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摘 要： 摘 要 本文將計(jì)算機(jī)圖形學(xué)骨架概念應(yīng)用到氣象學(xué)領(lǐng)域，發(fā)展了回波圖像預(yù)處理、骨架修剪處理以及長(zhǎng)寬比量化處理技術(shù)，該方法能自動(dòng)識(shí)別出雷達(dá)回波拼圖中符合氣象學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的線狀對(duì)流系統(tǒng)(quasi-linearconvectivesystems，QLCSs)。首先結(jié)合2016年黃淮地區(qū)一次雙QLC
摘 要 本文將計(jì)算機(jī)圖形學(xué)骨架概念應(yīng)用到氣象學(xué)領(lǐng)域，發(fā)展了回波圖像預(yù)處理、骨架修剪處理以及長(zhǎng)寬比量化處理技術(shù)，該方法能自動(dòng)識(shí)別出雷達(dá)回波拼圖中符合氣象學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的線狀對(duì)流系統(tǒng)(quasi-linearconvectivesystems，QLCSs)。首先結(jié)合2016年黃淮地區(qū)一次雙QLCSs過(guò)程給出了基于骨架的QLCSs客觀量化算法的具體技術(shù)流程，然后利用該方法對(duì)2016年6月安徽地區(qū)的QLCSs進(jìn)行客觀篩選，并進(jìn)一步量化識(shí)別QLCSs的移動(dòng)特征，結(jié)合災(zāi)害天氣實(shí)況與主觀識(shí)別進(jìn)行對(duì)比評(píng)估，結(jié)果表明：結(jié)合氣象學(xué)標(biāo)準(zhǔn)改造的骨架圖像識(shí)別算法，較好保留了氣象回波形狀信息，在準(zhǔn)確量化對(duì)流系統(tǒng)長(zhǎng)短軸的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)QLCSs的有效識(shí)別。而獲得的量化移動(dòng)矢量等特征，一方面可應(yīng)用于致災(zāi)QLCSs的分類(lèi)研究，為開(kāi)展長(zhǎng)序列統(tǒng)計(jì)及致災(zāi)機(jī)理分析提供個(gè)例識(shí)別方法和量化特征，另一方面也為QLCSs的短臨監(jiān)測(cè)預(yù)警業(yè)務(wù)提供新的思路。
關(guān)鍵詞 線狀對(duì)流系統(tǒng) 圖像識(shí)別 骨架 雷達(dá)回波 量化特征
1引言
中尺度對(duì)流系統(tǒng)(mesoscaleconvectivesystems，MCSs)是造成災(zāi)害天氣的重要影響系統(tǒng)，依據(jù)雷達(dá)回波圖像形態(tài)，可分為線狀對(duì)流系統(tǒng)(quasilinearconvectivesystems，QLCSs)和非線狀對(duì)流系統(tǒng)(TrappandWeisman,2003)。Zhengetal.(2013)通過(guò)2007～2010年統(tǒng)計(jì)江淮和黃淮地區(qū)對(duì)流系統(tǒng)特征表明線狀系統(tǒng)占到中尺度對(duì)流系統(tǒng)的55.3%。快速移動(dòng)的QLCSs往往與我國(guó)大面積風(fēng)雹災(zāi)害密切相關(guān)，如造成河南嚴(yán)重人員傷亡的2009年6.3風(fēng)雹過(guò)程以及2018年3.4江南極端大風(fēng)過(guò)程(孫虎林等,2011;盛杰等,2019)。梅雨鋒中移動(dòng)緩慢的QLCSs易造成暴雨天氣，如2003年單站雨量達(dá)380mm滁州特大暴雨(孫建華等,2006)。與大地形作用的QLCSs，鑲嵌其中的對(duì)流單體列車(chē)效應(yīng)明顯，也會(huì)造成局地強(qiáng)降水事件，如2012年北京7.21特大暴雨過(guò)程(俞小鼎,2012;孫建華等,2013;孫繼松等,2015)，可見(jiàn)QLCSs的移動(dòng)特征與災(zāi)害性天氣類(lèi)型關(guān)系密切。國(guó)內(nèi)外對(duì)QLCSs的雷達(dá)統(tǒng)計(jì)研究也有大量成果，ParkerandJohnson(2000)從線狀回波的長(zhǎng)度及生命史等提出了QLCSs的客觀標(biāo)準(zhǔn)，并給出TS(trailingstratiform)，LS(leadingstratiform)和PS(parallelstratiform)三類(lèi)QLCSs經(jīng)典結(jié)構(gòu)，王曉芳和崔春光(2012)在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了我國(guó)梅雨期間長(zhǎng)江中下游QLCSs的九種類(lèi)型。Mengetal.(2013)通過(guò)2008～2009年中國(guó)中東部96條QLCSs的統(tǒng)計(jì)給出QLCSs發(fā)生發(fā)展的天氣學(xué)特征。YangandSun(2018)對(duì)2010～2014年華北雷暴大風(fēng)的對(duì)流組織利用雷達(dá)回波特征進(jìn)行了分類(lèi)研究。這些大樣本統(tǒng)計(jì)研究，可以揭示中尺度系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的回波特征，有助于強(qiáng)對(duì)流天氣的致災(zāi)機(jī)理研究。
上述統(tǒng)計(jì)研究有兩個(gè)共同點(diǎn)：一是個(gè)例均采用主觀篩選，人工識(shí)別效率低，標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法嚴(yán)格統(tǒng)一，使得大范圍長(zhǎng)序列QLCSs氣候特征研究比較困難;二是分類(lèi)依據(jù)大都基于雷達(dá)回波形態(tài)的靜態(tài)特征，即對(duì)流區(qū)和層狀云區(qū)的相對(duì)位置(TS，LS和PS等)，無(wú)法考慮其變化特點(diǎn)，但致災(zāi)天氣與QLCSs的移動(dòng)特征，如QLCSs移動(dòng)方向、持續(xù)時(shí)間等密切相關(guān)(DoswellIIIetal.,1996;孫繼松等,2013)。因此，QLCSs移動(dòng)特征的量化統(tǒng)計(jì)也需要深入研究。從預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)角度看，目前我國(guó)短臨業(yè)務(wù)上還缺乏QLCSs自動(dòng)識(shí)別算法(張小玲等,2018)，發(fā)展一套能夠?qū)ｉT(mén)針對(duì)QLCSs的識(shí)別技術(shù)有助于提高我國(guó)強(qiáng)對(duì)流監(jiān)測(cè)預(yù)警水平。
解決QLCSs自動(dòng)識(shí)別的關(guān)鍵是借助客觀算法來(lái)量化氣象學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的線狀回波長(zhǎng)度及長(zhǎng)寬比。成熟的TITAN(thunderstormidentificationtrackinganalysisandnowcasting)算法利用閾值識(shí)別出風(fēng)暴體后(DixonandWiener,1993)，借助多邊形擬合雖然可分辨出對(duì)流體，但目前不能自動(dòng)識(shí)別是否是線狀結(jié)構(gòu)。近年來(lái)發(fā)展基于機(jī)器學(xué)習(xí)的雷達(dá)圖像對(duì)流系統(tǒng)識(shí)別方法，能較好識(shí)別中緯度對(duì)流系統(tǒng)(HaberlieandAshley,2018)以及弓形回波(Kamanietal.,2018)，但此類(lèi)方法無(wú)法輸出長(zhǎng)寬比等信息，不能滿足雷達(dá)氣象學(xué)客觀標(biāo)準(zhǔn)的篩選。為此，本文引入計(jì)算機(jī)圖形學(xué)里骨架概念。骨架作為物體形狀的表示方式，最早由Blum(1967)提出，從拓?fù)鋵W(xué)的角度將二維甚至三維圖形轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)單的線條，去除冗余信息，有效的表達(dá)物體幾何形狀。幾十年來(lái)，發(fā)展了很多經(jīng)典求法(ZhangandSuen,1984;Leeetal.,1994;DeyandZhao,2004)，其中Leeetal.(1994)的方法優(yōu)勢(shì)是求得的骨架能保持較好聯(lián)通性不發(fā)生斷裂，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)受噪聲干擾小，有利于線狀對(duì)流的穩(wěn)定識(shí)別，所以本文將采取Leeetal.(1994)方案求取骨架。但如何將骨架概念發(fā)展應(yīng)用于氣象領(lǐng)域中雷達(dá)圖形QLCSs識(shí)別，尤其是結(jié)合氣象學(xué)標(biāo)準(zhǔn)客觀量化對(duì)流體的長(zhǎng)短軸是本文的主要工作，方法介紹部分將詳細(xì)展開(kāi)討論。
綜上所述，QLCSs自動(dòng)識(shí)別技術(shù)是開(kāi)展該類(lèi)系統(tǒng)氣候特征、機(jī)理研究和預(yù)報(bào)方法研究的基礎(chǔ)，本文將在骨架識(shí)別的基礎(chǔ)上結(jié)合氣象學(xué)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展QLCSs的客觀識(shí)別及特征的量化研究，共分四部分，第一部分介紹雷達(dá)數(shù)據(jù)以及QLCSs氣象學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，第二部分結(jié)合2016年6月13日的一次雙QLCSs過(guò)程，介紹QLCSs的識(shí)別技術(shù)和過(guò)程。第三部分將客觀算法用于2016年6月安徽區(qū)域發(fā)展的對(duì)流系統(tǒng)中QLCSs的自動(dòng)識(shí)別，并在量化移動(dòng)特征基礎(chǔ)上，結(jié)合災(zāi)害天氣實(shí)況與主觀結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)估，最后是結(jié)論。
2數(shù)據(jù)與中尺度線狀對(duì)流系統(tǒng)定義
2.1雷達(dá)數(shù)據(jù)介紹
本文使用的雷達(dá)數(shù)據(jù)為國(guó)家氣象中心業(yè)務(wù)上使用的全國(guó)雷達(dá)組合反射率拼圖數(shù)據(jù)，水平分辨率為0.01°×0.01°，區(qū)域范圍為(12.2°～54.2°N，73°～135°E)，組合反射率閾值范圍為0～70dBZ，精度為1dBZ，2016年6月14日06:40之前隔10min一張拼圖，之后為6min一張拼圖，時(shí)間為全覆蓋。本文所用時(shí)間不作特殊說(shuō)明均為協(xié)調(diào)世界時(shí)。該數(shù)據(jù)集已經(jīng)被廣泛用于我國(guó)對(duì)流系統(tǒng)的研究(Mengetal.,2013;Zhengetal.,2013;YangandSun,2018)。
2.2QLCSs的定義
表1給出近年來(lái)國(guó)內(nèi)外定義QLCSs時(shí)所使用的標(biāo)準(zhǔn)。ParkerandJohnson(2000)的研究工作基于中緯度地區(qū)的中尺度對(duì)流系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程量綱分析，在中緯度地區(qū)使用相對(duì)較為合理。Mengetal.(2013)在統(tǒng)計(jì)中國(guó)中東部QLCSs時(shí)所用標(biāo)準(zhǔn)與ParkerandJohnson(2000)的標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)似，將長(zhǎng)度在100km以及以上，維持時(shí)間在3h以及以上的對(duì)流系統(tǒng)定義為中尺度QLCSs。Geerts(1998)和俞小鼎等(2006)則還考慮了長(zhǎng)寬比。
我國(guó)大部分區(qū)域位于西風(fēng)帶中緯度地區(qū)，所以本文主要依據(jù)ParkerandJohnson(2000)的定義，再引入5∶1的長(zhǎng)寬比標(biāo)準(zhǔn)，將中尺度QLCSs定義如下：大于40dBZ的回波帶長(zhǎng)軸超過(guò)100km，長(zhǎng)短軸比超過(guò)5∶1，且持續(xù)時(shí)間超過(guò)3h的準(zhǔn)連續(xù)回波帶。考慮到雷暴單體的尺度上限在20km左右(Orlanski,1975)，HaberlieandAshley(2019)在回波圖像前處理時(shí)使用的閉運(yùn)算半徑為24km，本文選取24km作為處理半徑，將大于40dBZ的回波帶之間存在的小于24km的斷裂空隙連接成一個(gè)連續(xù)的QLCSs。這里24km強(qiáng)調(diào)的是準(zhǔn)連續(xù)回波帶，不考慮縫隙過(guò)大，斷裂明顯的對(duì)流系統(tǒng)，100km和3h強(qiáng)調(diào)的是中緯度地區(qū)的中尺度對(duì)流系統(tǒng)，不考慮生命史短、尺度小的線狀對(duì)流過(guò)程(如尺度小于100km的孤立弓形回波)。
3基于骨架的QLCSs識(shí)別技術(shù)
如引言所述，Leeetal.(1994)方法求得的骨架連通性好，可以準(zhǔn)確保持形狀原有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為識(shí)別QLCSs提供有效的圖像學(xué)基礎(chǔ)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等復(fù)雜的圖像識(shí)別領(lǐng)域(Cooperetal.,2003;Moudgalyaetal.,2019)，但在雷達(dá)圖像上開(kāi)展運(yùn)用，還需結(jié)合QLCSs的氣象標(biāo)準(zhǔn)對(duì)骨架技術(shù)發(fā)展改進(jìn)，才能適用于QLCSs自動(dòng)識(shí)別，主要涉及回波圖像預(yù)處理技術(shù)、骨架修剪處理技術(shù)以及長(zhǎng)寬比量化處理技術(shù)(圖1)，詳述如下：
回波圖像預(yù)處理技術(shù)。首先需對(duì)雷達(dá)圖像進(jìn)行二值化計(jì)算，即將不小于40dBZ的回波賦值為255(白色)作為骨架提取對(duì)象，小于40dBZ的回波賦值為0(黑色)，然后在二值化圖像的基礎(chǔ)上進(jìn)行閉運(yùn)算實(shí)現(xiàn)QLCSs氣象學(xué)標(biāo)準(zhǔn)中的準(zhǔn)連續(xù)性。閉運(yùn)算是指先膨脹再腐蝕運(yùn)算，韓雷等(2007)曾利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)里的腐蝕、膨脹原理對(duì)風(fēng)暴體識(shí)別結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，可以去除相鄰風(fēng)暴間的虛假連接，同時(shí)盡可能多的保留風(fēng)暴簇中子風(fēng)暴的信息。如前文所述，準(zhǔn)連續(xù)性參考HaberlieandAshley(2019)處理雷達(dá)回波圖像的做法，選取24km作為閉運(yùn)算半徑。如圖1“二值化圖像”中白色對(duì)象，經(jīng)過(guò)40dBZ閾值篩選后的回波二值化圖像內(nèi)部分布有小間隙，它們尺度很小，但會(huì)對(duì)骨架的求取產(chǎn)生較大影響，經(jīng)閉運(yùn)算處理后，圖1“閉運(yùn)算”后的二值化回波圖像內(nèi)部的小間隙被填充，邊緣光滑連續(xù)，大大減少因小縫隙造成骨架識(shí)別結(jié)果的不確定性。此外，當(dāng)回波帶之間出現(xiàn)明顯但小于24km的斷裂時(shí)，也會(huì)將其聯(lián)通，具體效果詳見(jiàn)下文人字形回波識(shí)別個(gè)例。
骨架修剪處理技術(shù)。骨架提取采用Leeetal.(1994)的方法，但其生成的骨架并非是平滑的線條，有“骨刺”存在，結(jié)果還不能直接用于識(shí)別，需去除這些沒(méi)有天氣學(xué)意義的“骨刺”。采用100km的標(biāo)準(zhǔn)去除骨架中小于100km的骨刺得到骨干，骨干可以更科學(xué)有效的表達(dá)QLCSs最重要的形狀信息，是后面對(duì)QLCSs進(jìn)行量化處理的前提和基礎(chǔ)。
長(zhǎng)寬比量化處理技術(shù)。去除“骨刺”后的骨干長(zhǎng)度可用來(lái)量化QLCSs的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度，但寬度量化還需要進(jìn)一步處理。提取的骨架除了可以保留形狀信息外，還有一個(gè)特點(diǎn)就是具備中軸特性(Ivanovetal.,2000)，中軸的數(shù)學(xué)含義(Kimmeletal.,1995)是圖像內(nèi)部各個(gè)最大內(nèi)切圓中心的集合，利用骨干是中軸的特點(diǎn)，最大內(nèi)切圓直徑便可量化為QLCSs的寬軸。本文使用幾何距離轉(zhuǎn)換(EuclideanDistanceTransform，EDT)技術(shù)，給出二值化圖像中每一個(gè)非零點(diǎn)與其最近零點(diǎn)像素之間的最近距離，再根據(jù)骨干坐標(biāo)可求出最大內(nèi)切圓半徑(Dimitrovetal.,2000)。由于回波寬軸長(zhǎng)度在長(zhǎng)軸方向上并不均勻，這里將骨干上所有點(diǎn)的寬度平均值作為最終QLCSs的寬度。
下面以2016年6月13日黃淮地區(qū)一次雙QLCSs過(guò)程為例，給出識(shí)別算法的具體技術(shù)流程。此次過(guò)程系統(tǒng)尺度大，影響范圍廣，生命史長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)演變復(fù)雜，兩條QLCSs合并成人字形，尤其在山東造成了較強(qiáng)的區(qū)域性短時(shí)強(qiáng)降水和冰雹天氣(張琴等,2017)。圖2分別給出了QLCSs的初始、成熟、合并及消亡階段代表性時(shí)次的雷達(dá)回波特征，此個(gè)例有線狀對(duì)流的合并，可以較好地檢驗(yàn)算法的合理性和準(zhǔn)確性。
3.1回波圖像預(yù)處理
首先對(duì)雷達(dá)組合反射率圖像進(jìn)行二值化處理，大于等于40dBZ的區(qū)域?qū)@示為白色(圖3)。注意到二值化圖像中除一些孤立且面積很小的白色對(duì)象外，尺度較大的對(duì)流體中還有較多小干擾，如內(nèi)部一些孔洞，微小斷裂，邊緣的擾動(dòng)等，這些信息會(huì)給骨架提取結(jié)果造成較大不確定性。一方面在二值化圖像的基礎(chǔ)上，直接去除聯(lián)通區(qū)域面積小于100km2的白色對(duì)象，消除一些雜波或者對(duì)識(shí)別意義不大的小尺度單體，另一方面單體內(nèi)部的斷裂則需要進(jìn)行閉運(yùn)算處理(HaberlieandAshley,2019)，使得白色圖形部分更加平滑和連續(xù)，識(shí)別結(jié)果有較好的連通性。
圖4給出了閉運(yùn)算后的結(jié)果，白色圖像邊緣處理后更為平滑。閉運(yùn)算同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了QLCSs氣象學(xué)標(biāo)準(zhǔn)里關(guān)于準(zhǔn)連續(xù)性的要求，聯(lián)通距離小于24km的對(duì)流體。在圖3中，位于山東的QLCSs西端有新單體生成，離QLCSs主體小于24km。在圖4中，可以看到經(jīng)過(guò)閉運(yùn)算后，新的單體與QLCSs主體被合并成一個(gè)整體。合并階段時(shí)，有小斷裂的兩條QLCSs經(jīng)過(guò)閉運(yùn)算后也表現(xiàn)出聯(lián)通的人字形特征。
3.2骨架提取及修剪
經(jīng)過(guò)預(yù)處理的白色圖形對(duì)象，可用來(lái)進(jìn)行骨架提取。采用Leeetal.(1994)的方法求取骨架。圖5給出了各個(gè)時(shí)次骨架提取情況，結(jié)果顯示其連通性較好沒(méi)有發(fā)生斷裂，保持了QLCSs原有形狀信息，保證了識(shí)別結(jié)果的有效性。但還需要對(duì)骨架進(jìn)行“剪枝”操作得到骨干才能得量化準(zhǔn)確的長(zhǎng)短軸信息。結(jié)合氣象學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，“骨刺”定義為骨架中線條交叉點(diǎn)到其對(duì)應(yīng)的端點(diǎn)長(zhǎng)度小于100km的線條，只需去掉小于100km的“骨刺”即得到骨干。圖6是經(jīng)過(guò)修剪后的結(jié)果，可見(jiàn)骨干形態(tài)一般是一條沒(méi)有分叉的線條，并保留了原本QLCSs的長(zhǎng)軸信息。各個(gè)階段的骨干形態(tài)與圖2的原始雷達(dá)回波相比，準(zhǔn)確識(shí)別出了對(duì)流體線狀特點(diǎn)，去除骨刺后保留了最主要的形狀信息，QLCSs的彎折等特征也通過(guò)骨干合理的體現(xiàn)出來(lái)。即使合并階段，兩條QLCSs相連，由于各自長(zhǎng)度超過(guò)100km，經(jīng)過(guò)修剪處理后，骨干仍呈現(xiàn)出人字形特征，可見(jiàn)對(duì)異形QLCSs也有很好的處理能力。——論文作者：盛杰1,2 鄭永光2 沈新勇1,3 張小雯2
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