[发明专利]一种用于气象学中自动识别并绘制冷锋的方法

摘要

本发明公开了一种用于气象学中自动识别并绘制冷锋的方法，包括基于低空风场的冷切识别，冷切变带上两侧温度差或露点差检测及验证，冷切变带上空附近等压场上槽线检测和冷锋的三维示意及量化参数；将风矢量场简化为与冷切变带相关的二值风向标记，进而转化为将无关区域标记为0的三值图像，设计点检测算法，联合膨胀、滤波以及骨架提取算法，实现冷切变带的检测、定位及切变参数提取；然后以冷切变带为基准，验证局部区域内露点差和温度差条件并给出量化参数；最后通过低压槽的识别与匹配，分析锋面的倾斜角度。实现了自动检测，有助于对天气灾害的预报，减少经济损失。同时，形成的量化描述为客观训练冷锋与极端天气的关系模型奠定了一定基础。

主权项

1.一种用于气象学中自动识别并绘制冷锋的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一：基于低空风场的冷切识别；1‑1)将0°～360°的风向角进行区域划分；由大小为N×M的风向矢量阵生成用于检测冷切的三值数据阵Ω₃；1‑2)根据锋后为偏北风，锋前为西南风的规则，将冷切变带走向归纳为两种类型，其中，A类为自东北向西南走向，B类为自北向南走向；检测出A类冷切变带和B类冷切变带上的点，包括：检测出A类冷切变带上的点：对p_ij∈Ω₃，p_ij是三值数据阵Ω₃上的任意一点，圈出以p_ij为中心的n×n区域ω_ij，其中，n＜＜min{N,M}且为奇数，在三值数据阵Ω₃上，对ω_ij的左上区域ω_ijLU的所有点的取值求和，并记为S_ijLU，对ω_ij的右下区域ω_ijRD的所有点的取值求和，并记为S_ijRD；进而计算对A类冷切变带上的n_A个点的进行取值分布统计得出阈值γ_A，γ_A的取值是将的取值概率按照由大到小的顺序累加至取值分布概率和为85％时所对应的的值；定义数据阵Ω₄初始值为0，若则初步认为p_ij是该A类冷切变带上的点，并将该点对应的存入数据阵Ω₄的(i,j)位置点上；检测出B类冷切变带上的点：对p_ij∈Ω₃，p_ij是三值数据阵Ω₃上的任意一点，圈出以p_ij为中心的n×m区域ω_ij，其中，n,m＜＜min{N,M},且为奇数，在三值数据阵Ω₃上，对ω_ij的左区域ω_ijL的所有点的取值求和，并记为S_ijL，对ω_ij的右区域ω_ijR的所有点的取值求和，并记为S_ijR；进而计算对B类冷切变带上的n_B个点的进行取值分布统计得出阈值γ_B，γ_B的取值是将的取值概率按照由大到小的顺序累加至取值分布概率和为85％时所对应的值；若则初步认为p_ij是该B类冷切变带上的点，并将该点对应的存入数据阵Ω₄的(i,j)位置点上；1‑3)遍历数据阵Ω₄中所有点之后，将数据阵Ω₄中取值大于1的点置为1；1‑4)由1‑2)步骤获得的检测点形成冷切变带：首先用3×3的方形结构元素对步骤1‑3)获得的数据阵Ω₄中取值为1的点膨胀10次；然后用聚类算法将膨胀后的点聚成不同的连通区域，并计算区域面积；再使用阈值λ滤除小面积区域，λ＝1000；最后对保留区域进行骨架提取，获得待选冷切变带L；步骤二：检测冷切变带上两侧温度差或露点差，并验证该冷切变带L是否为冷锋；2‑1)以步骤一获得的冷切变带L为基础，坐标系中，在该冷切变带L的左侧作距离为4的等距曲线L′，在该冷切变带L的右侧作距离为2的等距曲线L″，用以限定温度差或露点差的范围；运用双线性插值方法计算L′和L″上点的温度值或露点值；统计沿冷切变带L法线方向的最大温差和露点差的分布；2‑2)确定温度差阈值和露点差阈值，根据气象预报部门提供的冷锋样本，在冷切变带L上取599个有效点统计最大温度差ΔT_iM和最大露点差ΔD_iM的分布，对599个有效点的ΔT_iM进行取值分布统计得出阈值μ_T，μ_T的取值是ΔT_iM的取值概率，按照ΔT_iM由大到小的顺序累加至取值分布概率和为75％时所对应的ΔT_iM值；对599个有效点的ΔD_iM进行取值分布统计得出阈值μ_D，μ_D的取值是ΔD_iM的取值概率，按照ΔD_iM由大到小的顺序累加至取值分布概率和为75％时所对应ΔD_iM的值；若冷切变带L上的温度差＞μ_T的点超过75％或露点差＞μ_D的点超过75％，则该冷切变带L就是冷锋；步骤三、绘制冷锋三维示意图及其参数量化；根据是否能够绘制出冷锋上空附近等压场的槽线，有下述情形之一：3‑1)若能够绘制出冷锋上空附近等压场的槽线，则：3‑1‑1)遍历冷切变带L，得出冷锋面高空与地面夹角α的集合{α_i,i＝1,...,m}，利用内嵌有可视化工具包VTK软件绘制冷锋锋面三维示意图；3‑1‑2)对冷切变带L两侧的风向变化参数进行描述，变化参数包括风向最大差值、风向最小差值、风向平均差值和风向差值标准差；3‑1‑3)若仅有：温度差满足冷切变带L上的温度差＞μ_T的点超过75％，则对温度差参数进行描述，包括温度最大差值、温度最小差值、温度平均差值和温度差值标准差；若仅有：露点差满足冷切变带L上的露点差＞μ_D的点超过75％，则对露点差参数进行描述，包括露点最大差值、露点最小差值、露点平均差值和露点差值标准差；若温度差和露点差均满足条件，则对平均差值比上标准差较大的一项参数进行描述；3‑1‑4)对步骤3‑1‑1)冷锋锋面三维示意图中的冷锋面的倾斜角度参数进行描述，包括倾斜角度最大值、倾斜角度最小值、倾斜角度平均差值和倾斜角度标准差；3‑2)若不能绘制出冷锋上空附近等压场的槽线，则执行上述步骤3‑1‑2)和3‑1‑3)。