光流法在強對流天氣臨近預報中的應用分析

張海 鄧朝平 唐明輝

摘 要:在強對流天氣的臨近預報中,獲得較為直觀的矢量圖是十分重要的一個步驟,光流法在此方面可以幫助技術人員獲得較為光滑而準確的短時內對流天氣矢量圖,并可以此作為預報的依據。

關鍵詞:對流天氣光流法交叉相關法矢量圖

中圖分類號:P456.1-53 文獻標識碼:A 文章編號1672-3791(2012)06(a)-0243-01

1 光流法對天氣預報的具體作用

1.1 光流法簡介

所謂光流法就是一種計算機為輔助的分析技術,是電子圖像分析的重要方法。光流法出現是在20世紀中期,應用的范圍是對觀測目標與傳感器之間的位置分析,而在計算機影像中顯示的是目標的瞬時移動和圖像的亮度情況,以此揭示了圖像的運行情況即趨勢。因為圖像的像素構成的一個光流所以稱之為光流法。從該方法的理論分析,是將一個連續的圖像中的像素進行分析與計算并獲得模型參數。在實際的應用中對目標分割、識別、追蹤定位、規律預測等都有著較好的效果,為以往的計算機視域分析提供了必要的技術提升,并被天文和醫學等領域采用。

1.2 HS計算法

在研究中為了準確的確定光流,需要將其約束在一個條件范圍內,因此學者提出了一種HS法對光流場進行求解。HS的計算主要是為了保證計算視域中光流的平滑性,也即是在圖像上顯示的光流是綜合模式,光流在視域范圍內呈現的是圖像的連續且光滑曲線,因此需要利用數學模式進行極限處理,以此形成分析針對的目標函數。具體的預算公式如下:光流有兩個變量u和v

其中λ的取值范圍主要是針對圖像中的噪聲情況,噪聲強說明圖像數據的置信度較低,需要增加其光流約束條件來使其準確,所以此時λ設定的值就大,相反則可以降低其值。

1.3 光流法與交叉相關法預測的情況比較分析

在某一個時段,北京地區出現了一個強對流的氣象趨勢,在北京市范圍內會出現多次的強對流天氣。在與北京相鄰的雷電站對這個氣象過程進行了記錄。為了闡述光流法的應用,就此氣象過程進行分析與數據揭示。從下面的雷達圖像中可以看出,強對流氣象的運行速度、形狀隨著時間而發展的過程十分快。光流法和交叉相關的分析并形成了組合。

該影像的分析顯示,在氣象過程中北京的兩個時間點之間形成的反射因子影像,在圖中所明示的是強對流過程的發展,即核心是深色區域的超級單體回波顯示出來的冰雹氣象。在某個時間點一個次級單體也在高速成型,回波顯示了其快速的移動狀況,其外形出現的改變十分明顯。此時利用光流法引入分析形成了一個帶有矢量的圖形2。

在上面的圖形中,交叉相關法完成了對運行速度和外形的具體描述,但是在高速變化的情況下,其跟蹤不容易成功。在圖a中雷暴的右上位置十分明顯,其運動的速度極快,從而使得相關計算中采用的參考系數過小,進而形成了一個計算失效的區域,在圖像上無法將其矢量化。同時雷暴的右邊的邊緣化區域也出現了不合理的矢量對吹。反觀圖b,在光流法的輔助下,增加了對圖像的約束條件,此時就將對吹的情況進行了消除。在整個圖像上建立了一個平滑的假設,然后對整個強對流區域進行了更加準確的運動矢量描述。這樣就可以看出光流法的優勢,在整個雷暴區域內,核心區域的運行與變化都十分劇烈,但是其分析結果十分準確,對其整體運行趨勢進行了明確的描述,這就很明顯的體現了其優于交叉相關法。但是此種方法也是有其缺陷的,即容易造成在平滑時導致細節問題消失,如右下角,本來應為東南方向,但是這個區域的趨勢被平滑而消失了。

2 對光流法預測的評價和分析

為了對光流法預測情況進行評價,預測雷暴的位置和預備時刻設計雷暴的位置在同比網格上,此時一個格點上的反射因子的值大于預先設定的雷暴的閾值,則可以認為這個格點為活躍反之為不活躍。

在實踐中,利用數據轉化為表格對其進行評估。按照數據列表的范式如果實際形成的點與與預報點都是處在活躍期間,其預測即為成功,而如果實際活躍的點與預報點并不配合則預測失敗;如在預測中其格點在實際中不活躍,則為一個虛假預報。探測概率、虛假警報比、臨界成功指數都可以利用前面的成功點和非成功點、虛假警報點進行表示。

3 結語

從前面的分析看,光流法在預報的原理和實際應用中都可獲得較好的預測效果,尤其是對強對流天氣臨近預報更是可以獲得較好的預報效果。當然其也具有一定的缺陷,但是光流法的應用可以有效彌補交叉相關法的不足,并可用在實踐中為預測預報臨近天氣作出貢獻。