塔什干低渦天氣系統(tǒng)自動識別方法的探討

秦 賀，張?jiān)苹荩S秉光，楊蓮梅

（1.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊830002；2.蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州730000；3.新疆氣象服務(wù)中心，新疆 烏魯木齊830002）

新疆地處亞歐大陸腹地，是典型的溫帶大陸性干旱氣候，天山山脊以南的南疆地區(qū)干旱特征更為顯著。對南疆地區(qū)而言，能夠造成顯著降水、降溫的影響系統(tǒng)主要是西風(fēng)帶上的短波槽和閉合氣旋系統(tǒng)，其中又以常出現(xiàn)在中亞南部的閉合氣旋系統(tǒng)（即塔什干低渦）居多，它的活動異常可導(dǎo)致南疆的暴雨（雪）、持續(xù)低溫等災(zāi)害，甚至對青藏高原和我國東部地區(qū)的天氣氣候也有重要影響[1]。近年來國內(nèi)許多學(xué)者針對臺風(fēng)、東北冷渦、西南低渦等大氣中的氣旋性渦旋開展了廣泛深入的研究，對新疆天氣具有重要影響的中亞低渦及塔什干低渦天氣系統(tǒng)的研究工作目前也已逐步開展起來，王旭[2]、向鳴[3]、王磊[4]、張?jiān)苹輀5]等人對一些影響新疆的低渦天氣個例進(jìn)行了天氣學(xué)診斷分析，指出造成南疆西部大降水天氣的重要原因之一是塔什干低渦與低層偏東氣流共同作用的結(jié)果；張?jiān)苹輀6]、秦賀[1]等人從時空分布、移動路徑及低渦對新疆天氣的影響等方面分別對1971—2010年中亞低渦和塔什干低渦活動特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，指出中亞低渦隨緯度分布有兩個高頻活動區(qū)域：47.5°～55°N（北渦）和 35°～47.5°N（南渦），并具有顯著的年代際增加趨勢，北渦存在明顯的季節(jié)變化，而南渦活動的季節(jié)變化不明顯；塔什干低渦活動有兩個高頻中心，分別為 67.5°E，40.0°N 和 72.5°E，35.0°N，它主要向偏東方向移動，生命史平均為3.1 d，4—6月和9—10月是塔什干低渦的多發(fā)期。上述研究成果不僅提高了氣象科研和業(yè)務(wù)工作者對影響新疆的低渦系統(tǒng)的認(rèn)識程度，也讓廣大學(xué)者更加全面地了解了中亞低渦和塔什干低渦活動的氣候特征。

在對氣象要素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時必須確保統(tǒng)計(jì)對象的可靠性，否則統(tǒng)計(jì)結(jié)果便無研究價(jià)值，因此對影響新疆的低渦天氣系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究前，首先就是要確保挑選的每一次低渦天氣過程都是準(zhǔn)確無誤的。根據(jù)低渦的定義可以利用歷史天氣圖進(jìn)行低渦過程的挑選，孫力等[7-8]曾經(jīng)采用翻閱逐日天氣圖，統(tǒng)計(jì)分析了多年的東北冷渦氣候特征及其持續(xù)活動與大氣環(huán)流異常之間的關(guān)系，結(jié)果表明東北冷渦不僅受到中高緯度環(huán)流系統(tǒng)如極渦、高空西風(fēng)急流和阻塞高壓的影響，而且還與低緯度的西太平洋副熱帶高壓、赤道輻合帶、厄爾尼諾—南方濤動（ENSO）等熱帶大氣環(huán)流的異常密切相關(guān)。然而，這種基于查閱歷史天氣圖的低渦過程挑選存在一些不盡人意之處：一是這種判定方法耗時費(fèi)力，二是不同的人對同一張?zhí)鞖鈭D的判別會有主觀差異，這種通過人工閱覽天氣圖挑選的方式具有很大的主觀性。因此需要通過一種客觀準(zhǔn)確并且省時省力的方法來識別、追蹤低渦系統(tǒng)，進(jìn)而展開對低渦活動氣候特征的統(tǒng)計(jì)研究工作。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和氣象業(yè)務(wù)現(xiàn)代化的迅猛發(fā)展，氣象領(lǐng)域內(nèi)計(jì)算機(jī)圖像識別的研究工作也相應(yīng)地開展了一些，這些已有的圖像識別技術(shù)研究主要是與預(yù)報(bào)方法自動化運(yùn)行和實(shí)時資料處理相結(jié)合。張豐啟等[9-11]1997年實(shí)現(xiàn)了對北支槽、中支槽、南支槽和烏拉爾山阻高的圖像識別，在2000年研究山東省冰雹預(yù)報(bào)的逐級技術(shù)指導(dǎo)過程中，實(shí)現(xiàn)了對東北冷渦的計(jì)算機(jī)識別；胡開喜等[12]2011年基于計(jì)算機(jī)自動識別方法得到了近50 a的東北冷渦數(shù)據(jù)集，研究了東北冷渦的年際變率和演變趨勢及其持續(xù)性活動對我國氣候的影響及其相關(guān)的大尺度環(huán)流異常特征。張?jiān)苹?、秦賀等人也是通過計(jì)算機(jī)編程客觀、自動識別追蹤的方法得到低渦活動數(shù)據(jù)集進(jìn)而開展相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析工作。本文將針對塔什干低渦天氣過程的計(jì)算機(jī)識別方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 資料簡介

本文使用的資料是NCEP/NCAR日平均再分析高度場、溫度場資料，該資料水平分辨率為2.5°×2.5°（經(jīng)度×緯度），垂直方向?yàn)?17層。

2 塔什干低渦的自動識別

2.1 識別方法

根據(jù)秦賀等人給出的塔什干低渦天氣過程的定義：（1）500 hPa風(fēng)場出現(xiàn)閉合的氣旋性環(huán)流，閉合氣旋環(huán)流中心位于 65°～90°E，35°～42.5°N 范圍內(nèi)，并且有冷中心或明顯冷槽的配合；（2）低渦在上述區(qū)域內(nèi)的生命史至少維持2 d或以上。在進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程自動識別時，首先據(jù)此確定塔什干低渦篩選的空間范圍，即低渦中心位于 65°～90°E，35°～42.5°N的中亞南部及新疆天山以南的南疆地區(qū)范圍之內(nèi)；其次是確定低渦是否存在，根據(jù)500 hPa等壓面上的高度值，若某一格點(diǎn)的高度值小于其周圍格點(diǎn)的高度值，同時格點(diǎn)的緯向氣溫的二階導(dǎo)數(shù)大于零，則認(rèn)為有低渦系統(tǒng)的存在，而這一點(diǎn)就是低渦系統(tǒng)的中心位置所在,該點(diǎn)的值就是低渦的中心強(qiáng)度。

2.2 識別步驟

根據(jù)上述識別思路，在進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程時，首先確定統(tǒng)計(jì)區(qū)域，其次在統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)給定判斷條件，若符合則輸出低渦中心經(jīng)緯度、高度值及對應(yīng)日期。另外，可以將低渦中心經(jīng)緯度及低渦最外圍格點(diǎn)距離低渦中心的度數(shù)輸出，進(jìn)行低渦面積的估算。下面將一些具體操作及注意事項(xiàng)分別進(jìn)行說明：

（1）在對500 hPa統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐點(diǎn)判斷時,需要將每個格點(diǎn)高度值與其外圍的格點(diǎn)高度值進(jìn)行比較，若某點(diǎn)i的高度值Ci小于其外圍第1圈8個格點(diǎn)高度值,此時可再將i點(diǎn)外第1圈8個格點(diǎn)的高度值與i點(diǎn)外第2圈同一方位及相鄰方位格點(diǎn)的高度值進(jìn)行比較，若i點(diǎn)外第1圈格點(diǎn)的高度值小于等于第2圈同一方位及相鄰方位格點(diǎn)的高度值，則繼續(xù)比較i點(diǎn)外第3圈、第4圈……第n圈的格點(diǎn)高度值，當(dāng)?shù)趎圈格點(diǎn)不再滿足上述條件時，開始計(jì)算i點(diǎn)及其外圍第1圈至第n-1圈中格點(diǎn)的緯向溫度二階導(dǎo)數(shù)，若任意一點(diǎn)該導(dǎo)數(shù)大于零，則將i點(diǎn)記為潛在低渦中心，Ci即為潛在低渦中心的強(qiáng)度，n-1圈為潛在低渦的最外圍。

（2）進(jìn)行上述判斷時，有可能在同一時刻出現(xiàn)多個潛在低渦，若同時出現(xiàn)的多個潛在低渦中心經(jīng)緯度相差小于10°，則將它們認(rèn)為是同一個潛在低渦系統(tǒng)（圖1所示的A和B），并將位勢高度值最小的那個潛在低渦中心定義為主要中心。

圖1 計(jì)算機(jī)自動識別塔什干低渦天氣過程的示意圖（實(shí)心點(diǎn)：2.5°×2.5°格點(diǎn)，實(shí)線：500 hPa位勢高度等值線，虛線：相鄰時刻的500 hPa位勢高度等值線，A、B、B′為潛在低渦中心所在格點(diǎn)）

（3）根據(jù)以上方法確定潛在低渦后，再將相鄰時刻的潛在低渦中心經(jīng)緯度進(jìn)行比較，若二者之間的距離（圖1所示B與B′的距離）超過了17.5°，則認(rèn)為不是同一個塔什干低渦系統(tǒng)。只有當(dāng)同一個低渦系統(tǒng)至少連續(xù)兩個時次出現(xiàn)時，才定義為一次塔什干低渦天氣過程，這時將低渦中心經(jīng)緯度、位勢高度、低渦中心距低渦最外圍的度數(shù)差（低渦半徑R，可用來估算低渦面積）及對應(yīng)日期輸出，最終得到塔什干低渦天氣過程的數(shù)據(jù)集。

3 計(jì)算機(jī)識別低渦的可靠性

利用以上方法識別篩選的塔什干低渦天氣過程是否準(zhǔn)確可靠呢？為此作者使用相同數(shù)據(jù)利用Grads軟件繪制了1971—2010年間的500 hPa環(huán)流圖，利用大量時間與課題組的另一位工作人員進(jìn)行人工檢查，通過檢查并未發(fā)現(xiàn)有遺漏或者多統(tǒng)計(jì)的情況，表明此計(jì)算機(jī)識別程序是準(zhǔn)確可靠的。

4 結(jié)論

根據(jù)塔什干低渦天氣系統(tǒng)在等壓面上的高度、溫度分布特征，利用計(jì)算機(jī)編程的方法自動識別低渦天氣系統(tǒng)，其中某格點(diǎn)i的高度值小于其外圍格點(diǎn)高度值和低渦范圍內(nèi)任意格點(diǎn)的緯向溫度二階導(dǎo)數(shù)大于零是識別塔什干低渦天氣系統(tǒng)的關(guān)鍵判斷條件。另外，通過對比同一時刻多個低渦中心位置的方法消除多心低渦干擾，通過對比相鄰時刻低渦中心位置來確定是否為同一個塔什干低渦系統(tǒng)，同時還可輸出低渦半徑用以估算低渦的大致面積。實(shí)踐證明這一方法不僅客觀準(zhǔn)確，而且省時省力。這種運(yùn)用計(jì)算機(jī)自動識別低渦系統(tǒng)的思路還可用來識別其它天氣系統(tǒng)，提高天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)自動化程度。

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