐标，Pi，Y为Pi，」点处Y方向上的几何坐标， Pu处风矢方向为au，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 1，』、1，』+1、1+1，』、1+1，』+1处的方向<31，』、<：[1，』+1、 <：[1+1，』、<：[1+1，』-+1; 步骤 1-2-2,判断aij与aij+1角度范围：若a。<90。且 270° <aij+1< 360°，则Pi，j、Pi，」+1两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：步骤 1-2-3,判断aij与ai+lj角度范围：若 180° <a。< 270° 且 270° <ai+1J < 360°，那么Pi，」、Pi+1，」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： EP.X=Pi;J.X，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。7.根据权利要求6所述的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， 其特征在于，步骤1-3包括以下步骤： 步骤1-3-1，选择追踪起点：从逆向环流中心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=Sw，点列PList =PListw;当追踪方向Direction= 180°，设候选槽点集合S=SE，点列PList=PListE; 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： 步骤1-3-2-1，距离筛选：遍历候选槽点集合S，通过距离阈值ThredL对其进行 筛选，设水平相邻网格点间距为disAdjacent，阈值ThredL的值在3*disAdjacent~ 5*diSAdjacent之间，点Pk为S集合中第k点，点Pk与追踪起点StartP距离为Lk，若Lk < ThredL，将Pk加入筛选后候选槽点集合S1中，否则舍弃，若不存在满足Lk<ThredL的 点，返回执行步骤1-3-1 ; 步骤1-3-2-2,方向筛选：遍历候选槽点集合S1，点PmS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ym， 候选槽点与追踪方向构成的弧度满足以下弧度偏转的条件： 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在以追踪方 向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，其阈值设定为aleft， 右侧存在一个可偏转弧度，其阈值设定为a^ght，设置aleft=30°，aHght=30°，槽线的 追踪设置在上述规定角度范围内； 将满足上述条件且Ym<ThredY的点Pm加入筛选后的候选槽点集合S2,若不存在满 足上述条件的点，返回步骤1-3-1 ; 步骤1-3-3,通过评估方程确定下一候选点：设置评估方程Evaluation(L,a)对每一 个符合条件的候选槽点进行评价：其中，L为候选槽点与已延伸槽线上最后一点的距离，afield为候选槽点与最后一点 构成线段与追踪方向的夹角，afiMd为使得槽线追踪向着需要的方向偏转的固定偏转量， WeightsA和WeightsB分别为距离判断和弧度偏转判断权值，取值范围均为0~1，遍历候 选槽点集合S2,查找使得Evaluation(L，afield)最大的点PNext，将点PNe;Jp入点列PList; 步骤1-3-4,重确定追踪起点、追踪方向：求取追踪起点StartP与下一个点PNext在坐标 系中角度S，设置追踪方向Direction=S+afixed，将追踪起点StartP设置为PNext; 步骤1-3-5,按序遍历逆向环流中心集合，重复步骤1-3-2~1-3-4直到最后一个逆向 环流中心点。8.根据权利要求7所述的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， 其特征在于，步骤2包括以下步骤： 步骤2-1，标记长波槽区域：由步骤1-3得到组成长波槽的点列，对这些点周围范围进 行标记，该范围距离限定在4*disAdjacent~6*disAdjacent之间，disAdjacent由步骤 1-3-2-1得到，得到标记的区域M; 步骤2-2,筛选候选短波槽点，包括如下步骤： 步骤2-2-1，筛选偏转角度：对风场网格数据中的每一个网格点，分别在水平和垂直两 个方向上求取相邻网格点风矢的方向偏转大小，包括如下步骤： 步骤2-2-1-1，求取角度偏转量：Angle_horizons，t、Angle_verticals，t分别为网格点 (s，t)处水平与垂直方向上的角度偏转，则： Angle_horizons，t= a st-ast+1， Angle_verticals，t= a s t-as+lt， Angle_horizons；t< Angle_horizons；t= -Angle_horizons；t； 若Angle_verticals't< 0,设置Angle_verticals't= _Angle_verticals't; 若八叩16_\^1'1:;[。&1；3,1;>180。，设置六叩16_^1'1:;[。&1 ；3,1;= 360。-六叩16_^1'1:;[。&1；3,1;; 若Angle_horizons't> 180°，设置Angle_horizons't= 360° _Angle_horizons't; 步骤2_2_1_2，完成步骤2_2_1_1角度偏转计算后，计算偏转量的筛选阈值 X V> V*/~1 . ' ，J .4 ? 其中0为可调整权值，取值范围为0~5; 步骤2-2-1-3,遍历所有网格点，若Angle_verticals，t>AngleThred，则将网格中第s行、第t列点与第s行、第t+1列点之间中点标记为候选槽点，加入候选短波槽点集合01;若 Angle_horizons，t>AngleThred，则将网格中第s行、第t列点与第s+1行、第t列点之间 中点标记为候选槽点，加入候选短波槽点集合〇1; 步骤2-2-2,筛选涡度：遍历风场网格中网格点数据求得各点处涡度值，计算涡度筛选 阈值进行筛选提取候选短波槽点： 步骤2-2-2-1，在风场网格数据中，网格点（i，j)处涡度大小Vorticityu为： Vorticityi；J= |ux-vy|, 其中ux是水平分量u在水平方向上的偏导，vy是垂直分量v在垂直方向上的偏导，用 差分代替上式中的偏微分计算涡度大小； 步骤2-2_2_2,计算祸度筛选阈值VorticityThred:其中，Y是可调整的涡度筛选权重，取值范围为0~5 ; 步骤2-2-2-3,标记候选短波槽点：若Vorticityy〉VorticityThred，则将风场网格 中第i行、第j列点标记为候选短波槽点，将其加入候选短波槽点集合〇1; 步骤2-3,排除部分候选短波槽点：结合步骤2-1已标记的部分区域M，筛选后的候选槽 点集合为〇2: 02= 0「((^n M); 步骤2-4,候选槽点最小生成树聚类：对候选槽点集合02中的点依据点集合坐标位置 建立加权无向连通图，进行最小生成树聚类，生成多个分类： 步骤2-5,曲线拟合：对生成的分类设定拟合多项式，通过最小二乘法确定参数，实现 多项式曲线拟合，提取短波槽分析结果。9. 根据权利要求8所述的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， 其特征在于，步骤2-4包括以下步骤： 步骤2-4-1，建立加权无向连通图G= (Q，E):将候选槽点集合02中的槽点按需排列编 号为qpq2, . . .，qn，n为候选槽点集合02中点的个数，顶点集合为Q={quq2, . . .，qn}，边集 合为E，E={<q"q2>，<q"q3>，???，<qm,qn> }，其中<qi,q」.〉为顶点q占q』 的距离； 步骤2-4-2,初始化顶点集合：初始化顶点集合Qn"= {qz}，其中qzSQ中任意一点，z取值范围为自然数，初始边集合EnOT= {}为空； 步骤2-4-3,构建最小生成树：从初始化顶点集合QnOT= {qj中的起点开始，在边集合E中查找与顶点集合9_中的点构成的边中权值最小的边，如果这条边上的点不在顶点集合 QMW中，则将该点加入到顶点集合QMW中，包括： 步骤2-4-3-1，在边集合E中选取权值最小的边<quqd>，其中qi为顶点集合Qn"中的 元素，qd不在顶点集合QM中，如果存在有多条边权值均为最小值，则任意选取其中之一； 步骤2-4-3_2,将qd加入到顶点集合Qn"中，将<quqd>$加入到边集合En"中； 步骤2-4-3-3,重复步骤2-4-3-1~2-4-3-2直到Qn"=Q，输出聚类结果，使用集合Qn?、Emw描述所得最小生成树； 步骤2-4-4,分割子树：对步骤2-4-3-3得到的最小生成树边集合EnOT，设置筛选阈值ClustThred，ClustThred限定在 3*disAdjacent~5*disAdjacent范围内，遍历边集合Enew 所有元素，若其权值大于ClustThred，则去掉该条边，将最小生成树分为两个以上的分树， 即可得到候选短波槽点集合通过最小生成树方法划分的子类。10. 根据权利要求9所述的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，其特征在于，步骤2-5包括以下步骤： 步骤2-5-1，设定多项式：依据多项式f(h) =af+aV+ay+aA+a^行拟合，其中h为 自变量，f(h)为因变量，ai，a2,a3,a4,a5为待确定参数，对一个总共g个点的分类点集合Sub ={ppP^.^Pg}，g取值范围为自然数，每一个点由水平方向上和垂直方向上两个坐标决 定，分别设为IVX和！vY，r= 1，2, ...，g，将这些点水平方向上的坐标作为自变量，垂直方 向上的坐标作为因变量； 步骤2-5-2,采用最小二乘法求取参数：依据偏差平方和最小的原则求取待确定参数， ^^5 r=l令上式都为零得到范德蒙德矩阵：将该范德蒙德矩阵简化后得到：求得ai，a2,a3,a4,a5的值，即得多项式拟合曲线，将其作为各分类点集合短波槽分析结 果。
【专利摘要】本发明公开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，实现天气图中气象槽线的自动识别，包括以下步骤：长波槽生成：提取风场网格数据的逆向环流中心，查找数据中的候选长波槽点，以逆向环流中心为起点进行槽点追踪和连接，提取长波槽。短波槽生成：对风场网格数据进行涡度、角度偏转筛选，提取候选短波槽点，在结合候选长波槽点进行筛选后，再对余下候选短波槽点进行最小生成树聚类，对各个生成类中的候选槽点集分别进行曲线拟合，提取短波槽。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN104951624
【申请号】CN201510410180
【发明人】李骞, 代曦, 顾大权, 夏士明
【申请人】中国人民解放军理工大学
【公开日】2015年9月30日
【申请日】2015年7月13日