一种暖锋自动识别方法

1.本发明涉及天气系统自动识别技术领域，具体但不限于涉及一种暖锋自动识别方法。


背景技术：

2.暖锋是指锋面在移动过程中，暖空气推动锋面向冷气团一侧移动的锋。锋面作为冷暖气团的交界面，在其附近空气运动活跃，气流极不稳定，有强烈的升降运动，常造成剧烈的天气变化，是重要的天气系统之一。许多研究常聚焦于冷锋活动，而对暖锋研究很少，暖锋作为由暖湿气团主导的锋面，常常伴有连续性降水、暴雨等灾害性天气，其重要性同样不可忽视。锋面分析在天气预报的业务中有着重要的作用，实现锋面自动识别有利于快速客观的分析及预报天气。在长时间尺度上，通过统一标准定位的锋线对气象科研工作也具有重要的意义。
3.由于锋线是一条没有固定二维结构的线条，且需要综合多种气象要素定位锋线位置，识别难度要高于其他具有闭合等值线的天气系统。人工分析锋面耗时长且主观性较强，虽已有不少工作提出了一些锋面自动识别算法，但这些算法在大陆上识别效率不高，且对于性质不同的冷、暖锋往往采用相同的标准。因此，需要提出一种更符合暖锋性质的识别方法，帮助提高业务预报中的锋面自动化分析的准确度。
4.有鉴于此，需要提供一种新的方法，以期解决上述至少部分问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的一个或多个问题，本发明提出了一种暖锋自动识别方法，利用热锋面参数和温度平流设计的适用于暖锋的识别方法，能够有效提高暖锋识别的准确度，减少主观分析的差异，实现业务预报中的锋面分析自动化。
6.实现本发明目的的技术解决方案为：
7.一种暖锋自动识别方法，包括：
8.s1：获取850hpa高度上的风场数据和温度场数据，并映射到细网格上，并对温度场数据进行平滑处理；
9.s2：定位高空锋区：基于平滑后的温度场数据计算热锋面参数tfp，基于风场数据和平滑后的温度场数据计算温度平流选择同时满足|tfp|≥3
×
10-11
k/m2和的区域作为细网格暖锋锋区；
10.s3：将s2中筛选出的细网格暖锋锋区插值到粗网格上，若在一个粗网格中属于暖锋锋区的细网格点占比大于5％，则该粗网格为暖锋锋区格点，否则为非暖锋锋区格点，获得粗网格下的暖锋锋区；
11.s4：根据风向定位粗网格下的暖锋锋区暖边界，具体包括：
12.s4-1：在粗网格下对暖锋锋区格点进行分类，若格点相邻则判定为同一暖锋锋区内的格点，反之，则为不同暖锋锋区内的格点；
13.s4-2：判断每一个暖锋锋区内的主要风向：计算暖锋锋区内所有格点在对应位置上的纬向风场平均风速值、经向风场平均风速值，若纬向风场平均风速值＞0，则该暖锋锋区内主要纬向风向为西风，否则为东风；若经向风场平均风速值＞0，则该暖锋锋区内主要经向风向为南风，否则为北风；
14.s4-3：根据暖锋锋区内的主要纬向风向和主要经向风向确定该暖锋锋区的暖边界：若暖锋锋区内的主要纬向风向为西风，则选取该暖锋锋区最西一侧的格点为边界ⅰ，反之选择最东一侧的格点为边界ⅰ；若暖锋锋区内的主要经向风向为南风，则选取该暖锋锋区最南一侧的格点为边界ⅱ，反之选择最北一侧的格点为边界ⅱ，将边界ⅰ与边界ⅱ相结合即为该暖锋锋区在粗网格下的暖边界；
15.s5：在细网格锋区中定位属于粗网格暖锋锋区暖边界格点范围内的细网格暖锋锋区格点，并根据粗网格暖锋锋区的暖边界方位，确定细网格下对应暖锋锋区的暖边界方位及暖边界格点；
16.s6：对细网格中各个暖锋锋区的暖边界点进行多项式拟合，每个锋区对应一条平滑的暖锋锋线，得到暖锋锋线分布位置。
17.进一步的，本发明的暖锋自动识别方法，s1中所述细网格的分辨率为0.25
°×
0.25
°
。
18.进一步的，本发明的暖锋自动识别方法，s2中热锋面参数tfp的计算公式为：
[0019][0020]
其中，t为850hpa高度上的温度，为梯度算子，x为纬向上的格点，y为经向上的格点。
[0021]
进一步的，本发明的暖锋自动识别方法，s2中温度平流的计算公式为：
[0022][0023]
其中，为矢量风场，t为850hpa高度上的温度，u为纬向风，v为经向风，x为纬向上的格点，y为经向上的格点。
[0024]
进一步的，本发明的暖锋自动识别方法，s3中所述粗网格的分辨率为2.5
°×
2.5
°
。
[0025]
进一步的，本发明的暖锋自动识别方法，s4-1中格点相邻定义为：若一个格点与另一个格点在经度与纬度方向上均只相差0或1个精度，其中每个精度为2.5
°
，则这两个格点视为相邻格点。
[0026]
进一步的，本发明的暖锋自动识别方法，s5中，细网格下暖锋锋区的暖边界方位与粗网格下对应暖锋锋区的暖边界方位相同，细网格下暖锋锋区的暖边界格点为位于细网格暖边界方位的暖锋锋区格点。
[0027]
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0028]
本发明的暖锋自动识别方法，以确定高空锋区、确定锋区暖边界、确定地面锋线的设计思路，参考人工识别锋线步骤，利用气象要素和热锋面参数以一种更适合暖锋的标准来确定暖锋锋线位置，能够提高暖锋锋线自动识别的准确度，实现对暖锋锋线的自动识别，
在一定程度上减少人工分析锋面的主观性，为预报员在天气预报业务工作中提供参考。
附图说明
[0029]
附图用来提供对本发明的进一步理解，与说明描述一起用于解释本发明的实施例，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0030]
图1为本发明的一种暖锋自动识别方法的流程图；
[0031]
图2为本发明一实施例中s401的流程示意图；
[0032]
图3为本发明一实施例中s402的流程示意图；
[0033]
图4为本发明一实施例中2018年11月3日12时在欧亚大陆上定位暖锋锋区示意图；
[0034]
图5为本发明一实施例中2018年11月3日12时在欧亚大陆上确定粗网格下暖锋锋区示意图；
[0035]
图6为本发明一实施例中2018年11月3日12时在欧亚大陆上根据锋区内风向筛选锋区暖边界示意图；
[0036]
图7为本发明一实施例中2018年11月3日12时在欧亚大陆上筛选出的细网格下锋区暖边界示意图；
[0037]
图8为本发明一实施例中2018年11月3日12时在欧亚大陆上客观识别出的暖锋锋线图。
具体实施方式
[0038]
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
[0039]
该部分的描述只针对典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。不同实施例的组合、不同实施例中的一些技术特征进行相互替换，相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。
[0040]
实施例1
[0041]
一种暖锋自动识别方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
[0042]
步骤s1：下载era-5逐小时再分析资料，包括850hpa高度上的风场uv和温度场t，分辨率为0.25
°×
0.25
°
，并对温度场资料做平滑处理。
[0043]
步骤s2：定位高空锋区。使用平滑后的温度t计算热锋面参数使用uv风场和平滑后的温度t计算温度平流选择同时满足|tfp|≥3
×
10-11
k/m2和的区域作为暖锋锋区。如图4所示，阴影区域表示筛选出的细网格暖锋锋区。
[0044]
步骤s3：将细网格(0.25
°×
0.25
°
)中的暖锋锋区插值到粗网格(2.5
°×
2.5
°
)上，若一个粗网格中细网格锋区格点少于5个，即一个粗网格中锋区格点密度小于5％，则在粗网格下忽略不计。粗网格的分辨率为2.5
°×
2.5
°
，细网格的分辨率为0.25
°×
0.25
°
，例如一个粗网格格点中包含100个细网格格点，若一个粗网格中包含的细网格暖锋锋区格点少于5
个，即在一个粗网格中，属于暖锋锋区的细网格点占比小于5％，那么该粗网格将不会被选为暖锋锋区格点；当一个粗网格格点中，属于暖锋锋区的细网格点占比大于5％时，则认为该粗网格格点属于暖锋锋区格点。如图5所示，阴影颜色由浅及深表示计算出的细网格暖锋锋区格点在该格点中的占比，其中大于5％的格点已均用阴影表示出来，即图中阴影区域即为粗网格下筛选出的暖锋锋区的格点。
[0045]
步骤s4：定位粗网格下锋区暖边界。
[0046]
步骤s401：在粗网格下对锋区格点进行分类，格点与格点若相邻则判断为同一个锋区内的格点，反之，则为不同锋区内的格点，具体步骤如图2所示。其中，对于格点相邻的定义为：若一个格点与另一个格点在经度与纬度方向上均只相差0或1个精度(2.5
°
)，则这两个格点视为相邻。如图6所示，属于同一的锋区的格点在图中用同一个虚线框框出和相同的灰度表示。
[0047]
步骤s402：锋区格点分类完成后，判断每一个锋区内的主要风向，计算该锋区内所有格点在对应位置上的u，v风场平均，根据风场平均，筛选出锋区对应的暖边界，具体步骤如图3所示。例如锋区内主要吹西南风(u风场平均》0，v风场平均》0)，则暖锋锋区的暖边界应在西南一侧，即选取锋区中西侧与南侧的格点作为锋区暖边界。同样如图6所示，在同一虚线框中，颜色较深的为筛选出来的锋区暖边界，例如位于(10
°‑
30
°
n，30
°‑
60
°
e)之间的锋区，计算得到锋区内的主要风向为东南风，那么其对应的最东侧和南侧的格点为锋区的暖边界格点(用比锋区格点更深的阴影表示)。
[0048]
步骤s5：筛选出在细网格锋区中，位于在粗网格锋区暖边界格点范围内的细网格锋区格点。进一步依据粗网格锋区暖边界的方向，筛选出细网格下的暖边界。与步骤s4类似，若粗网格下锋区暖边界为西南边界，则在细网格中锋区暖边界定位在西侧与南侧的格点上。如图7所示，将图6中锋区暖边界的位置与图4中的细网格锋区相结合，同样以在图4中位于(10
°‑
30
°
n，30
°‑
60
°
e)之间的锋区暖边界为例，选出暖边界格点范围内的细网格锋区格点，进一步，因为其暖边界对应的方向为东南方向，那么在细网格锋区格点上也同样选择最东侧和最南侧的格点作为细网格下的锋区暖边界，已在图7中用黑色加粗线条表示出来。可以看到细网格下的锋区暖边界格点分布成呈现出类似于线性的特征。
[0049]
步骤s6：对细网格中各个锋区的暖边界格点进行多项式拟合，一个锋区对应一条平滑的暖锋锋线，删除长度过小的锋线，得到的暖锋锋线分布位置。如图8所示，灰色等值线表示海平面气压场(单位：hpa)，黑色短实线为识别出的暖锋位置，其与海平面气压场有较好的匹配度。
[0050]
本发明提出的暖锋自动识别方法，参考人工识别锋线步骤，利用气象要素和热锋面参数来自动确定暖锋锋线位置，能够提高暖锋锋线自动识别的准确度，实现对暖锋锋线的自动识别，在一定程度上减少人工分析锋面的主观性，为预报员在天气预报业务工作中提供参考。
[0051]
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。说明书中所涉及的效果或优点等相关描述可因具体条件参数的不确定或其它因素影响而可能在实际实验例中不能体现，效果或优点等相关描述不用于对发明范围进行限制。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神
或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。