光流法在强对流天气临近预报中的应用分析

张海 邓朝平 唐明辉

摘 要:在强对流天气的临近预报中,获得较为直观的矢量图是十分重要的一个步骤,光流法在此方面可以帮助技术人员获得较为光滑而准确的短时内对流天气矢量图,并可以此作为预报的依据。

关键词:对流天气光流法交叉相关法矢量图

中图分类号:P456.1-53 文献标识码:A 文章编号1672-3791(2012)06(a)-0243-01

1 光流法对天气预报的具体作用

1.1 光流法简介

所谓光流法就是一种计算机为辅助的分析技术,是电子图像分析的重要方法。光流法出现是在20世纪中期,应用的范围是对观测目标与传感器之间的位置分析,而在计算机影像中显示的是目标的瞬时移动和图像的亮度情况,以此揭示了图像的运行情况即趋势。因为图像的像素构成的一个光流所以称之为光流法。从该方法的理论分析,是将一个连续的图像中的像素进行分析与计算并获得模型参数。在实际的应用中对目标分割、识别、追踪定位、规律预测等都有着较好的效果,为以往的计算机视域分析提供了必要的技术提升,并被天文和医学等领域采用。

1.2 HS计算法

在研究中为了准确的确定光流,需要将其约束在一个条件范围内,因此学者提出了一种HS法对光流场进行求解。HS的计算主要是为了保证计算视域中光流的平滑性,也即是在图像上显示的光流是综合模式,光流在视域范围内呈现的是图像的连续且光滑曲线,因此需要利用数学模式进行极限处理,以此形成分析针对的目标函数。具体的预算公式如下:光流有两个变量u和v

其中λ的取值范围主要是针对图像中的噪声情况,噪声强说明图像数据的置信度较低,需要增加其光流约束条件来使其准确,所以此时λ设定的值就大,相反则可以降低其值。

1.3 光流法与交叉相关法预测的情况比较分析

在某一个时段,北京地区出现了一个强对流的气象趋势,在北京市范围内会出现多次的强对流天气。在与北京相邻的雷电站对这个气象过程进行了记录。为了阐述光流法的应用,就此气象过程进行分析与数据揭示。从下面的雷达图像中可以看出,强对流气象的运行速度、形状随着时间而发展的过程十分快。光流法和交叉相关的分析并形成了组合。

该影像的分析显示,在气象过程中北京的两个时间点之间形成的反射因子影像,在图中所明示的是强对流过程的发展,即核心是深色区域的超级单体回波显示出来的冰雹气象。在某个时间点一个次级单体也在高速成型,回波显示了其快速的移动状况,其外形出现的改变十分明显。此时利用光流法引入分析形成了一个带有矢量的图形2。

在上面的图形中,交叉相关法完成了对运行速度和外形的具体描述,但是在高速变化的情况下,其跟踪不容易成功。在图a中雷暴的右上位置十分明显,其运动的速度极快,从而使得相关计算中采用的参考系数过小,进而形成了一个计算失效的区域,在图像上无法将其矢量化。同时雷暴的右边的边缘化区域也出现了不合理的矢量对吹。反观图b,在光流法的辅助下,增加了对图像的约束条件,此时就将对吹的情况进行了消除。在整个图像上建立了一个平滑的假设,然后对整个强对流区域进行了更加准确的运动矢量描述。这样就可以看出光流法的优势,在整个雷暴区域内,核心区域的运行与变化都十分剧烈,但是其分析结果十分准确,对其整体运行趋势进行了明确的描述,这就很明显的体现了其优于交叉相关法。但是此种方法也是有其缺陷的,即容易造成在平滑时导致细节问题消失,如右下角,本来应为东南方向,但是这个区域的趋势被平滑而消失了。

2 对光流法预测的评价和分析

为了对光流法预测情况进行评价,预测雷暴的位置和预备时刻设计雷暴的位置在同比网格上,此时一个格点上的反射因子的值大于预先设定的雷暴的阈值,则可以认为这个格点为活跃反之为不活跃。

在实践中,利用数据转化为表格对其进行评估。按照数据列表的范式如果实际形成的点与与预报点都是处在活跃期间,其预测即为成功,而如果实际活跃的点与预报点并不配合则预测失败;如在预测中其格点在实际中不活跃,则为一个虚假预报。探测概率、虚假警报比、临界成功指数都可以利用前面的成功点和非成功点、虚假警报点进行表示。

3 结语

从前面的分析看,光流法在预报的原理和实际应用中都可获得较好的预测效果,尤其是对强对流天气临近预报更是可以获得较好的预报效果。当然其也具有一定的缺陷,但是光流法的应用可以有效弥补交叉相关法的不足,并可用在实践中为预测预报临近天气作出贡献。