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(shù)人員獲得較為光滑而準確的短時內(nèi)對流天氣矢量圖,并可以此作為預報的依據(jù)。

關(guān)鍵詞:對流天氣光流法交叉相關(guān)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(shù),是電子圖像分析的重要方法。光流法出現(xiàn)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(gòu)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(xù)的圖像中的像素進行分析與計算并獲得模型參數(shù)。在實際的應用中對目標分割、識別、追蹤定位、規(guī)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(shù)提升,并被天文和醫(yī)學等領(lǐng)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(nèi),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(nèi)呈現(xiàn)的是圖像的連續(xù)且光滑曲線,因此需要利用數(shù)學模式進行極限處理,以此形成分析針對的目標函數(shù)。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(shù)據(jù)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(shè)定的值就大,相反則可以降低其值。

1.3 光流法與交叉相關(guān)法預測的情況比較分析

在某一個時段,北京地區(qū)出現(xiàn)了一個強對流的氣象趨勢,在北京市范圍內(nèi)會出現(xiàn)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(shù)據(jù)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(fā)展的過程十分快。光流法和交叉相關(guān)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(fā)展,即核心是深色區(qū)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(xiàn)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(guān)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(guān)計算中采用的參考系數(shù)過小,進而形成了一個計算失效的區(qū)域,在圖像上無法將其矢量化。同時雷暴的右邊的邊緣化區(qū)域也出現(xiàn)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(shè),然后對整個強對流區(qū)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(yōu)勢,在整個雷暴區(qū)域內(nèi),核心區(qū)域的運行與變化都十分劇烈,但是其分析結(jié)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(xiàn)了其優(yōu)于交叉相關(guān)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(jié)問題消失,如右下角,本來應為東南方向,但是這個區(qū)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(shè)計雷暴的位置在同比網(wǎng)格上,此時一個格點上的反射因子的值大于預先設(shè)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為表格對其進行評估。按照數(shù)據(jù)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(shù)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(jié)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(guān)法的不足,并可用在實踐中為預測預報臨近天氣作出貢獻。