基于micaps风场信息低空急流自动识别及绘制的制作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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】
[0003] 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：
[0004] 步骤1自动站提取：
[0005] 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炜3° -北炜53°，东经100° -东经125°及北炜40° -北炜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；
[0006] 步骤2预处理：
[0007] 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；
[0008] 步骤3聚类：
[0009] 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；
[0010] 步骤4拟合：
[0011] 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。
[0012] 聚类具体步骤为：
[0013] 1)根据距离聚类：首先对预处理之后的所有自动站按照炜度从小到大的顺序排 列，假如按炜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；
[0014] 2)根据风向聚类:根据风向聚类的原则如下：
[0015] 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；
[0016] 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；
[0017] 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。
[0018] 步骤4拟合具体为：
[0019] 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
[0020] 始点进行折线拟合；
[0021 ] 2)折线平滑:利用B样条曲线进行折线平滑：
[0022] B样条的定义：
[0023]设控制顶点Ρο,Ρ^ . . .，Pn，则k阶即k-Ι次B样条曲线的数学表达式为：
[0024]
[0025]其中Ρο,Ρχ，. . .，Pn(Pi)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
[0026] 条曲线表达式。N1>k(t)是第i个k-Ι次B样条的基函数，每一个称为B样条；
[0027] 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
[0028] B样条基函数的定义：
[0029]
[0030]
[0031]
[0032] ⑷
[0033] 其中ti，ti+i，···，ti+k为k+Ι个节点。
[0034] 该递推公式表明：欲确定第;1个邱介13样条Ni,k(t)，需要用到ti，ti+i，···，ti+k共k+Ι个 节点，称区间⑷山斗]为N1>k(t)的支撑区间；
[0035] 曲线方程中，n+1个控制顶点Ρο,Ρ:，. . .，Pn要用至ljn+1个k阶B样条基N1>k(t)。支撑区 间的并集定义了这一组B样条基的节点矢量Tztto，。，……，t n+k]，利用上述方法得到一条 平滑的急流轴。
[0036] 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：
[0037] 1)所有自动站按照炜度顺序编号1，2，…，η，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);
[0038] 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);
[0039] 3)判断1，2的风速大小，取风速大的自动站作为起始点；
[0040] 4)取夹角小的自动站作为起始点；
[00411 5)将1，2，3作为可能起始点，依据以上原则，继续判断。
[0042]本发明的技术特点及效果：
[0043] 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】：
[0044] 图1根据经炜度、风速、风向初选的自动站 [0045]图2预处理之后的结果。
[0046](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）
[0047] 图3示意图（圆点代表自动站，箭头代表风向）。
[0048] 图4聚类结果(图中不同大小的点代表不同的类）。
[0049]图5折线拟合得到的急流轴。
[0050]图6曲线平滑后的急流轴（图中箭头代表急流方向）。
[0051]图7部分测试结果。
【具体实施方式】
[0052]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。
[0053]步骤1自动站提取：
[0054]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炜3° -北炜53°，东经100° -东经125°及北炜40° -北炜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。
[0055] 步骤2预处理：
[0056]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。
[0057] 步骤3聚类：
[0058] 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。 [0059] 步骤4拟合：
[0060]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。
[0061 ] 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。
[0062]步骤1自动站提取：
[0063] 将急流有效区域限定在北炜北炜3°-北炜53°，东经100°-东经125°及北炜40° - 北炜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。
[0064] 步骤2预处理：
[0065]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。
[0066] 表1西南风、东南风预处理原则
[0067]
[0068] 表2偏西风、偏东风预处理原则
[0069]
[0070]
[007