HY-2衛(wèi)星散射計熱帶氣旋自動識別算法

鄒巨洪，林明森，鄒斌，郭茂華，崔松雪

（1.國家衛(wèi)星海洋應用中心，北京100081）

HY-2衛(wèi)星散射計熱帶氣旋自動識別算法

鄒巨洪1，林明森1，鄒斌1，郭茂華1，崔松雪1

（1.國家衛(wèi)星海洋應用中心，北京100081）

對基于HY-2衛(wèi)星散射計風矢量產品的熱帶氣旋自動識別算法進行了研究。算法分為粗搜索與精搜索兩部分。粗搜索利用熱帶氣旋風場的風速與風向分布直方圖特征確定搜索的閾值，快速剔除比較容易識別的非熱帶氣旋區(qū)域。在此基礎上，精搜索利用熱帶氣旋風向的螺旋狀分布特征，通過搜索目標區(qū)域內是否存在螺旋狀流線的方法，確定目標區(qū)域的風向是否存在螺旋狀流線特征，從而實現對熱帶氣旋的準確自動識別。作為示例，將該方法應用到對HY-2散射計觀測到的2012年6號強熱帶風暴“杜蘇芮”的自動識別，結果表明，本文提出的算法可以從HY-2散射計風場數據中準確有效的自動識別出熱帶氣旋。

熱帶氣旋；自動識別；HY-2衛(wèi)星散射計

鄒巨洪，林明森，鄒斌，等.HY-2衛(wèi)星散射計熱帶氣旋自動識別算法［J］.海洋學報，2015，37（1）：73—79，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.01.008

Zou Juhong，Lin Mingsen，Zou Bin，et al.Automated cyclone detection using HY-2 satell ite data［J］.Haiyang Xuebao，2015，37（1）：73—79，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.01.008

1　引言

熱帶氣旋是最具破壞性的海洋—大氣系統(tǒng)。熱帶氣旋及其引起的沿海強風暴潮和海上巨浪不僅給沿海地區(qū)人民的生命財產造成嚴重的損失，而且對海上交通運輸、軍事活動、海洋工程和漁業(yè)都帶來嚴重影響。對熱帶氣旋強度，路徑的準確監(jiān)測與預報，歷來是各國海洋學家、氣象學家關注的熱點?？焖?、準確、大量的獲取熱帶氣旋觀測資料，可有效提高熱帶氣旋監(jiān)測水平，并促進對熱帶氣旋形成與消亡機制的相關研究，提高數值氣象預報模式對熱帶氣旋路徑與強度預報的水平，從而減小熱帶氣旋對沿海地區(qū)造成的經濟和生命財產損失。

隨著氣象衛(wèi)星探測的時間長度、空間分辨率的不斷提高，衛(wèi)星云圖逐漸成為監(jiān)測熱帶氣旋的重要手段。利用云圖可獲得有關熱帶氣旋產生、發(fā)展、形成與消亡的重要信息，因此，利用衛(wèi)星云圖進行熱帶氣旋自動識別的研究起步最早，相關研究較為成熟。其中，較普遍的熱帶氣旋分析方法是Dvorak算法［1］。在對大量個例的統(tǒng)計分析基礎上，Dvorak對熱帶氣旋的發(fā)展模式進行了歸納總結。在熱帶氣旋強度及中心定位方面提出了一套分析方法，得到了廣泛應用。但這些方法需要人們的主觀觀察來進行預報，如何將這些理論應用在熱帶氣旋的自動預報系統(tǒng)中還是一個難點。

此外，作為目前全球海面風場觀測最主要的手段的衛(wèi)星散射計，也是熱帶氣旋監(jiān)測的重要手段之一。研究表明衛(wèi)星散射計資料可有效用于熱帶低壓早期預警及熱帶氣旋早期探測［2—4］。為從散射計風場中識別出熱帶氣旋，Lecomte與Gierach等發(fā)展了基于風速閾值以及渦度分布的識別算法。但由于散射計在熱帶氣旋測量中自身的特點（空間分辨率較低，風向180°模糊，對熱帶氣旋風矢量反演精度相對較低），以及熱帶氣旋在形態(tài)以及運動方面的復雜性，基于散射計的熱帶氣旋識別技術大都需要人工參與，且識別率僅為75%左右［5—6］。

為實現散射計對熱帶氣旋的自動識別，Ho和Talukder利用從QuikSCAT衛(wèi)星散射計提取的熱帶氣旋特征，采用支持向量機方法實現了熱帶氣旋自動識別與跟蹤［7］。并在此基礎上，加入了降雨雷達提供的降雨信息，提高了對熱帶氣旋觀測的頻率，該識別算法可實現91.67%的識別率。但是，由于在算法中采用基于統(tǒng)計的主風向相對強度判別方法來度量風場的旋轉特性［7—8］，因此該方法受到風向誤差在降雨條件下的增大的影響，進而影響到熱帶氣旋識別的準確率。

為克服基于渦度以及主風向相對強度判別的傳統(tǒng)散射計熱帶氣旋識別方法自動化程度不高，對風向精度要求較高等缺點，本文將對HY-2衛(wèi)星散射計熱帶氣旋全自動識別算法進行了研究。熱帶氣旋自動識別算法分為粗搜索與精搜索兩部分。粗搜索主要利用熱帶氣旋風場的風速與風向分布直方圖特征進行熱帶氣旋的快速識別。精搜索則在粗搜索的基礎上，通過判定目標區(qū)域的風向是否存在螺旋狀流線特征，實現對熱帶氣旋的準確自動識別。精搜索采用種子生長法，通過搜索區(qū)域內是否存在螺旋狀流線的方法，來實現對風向螺旋分布特征的判定，因此該方法更為直觀，且具有較好的容錯性，可以在由于降雨引起風矢量反演精度降低等條件下，準確實現熱帶氣旋的自動識別。

2　HY-2衛(wèi)星散射計熱帶氣旋自動識別算法

熱帶氣旋自動識別算法將分為粗搜索與精搜索兩個模塊。粗搜索利用風速，風向直方圖分布特征，設定風速及風向分布的閾值，實現熱帶氣旋的快速識別，但是誤判率較高。精搜索檢驗目標區(qū)域內風向是否存在螺旋狀分布的方式，實現熱帶氣旋與其他非熱帶氣旋天氣系統(tǒng)的自動識別。這種方式更為準確，但是耗時更長。將粗搜索與精搜索相結合，即首先利用粗搜索剔除一部分明顯沒有熱帶氣旋發(fā)生的區(qū)域，在此基礎上，進行精搜索，以確定該區(qū)域是否真的有熱帶氣旋存在，通過這樣的方式，可實現快速、準確識別熱帶氣旋的目的。下面將分別對粗搜索算法與精搜索算法進行介紹。在本文的研究中，所采用的數據為按軌存儲的HY-2衛(wèi)星散射計L2B風矢量數據。

2.1粗搜索

由于發(fā)展成熟的熱帶氣旋風速、風向具有一定的分布特征。通過對散射計熱帶氣旋資料分析，可建立熱帶氣旋風速、風向直方圖分布特征，并據此設定閾值，可實現熱帶氣旋與比較簡單的天氣系統(tǒng)的區(qū)別。這種方式的優(yōu)點是計算量小，處理時間短，但是誤判率較高。圖1給出了熱帶氣旋，簡單天氣系統(tǒng)，及鋒面對應的風場及各自對應的風向直方圖。從圖中可以看出，熱帶氣旋系統(tǒng)的風向分布與簡單天氣系統(tǒng)有明顯區(qū)別，但是與更為復雜的天氣系統(tǒng)如鋒面系統(tǒng)，風向分部較為類似。因此，以熱帶氣旋風速、風向閾值為基礎的粗搜索算法，僅能將熱帶氣旋與較為簡單的天氣系統(tǒng)區(qū)分開來，對更為復雜的天氣系統(tǒng)諸如鋒面，則無法通過這種方式與熱帶氣旋區(qū)分。

2.2精搜索

在粗搜索的基礎上，本文設計了精搜索算法，以進一步區(qū)分熱帶氣旋與復雜天氣系統(tǒng)，提高熱帶氣旋自動識別的準確性。精搜索通過檢驗目標區(qū)域內風向是否存在螺旋狀分布特征來實現對熱帶氣旋的識別，具體的做法是通過搜索目標區(qū)域內是否存在螺旋狀流線的方法來檢驗是否風向的螺旋狀分布特征。這里的螺旋狀流線滿足如下判據：（1）流線的方向與風矢量方向的夾角應小于預設閾值；（2）流線上相鄰風矢量單元的風向應連續(xù)分布；（3）流線應呈螺旋狀分布，即流線上風矢量單元的風向應在0°～360°之間連續(xù)分布。若目標區(qū)域內存在至少一條螺旋狀流線，則認為該目標區(qū)域風向具有螺旋狀分布特征，在該區(qū)域內，很可能存在熱帶氣旋系統(tǒng)。因此，精搜索算法將要解決的問題是如何自動從目標區(qū)域內自動搜索得到螺旋狀流線（若目標區(qū)域存在螺旋狀流線）。

本文采取種子生長法來實現螺旋狀流線的自動搜索。在選定初始生長點（種子）的基礎上，在螺旋狀流線判據（1）～（3）的限制下，讓種子自動生長。若存在螺旋狀流線，則種子可最終生長成為螺旋狀流線。

由于流線在空間上是連續(xù)的，當前種子只能選擇與其相鄰的風矢量單元作為生長目的地。同時為滿足判據1，設定如圖2所示的生長規(guī)則1，使得流線的方向與風矢量方向的夾角應小于45°。圖中以45°的風向間隔，給出了種子風向在0°～360°范圍內，種子可能的生長方向。圖中每個網格單元代表一個風矢量單元，當前種子位于網格的中心，種子的風向用箭頭標出。網格單元中的數字為該風矢量單元作為種子生長目的地的優(yōu)先級，數字“1”表示該風矢量單元為種子的第一生長目的地，數字“2”為第二目的地，數字“3”為第三目的地。網格單元中的符號“NA”則表示種子被禁止生長到該風矢量單元。

圖1　不同天氣系統(tǒng)的風場及其對應的風向直方圖Fig.1 Typical wind field for typhoon case（a），simple weather system case（b），front case（c），and wind direction histogram distribution for typhoon case（d），simple weather system case（e），front case（f）

圖2　種子生長規(guī)則1Fig.2 Map for growth of the seed according to criteria No.1

為滿足判據（2），設定生長規(guī)則2，使得流線上相鄰風矢量單元的風向之間的夾角小于20°。即種子只能在與其相鄰的風矢量單元中選擇與自身風向差異小于20°的風矢量單元作為目的地。由于熱帶氣旋在北半球風向為逆時針旋轉，在南半球為順時針旋轉，因此，如圖3所示，對南北半球分別設定了的相應的生長規(guī)則。圖中的數字為按20°的風向間隔作風向直方圖，風向在直方圖中所對應的序號，圖中的箭頭表示種子按圖中所示的從左到右的順序生長。對北半球，假設當前種子的風向在直方圖中的序號為n，則種子將優(yōu)先選擇風向直方圖序號為n-1的風矢量單元作為目的地，將風向直方圖序號為n的風矢量單元作為第二目的地。對南半球生長方向與北半球相反，種子將優(yōu)先選擇n+1的風矢量單元作為目的地。

圖3　種子生長規(guī)則2Fig.3 Map for growth of the seed according to criteria No.2

根據判據（3），若種子生長形成的流線為螺旋狀流線，則流線上風矢量單元的風向應在0°～360°之間連續(xù)分布。若以20°的間隔對流線上的風矢量單元作風向分布直方圖，則在直方圖的每一個風向直方圖單元中，至少應包含一個數據。

2.3HY-2衛(wèi)星散射計熱帶氣旋自動識別算法

熱帶氣旋自動識別算法將分為粗搜索與精搜索兩個模塊。粗搜索主要用于熱帶氣旋的快速識別，精搜索檢則在粗搜索的基礎上，通過判斷目標區(qū)域內風向分布是否具有旋轉特征，進一步提高熱帶氣旋識別的準確率。整個熱帶氣旋識別流程如圖4所示。首先將HY-2衛(wèi)星散射計按軌存儲的風矢量數據按預先設定好的窗口（大小為1 800 k m×1 800 k m）進行分割。再將每個窗口所對應的風矢量送入粗搜索模塊。若粗搜索模塊認為該窗口內有可能出現熱帶氣旋，則進入精搜索模塊，否則報告窗口內無熱帶氣旋出現。由于通常散射計測得的風矢量為在球面上測得的風矢量，且風矢量單元建立在地面軌道坐標系統(tǒng)下。因此，在進行精搜索前，需要將散射計反演得出的風矢量插值到平面正交經緯網坐標系上，以便于后面對風向的處理。若精搜索模塊報告窗口內存在螺旋狀流線，則認為該窗口內存在熱帶氣旋，否則認為該區(qū)域內無熱帶氣旋出現。

圖4　熱帶氣旋自動識別流程圖Fig.4 Flow chart for automated cyclone identification

對位于近岸的熱帶氣旋，由于受陸地的影響，散射計將只能觀測到部分的熱帶氣旋風場，在這種情況下，散射計提供的風場流線將在陸地處被截斷，不可能出現完整的螺旋狀流線。當熱帶氣旋位于散射計刈幅邊緣時，也會出現同樣的問題。要識別這種位于近岸或者散射計刈幅邊緣的熱帶氣旋，需要對熱帶氣旋識別算法進行相應修改。定義位于近岸或者刈幅邊緣的風矢量單元為邊緣單元，如果精搜索中能夠找到一條流線，能夠起始于邊緣單元，且終于邊緣單元，且該流線上的風矢量單元的風向直方圖中數量大于1的風向單元數量大于指定閾值（本為設置為10），則精搜索程序同樣認為找到了一條螺旋狀流線。通過這種方法，可對位于近岸或者散射計刈幅邊緣的熱帶氣旋進行有效識別。

3　實驗結果

為驗證本文的方法，本節(jié)將采用HY-2衛(wèi)星散射計從2012年6月23-29日的L2B風矢量產品，利用本文提出的熱帶氣旋自動識別算法，對2012年6號強熱帶風暴“杜蘇芮”進行自動識別。“杜蘇芮”是2012年首個登陸我國的熱帶氣旋，于6月26日20時在菲律賓賓馬尼拉以東約1 020 k m的西北太平洋洋面上生成，28日凌晨加強為強熱帶風暴，并于6月30日02時在廣東省珠海市南水鎮(zhèn)沿海登陸。從2012年6月23-29日間，HY-2衛(wèi)星散射計共11次觀測到“杜蘇芮”，其中7次較為完整的觀測到整個氣旋結構，4次觀測結果由于陸地的影響，或者是由于氣旋位于刈幅的邊緣，僅有部分結構被HY-2衛(wèi)星散射計觀測到。通過自動識別算法所得結果如圖5所示，圖中的螺旋狀流線用黑色實線標出。被HY-2衛(wèi)星散射計觀測到的關于強熱帶風暴“杜蘇芮”的所有數據，包括位于近岸以及刈幅邊緣的觀測數據，均能被有效識別，且每軌數據處理時間均在5 min以內，說明了本文算法的準確性和有效性。同時，HY-2衛(wèi)星散射計在杜蘇芮成為熱帶氣旋前2天就已經探測到了該氣旋，說明HY-2衛(wèi)星散射計在熱帶氣旋的早期監(jiān)測方面的巨大應用潛力。

4　結論

本文對基于HY-2衛(wèi)星散射計風矢量產品的熱帶氣旋自動識別算法進行了研究。熱帶氣旋自動識別算法分為粗搜索與精搜索兩部分。粗搜索主要用于熱帶氣旋的快速識別，利用熱帶氣旋風場的風速與風向分布直方圖特征確定搜索的閾值，快速剔除部分比較容易識別的非熱帶氣旋區(qū)域。精搜索則用于在粗搜索的基礎上，更加準確的區(qū)分熱帶氣旋與其他與熱帶氣旋比較類似的天氣系統(tǒng)。精搜索利用熱帶氣旋風向的螺旋狀分布特征，通過判定目標區(qū)域的風向是否存在螺旋狀流線特征，從而實現對熱帶氣旋的準確自動識別。由于在熱帶氣旋條件下受降雨影響，散射計風矢量產品通常誤差較大。精搜索采用種子生長法，通過搜索區(qū)域內是否存在螺旋狀流線的方法，來實現對風向螺旋分布特征的判定，因此，該算法對風場的精度要求不高，具有較好的容錯性。這使得本文的熱帶氣旋識別算法較其他基于統(tǒng)計方法的識別算法更有優(yōu)勢。作為示例，將該方法應用到對HY-2散射計觀測到2012年強熱帶風暴“杜蘇芮”的識別，結果表明，本文提出的算法可以從HY-2衛(wèi)星散射計風場數據中準確有效的自動識別出熱帶氣旋。

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［5］Lecomte P，Crapol icchio RL，de Miguel S.Cyclone tracking with ERS-2 Scatterometer：Algorithm Performances and Post-Processed Data Example［C］//Gothenburg：Proceeding of the Envisat&ERSSymposium Gothenburg，2000.

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［8］Talukder A，Ho SS，Liu T，et al.Global Cyclone Detection and Tracking using Multiple Remote Satel l ite Data［OL］.http：//esto.nasa.gov/confer-ences/estc2008/papers/Talukder_Ashit_A1P1.pdf

Automated cyclone detection using HY-2 satellite data

Zou Juhong1，Lin Mingsen1，Zou Bin1，Guo Maohua1，Cui Songxue1

（1.National Satellite Ocean Application Sevice，Beijing100081，China）

An automated cyclone detection algorith m based on HY-2 wind data was studied.Two steps were included in this algorith m，which were coarse identification and precise identification.The histogram features of thewind speed and wind direction of cyclone was used for a coarse identification，so that some apparent non-tropical cyclone zones can be excluded rapidly.And then a more precise identification which makes use of the circulation property of cyclone was appl ied to the wind data which could pass the coarse identification.With the two steps identification algorith m，rapid and accurateidentification oftropicalcyclones can beimplemented.As an example，a sequence of HY-2 L2Bwind data was used to identify and track severe tropical storm Doksuri 2012，the result showed that cyclone could be correctly identified with our method，which demonstrated the feasibi l ity and usefulness of our automated approach.

tropical cyclone；automated detection；HY-2 scatterometer

圖5　熱帶氣旋自動識別實驗結果Fig.5 Automated cyclone identification results using algorith m developed in this paper

P716+.3

A

0253-4193（2015）01-0073-07

2013-10-29；

2014-05-05。

國家自然科學基金（41106152）；國家科技支撐計劃課題（2013BAD13B01）；海洋公益項目（201105032）；海洋公益項目（201305032，201105002-07）；衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學國家重點實驗室開放研究基金（SOED1103）；國家海洋局青年海洋科學基金（2011414）；國家發(fā)改委高技術產業(yè)化項目。

鄒巨洪（1981—），男，博士，主要從事海洋遙感研究。E-mai l：zoujuhong@mai l.nsoas.gov.cn