（气象学专业论文）华南地区暖季中尺度对流系统活动特征分析.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的 究成果。本论文除了文中特别加以标注和致谢的内容外， 机构已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京信息工程大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。其他同志对本研究所做的贡献均己在 论文中作了声明并表示谢意。 学位论文作者签名： 季危缓 签字日期：二吵f 关于论文使用授权的说明 南京信息工程大学、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 杂志社、中国科 学技术信息研究所的中国学位论文全文数据库有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，并通 过网络向社会提供信息服务。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京信息工程大学研究 生院办理。 e l 公开口保密(年月) ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协 议) 学位论文作者签名：垄玉兰塑 指导教师签名：圣鱼! i 堡 签字日期：逆：! ：苎! 签字日期：盎! ! ! 空：! z r 目录 摘要i a b s 臼a c t i i 第一章引言1 1 1选题依据1 1 2 研究进展1 1 2 1 中尺度对流系统定义1 1 2 2 中尺度对流系统普查研究进展2 1 2 3 华南地区中尺度对流系统研究回顾3 1 - 3 本文的创新点4 1 4 论文章节安排5 第二章资料和方法6 2 1云团追踪算法一6 2 1 1 云团追踪方法的演变6 2 1 2 本文采用的云团追踪算法7 2 2 普查标准。1 2 2 3m c s 动态合成方法12 2 4 资料介绍1 3 第三章华南地区中尺度对流系统活动统计特征1 5 3 1 华南地区m c s 基本属性特征。15 3 2 华南地区m c s 时空分布情况1 6 3 2 1m c s 总体分布1 6 3 2 2m c s 月际分布18 3 2 3m c s 日变化特征2 0 3 3 华南地区m c s 移动特征2 2 3 4 华南地区m c s 平均大气状态廓线2 4 3 5 华南地区m c s 大尺度环境场特征2 6 3 5 12 0 0 h p a 流场和高空急流2 7 3 5 25 0 0 h p a 形势场2 8 3 5 3 散度场和涡度场分析2 8 3 5 4 低空环流和水汽输送3 0 3 5 6 不稳定条件3 2 一 、 ，一 3 5 6 1 假相当位温叱3 2 3 5 6 2 对流有效位能c a p e 和对流抑制能量c i n 3 3 第四章2 0 0 8 年华南地区m c s 活动统计特征3 6 4 12 0 0 8 年华南地区m c s 时空分布3 6 4 1 1 总体分布3 6 4 1 2 月际分布3 7 4 1 3 日变化4 0 4 22 0 0 8 年m c s 基本属性特征4 2 4 32 0 0 8 年中尺度对流系统移动特征一4 3 4 42 0 0 8 年平均大气状态廓线4 4 4 52 0 0 8 年大尺度环境场特征一4 4 4 5 15 0 0 h p a 环流形势4 6 4 5 2 高低空环流4 7 4 5 3 散度场和涡度场分析4 8 4 5 4 水汽输送4 9 4 5 5 垂直运动分析5 0 4 5 6 不稳定条件5 l 4 6 与2 0 0 5 - 2 0 10 年六年平均对比5 2 第五章总结和讨论5 4 5 1 本文主要研究结论5 4 5 2 有待进一步研究的问题5 5 致谢5 6 参考文献5 7 摘要 华南地区地处我国大陆最南端，深受季风活动影响，是我国汛期时间最长、 降水最多的地区之一，对流活动十分频繁。本文利用2 0 0 5 - - - 2 0 1 0 年风云二号地 球静止卫星逐时红外亮温( t b b ) 资料对我国华南地区暖季( 3 9 月) 中尺度对 流系统( m c s ) 的分布和活动特征进行统计分析，再结合n c e p1 0 x l o 再分析资 料，采用动态合成分析方法，讨论m c s 的大尺度环境场特征。研究发现： ( 1 ) 华南地区m c s 时空分布表现为：两广沿海地区和海南岛是两个主要 m c s 活跃区，随着纬度增加、深入内陆，m c s 越少发生，2 4 a n 以北，m c s 出 现频率基本低于4 ；m c s 活动分布具有明显的月际变化特征，3 巧月对流活跃 区向北推进并逐渐增强，对流活动于6 月份全面爆发，7 月之后减弱南缩；华南 地区m c s 日变化曲线呈现双峰分布，m c s 全天初生、成熟和消亡的最高峰在 下午至夜晚之间，另凌晨有一个m c s 发生、成熟、消亡的次高峰；海南岛上对 流活动比雷州半岛上的对流活动旺盛，大约在傍晚前后( 1 乒1 9 时) 达到极盛。 ( 2 ) m c s 平均生命史为4 6 小时，持续时间为3 7 小时的m c s 占总数的 9 1 1 ，平均移速较慢为2 5 6 k m h ；以向东移动为主，向西和向南次之。 ( 3 ) 华南地区m c s 发生的大尺度环境场特征主要表现为：对流层高层， m c s 被南亚高压东部的反气旋控制，云团北侧存在西风急流，m c s 上空有较强 的反气旋性辐散；m c s 形成于南支西风气流的低槽上，处在副热带高压西北侧， 云团内部出现局部中性层结，不稳定层结可达到6 5 0 h p a ；对流层中低层一致西 南风，斜压性小；低层则有西南急流将水汽输送至华南，急流左侧( 对应m c s 发生处) 形成低涡，有强气旋性辐合，水汽在此大量堆积。 ( 4 ) 2 0 0 8 年m c s 时空分布与2 0 0 5 - - - 2 0 1 0 年平均时空分布相似，但两广沿 海的对流活动异常活跃；对流云团基本属性与多年平均变化不大；2 0 0 8 年高空 急流较多年平均偏强，强风速中心西伸较明显，经向环流更强，副高偏北、偏 东，垂直运动异常旺盛，m c s 出现处的低涡比常年清晰、深厚，水汽辐合更强。 关键词：中尺度对流系统，云团追踪，时空分布，活动特征，大尺度环境场 ， a b s t r a c t l o c a t e di nt h es o u t h e r ns e c t i o no ft h em a i n l a n do fc h i n aa n dd e 印l ya f f e c t e db y t h em o n s o o n , s o u t hc h i n ai sa na r e aw i t ht h el o n g e s tt h ef l o o ds e a s o l la n di sa m o n g t h ea r e a sw h i c hh a v et h em o s tp r e c i p i t a t i o ni nc h i n a , h a v i n gr e l a t i v e l yf r e q u e n t c o n v e c t i v ea c t i v i t i e s i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h eh o u r l yi n f r a r e db r i g h m e s s t e m p e r a t u r e o b b ) ( e q m v a l e mt e m p e r a t u r eo fb l a c kb o d y ) d a t a s e tg a t h e r e db yt h e g e o s t a t i o n a r ys a t e l l i t ef e n g y u n2 n ob e t w e e n2 0 0 5t o2 0 10 ，t e m p o r a la n ds p a t i a l d i s t r i b u t i o n sa n df e a t u r e so ft h em c s s ( m e s o s c a l ec o n v e c t i v es y s t e m s ) i nw o r m s e a s o no v e rs o u t hc h i n aw e r ei n v e s t i g a t e d , f l l r t h c h n o r e ，l a r g e - s c a l ee n v i r o n m e n t a l c h a r a c t e r i s t i c sd u r i n gm c s a c t i v i t yw h i c hc o n s i s t so ff o u rp e r i o d , i e p r e e x i s t i n g p e r i o d , i n i t i a t i n gp e r i o d , m a x i l l l u mp e r i o da n dt h ee n d i n go rf a d i n gp e r i o d , w e r e a n a l y z e dt h r o u g ht h ed y n a m i cs y n t h e s i sa p p r o a c ht o g e t h e rw i t hn c e p1 o xl o r e a n a l y s i sd a t a t h er e s e a r c hs h o w st h a t ： ( 1 ) m c s s s p a t i a la n dt e m p o r a ld i s t r i b u t i o ni ns o u t hc h i n ar e v e a l st h a t ：t h e c o a s t a la mo fg u a n g x i g u a n g d o n ga n dh a i n a ni s l a n di st h ea c t i v e - m c sa r e a , w h i l e m c s so c 宅r ri n f r e q u e n t l yi nt h en o r t hi n l a n d , w i t hal e s st h a n4 o c c u r i n gf r e q u e n c y o v e rn o r t ho f2 4 0 n ；t h e r ea l ean o t i c e a b l em o n t h l yv a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fm c s s a n da p r o g r e s so fc o n v e c t i v ea c t i v i t i e sn o r t h i n ga n ds t r e n g t h e n i n gg r a d u a l l y ，w h i c h c o m et oam a x i m u mi nj u n e ，w h i l ei tb e c o m e sw e a ka n db e g i n st or e , c a ts o u t h w a r d i nj u l y ；m c sd a i l yv a r i a t i o no v e rs o u t hc h i n aa p p e a r st ob eab i m o d a ld i s t r i b u t i o n , w h i l et h em c se m e r o n gs u m m i t , a t t a i n i n gam a t u r es u m m i to rf a d i n gs u m m i t a p p e a r i n gb e t w e e na f t e r n o o na n de v e n i n g ，h o w e v e r , as e c o n d a r yp e a kr e s p e c t i v e l y i n c l u d i n ge m e r g i n g ，t h r i v i n ga n dd i s a p p e a r i n gp r o c e s st u r no u ti nt h en e x tm o r n i n g ； ( 2 ) t h ea v e r a g el i f c s p a no fm s ci s 4 6h o u r s ，w i t h9 1 1 o ft h e mh a v i n ga l i f e s p a nb e t w e e n3a n d7h o u r sa n da2 5 6k mp e rh o u ra v e r a g es p e e d ，w h i c hg o e a s t w a r di nm o s tc a s ew h i l ei ta l s om a yg ow e s t w a r do rs o u t h w a r di nf e wc a s e s ； ( 3 ) t h ec h a r a c t e r i s t i c sl a r g e s e r ee n v i r o n m e n tf i e l di nw h i c ht h em s co fs o u t h c h i n ao c c u r r e dc 姐b em a i n l ys m n m e r i z e da sf o l l o w s ：i nt h eu p p e rt r o p o s p h e r e ， m c si sc o n t r o l o db ya n t i c y c l o n ea tt h ee a s to ft h es o u t ha s i a nh i g h , w e s t e r l yj e t e x i s t so nt h en o r t ho ft h em c s ，w d l ea b o v et h em c st h e r ei sas t r o n ga n t i - c y c l o n i c d i v e r g e n c e ；m c si sf o r m e di nt h ew e s t e r l yt r o u g ho f t h en o r t h w e s ts i d eo ft h ew e s t p a c i f i cs u b t r o p i c a lh i g ka n dn e u t r a lc o n d i t i o ne m c e ew i t h i n m ep a n so ft h e c l o u dc l u s t e r sw i t hu n s t a b l es t r a f i f i c a t i o nr e a c h i n gt o6 5 0 h p e qi nt h el o w e r t r o p o s p h e r et h e r ei su n i f o r ms o u t h w e s tw i n dw i t hs m a l lb a r o c l i n i c ；i nt h el o w - l e v e l , s o u t h w e s t e r l yj e ts e n tw a t e rv a p o rt os o u t hc h i n a , w h i l eo nt h el e f to f t h ej e t ( w h e r e 广 t h em c sh a p p e n s ) t h e r ef o r m sav o r t e x ，a tw h i c h p l a c et h e r ei sal a r g ea c c u m u l a t i o n o f w a t e rv a p o r ( 4 ) t h eb a s i cp r o p e r t i e so fc o n v e c t i v ec l o u d sh a st i t t l e d i f 茧e r e n o ef r o mt h e a v e r a g ei no t h e rs i xy e a r s ；l a r g ej e ts t r e a mi n2 0 0 8i ss t r o n g e rt h a nt h ea v e r a g e ，w i t h t h es t r o n gw i n dc e n t e rm o v i n gw e s t w a r do b v i o u s l ya n dm e r i d i o n a lc i r c u l a t i o n b e a m i n gs t r o n g e r ；t h ew e s tp a c i f i cs u b t r o p i c a lh i g hi sl o c a t e x im o r en o r t h w a r da n d m o r ee a s t w a r d , v e r t i c a lm o t i o ni sa b n o r m a l l ya c t i v e ，w h i l ea tt h ep l a c e sw h e r em c s a p p e a r st h ev o r t e xi s c l e a r e ra n ds t r o n g e rt h a nu s u a l ，v a p o rc o n v e r g e n c eb e i n g s l r o n g e r k e yw o r d s ：m e s o s c a l ec o n v e c t i v es y s t c m o v i c s ) ，c l o u dt r a c k i n g , t e m p o r a la n d s p a t i a ld i s 研b l i t i o 玛a c t i v i t yc h a r a c t e r i s t i c s ，l a r g e - s c a l ee n v i r o n m e n tf i e l d m 第一章引言 第一章引言 1 1 选题依据 华南地区地处我国大陆最南端，北侧和西侧为山地，东侧和南侧临海，深 受季风活动影响，是我国汛期时间最长、降水最多的地区之一，对流活动比较 频繁。其中华南前汛期为主汛期，降水强度常居我国夏季三大雨区( 华南、江 淮和华北) 之首，是暴雨集中出现和各种强对流天气的多发季节，加之华南地 区地形复杂，容易引发洪涝灾害，给国家建设和人民生命财产带来重大损失。 许多研究表明【l 卅，暴雨、冰雹等强对流天气的发生与中尺度对流系统 ( m c s ) 活动造成的对流性降水密切相关，因此对m c s 的监测和预报以及m c s 的活动分布、结构、演变特征成为气象学者关注的问题。国内已有大量的工作 针对华南暴雨及其影响系统的发展演变过程进行了研究，但是对于华南暴雨来 说，针对直接造成暴雨的中尺度对流系统( m c s ) 的研究还进行得比较少。m c s 的监测与跟踪，在卫星云图上表现为对强对流云团进行目标识别和匹配跟踪。 静止气象卫星是唯一能够对天气尺度、中尺度到积云尺度的各种云系演变进行 全天候同步观测的空间平台，同时具有观测范围广、不受黑夜限制等的优势， 静止卫星云图已成为监测暴雨、台风等天气系统发生发展不可缺少的重要工具。 8 0 年代以来，随着卫星云图资料开始广泛运用，不少气象工作者开始利用卫星 资料普查m c s 云团并统计其特征。但一直以来针对华南地区m c s 的普查研究 却非常少，尤其是较长尺度的变化特征如月际、平均日变化等。 由于华南地区具有独特的地域特征，因此该地对流系统的形成和演变发展 过程可能与其它地区有很大不同，m c s 云团的分布、活动必有其特殊的特征和 规律。利用现代高分辨率的卫星云团资料直接研究华南地区中尺度对流云团的 时空分布和活动特征及其活动期间的大尺度环境场，这将促进华南地区中尺度 对流系统的深入研究，加深人们对于这类系统的认识，提高对暴雨等自然灾害 的预警、预报能力，从而达到防灾、减灾的目的。 1 2 研究进展 1 2 1 中尺度对流系统定义 中尺度对流系统( m c s ) 泛指水平尺度为l o - - 2 0 0 0 k m 左右的具有旺盛对流 运动的天气系统，在中纬度常见的中尺度对流系统按其组织形式可粗分为三类： 孤立对流系统、带状对流系统和中尺度对流复合体( m c c ) 同。 南京信息工程大学硕士学位论文 根据o r l a n s k i ( 1 9 7 5 ) 尺度划分标准【6 】：中尺度系统的尺度范围为2 2 0 0 0 k m ， 其中2 2 0 1 c m 为产中尺度，2 0 - - , 2 0 0 k i n 为伊中尺度，2 0 0 , - - 2 0 0 0 k i n 为a 中尺度。 按照这个划分标准，上述m c s 定义包含了a 、和，中尺度对流系统。 1 9 8 0 年m a d d o x 1 】基于1 9 7 8 年3 9 月美国中部典型m c s 个例( m a d d o x 将 这些特殊类型的m c s 定义为m c c ) ，根据增强红外云图上云团的尺度、形状和 生命期特征首次对这类中尺度系统进行了定义，并提出了普查标准，见表1 1 ： 表1 1m a d d o x 的m c c 定义和普查标准【1 】 物理特征 尺度 生成 生命期 最大空间范围 形状 消亡 t b b 值3 2 的连续冷云区面积 l o o o o o h 心 t b b 值5 2 的连续冷云区面积 5 0 0 0 0 k i n 2 第一次满足尺度定义和的时刻 满足尺度定义和的时间 6 h 连续冷云罩( t b b f l i l 3 2 ) 的最大面积 在最大空间范围时椭圆率( 短轴长轴) 邳7 尺度定义和不再满足的时刻 基于卫星云图的中尺度对流系统研究一经m a d d o x 提出便从此拉开了序幕。 m c c ( 中尺度对流复合体) 是一种特殊的中尺度对流系统，只占m c s 的一部 分，因此不能反映m c s 的全貌。早期由于卫星资料和计算机计算和存储能力的 限制，m c s 的普查大多局限于m c c ，近年来，国内外这类研究中已较少只关 注m c c ，取而代之的是更具有普遍性的m c s ( 主要为m 口c s 和m 移s ) 。 1 2 2 中尺度对流系统普查研究进展 早期m a d d o x 1 】( 1 9 8 0 ) 首次提出m c c 的普查标准，并通过对美国中部4 3 个典型m c c 的研究，得到m c c 普遍具有夜发性的结论；m c c 一般在午后出 现初始雷暴，在下午晚些时候至傍晚前后开始发展，通常在午夜前后冷云区面 积达到最大，即m c c 达到成熟，清晨至上午消散；m a d d o x 指出m c c 可能是 美国中部地区夜间暴雨最多和降水量最大的主要原因。 m i l c r 和f r i t s c h l 7 ( 1 9 9 1 ) 指出在西太平洋地区m c c 是常见的对流系统， 大部分系统特征与美国相似，m c c 同样具有明显的夜发性，大多形成于陆地上 空或紧靠陆地的邻近地区。春末夏初是中纬度地区m c c 发生最多的季节，而热 带地区的系统趋向于较为均匀的发生于整个暖季。春末夏初8 0 以上的m c c 发生在中国的东南部和孟加拉国，m c c 的出现的地理分布大致有四个密集中 2 第一章引言 心，即澳洲北部、新几内亚、印度北部孟加拉国、中国大陆南海地区。 h o d g c s 等i s ( 1 9 9 7 ) 使用1 9 8 3 1 9 9 0 年8 年的i s c c p - m e t e r o s a t 卫星云图对 非洲地区对流天气系统进行普查追踪，首次客观的给出了非洲地区对流天气系 统短期气候特征，并利用e c m w f 再分析资料讨论了对流形成所依赖的地形、 对流、位势不稳定和垂直风切变。 还有l a i l l g 和f m c h 【9 】- 电普查了美洲m c c 的情况，v e l a s e o 等【1 0 l 普查了南北美 洲的m c c ，l a i n g ：；g i f r i t s e h 】对发生于印度次大陆的m c c 也进行了研究，并于 1 9 9 7 年初步给出了m c c 的全球分布统计结梨翻。 在国内，李玉兰【1 3 】等( 1 9 8 9 ) 利用1 9 8 3 1 9 8 6 年月的云图照片普查我 国西南华南地区m c c 活动的基本特征，并以一个典型的例子讨论它的形成和 成熟期的结构、云顶黑体温度( t b b ) 演变过程及降水等。项续康等【1 4 】( 1 9 9 5 ) 对 我国南方地区春末夏初的1 0 个中尺度对流复合体( m c c s ) 做了分析，并与美国 的m c c 对比，发现它们的基本特征与美国m c c 相近，表现为主要活动在夜间， 向东偏南方向移动。费增坪等【1 5 】( 2 0 0 5 ) 利用g e o s 9 卫星红外云图对2 0 0 3 年 6 月2 1 日至7 月2 2 日淮河流域大水期间的m c s 做了普查分析，发现淮河大水 期间m s 和m c s 产生频数远大于常年的平均值；绝大部分m c s 初生于淮河 流域并且其成熟时的位置位于淮河流域是造成这次大水的主要原因之一；结合 常规资料对产生m c s 的天气背景进行了分类，发现该期间m c s 形成的天气背 景具有多样性。郑永光等【1 6 】( 2 0 0 8 ) 利用1 0 年的t b b 资料对夏季中国及周边 地区的m c s 活动情况进行了统计分析，结果表明该地区夏季m c s 的总体分布 呈3 条东西分布的带状m c s 活跃区，且东亚夏季风将这三条m c s 活跃带联系 起来，该文还重点对不同下垫面区域的m c s 日变化特征进行分析，表明m c s 日变化具有单峰与多峰型两种特点，单峰型m c s 多发生在高原与山区，多峰型 m c s 多发生于平原与盆地，另两广地区海陆交界处是海陆风环流显著的区域， m c s 具有午后向陆地传播、午夜向海洋传播的特征。 还有一些学者相继普查了淮河流域【17 ，嘲，青藏高原【1 蚍1 1 ，云南及其周边地 区圈，北京及周边地区田】，黄海及其周边地区刚，川渝和江淮流域阅，东亚地 区 2 6 - 2 q 等地的m c s 情况。 1 2 3 华南地区中尺度对流系统研究回顾 古志明等渊( 2 0 0 0 ) 的研究揭示出，在弱的天气尺度背景条件下，边界层 的中尺度辐合对暴雨的产生具有触发作用，降水潜热加热对暖区暴雨的发展和 维持起到了重要作用。 3 南京信思工程大学硕士学位论文 赵思雄等【2 9 】( 2 0 0 2 ) 则指出，对流层低层及边界层内的一些扰动可能对中 尺度对流系统的发生发展有触发作用。 文莉娟【3 0 】( 2 0 0 5 ) 等发现，造成9 8 年5 月2 3 2 4 日华南暴雨的中尺度对 流系统具有暖心高湿结构，高空辐散，低空辐合及对应的强上升运动和气旋性正 涡柱是造成这次暴雨的动力学机制，低空偏南气流对这次暴雨的产生和发展起着 重要的作用。 孙建华等【3 1 3 2 】( 2 0 0 2 ) 模拟华南一次特大暴雨过程，发现强对流系统发展较 强时，低层( 6 0 0 h p a 以下) 是辐合，而中高层为高压辐散气流；强对流系统发展 的环境风场为低层有西南、东南和北风三支气流辐合，而高层以偏北风为主； 另外，潜热释放对强对流系统发生、发展都有重要的作用；行星边界层过程对 对流的发生阶段影响较为明显，而对发展阶段的影响似乎还不大；地面感热和 潜热通量对对流系统的强度有影响；对初始场的试验表明，初始湿度场的改变 会很明显地影响模拟结果，温度场的影响次之。 夏茹娣等【3 3 】( 2 0 0 6 ) 对华南暖区暴雨的研究，也认为边界层内的辐合和水 汽输送对对流启动和暴雨形成有着重要作用。 钱传海等0 4 ( 2 0 0 9 ) 利用多种观测资料和a r p s 中尺度数值模式，对0 6 0 4 号 强热带风暴碧利斯登陆后在湖南、广东等地引发强降水的中尺度对流系统活动 特征进行了诊断分析和数值模拟，指出低层偏北急流造成的动力辐合效应、对 流不稳定性层结的建立是m c s 在湖南南部迅速发展的重要原因。 1 3 本文的创新点 由上述中尺度对流系统研究进展的回顾可以看出，m c s 的研究主要有两个 方面：个例分析和普查统计。个例分析虽然能较为详尽细致的分析m c s 的结构、 演变规律等特征，但是受到所选取个例的影响，不如普查统计具有客观性和普 遍性。华南地区m c s 的研究主要集中在个例分析上，尤其是模拟个例分析，针 对华南地区m c s 的普查研究却非常少( 即使有也基本在8 0 年代) ，缺乏对较长 尺度的m c s 变化特征如月际、平均日变化等的研究。本文首次利用多年静止卫 星黑体亮度温度( ；b ) 资料清楚地揭示了华南地区m c s 总体分布情况，并对 华南地区对流活动的月际变化和日变化特征进行讨论。本文结合n c e p 再分析 资料对华南地区m c s 活动期间的大尺度环境场特征进行动态合成分析，从统计 意义揭示华南地区对流活动的大气环境条件，多年平均的m c s 活动期间大尺度 环境场为华南地区暖季发生对流的条件提供很好的气候背景，大量的统计样本 则保证了统计结果的客观性、真实性和普遍性。 4 第一章引言 1 4 论文章节安排 全文共分五章，各章内容安排如下： 第一章引言： 本部分阐述了本文的选题依据和研究意义，对中尺度对流系统的研究进 展进行了回顾，提出本文的研究内容和创新点，简要介绍本文的研究内容和 章节安排。 第二章资料和方法： 介绍本文所使用的资料和技术方法。 第三章华南地区中尺度对流系统活动统计特征 本章利用2 0 0 5 2 0 1 0 年3 9 月静止卫星t b b 资料，统计了暖季华南地区 m c s 的时空分布和活动特征，结合n c e p 再分析资料，运用动态合成方法， 将m c s 分为初生前、初生、成熟和消亡四个阶段对比分析其大尺度环流特征。 第四章2 0 0 8 年华南地区m c s 活动统计特征 采用上章的方法，将2 0 0 8 年选取出来，重点分析该年华南地区m c s 的 时空分布、活动规律以及活动期间的环境场特征，并与6 年平均研究结果进 行对比。 第五章总结和讨论 本章给出了本文的主要研究成果和结论，并提出了有待进一步研究讨论 的问题。 5 南京信息工程大学硕士学位论文 第二章资料和方法 2 1 云团追踪算法 2 1 1 云团追踪方法的演变 7 0 年代以来，以t e d 刑耐3 5 】为代表的美国科学家在如何从卫星云图资料中 获取有价值的信息方面做了大量的开创性的研究工作，其中一方面是从静止卫 星云图中提取云团的移动并获取各种尺度的大气环流的形成和结构。 早期，云团追踪的方法主要是通过肉眼中识别，从连续多张云图判断云团的 移动和演变，主观性强，效率低下。后来，随着计算机水平的提高，逐渐出现 了人机交互系统m c i d a s ( a m a nc o m p u t e ri n t e r a c t i v ed a t a a c c e s ss y s t e m ) 【3 6 1 ， 通过在计算机屏幕上由操作员用光标指定云团中心，利用交叉相关系数求出云 团的移动。随着计算机和卫星技术的发展以及卫星云图资料数量的不断增多， 人工参与的云团追踪越来越不能适应需求，出现了计算机自动追踪技术。 白洁等p7 j ( 1 9 9 7 ) 利用g m s 静止气象卫星红外云图资料，运用计算机图 像学处理中轮廓编码法的t 算法和p 算法提取强对流云团边界，以及对云团特 征进行多级匹配技术实现了对强对流云团的识别和追踪。该方法对云团追踪的 成功率约9 0 ，追踪失败的原因主要是云团在移动过程中发生分裂或合并以及 云团发展较快。 方兆宝等 3 8 , 3 9 ( 2 0 0 4 ) 从流行群运动目标的形状特征及其本质属性出发， 提出了多种适合计算机自动识别与跟踪流行群运动目标的匹配模板构建技术， 他将这种技术应用到m c s 的流行群运动目标的计算机自动识别与跟踪，结果比 a m a u d ( 1 9 9 2 ) 的面积重叠法跟踪准确率提高了一个多量级。 v i l a l 4 0 1 ( 2 0 0 8 ) 利用地球静止卫星热红外通道( 1 0 8 t a n ) 的资料开发并验 证进行跟踪和预报m c s s 的辐射( 基于云项温度) 以及形态特征的算法，并应 用于南美洲d e lp l a t a 盆地，根据预测图像与实测图像之间的差异对该预报和追 踪云团演变技术( f o r t h c c ) 进行评估。评估结果表明短时间跟踪预报结果跟 实况比较一致，对于较长时间跟踪预报质量要差些。 李俊 2 7 1 ( 2 0 1 0 ) 采用基于数字图像处理技术的模式匹配方法的搭建对流云 团追踪系统，该算法计算稳定性好，追踪系统在p c 和大型服务器均能稳定运行， 并且对云图资料的质量及云图缺失状况不敏感。 这些研究对于我们从连续时次卫星云图识别和追踪对流云团并分析m c s 的特征提供了良好的理论依据。 6 第二章资料和方法 2 1 2 本文采用的云团追踪算法【2 7 】 r 记下当前云图中的云团信息， 、 飞 羿。把彗箭苗谈叠簸。盾菌? 。 j i 整理云图文件，按照i 时间先后顺序制成列表l 上 ( 读取一张新的云图文件、f 上 预处理 l，、 识别对流云团，并给每一个l么二言淞；是否疗； 云团上唯序列号厂n ：罗“ i 比较相邻时次两张云图 ：缵脯糊h 卜 亍 一天 大恕罗 誉乡l 一 是 一 ( 输出追踪云团结果： 厂逛踪 结 图2 1 追踪程序流程图( 引自李俊【2 7 】图2 2 ) 7 妻室堡星三墨奎堂堡主堂垡丝茎 本文采用李俊叨( 2 0 1 0 ) 提出的云团追踪算法，该方法基于八邻域边界提 取算法，可以快速准确提取对流云团的边界，再利用模式匹配技术实现相邻时 次云图上对流云团的匹配追踪。利用该方法对云图上的m c s 进行识别、编号和 追踪，并得到云团的诸多属性，如云团的重心、面积、周长、直径、平均t b b 、 云团内最低t b b 等。追踪流程如图2 1 所示，具体步骤如下： ( 1 ) 制作卫星云图n a m e l i s t 文件，即将相邻时次的卫星云图文件按照时间 先后顺序排列，制作n a m e l i s t 文件作为追踪程序的输入文件。 ( 2 ) 读取n a m e l i s t 文件中的卫星云图文件，并对云图进行预处理。该追踪 程序中采用9 点均值算法平滑图像以消除云图的干扰和噪声，均值平滑公式为： g ，f 聊刀1 = j yy g ( 历+ 式疗+ n 、( 2 k + 1 ) ( 2 k 一1 ) 蛊七厶一- k t 、, g ( m ，刀) 为云图上( 所，功点的t b b 值，g ( 朋，刀) 为平滑后该点t b b 平均值。 ( 3 ) 识别对流云团，即提取云团轮廓边界。轮廓边界是图像最基本也是非 常重要的特征量，为了提取云团的轮廓边界信息，将平滑过的数字化的t b b 云 图资料进行o 、l 化处理，若像素点上的亮温值低于某个温度阈值赋值为l ，否 则赋值为o 。经过o 、l 化处理后，云团内低于温度阈值的像素点取值为l ，云 团以外的像素点则为o ，这样o 、1 值之间的分界即为云团的边界，它的矩反应 了云团的轮廓信息。 对“l ”值的图形才用八邻域边界提取算法提取边界坐标。对于一个观察者来 说，他沿着属于某个集合的像素走，选择最右边的像素为所得的像素。初始像 素( p ) 按照平面从上到下和从左到右扫描的方法来得到，对初始像素的8 个方 向( 图2 2 ) 进行追踪，必在一个方向找到下一边界像素点，如此逐点进行追踪， 直到当前像素点和初始像素点相同，则追踪算法结束。该算法执行速度快，效 率高，对边界点的提取能按照边界的走向及时调整方向自动搜索，而且不会出 反方向查找的可能。取得云团轮廓边界坐标信息，即完成了从一幅 识别对流云团的工作，且每个识别出来的对流云团都有一个独一无 这个编号很重要，因为在接下来云团的匹配和追踪中就是靠控制后 团是否继承前一时次云团的编号来标识两个云团是否为同一云团。 32l 2po 5 67 图2 2p 点的8 邻域像素图( 引自李俊【2 7 1 图2 1 ) 8 第二章资科和方法 在得到云团轮廓边界信息的同时，还可以对云团的各种属性进行计算求解， 得到云团的诸多属性，如面积、周长、云团中心、平均温度、云团内最低温度 等。这些属性组成了各个云团的特征，有些属性还要在后面云团的匹配上用到。 m c s 判断标准中有一项是关于m c s 面积的，只有大于一定面积的对流云 团才称之为m c s 。因此在识别出的对流云团中先将面积没有达到m c s 面积阈 值的云团剔除，这样在一定程度上也可以大幅度缩减接下来云团匹配中参与匹 配的云团数量，减少计算量。 ( 4 ) 按照云图n a m e l i s t 文件读取下一张云图数据，重复( 2 ) 、( 3 ) 步，这 样便得到前后两个时次的云图中分别识别出来的a 个和b 个云团。 ( 5 ) 云团的匹配。该匹配算法对m c s 云团的匹配分四级进行，条件由粗 到细，逐步剔除掉不满足匹配条件的m c s 云团。四级匹配具体如下： ( i ) 距离判别匹配。云团的发展和移动具有一定的连续性，相邻时次的两 张云图上，距离非常远的两个对流云团显然不是同一云团。根据前人的研究经 验，m c s 云团的移动速度一般不会超过2 0 0 k m h ，所以对于时间间隔为1 小时 的相邻时次的云图中某个云团进行匹配的第一步就是通过距离判别，剔除下一 时次云图上与该云团距离超过2 0 0 k i n 的云团，使得下一步匹配计算的目标云团 缩小在2 0 0 k i n 的范围内，避免了该云团与下一时次整张云图上的所有云团进行 匹配，大大减少了计算量，提高后续匹配效率。 ( i i ) 面积变化率匹配。计算相邻时次各个目标云团之间的面积变化率，相 邻时次的匹配云团面积变化不能太大，剔除掉面积变化太大的云团，而其他云 团进入下一级匹配计算的目标云团集合。 ( i i i ) r 描绘子匹配。为了实现对m c s 连续时次云团的追踪，还需要计算 云团的一些保守量。陆心如【4 1 】( 1 9 8 7 ) 的研究表明r - 形状描绘子这组特征量只 与云团的边界形状有关，并且具有平移、旋转、缩放不变性。因此，这组特征 量可以用来对m c s 云团进行追踪。 云团的二维封闭轮廓可以表示为f - - 兀，石，z ， 一) 的坐标序列，n 为云团边界的点数，其中兀为边界的计算起始点，z