1、第14卷第32期2014年11月167l1815(2014)32013306科学技术与工程Science Technology粕d En矛neeringV0114 No32 Nov20142叭4 sciTechEng曙地球科学改进的光流法在回波外推预报中的应用张蕾魏呜 李 南周生辉(南京信息工程大学中国气象局气溶胶与云降水开放重点实验室,南京21004J4)摘要 为了充分利用雷达资料进行强对流天气的临近预报,通过改进的光流法反演风场并对雷达组合反射率因子进行。一l h的外推预报。为了提高传统光流法外推预报的准确性,采用金字塔分层技术,减小由于回波移速较快造成的反演误差,提高反演风场的计算精度和
2、运算效率;并且采用半拉格朗日外推方案改进外推,保持回波的旋转性,提高回波预报效果。试验及评分结果表明,改进后的光流法改善了强对流天气的预报效果。关键词 临近预报 光流法 金字塔分层技术 半拉格朗日外推方案 强对流天气中图法分类号 P4132; 文献标志码B多普勒天气雷达为研究强风暴系统的结构和演变提供了重要依据,基于天气雷达资料的临近预报理论和方法也在不断完善。目前,临近预报中应用最广泛的方法是单体质心法和交叉相关法,在此基础上也发展了其他方法。单体质心法通过计算雷达连续体扫中对流单体的回波参数,识别和跟踪对流单体和对流单体群,处理对流单体的合并和分裂,提供对流单体的移动和演变信息。Austi
3、n等提出了三维矩心跟踪法。该方法将每一个风暴单体都作为具有三维立体结构的整体,先计算与之相应的物理量,然后再对相邻时刻风暴的匹配以及追踪预报等进行处理。Rosenfelds【21利用反射率因子识别出风暴,通过前一时刻的初始速度矢量预报下一时刻风暴的位置后,在下一时刻比较与预报位置之间的关系以实现匹配,但该方法没有考虑风暴的分裂和合并。Michael Dixon等旧。引入了描述风暴状态特征量,通过对风暴形状的几何推理,来处理风暴的分裂和合并。国内,肖艳2014年6月20日收到 北极阁基金(BJG201208)、973项目(2013CB430102)、江苏省高校自然科学重大基础研究项目(10KJA
4、l70030)、公益性行业(气象)科研专项(GYHY201206038,GYHY201306040)、灾害天气国家重点实验室开放课题(2013LAswB16)、中国气象局2014年关键技术项目(cMAGJ2014M21)、水利部公益性行业科研专项(201201063)、航空科学基金项目(201320R2001)、863项目(2012AA091801)、江苏省自然科学基金青年基金(BK2012466)、国家自然科学基金青年基金(41305031)资助第一作者简介:张蕾(1990一),女,江苏泰州人,硕士研究生。研究方向:大气遥感与灾害性天气预测。Email:yqrybem163com。+通信作者
5、简介:魏鸣(1957一),女,教授。研究方向:大气遥感与灾害性天气预测。Email:min纠einuisL educn。姣等M1用矩心跟踪法匹配相邻两时刻的风暴,通过对风暴形状的几何推理来预报风暴的分裂和合并。徐月飞等“3结合TITAN(thundersto咖identificationtracking analysis and nowcasting)和SC rI(st0珊ceuidentification aIld tmcking)技术,采用自适应阈值识别风暴带的内部结构,并加入DT(dela岫ay triande)算法计算几何凸壳,实现了风暴合并分裂临界区域的识别。交叉相关技术通过计算相邻
6、时刻反射率因子超过一定阈值的回波区域的最大相关系数来跟踪和外推回波。RinehanRE等M1将整幅回波图像作为一个整体处理,通过计算相邻时刻回波图像位置间的最大相关系数,得到了回波的位移量来跟踪回波运动。为了解决由于回波波型的变化导致无序矢量的问题,RinehaItRE1又建议应用TREC(trackingmdar echoes by coHelation)技术的相邻时间间隔最好小于5min。U等旧1在原方法基础上引入连续方程作为约束条件,建立了COTREc(continuity ofTREC vectors)技术,解决了反演矢量不连续的问题。张亚萍等一1基于TREC技术发展了DIrIREc(
7、difkrence ima罢e-based tracking radar echo by correlations)技术,得到的矢量场在时间连续性和空间连续性都好于传统TREc反演的矢量场;但该方法需要三张相邻的回波图像才能进行反演,并且反演的矢量数少于TREc技术。徐亚钦等刮基于TREc技术发展了多重动态区域TREc算法,通过设定三重不同尺寸的“匹配元”来计算风场矢量,得到较为均匀的风场。改进后的TREC方法稳定性较好,但对于气旋性曲率较大、速度梯度较大、演变快的回波,反演误差较大,且存在计算量大的缺点。为了改进回波外推技术,引入了在计算机视觉万方数据科学技术与工程 14卷领域应用较广的光流
8、法来追踪回波的运动。该方法在1950年由Gibson1首先提出,当被观测的目标和传感器之间有相对运动时,所观察到的亮度模式运动称之为光流。韩雷等副将光流法应用于强对流天气临近预报,结果表明对于变化较快的强对流降水天气过程,光流法具有明显的预报优势。王敏等纠将光流法得到的外推预报结果做了插值拟合,解决了原始外推方法中存在无效点或图像不连续的问题。韩丰等41提出了采用连续两次的反射率因子和径向速度数据共同约束光流基本方程的方法来反演风场,结果表明,该方法反演的风场与实际风场结构相符,具有一定的应用价值。光流法在数值预报模式检验方面也有较好的应用。M眦ban等副通过求解预报场和观测场之间的映射函数,
9、得到反映两个场吻合程度的光流场,光流场为研究数值模式预报误差提供了非常有用的信息。此外,Marzban等钊又利用光流技术检验了华盛顿中尺度集合预报系统的海平面气压预报,结果表明,通过将光流场分解为强度误差、角度误差和位移误差3种,可以很好地评估模式的预报偏差。尽管光流法具有预报优势,但雷达回波应用于光流法仍存在模型误差。光流法要求图像遵循灰度不变性假设,而实际雷达回波存在生消演变,故存在因反射率因子不守恒导致的误差。因此光流法利用偏微分方程求解光流场,只适用于回波间运动较小的情况,对移速较快的回波误差较大。另外,在回波的外推预报中,一般的线性外推方法不考虑旋转,这对于涡旋性的回波预报误差较大。
10、基于传统光流法外推预报的上述缺点,本文利用金字塔分层技术改进光流法,拟减小由于回波移速较快造成的反演误差,提高反演风场的计算精度和运算效率。在外推预报中,采用RPMsL(remapped panicle-mesh semiLag聊1舀an)半拉格朗日方案外推回波,该方案可保持回波的旋转性,提高回波预报效果。1雷达回波外推方法11光流算法简介光流法假设回波运动在短时间内满足拉格朗日守恒方程,并引入其他的约束方程来求解光流场。假设在时刻(菇,),)处雷达反射率因子值为z(菇,),),经过出时刻,该点的反射率因子值变为z(戈+出,y+以,f+山),当山一。时,认为z值近似不变。即:z(z,y,f)=
11、z(z+出,),+dy,t+dt) (1)将式(1)右边按泰勒级数展开,略去二阶无穷小项,可导出=I+z,M+z,秽=0 (2)式(2)中菇。、毛、名,为名的时间、空间梯度;M、秽为回波移速。式(2)中有两个未知数,因此需要引入其它约束方程来求解。本文通过改进Hom和schunk提出的Hs算法71求解回波移速。Hs算法提出了光流的全局平滑约束条件,假设回波各点运动速度不存在较大变化,求极小化平滑约束项E。=J I(“:+u;+口:+秽;)d戈渺 (3)由式(3)和光流法基本方程,要求光流满足式(4)。minflA(u:+勘:+口;)+(z,u+2一+z。)2出母(4)式(4)中,入的取值与图像
12、的噪声情况有关。如果噪声较强,说明图像数据本身的置信度较低,需要更多的依赖光流约束,入取较大的值;反之,取较小的值。求解上式,并用松弛迭代方程21可得 M)-五一丛型警掣(5)A+z:+)-;一塑罂圣!(6)A+z:+ 。式中矗是迭代次数,当迭代残差小于Ool时,迭代结束;u(o和秽o是初猜值,可以取为o;五和;是局部平均;A为权重系数,文中取为05。1-2金字塔分层技术Hs光流法是微分法的光流计算方法,只适用于图像间运动较小的情况,对于运动较大的情况,可用金字塔分层技术副求解问题。该方法的主要思路是将图像由粗到精分解成不同的分辨率,随着分层级别的增加,分辨率逐渐降低,并将在粗尺度下得到的结果
13、进行插值,插值结果作为下一尺度的初始值。该思想通过下采样技术逐级缩小图像,当图像足够小时,相邻时刻图像问的运动将变得足够小,可满足光流法的约束方程。对图像进行金字塔分层,使迭代过程快速收敛,减少了迭代次数,并且减少了直接迭代陷人次极大值的风险。在计算过程中应先对图像进行预处理。为了降低图像的噪声,本文采用高斯平滑滤波器刚对下采样过程中的各层图像进行平滑处理。由于采样比例为2,故图像大小应调整为2后也的倍数,|是所分层数,文中取为4。图1为金字塔分层技术模型示意图。图1中,、为相邻两时刻的雷达回波图像;,l、L1即为原始图像,、;,、为,、1层通过下采万方数据32期 张蕾,等:改进的光流法在回波
14、外推预报中的应用 135图l 金字塔分层技术模型示意图Fi昏l11le model of pyramid-del砌inating theory样技术得到的粗尺度的雷达图像;矿为由光流法求得的速度场双线性插值得到的与下层同尺度的速度场;矿=2矿(|j1)。13半拉格朗日外推方法为了解决线性外推不考虑旋转的缺点,采用了半拉格朗日平流方案对雷达回波进行外推。半拉格朗日方法具有良好的稳定性和精度,目前已广泛应用到数值预报模式和气候模式中。半拉格朗日平流公式如式(12)驯。,(to+下,戈)=F(o,z一0) (7)式(7)中:F为预报的雷达回波场,F为观测的雷达回波场,f。为初始时刻,丁为预报时效,理
15、为预报时效内的位移矢量。半拉格朗日平流方案将预报时效丁分为步进行外推,时间步长为乱,文中采用前向外推方法,每一步的位移量a可由下式迭代得到任n“血“h,菇一竿) (8)、 二 ,式(8)中:配f t。,z一詈1为回波在格点石一詈处的速、 二, 二度。设a初值为0,预报时效内总位移为步位移量之和,时间步长出设为6 ITlin,n为迭代次数。回波外推的具体方法采用了Reich【2改进的RPMSL方案。2个例分析选取了0608“桑美”台风过程和南京一次雷暴过程多普勒雷达回波资料,利用改进后的HS光流法对雷达组合反射率因子进行(01)h外推预报,并与传统Hs光流法对比分析,通过评分分析改进后光流法的效
16、果。21 实例一2006年8月4日台风“桑美”在洋面上形成,此后不断西移并加强,于8月9日已发展成为超强台风,最大风速超过55 rns。本文利用两种光流法外推追踪了8月9日22:22时台风(01)h内的发展移动情况,对两种方法进行对比分析。图2(a)、(b)是用于反演风场的22:22、22:28两时刻的组合反射率因子回波,(c)、(d)分别为30 min、60 lllin改进的光流法外推的组合反射率因子回波与相应时刻实况廓线(红色实线,下同)的叠加图,图2(e)、(f)分别为30 min、60 min传统光流法外推的组合反射率因子回波与相应时刻实况廓线的叠加图。互黧 一一一-;篓 l i委臻净
17、麟+葶净:喜囊麓渗譬罐矧争震罐净巨矽慷图2雷达回波实况及外推30 min和60 IIlin组合反射率因子Fig2 The acmaJ Radar combined renectivity image锄d the ex岫polation forecasting of 30、60 fnin从图2可以看到在(01)h的回波外推预报中,回波位置与形状相差不大,预报方案具有可行性。外推效果随预报时效逐渐降低。图2(c)中光流法预报的回波位置、形状与实况基本一致,台风眼所在位置与实况也相差不大。而(d)图中可看到实际台风有所发展,台风及周围的回波出现的生消变化无法在预报图像中完全表现出来,台风眼的位置预报
18、偏差也增大,外推60 min的回波与实况相比在形状、位置和强度上都偏差都大于30 min的回波预报。但相较于传统光流法,可看到改进后光流法预报效果有所改善。图2(e)、(f)中传统光流法预报的回波位置与实况基本一致,但改进后光流法在形状上与实况更加契合,台风眼的位置较实况偏差也更小。选用RPMSL方案外推回波保持了台风的旋转特性,提高回波预报的准确性。从个例中可知改万方数据136 科学技术与工程 14卷进后的光流法尽管随着预报时效增长,效果会逐渐降低,且无法预报回波的生消演变,但总体而言,无论在位置和形状上改进后的光流法预报效果更好。22实例二2009年2月24日南京出现一次雷暴过程,回波发展
19、较快,且一直伴随着新回波的产生,故过程持续时间较长,影响范围较广。选取当日03:00时刻回波处于发展过程中的回波进行(01)h的外推预报。图3(a)、(b)是用于反演风场的03:00、03:06两时刻的组合反射率因子,图3(c)、(d)分别为30 min、1 h改进的光流法外推的组合反射率因子与相应时刻实况廓线的叠加图,图3(e)、(f)分别为30 min、1 h传统光流法外推的组合反射率因子与相应时刻实况廓线的叠加图。个例二中的雷暴正处于发展阶段,雷暴发展较快,从图3实况廓线就可以看到在这一小时中回波形状变化较大,对流单体的生消过程发展的较快。在这种天气过程发展比较剧烈的情况下可以看到,对于
20、1 h的回波预报,即使改进后的光流法,外推回波较实况在形状上的偏差仍较大,预报效果随时间增长降低较快。其中,30 min外推回波两种方法效果都较好,回波位置与实况大致一致,由于雷暴的发展,回波形状偏差较大。60 min外推回波位置和形状都出现较大偏差,光流法改进后回波位置偏差变小,但仍然无法预报回波的生消演变过程。个例分析表明,改进的光流法对回波位置的预报准确性有所提高,但对于发展较快的回波,即使(01)h的回波外推,预报效果仍存在一定误差。23评分前面已用两个个例对光流法的改进效果做了定性分析,本节利用这两个个例分别对两种方法进行评分。评分方法通过利用探测概率(POD)、虚假警报率(FAR)
21、、临界成功指数(CSI)来评价预报效果。将预报回波与实况回波逐格点对比,如果该格点的回波值大于阈值,则认为格点是活跃的。反之,则认为格点不活跃。预报格点与实际格点都是活跃的,认为预报是成功的。如果预报格点活跃而实际不活跃,认为是空报。如果预报不活跃而实际活跃,则认为是漏报。一般评分过程中,仅选取一个阈值对外推效果进行评分,评分结果受到实际回波类型和强度的影响,因此本文对评分方法进行改进,选取多个阈值联合对预报结果进行评分,即预报格点值处于与实际格点值相邻的两个阈值区间内时认为预报成功,预报格点值小于该区间认为是漏报,大于该区间认为是空报。这使得评分结果更直观地体现了预报的整体效果,且评分结果受
22、阈值选取影响较小。文中阈螓落I t凄葶-|-静)6(LrrC)i旨达【山波实鹈一卜两d矿一2砷 400喜蓁:辞:j莳琴蓄图3雷达回波实况及外推30 min和60 min组合反射率因子Fig3 The actual Radar combined renectivit)rimage and the extrapolation forec鹊ting of 30、60 min值最小值为0 dBz,阈值间隔均为lO dBz,选取的最大阈值由回波最大值确定。表1为两种方案的评分结果。POD、FAR、cSI计算公式为尸DD:生L一 (9)儿成功+n漏报以尺:型L (10)n成功+n空报Cs,:兰麴一 f11
23、)n成功+n空报+n漏报式中:n成功、n空报、n漏报分别为预报成功、空报和漏报的格点数。表1个例评分结果Table 1 Evalua60n瑚lllts of two casesn簖嚣薛圮酸骱慢一酵万方数据32期 张蕾,等:改进的光流法在回波外推预报中的应用 137如表1所示,评分结果更直观地体现了两种方案的预报效果。随着预报时效的增长,预报效果不断降低,对于回波发展较快的南京雷暴,两种方案的预报效果均比“桑美”台风的预报效果差,且随时间增长评分下降较快。同时,由评分结果也可看到改进后的光流法POD和CsI值都有所提高,虚警率也降低。因此,针对以上个例,可认为改进后的光流法预报效果更好,对于发展
24、较快的雷暴优势更明显。3 结语详细介绍了光流法,利用金字塔分层思想和RPMSL方案改进HS光流法,通过两个个例分析了改进后的光流法的优势,得到以下结论:(1)针对回波运动速度较大的情况,通过高斯金字塔技术改进HS光流法,提高了光流法的计算精度和收敛速度;(2)在外推过程中,采用RPMSL半拉格朗日方案代替线性外推,该方案可保持回波的旋转性,具有良好的稳定性和精度;(3)相较于传统HS光流法,改进后的光流法在对强对流回波预报中具有优势,在以后的研究中需要更多个例验证。在回波外推预报中仍然存在一些问题。这两种外推方案都无法预报回波的生消演变,且对于发展较快的回波即使进行(o1)h的外推,误差也较大
25、,并且随时间发展外推预报的准确性下降较快。因此,在未来的研究中仍需不断改进方法,根据回波的演变,在预报中加入动力学过程,将雷达回波外推技术与数值预报模式相融合,提高临近预报效果。参考文献1 Beuon A c L Very shon一瑚ge forecast of Precipitation by tlle objec“ve ex咖polation 0f陷d盯粕d娆teUile da饥 Ndwc髂ting k ABmwIIing,EdAcademic Press,1982;177一1902 Rosefeld DObject me山0d for帅alysis锄d tr神king of conve
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37、 rats after modeling successfhUy were randomly divided into blank group,model group,positive dmgcon”ol group(fen06brate),astragalus,Danshencompatibility extmct low,medium,high dose treatment group,ratsweIerC,TG,HDLC,LDL-C,ApoA I and ApoB index after 4 week sA甜懈Z獬,Danshen compatibility extracthigh,me
38、dium dose group,positiVe dmg group,semm TC,TG,LDLC and ApoB levels were significantlylower thanthose in the model group,AsrlzgoZW,Danshencompatibility extract high,medium dose gmup and HDLC ApoA IleVels were significantly h远her than those in the model铲oupIt is conclused:As哗Zw,Danshencompatibtract hi
39、gh,medium dose gmup can significantly I。educe the h)rpedipidemia rats TG,7rC and LDLC levels,the leVel 0f HDLC,regulate lipid metabolism,and reduce theincidence of atherosclerosis and comnary heartand hyperlipidemia ratsKey words AstmgnZ琊,船m6mn口ce瑚 So如缸miZtiD砌拓口 compatibility lipid metabolismilitv e
40、x1mpmVediseasepppp、ppppp扩pppppp妒妒矿、pppppppp妒ppp妒pppppppppppp(上接第137页)2l Reich SAn explicit and conserv砒ive remapping strate盯for semi 18(1):143150蛳亭arIadVecti叩Atmosph耐c Science LetteI弓,2007;8:58一 Ding Jineai Review of weather prediction verifying techniqIle860 J0umal ofN肌iingInstitute ofMeteorology,1
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42、the mdar data to analyze the convective weather,an improved opticalow method is used to retrieve试nd 6eldThen the衍nd field is used to extrapolate the future(01)h radarcombined renectiVity factor In order to inlproVe the calculation accuracy and conlputing e珩ciency of wind field,pyramid-delaminating t
43、heory is utilized for impr0Ving optical now methodAnd SemiLa铲angian scheme is selectedto make the extIapolation results bener Results show that the improved optical now method has certain advantagesin the extrapolation of severe convective weather systemKey words nowcasting optical now methods p)rra
44、mid-del踟inating theory semiLagrangian schemeseveIe convective wea“1er万方数据改进的光流法在回波外推预报中的应用作者: 张蕾, 魏鸣, 李南, 周生辉, ZHANG Lei, WEI Ming, LI Nan, ZHOU Sheng-hui作者单位: 南京信息工程大学中国气象局气溶胶与云降水开放重点实验室,南京,210044刊名: 科学技术与工程英文刊名: Science Technology and Engineering年,卷(期): 2014,14(32)引用本文格式:张蕾.魏鸣.李南.周生辉.ZHANG Lei.WEI Ming.LI Nan.ZHOU Sheng-hui 改进的光流法在回波外推预报中的应用期刊论文-科学技术与工程 2014(32)