一种通过改进拉普拉斯自动识别南支槽的方法技术

本发明专利技术公开了一种通过改进拉普拉斯自动识别南支槽的方法，涉及气象技术领域，包括以下步骤：获取位势高度场格点数据；计算位势高度场在x方向的梯度场；寻找梯度值由负到正的转折点，对梯度场进行清理；计算x方向散度，得到改进后的拉普拉斯值L'；并对L'进行0,1二值化处理，得到并将黑白图像和待选槽线的多个目标通过膨胀合并，通过腐蚀恢复原有尺度，通过轮廓指向角及长短轴比率选定有效目标；对有效目标提取东西南北4个方向的端点，调整有效目标对应的槽线的形态；并对槽线进行拟合，得到南支槽。本发明专利技术可自动识别南支槽，可提高天气分析、预报的效率和和规范性，减少人为因素的误判，提高气象防灾减灾的自动化水平。提高气象防灾减灾的自动化水平。提高气象防灾减灾的自动化水平。

【技术实现步骤摘要】
一种通过改进拉普拉斯自动识别南支槽的方法


[0001]本专利技术涉及气象
，具体包括一种通过改进拉普拉斯自动识别南支槽的方法。

技术介绍

[0002]海平面气压1000hPa左右，从地面向高空气压不断降低，离地面越远、高度越高则气压越低。例如离地面3000米左右气压下降到700hPa，离地面5000米左右气压下降到500hPa。考虑到因地球引力的作功效应，则将某一气压所在的高度称为位势高度。同一等压面，各地位势高度不同，因此等压面在空间不是平面而是像地形一样起伏不平。在数学上可用二元函数H（x，y）来表示等压面所在的位势高度。图2为等压面空间示意图，在空间中等压面凸起的位置对应着更高的位势高度，而等压面凹陷的位置对应着更低的位势高度。
[0003]从地面到高空气温陆续降低，所以如果大气上升就会使空气中的水汽因降温而达到饱和，凝结为水滴和冰晶形成云和降水。在北半球，南方靠近大洋且气温高，所以大气中含水汽更多而湿润，为暖湿空气；北方水汽少而寒冷，为干冷空气。
[0004]在北半球中高纬度地区的高空，盛行西风气流，称为西风带。我国绝大部分地区处于中纬度西风带中。西风气流中常常产生波动，形成槽和脊如图3和图4所示；西风带中的槽称为西风槽。在天气图上，西风带低槽常常由北向南伸展。
[0005]在高空等压面图上，西风带自低值中心向南延伸的狭长区域是西风槽如图3所示，因其在天气图中表示为线状，所以也称槽线。槽前即槽线的东侧为西南暖湿气流，槽后即槽的西侧为西北干冷气流。由于冷暖空气密度不同，槽前暖湿空气更轻，气流上升后因高空更冷，空气中的水汽凝结，该区域常常产生阴雨天气；槽后干冷空气因密度大而下沉，因低层更暖而使水滴冰晶受热变为汽态，此区域天气晴朗。因此，槽线的位置、强度等特性对于天气分析预报具有关键性指示意义。
[0006]图3和图4为500hPa等压面上西风带中的槽线，数值表示位势高度，P1~4是横向（x方向）各点位置关系，P0为槽线节点，单位为位势米。图3为槽线附近位势高度水平分布，左侧箭头为干冷的西北气流，右侧箭头为暖湿的西南气流。图4为沿图3中虚线作垂直剖面，粗线为垂直剖面与等压面的交线F(x)，黑色箭头是位势高度梯度方向，其中，
‑
、+分别是梯度符号，横向细线为位势高度值。图4中的槽线节点P0的特征为：其位势高度小于两侧邻域各点且其两侧的梯度相反，符号由负转正。
[0007]西风在经过青藏高原时，受青藏高原巨大地形动力作用影响，绕流分为南北两支，其中南支西风气流上出现的西风槽称为南支槽。其地理位置在北纬10
°
~30
°
，东经75
°
~95
°
之间。南支槽一般从10月中旬开始出现到次年6月中旬消失，是影响我国南方地区的重要天气系统，影响区域包括云南、贵州、西藏、四川、重庆等地。南支槽在冷空气配合下可造成西南地区大范围的降温、降水天气，其位置、水汽输送、低空急流和冷空气强度等条件的不同决定了降水的强弱。除了影响我国西南地区之外，南支槽东移也会为华南、华东等大片区域带来强降水。
[0008]等压面在空间如同地形一样起伏不平，如图5所示，槽是等压面上自低值中心向南延伸的狭长线状区域，所以又称为槽线，在三维空间表现为山谷区域的连线。槽线各点处的位势高度值比其前后两侧更低，从梯度上看则两侧符号相反，即梯度的方向相反；若有水沿位势高度场流动，那么水滴向下流动，经两侧聚集如图5中的箭头所示，所经过的路线就是槽线所在的位置。如图5中，曲线即为三维空间中等压面上槽线的位置。图5表明，在地形图中，溪流是其两侧山坡之间的最低端，由水滴下坡后形成。线条是由一系列的点组成的，槽线亦然，由槽线上各个节点（如图4中的P0点）所构成，该节点即山谷两侧的汇聚点。借鉴在地形图中找到溪流的方式，可判识南支槽。
[0009]在某一点，物理量沿某一特定方向的增量就是这一点的方向梯度。对于图4中的一元函数，梯度即曲线的斜率。对位势高度场H来说，它随每一个地理坐标而变化，所以H的表达式为二维函数H(x，y)，其梯度G(x，y)是一个向量，可分解为在x和y方向的两个相互垂直的分量，如图6和图7。图6表示等压面上一点A，过点A分别沿x方向和y方向取垂直截面如图7。计算该点的梯度，其中向量为A点沿y方向的梯度，向量为A点沿x方向的梯度，两个分量之和为A点的梯度向量。
[0010]二元标量场的梯度是一个向量场。对二元函数即二维分布的位势高度场H(x，y)，其梯度G(x，y)可以表示为：梯度由低值指向高值方向，其中，表示哈密顿算子。
[0011]但梯度只能指示水滴的流动方向，并不能说明最终在何处汇聚为溪流。各处流下的水滴在哪里聚集，可用散度体现。
[0012]散度是描述向量场上某一点附近聚合或发散程度的物理量，是标量。对于某一点来说，若散度值大于0，表示这一点为源点，即从此点发散，如图8；若散度值小于0，表示这一点为汇点，说明向该点汇聚，如图9；若散度值等于0，那么在这一点周围的小区域里既没有辐合，也没有辐散。
[0013]对一个二维向量场，以梯度G(x，y)为例，其散度D可以表示为：通过对一个向量场计算散度，可以分析该向量场是否发散或汇聚，在哪里发散或在何处汇聚，并确定其强度。
[0014]求取梯度并进行散度运算的数学工具是拉普拉斯，符号为
▽2，以法国数学家La Place命名，多用于在多维空间中分析函数的性质。求取散度的公式中对梯度G的散度D即为拉普拉斯
▽2运算，记为L。对位势高度H(x，y)，将求取梯度的公式代入求取散度的公式，可得位势高度的拉普拉斯L表示为：具体来说，对位势高度场H(x，y)求梯度：由求取梯度的公式，将x和y方向的位势高
度梯度分别记为G
x
(x，y)，G
y
(x，y)：对上述梯度求散度，得到x方向的散度D
x
(x，y)和y方向的散度D
y
(x，y)：这时对梯度求散度运算后的场D(x，y)为x,y两方向D
x
(x，y)与D
y
(x，y)之和，即为拉普拉斯L：在实际的运算中，通过差分代替偏微分的方式计算拉普拉斯L：式中L即为对位势高度场H(x，y)用差分方法求得的拉普拉斯值。
[0015]通过上述分析可知，在位势高度场中寻找南支槽，本质上就是计算位势高度场H的拉普拉斯值L，即先通过求梯度寻找位势高度场的梯度，相当于获得水滴的流向；再通过计算散度寻找位势高度较低点，相当于确定水滴的汇聚位置，即槽线节点。将一系列这样的节点串联起来，就找到了槽线。
[0016]南支槽是影响我国南方地区的重要天气系统，经常直接影响我国云南、四川、贵州、广西等地区。在冬半年，南支槽云系随西风气流东移至我国云贵、两广、湘赣等长江流域以南广大地区时，会给该地区带来降水，是我国南方重要的降水天气系统之一。南支槽活动时间长，影响区域广。准确分析南支槽，判断南支槽的位置、强度等特征，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种通过改进拉普拉斯自动识别南支槽的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、获取位势高度场格点数据H；其中H [i，j]表示格点数据中第i行第j列的元素，H [i，j+1]表示H [i，j]右侧的一个格点，Δx表示H [i，j]与H [i，j+1]两点间距离；H [i+1，j]表示H [i，j]下侧的一个格点，Δy表示H [i，j]与H [i+1，j]两点间距离；S2、计算位势高度场H在x方向的梯度场；S3、在梯度场中寻找梯度值由负到正的转折点，并对梯度场进行清理，得到清理后的梯度场；S4、对清理后的梯度场计算x方向散度，得到改进后的拉普拉斯值L'；S5、将改进后的拉普拉斯值L'进行0,1二值化处理，得到黑白图像和待选槽线的多个目标；S6、通过膨胀算法将黑白图像中待选槽线的多个目标合并，并通过腐蚀算法使膨胀后的图像恢复原有尺度，通过图像识别轮廓，得到合并后的目标轮廓；S7、对合并后的目标轮廓计算轮廓指向角度和轮廓长短轴之比，寻找有效目标；S8、对有效目标提取东西南北4个方向的端点，并对有效目标对应的槽线的形态进行调整，得到调整后的槽线；S9、将调整后的槽线进行拟合，得到南支槽。2.根据权利要求1所述的一种通过改进拉普拉斯自动识别南支槽的方法，其特征在于，步骤S2的具体实现方式如下：根据公式：得到x方向的梯度场；其中，表示位势高度场在第i行第j列处的高度差；
△
x为此两点间在x方向的距离；为格点数据中第i行第j列的x方向梯度值。3.根据权利要求2所述的一种通过改进拉普拉斯自动识别南支槽的方法，其特征在于，步骤S3的具体实现方式如下：S3
‑
1、根据梯度场判断梯度值由负到正的转折点；S3
‑
2、针对梯度值正负转折点的左侧的点，保留的数据；将其余各点梯度值赋值为0；得到清理后的梯度场；其表达式为：。4.根据权利要求3所述的一种通过改进拉普拉斯自动识别南支槽的方法，其特征在于，步骤S4的具体实现方式如下：根据公式：得到改进后的拉普拉斯值L'；其中，表示清理后的梯度场中右侧一点的
格点数据。5.根据权利要求4所述的一种通过改进拉普拉斯自动识别南支槽的方法，其特征在于，步骤S5的具体实现方式如下：将改进后的拉普拉斯值L'≠0的区域的亮度赋值为255，其余区域亮度赋值为0；其中，改进后的拉普拉斯值在槽线可能存在的目标区域值为L'≠0，其他区域L'=0。6.根据权利要求5所述的一种通过改进拉普拉斯自动识别南支槽的方法，其特征在于，步骤S6的具体实现方式如下：S6
‑
1、根据公式：对黑白图像进行膨胀，使多个目标合并，得到膨胀后的图像Y...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡文东，郝艳琼，舒红平，肖天贵，陈艳，张莹，邵建，甘建红，王亚强，罗飞，
申请(专利权)人：成都信息工程大学，
类型：发明
国别省市：