塔什干低涡天气系统自动识别方法的探讨

秦 贺，张云惠，黄秉光，杨莲梅

（1.新疆气象台，新疆 乌鲁木齐830002；2.兰州大学大气科学学院，甘肃 兰州730000；3.新疆气象服务中心，新疆 乌鲁木齐830002）

新疆地处亚欧大陆腹地，是典型的温带大陆性干旱气候，天山山脊以南的南疆地区干旱特征更为显著。对南疆地区而言，能够造成显著降水、降温的影响系统主要是西风带上的短波槽和闭合气旋系统，其中又以常出现在中亚南部的闭合气旋系统（即塔什干低涡）居多，它的活动异常可导致南疆的暴雨（雪）、持续低温等灾害，甚至对青藏高原和我国东部地区的天气气候也有重要影响[1]。近年来国内许多学者针对台风、东北冷涡、西南低涡等大气中的气旋性涡旋开展了广泛深入的研究，对新疆天气具有重要影响的中亚低涡及塔什干低涡天气系统的研究工作目前也已逐步开展起来，王旭[2]、向鸣[3]、王磊[4]、张云惠[5]等人对一些影响新疆的低涡天气个例进行了天气学诊断分析，指出造成南疆西部大降水天气的重要原因之一是塔什干低涡与低层偏东气流共同作用的结果；张云惠[6]、秦贺[1]等人从时空分布、移动路径及低涡对新疆天气的影响等方面分别对1971—2010年中亚低涡和塔什干低涡活动特征进行了统计分析，指出中亚低涡随纬度分布有两个高频活动区域：47.5°～55°N（北涡）和 35°～47.5°N（南涡），并具有显著的年代际增加趋势，北涡存在明显的季节变化，而南涡活动的季节变化不明显；塔什干低涡活动有两个高频中心，分别为 67.5°E，40.0°N 和 72.5°E，35.0°N，它主要向偏东方向移动，生命史平均为3.1 d，4—6月和9—10月是塔什干低涡的多发期。上述研究成果不仅提高了气象科研和业务工作者对影响新疆的低涡系统的认识程度，也让广大学者更加全面地了解了中亚低涡和塔什干低涡活动的气候特征。

在对气象要素进行统计分析时必须确保统计对象的可靠性，否则统计结果便无研究价值，因此对影响新疆的低涡天气系统进行统计研究前，首先就是要确保挑选的每一次低涡天气过程都是准确无误的。根据低涡的定义可以利用历史天气图进行低涡过程的挑选，孙力等[7-8]曾经采用翻阅逐日天气图，统计分析了多年的东北冷涡气候特征及其持续活动与大气环流异常之间的关系，结果表明东北冷涡不仅受到中高纬度环流系统如极涡、高空西风急流和阻塞高压的影响，而且还与低纬度的西太平洋副热带高压、赤道辐合带、厄尔尼诺—南方涛动（ENSO）等热带大气环流的异常密切相关。然而，这种基于查阅历史天气图的低涡过程挑选存在一些不尽人意之处：一是这种判定方法耗时费力，二是不同的人对同一张天气图的判别会有主观差异，这种通过人工阅览天气图挑选的方式具有很大的主观性。因此需要通过一种客观准确并且省时省力的方法来识别、追踪低涡系统，进而展开对低涡活动气候特征的统计研究工作。

随着计算机技术和气象业务现代化的迅猛发展，气象领域内计算机图像识别的研究工作也相应地开展了一些，这些已有的图像识别技术研究主要是与预报方法自动化运行和实时资料处理相结合。张丰启等[9-11]1997年实现了对北支槽、中支槽、南支槽和乌拉尔山阻高的图像识别，在2000年研究山东省冰雹预报的逐级技术指导过程中，实现了对东北冷涡的计算机识别；胡开喜等[12]2011年基于计算机自动识别方法得到了近50 a的东北冷涡数据集，研究了东北冷涡的年际变率和演变趋势及其持续性活动对我国气候的影响及其相关的大尺度环流异常特征。张云惠、秦贺等人也是通过计算机编程客观、自动识别追踪的方法得到低涡活动数据集进而开展相应的统计分析工作。本文将针对塔什干低涡天气过程的计算机识别方法进行详细介绍。

1 资料简介

本文使用的资料是NCEP/NCAR日平均再分析高度场、温度场资料，该资料水平分辨率为2.5°×2.5°（经度×纬度），垂直方向为 17层。

2 塔什干低涡的自动识别

2.1 识别方法

根据秦贺等人给出的塔什干低涡天气过程的定义：（1）500 hPa风场出现闭合的气旋性环流，闭合气旋环流中心位于 65°～90°E，35°～42.5°N 范围内，并且有冷中心或明显冷槽的配合；（2）低涡在上述区域内的生命史至少维持2 d或以上。在进行计算机编程自动识别时，首先据此确定塔什干低涡筛选的空间范围，即低涡中心位于 65°～90°E，35°～42.5°N的中亚南部及新疆天山以南的南疆地区范围之内；其次是确定低涡是否存在，根据500 hPa等压面上的高度值，若某一格点的高度值小于其周围格点的高度值，同时格点的纬向气温的二阶导数大于零，则认为有低涡系统的存在，而这一点就是低涡系统的中心位置所在,该点的值就是低涡的中心强度。

2.2 识别步骤

根据上述识别思路，在进行计算机编程时，首先确定统计区域，其次在统计区域内给定判断条件，若符合则输出低涡中心经纬度、高度值及对应日期。另外，可以将低涡中心经纬度及低涡最外围格点距离低涡中心的度数输出，进行低涡面积的估算。下面将一些具体操作及注意事项分别进行说明：

（1）在对500 hPa统计区域内的网格点数据进行逐点判断时,需要将每个格点高度值与其外围的格点高度值进行比较，若某点i的高度值Ci小于其外围第1圈8个格点高度值,此时可再将i点外第1圈8个格点的高度值与i点外第2圈同一方位及相邻方位格点的高度值进行比较，若i点外第1圈格点的高度值小于等于第2圈同一方位及相邻方位格点的高度值，则继续比较i点外第3圈、第4圈……第n圈的格点高度值，当第n圈格点不再满足上述条件时，开始计算i点及其外围第1圈至第n-1圈中格点的纬向温度二阶导数，若任意一点该导数大于零，则将i点记为潜在低涡中心，Ci即为潜在低涡中心的强度，n-1圈为潜在低涡的最外围。

（2）进行上述判断时，有可能在同一时刻出现多个潜在低涡，若同时出现的多个潜在低涡中心经纬度相差小于10°，则将它们认为是同一个潜在低涡系统（图1所示的A和B），并将位势高度值最小的那个潜在低涡中心定义为主要中心。

图1 计算机自动识别塔什干低涡天气过程的示意图（实心点：2.5°×2.5°格点，实线：500 hPa位势高度等值线，虚线：相邻时刻的500 hPa位势高度等值线，A、B、B′为潜在低涡中心所在格点）

（3）根据以上方法确定潜在低涡后，再将相邻时刻的潜在低涡中心经纬度进行比较，若二者之间的距离（图1所示B与B′的距离）超过了17.5°，则认为不是同一个塔什干低涡系统。只有当同一个低涡系统至少连续两个时次出现时，才定义为一次塔什干低涡天气过程，这时将低涡中心经纬度、位势高度、低涡中心距低涡最外围的度数差（低涡半径R，可用来估算低涡面积）及对应日期输出，最终得到塔什干低涡天气过程的数据集。

3 计算机识别低涡的可靠性

利用以上方法识别筛选的塔什干低涡天气过程是否准确可靠呢？为此作者使用相同数据利用Grads软件绘制了1971—2010年间的500 hPa环流图，利用大量时间与课题组的另一位工作人员进行人工检查，通过检查并未发现有遗漏或者多统计的情况，表明此计算机识别程序是准确可靠的。

4 结论

根据塔什干低涡天气系统在等压面上的高度、温度分布特征，利用计算机编程的方法自动识别低涡天气系统，其中某格点i的高度值小于其外围格点高度值和低涡范围内任意格点的纬向温度二阶导数大于零是识别塔什干低涡天气系统的关键判断条件。另外，通过对比同一时刻多个低涡中心位置的方法消除多心低涡干扰，通过对比相邻时刻低涡中心位置来确定是否为同一个塔什干低涡系统，同时还可输出低涡半径用以估算低涡的大致面积。实践证明这一方法不仅客观准确，而且省时省力。这种运用计算机自动识别低涡系统的思路还可用来识别其它天气系统，提高天气预报业务自动化程度。

[1]秦贺，杨莲梅，张云惠.近40 a来塔什干低涡活动特征的统计分析[J]．高原气象，2013，32（4）：1042-1049．

[2]王旭.一次南疆局部地区大降水的个例分析[J].新疆气象，1990，13（10）：12-16.

[3]向鸣，巴哈古丽.1996年6月中旬南疆西部大降水天气学分析[J].新疆气象，1997，20（2）：10-13.

[4]王磊，李欣荣，江远安，等.“96·7”南疆西部大降水分析[J].新疆气象，1997，20（1）：28-30.

[5]张云惠，钱文新.南疆西部一次暴雪天气诊断分析[J].新疆气象，2005，28（增刊）：21-23.

[6]张云惠，杨莲梅，肖开提·多莱特，等.1971—2010年中亚低涡活动特征[J].应用气象学报，2012，23（3）：312-321.

[7]孙力，郑秀雅，王琪.东北冷涡的时空分布特征及其与东亚大型环流系统之间的关系 [J].应用气象学报，1994，5（3）：297-303．

[8]孙力，安刚，廉毅，等.夏季东北冷涡持续性活动及其大气环流异常特征的分析 [J].气象学报，2000，58（6）：704-714．

[9]张丰启.威海市冬季分片降水预报自动化系统[J].山东气象，1998，18（2）：30-33.

[10]张丰启，张爱华.相似离度在山东省冰雹逐级指导技术中的应用[J].山东气象，2000，20（4）：11-13.

[11]张丰启.东北冷涡特征及其关键区的计算机识别[J].气象，2001，27（9）：46-49.

[12]胡开喜，陆日宇，王东海.东北冷涡及其气候影响[J].大气科学，2011，35（1）：179-191.