OJNS  >> Vol. 7 No. 6 (November 2019)

    基于Himawari-8卫星材料的青藏高原对流体系辨认
    Convective System Identification of the Tibetan Plateau Based on Himawari-8 Satellite Data

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作者:  

钟垚:成都信息工程大年夜学大年夜气迷信学院,四川 成都

关键词:
青藏高原对流体系区域堆叠法卡尔曼滤波法The Tibetan Plateau Convective System AOL KF

摘要:

本文应用Himawari-8卫星的高等成像仪(HW8)的中间波长为10.4 μm的全盘不雅测标准数据,基于结合了传统区域堆叠(AOL)跟踪法和卡尔曼滤波(KF)法的一个跟踪对流体系的新算法,对青藏高原区域(25~45˚N, 80~105˚E) 2016年7月1日至15日的对流体系停止辨认跟踪。这半个月内,应用新算法一共跟踪到了青藏高原区域的13个不合强度的对流体系,根据对流体系的不合特点将其分为三类:1) 平日意义上的对流体系,包含了从生成到生长再到灭亡一个完全的生命周期;2) 从一个较大年夜体系上决裂出的对流;3) 生成生长到必定程度后并入其他体系的对流。文平分别选择一个典范个例停止分析。分析成果显示,三个对流体系有着不合的特点(时空、亮温、尺寸、移动轨迹等),它们对降水的影响也有所不合。前两个对流体系强度较小,对降水的影响也不大年夜;后者则是青藏高原较少有的强对流体系,对降水影响较大年夜。

Advanced Himawari imager (HW8) overall observation standard data with a center wavelength of 10.4 μm from Himawari-8 satellite were used in this paper to identify and track convection in the Tibetan Plateau region (25 - 45˚N, 80 - 105˚E) from July 1 to 15, 2016. We used a novel algorithm that combines the advantages of both traditional area overlap (AOL) tracking and Kalman filtering (KF) to detect the convective system. In this half-month, a total of 13 different intensity convective systems in the Tibetan Plateau were tracked by the algorithm. Convective systems are classified into three categories by different characteristics: 1) The convective system in the usual sense, including from generation to development to extinction, a complete life cycle; 2) Convection split from a larger system; 3) Convection that merges into other systems after development to a certain extent. Three certain classic cases were chosen to analyze. Analyses show that three convective systems have different characteristics (such as time and space, brightness temperature, size, movement, etc.), and their effects on precipitation are also different. The first two convective systems have less intensity and have little effect on precipitation; the latter is a strong convective system, which has a bigger impact on precipitation.

1. 引言

近几年来,全球变暖招致青藏高原西南部强对流灾害性气象愈发活泼和频繁,对人平易近生命和家当安然产生较大年夜影响 [1] [2] [3]。中标准对流体系是暴雨的直接影响体系 [4] [5] [6],MCS的特点决定了降水的强度和降水区域的大年夜小,小而快速移动的对流系同普通不会惹起降水或只能带来局地弱降水,而强度大年夜且移速迟缓或准运动的对流体系会产生较大年夜降水,乃至激起暴洪灾害 [7],所以精确辨认MCS对强对流气象的预告相当重要 [8]。本文中为了弥补传统区域堆叠法的局限性,拔取结合了区域堆叠(AOL)法和卡尔曼滤波(KF)法的一种新算法 [9] 来检测和跟踪青藏高原地区的对流体系。卡尔曼滤波法可以稳定地跟踪小型的快速移动的体系。新算法结合了两种办法的长处,可以或许加倍精确清楚地辨认和跟踪青藏高原的对流体系,更好地捕获MCS的完全生命周期,为后续研究这些中标准对流体系的根本特点和其对四周气象体系的影响供给加倍靠得住的保证。

2. 数据与办法

2.1. 数据

数据采取的是日本Himawari-8地球运动卫星于2015年7月7日起向公众供给及时的不雅察成果(ftp://ftp.ptree.jaxa.jp/jma/netcdf)。该卫星所带的成像仪(AHI)共有16个频段,供给0.5~2 km的不合空间分辨率和0.47~13.3 μm的不合中间波长的不雅测,当时间分辨率从2.5~10分钟不等 [10] [11]。Himawari-8地球运动卫星数据因其高时空分辨率和较好的精确性,被广泛应用于灾害性气象的监测预警中 [12]。

降水材料采取空间分辨率为0.1˚ × 0.1˚的中国区域逐日融合降水数据集 [13]。

2.2. 办法

本研究中所应用的辨认和跟踪对流体系的办法重要来源于结合传统区域堆叠办法和卡尔曼滤波办法所开创的可以或许加倍精确辨认对流体系的新算法 [9]。该算法克服了传统区域堆叠法的局限性,同时推敲了卡尔曼滤波办法所具有的可以或许校勘体系误差,且线性拟合才能较强的长处,该算法中重要包含了对流体系的辨认和跟踪模块,可以对不合类型对流体系停止辨认和跟踪。

3. 对流体系的辨认

经过过程2016年7月1日至15日对青藏高原区域的中标准对流体系的跟踪,一共鸣别跟踪到了13个对流体系的轨迹。根据它们之间不合的特点,将其分为三类:平日意义上的从小到大年夜渐渐生长最后趋于灭亡对流体系,从一个较大年夜的体系上决裂出来的对流,和生长到必定程度后并入其他体系的深对流。在这里,分别从三个不合种类的对流体系平分别随机遴选一个来停止分析。

3.1. 浅显对流

拔取2016年7月1日03:50至12:50 (世界时,下同)青藏高原东部的一个对流体系作为典范浅显对流体系停止分析。该体系从生成到生长再到最后的灭亡一共持续了9小时阁下,包含了对流体系的完全生命周期。

Figure 1. July 1st ordinary convective system time-lapse cloud map

图1. 7月1日浅显对流体系逐时云图

从追踪到的该对流体系逐时云图(图1)可看出,对流体系于03:50在西藏东部界线(31°N,98°E)邻近生成后,其空间范围开端增大年夜,并逐步生长东移。经过5个小时的生长,于8:50阁下达到其强大期,且地位也东移至四川北部地区,此时空间范围达到最大年夜,厥后一小时持续东移但空间范围根本无变更。尔后,该体系开端逐步决裂减弱,尺寸减小,达到11:50时,已有大年夜部分对流决裂出该体系,质心位于高原界线(105˚E),对流体系已部分移出高原。在这时候代,在四周情况场的持续影响下该体系赓续崩溃消失,直至12:50完全移出高原并衰退。

图2进一步给出了对流体系全部生命周期中尺寸和最低亮温值的变更特点。结合云图和尺寸、亮温变更趋势图,可以看到在这个对流体系的生长过程当中,在其四周特别是南部还有其他的体系在生长移动,有并入该对流的体系,也有从这个对流中决裂出去的体系。这些体系对跟踪的这个对流存在必定的影响,但相干对流体系的强度和一些其他身分招致其其实不克不及改变原对流体系生长和移动的偏向。是以,这一典范浅显对流体系的完全生命周期被成功辨认和追踪。

Figure 2. Trends in size and minimum brightness temperature over the entire life cycle of a normal convection system on July 1st

图2. 7月1日的浅显对流体系全部生命周期中的尺寸和最小亮温变更趋势图

进一步结合与该对流体系对应的逐时降水量图(图3)可以看到,05时四川西北部与青藏高原东部交界区域开端产生降水,大年夜致比对流体系生成时间滞后一小时阁下,尔后降水量和降水区域逐步增大年夜,但降水区域并未随对流体系东移,降水量也并未随对流体系的衰退而有所减弱。除此以外,其他区域并没有降水的产生。可见,该对流体系并未对降水产生明显影响,至于四川西北部的降水,更多的应是遭到了其他强度更大年夜的对流体系或气象体系的影响。别的,青藏高原南部降水量明显大年夜于北部,特别在高原西北角接近缅甸交界部分降水量较大年夜,主如果由于印度洋季风气候的激烈影响,而对流体系对其影响较小。同时从图中可以发明,部分区域从05:00开端产生降水,尔后降水区域逐步增多并扩大年夜。全体来看,除四川西部界线外,可见区域南部降水明显多于北部,北部仅在甘肃的南部界线产生了大批降水。

3.2. 从较大年夜体系上决裂出的对流

在中标准对流体系生成生长过程当中其实不是一切体系都能自力经过完全的生命周期,还有一大年夜部分体系伴随了决裂、归并过程。有的体系会在一个更大年夜的体系中生长,当本身达到必定条件,且四周情况场合适时,它将从本来的大年夜体系中决裂出来,成为自力的对流体系,持续完成剩下的生命过程。7月12日15:50至20:10这个对流体系就是从一个较大年夜体系中决裂而来,这里我们来详细分析它自力后的生命特点和对相干区域降水的影响。

图4可以明显看出,该对流体系是从其西南部一个较大年夜的对流体系中决裂出来的,其典范特点在于面积小,云顶低。在15:50时完全从本来体系中自力出来,位于33˚N,94˚E,即西藏西北部界线邻近。随后开端东移,在东移的全部过程当中都没有明显的与其他体系归并的过程,该对流体系自力后的全部生命周期都处于减弱灭亡的阶段,于西藏西北部就完全消失,此时其质心位于33.5˚N,95˚E。全部过程仅持续了4.5个小时,对流体系全体只东移了一个经度。在这里,我们还可以明显地看到,其南部的体系也全体处于一个迟缓东移减弱的状况,特别是到19:50时,位于该体系决裂前地位的对流已完全灭亡,其他体系的强度也大年夜大年夜减小。这里的前两个对流体系均是强度不大年夜的体系,与青藏高原上大年夜部分对流体系特点邻近。

Figure 3. Time-lapse precipitation map (corresponding to the convection system), black cross is the convection system centroid

图3. 逐时降水量图(与对流体系对应),黑色十字为对流体系质心

Figure 4. Same as Figure 1, but for a convection split from a larger system tracked on July 12

图4. 同图1,但为7月12日跟踪的一个从较大年夜体系中决裂出来的对流

图5可以加倍肯定该对流体系从较大年夜的体系中决裂出来后一向在减弱衰退。该对流体系刚开端决裂出来时就是一个强度较小的体系,尺寸缺乏14,000 km²,最低亮温也仅为214 K,已过了较强大期,其本身条件其实不支撑它重新生长。同时在四周情况场感化下,对流体系的尺寸减小,亮温增大年夜,对流体系的全部自力生命周期只持续了四个多小时,且都处在减弱灭亡的阶段。在这时候代,这个对流体系刚决裂出来时,尺寸减小敏捷,而达到16:50后,对流体系的尺寸不再减小乃至有必定的增大年夜,这类情况仅保持了一个小时,尔后其尺寸持续敏捷减小直至灭亡。而关于最低亮温值,根本都处于增大年夜状况,只要较小动摇。

Figure 5. Same as Figure 2, but for describing the convection split from a larger system

图5. 同图2,但为从较大年夜体系上决裂出的对流

从降水量图(图6)可以看到,在与对流体系对应的区域(33~34˚N, 94~95˚E)的西边即青海南部界线处有一个较小的降水区域,但该区域的降水强度并未随所跟踪对流体系的强度减小而减小,反而是降水量逐步增大年夜。可见该区域降水的产生与这个对流体系并没有甚么接洽关系,这个强度小且持续时间短的对流体系并未惹起降水。在它自力活动的过程当中,它只是简单的灭亡了,并未影响到四周的气象体系。除此以外,还可以发明,在该对流决裂前地点体系对应的地位也并没有降水产生,反而是位于该体系西北偏向四川、西藏交界处有一个相对较大年夜的降水区域,该区域在17:00开端产生降水后,降水范围赓续增大年夜,降水强度也持续加强,这个区域的地位正好与四川、西藏交界处在可见时间里保持了相当强度且根本未移动的对流体系相对应。

Figure 6. Same as Figure 3, but for the convection split from the larger system

图6. 同图3,但为从较大年夜体系中决裂出的对流

3.3. 生长到必定程度后并入其他体系的对流

上文分析了自力生长完成完全生命周期和从其他较大年夜体系中决裂出来的对流体系,那么关于生长到必定程度后并入其他体系的对流又是若何的呢?进一步拔取了7月6日03:30至11:10符合条件的对流体系停止分析。图7注解对流体系于03:30在四川和青海西北部交界处邻近生成后,体系中间位于西藏中部地区,并开端敏捷生长。与前两个对流体系不合的是,该对流体系其实不是简单东移,而是从生成地向西北偏向移动。在它生长移动过程当中,也伴随其它体系的并入。在6:30时,其西南边有一个相对较小的体系向它移动,经过一个小时后,已与其完成归并。归并后的体系持续生长,在8:30又与其南边的另外一个体系完成了归并,赓续的归并过程使得该对流体系赓续生长加强。到9:30时,对流体系的最南端已达到了28.5˚N,即四川、云南和西藏交界处邻近,中间位于32.5˚N,96.5˚E处,仅仅南移了1.5个纬度,开端并入其西北边的另外一个较大年夜的体系,至11:00根本完成归并。这时候的对流体系曾经演变成了一个强度相昔时夜的体系,面积跨度达到7个经度、11个纬度。该对流体系与其南部体系归并后应会持续南移生长,影响其南部更广泛区域。

Figure 7. Same as Figure 1, but for a convection that was tracked to a certain extent after July 6 and merged into other systems

图7. 同图1,但为生长到必定程度后并入其他体系的对流

该生长到必定程度后并入其他体系的对流与前两个对流体系明显不合。进一步可从图8发明,该对流体系生长速度相当迅猛,生成后尺寸敏捷增大年夜,最低亮温值敏捷减小,生长到一个相当强的程度后直接并入了其他的体系。在这个过程当中,其尺寸在8:30、9:30和10:30均有一个陡增的情况,与四周较小的体系并入这个对流招致该体系尺寸忽然增大年夜相对应,在其他时间里这个对流体系的尺寸则增大年夜得相对均匀。而最低亮温值则截然不合,全程都出现锯齿形降低趋势,动摇较为频繁。在这个对流体系的自力生命周期中,尺寸最大年夜将近达到了600,000 km2,最低亮温值达到了188 K (即−85℃阁下),这明显曾经达到了强对流体系的标准,注解这是一个青藏高原区域少有的强对流体系,其尺寸和亮温值都显示了它不合于前两个对流体系的强度。

Figure 8. Same as Figure 2, but for the deep convection that is incorporated into other systems after development to a certain extent

图8. 同图2,但为生长到必定程度后并入其他体系的深对流

结合对应的降水量图(图9)分析,04时,四川云南交界处开端产生降水,且降水强度逐步增大年夜,这个降水区域正好与被追踪的对流体系生长后所并入的强对流体系相对应。而在四川西北部,开端时并未有降水产生,直到08时,被跟踪的对流体系已生长到必定强度且与其他两个较小的体系大年夜致完成了归并,四川青海交界处开端产生降水。随后降水量逐步增大年夜,降水区域也向南扩大年夜,与对流体系相对应,该降水区域逐步与四川云南交界处的降水区域归并。关于川滇交界处的降水,随北部强对流并入该区的对流体系,降水强度与区域都有所增大年夜。在这个对流体系生长的全部过程当中,降水的重要区域均位于其南部四川、云南交界处根本处于准运动状况的强对流地点的地位,而被追踪的这个对流体系惹起的降水,强度较弱,范围较小。可以估计的是,在两个对流体系持续归并生长的过程当中,降水也将会持续遭到这个归并后的强对流体系的影响。

3.4. 三个不合对流体系之间的比较

经过过程对三个不合对流体系的分析可以看出,三个体系均活动于青藏高原东部地区,且均位于35˚N以南。前两个对流体系生成后都向东移动,个中第一个自力生成生长的体系最后东移出高原并消失,全部过程一共东移了7个经度;而关于第二个从较大年夜体系中决裂出的对流,其自力的生命周期只持续了较短的时间,东移了1个经度,并未移出高原,直接在高原东部消失。而关于生长后并入其他体系的对流,体系在高原西南部(四川西北部与青海交界处)生成后,沿四川西部向南偏东偏向移动,最后在四川、云南与西藏交界处并入了其他的对流体系。这个对流体系经7小时完成了生长和与其他体系的归并过程,强度明显比前两个体系大年夜很多,是青藏高原较少出现的强对流体系。

参照通用的对流体系分类办法 [14],按云顶亮温值将对流体系的强度分为四级。对以上三个对流体系而言,平日意义上的对流体系,即从小到大年夜渐渐生长最后趋于灭亡的体系,和另外一个从较大年夜体系中决裂出的对流,都属于强度较小的普通性对流体系。表1给出了三个不合种类的对流体系之间的参数差别。从表中可以明显地看出,体系之间的重要差别在于关于浅显对流体系,由于全部生命周期包含了从小体系逐步生长到必定程度的对流体系,再渐渐消失的过程。而从较大年夜体系中决裂出的对流,由于仅跟踪了其自力生长的过程,是以,该对流体系能够曾经不再处于强大阶段,当体系从本来较大年夜的体系中决裂出来后,在四周情况场的影响下逐步消失。前者生命周期完全,持续时间明显较长,均匀尺寸也比后者更大年夜。在表1中还可以看到,生长后并入其它体系的对流体系是一个均匀最低亮温值达到199 K,且穿越对流层顶的强对流体系,它敏捷生长到相当强的程度后与其他对流体系归并,持续对大年夜气形成影响。经过过程跟踪到的该对流体系的自力阶段可明显看出,比拟其他两个体系,该对流体系生长速度迅猛,空间范围明显较另两个体系大年夜很多。

Figure 9. With Figure 4, the corresponding convection is merged into other systems after development to a certain extent

图9. 同图4,对应生长到必定程度后并入其他体系的对流

Table 1. Comparison of parameters between three different convection systems

表1. 三个不合对流体系之间参数比较

结合上文中所分析的这三个不合对流体系对降水的影响可以看到,一个对流体系能否对照应区域的降水产生影响或产生多大年夜的影响,取决于这个对流体系的强度大年夜小。关于青藏高原这些大年夜部分面积小、云顶较低(云顶最低亮温较高),充分展示了高原的热力和动力感化的对流体系,伴随它们的降水多为阵雨,大年夜多不会形成降水或降水量较小,对流气象也是多而不强 [15]。而强度对流体系则不合,它们可以或许影响对应区域的降水。

4. 结论

1) 本文共追踪和辨认了13个不合强度的对流体系,根据对流体系的不合特点,将其分为三类,再从平分别随机选择一个停止分析。第一类,平日意义上的对流体系,固然跟踪了它的全部生命周期,但由于对流体系整体强度普通,并未对其对应区域的降水产生较大年夜影响。第二类,从较大年夜体系中决裂出来的对流,该体系一直处于灭亡阶段,强度小时间短,所以它对降水也并未产生明显影响。第三类,生长到必定程度后并入其他体系的对流,这是一个青藏高原较少出现的强对流体系,该对流体系生长敏捷向南移东,至高原南部并入了其他的体系,它对降水形成了较大年夜的影响。

2) 本文中还对三个对流体系停止了比较分析,我们可以看到前两个对流体系是青藏高原较为罕见的普通强度的对流体系,对降水未产生明显影响;而后一个对流体系则是一个穿越对流层顶的强对流体系,它生长敏捷,周期较长,对降水也形成了必定的影响,且当它与其他体系归并后还会影响更加广泛的区域。

基金项目

成都信息工程大年夜学本科教授教化工程项目(BKJX2019007,BKJX2019013,BKJX2019042,BKJX2019056,BKJX2019062,BKJX2019081,BKJX2019089,BKJX2019120和JY2018012)支撑。

文章援用:
钟垚. 基于Himawari-8卫星材料的青藏高原对流体系辨认[J]. 天然迷信, 2019, 7(6): 531-541. https://doi.org/10.12677/OJNS.2019.76062

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