[发明专利]一种基于新一代静止卫星数据的中尺度对流动态追踪方法

摘要

本发明提供一种基于新一代静止卫星数据的中尺度对流动态追踪方法，包括：1识别潜在的MCS；2追踪潜在的MCS；综合使用面积重叠法和卡尔曼滤波方案。对于初生和消亡时期的面积较小且移速快的对流，采用KF方法进行正向追踪；对于成熟期尺度较大的对流或者移速较慢的对流，采用面积重叠法AOL进行追踪。在使用面积重叠法追踪的过程中，根据前后两帧云图上pMCS的重叠率来判断云团是否存在分裂合并。在使用KF方案进行追踪时，使用周围pMCS的平均移动矢量给KF追踪方案赋初值。3筛选出真正的MCS。优点为：准确地抓取中尺度对流系统，尤其是很小的、移速很快、传统方案抓不住的对流系统，使追踪到的对流生命周期更加完整。

主权项

1.一种基于新一代静止卫星数据的中尺度对流动态追踪方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，设定与每个云团面积区间对应的重叠率阈值T_aol，重叠率阈值T_aol的设定采用以下方法：步骤1.1，获取多组样本数据；每组所述样本数据包括：前一时次某个中尺度对流云团pMCS_g与当前时次的中尺度对流云团pMCS_h的面积重叠率；其中，中尺度对流云团pMCS_g和中尺度对流云团pMCS_h的面积重叠率大于0；步骤1.2，根据前一时次中尺度对流云团pMCS_g的云团面积，将样本数据划分为多个云团面积区间；步骤1.3，对于属于每个云团面积区间的样本数据，均采用以下方式处理，由此得到与每个云团面积区间对应的重叠率阈值T_aol：步骤1.3.1，设本次处理的属于某个云团面积区间的样本数据共有z组样本数据；步骤1.3.2，以云团面积区间为横坐标，以面积重叠率为纵坐标，绘制与云团面积区间对应的箱线图；其中，Q3为上四分位数；Q1为下四分位数；步骤1.3.3，计算四分位距IQR＝Q3‑Q1；步骤1.3.4，计算外限下界值为Q1‑3IQR；步骤1.3.5，如果外限下界值Q1‑3IQR大于0，则将本次处理的云团面积区间对应的重叠率阈值T_aol设定为Q1‑3IQR的值；如果外限下界值Q1‑3IQR小于0，则将本次处理的云团面积区间对应的重叠率阈值T_aol设定为T_x；其中，T_x为各个云团面积区间对应的箱线图的外限下界值的最小大于0的值；步骤2，当需要进行中尺度对流动态追踪时，令迭代次数i＝0；步骤3，当前时次为T_i+1；前一时次为T_i；后一时次为T_i+2；获取前一时次T_i的10.4μm通道的红外亮温卫星遥感图像M_i；以及，获取当前时次T_i+1的10.4μm通道的红外亮温卫星遥感图像M_i+1；步骤4，对于红外亮温卫星遥感图像M_i，识别出所有潜在的中尺度对流云团pMCS，共有r个，并分别编号为：pMCS_1,i,pMCS_2,i,…,pMCS_r,i；对于每一个pMCS_u,_i，u＝1,2,…,r，均标注质心和云团面积；对于红外亮温卫星遥感图像M_i+1，识别出所有潜在的中尺度对流云团pMCS，共有s个，并分别编号为：pMCS_1,i+1,pMCS_2,i+1,…,pMCS_s,i+1；对于每一个pMCS_v,i+1，v＝1,2,…,s，均标注质心和云团面积；步骤5，对于pMCS_1,i,pMCS_2,i,…,pMCS_r,i中的每一个中尺度对流云团pMCS_u,i，u＝1,2,…,r，均采用以下步骤处理：步骤5.1，对于中尺度对流云团pMCS_u,i，根据步骤1的结果，确定与中尺度对流云团pMCS_u,i所在的云团面积区间对应的重叠率阈值T_aol，记为重叠率阈值T_aol^(u,i)；步骤5.2，计算中尺度对流云团pMCS_u,i分别与pMCS_1,i+1,pMCS_2,i+1,…,pMCS_s,i+1的面积重叠率，得到s个面积重叠率；在s个面积重叠率中，判断最大的面积重叠率是否大于等于重叠率阈值T_aol^(u,i)，如果是，则执行步骤5.3；否则执行步骤5.4；步骤5.3：采用面积重叠法AOL对中尺度对流云团pMCS_u,i进行轨迹追踪；包括：步骤5.3.1，采用以下方法识别前一时次T_i的中尺度对流云团pMCS_u,i在前一时次T_i是否发生云团分裂现象，并进行质心轨迹追踪；具体的，如果在步骤5.2得到的s个面积重叠率中，存在两个大于等于重叠率阈值T_aol^(u,i)的面积重叠率，假设中尺度对流云团pMCS_u,i分别与pMCS_a1,i+1,pMCS_a2,i+1的面积重叠率均大于等于重叠率阈值T_aol^(u,i)，其中，a1∈[1,2,…,s]，a2∈[1,2,…,s]，a1≠a2；则认为中尺度对流云团pMCS_u,i在前一时次T_i发生云团分裂现象；此外，假设中尺度对流云团pMCS_u,i与pMCS_a1,i+1的面积重叠率，大于中尺度对流云团pMCS_u,i与pMCS_a2,i+1的面积重叠率；那么记录中尺度对流云团pMCS_u,i到中尺度对流云团pMCS_a1,i+1的质心运动轨迹，继续追踪该轨迹并跳转到步骤6；对于云团pMCS_a2,i+1，认为是因分裂新产生的中尺度对流云团，因此，以pMCS_a2,i+1为追踪起点，追踪其质心运动轨迹并跳转到步骤6；步骤5.3.2，采用以下方法识别前一时次T_i的中尺度对流云团pMCS_u,i在当前时次T_i+1是否发生云团合并现象，并进行质心轨迹追踪；如果在红外亮温卫星遥感图像M_i中，存在两个中尺度对流云团，分别为中尺度对流云团pMCS_b1,i和中尺度对流云团pMCS_b2,i,其中，b1∈[1,2,…,r]，b2∈[1,2,…,r]，b1≠b2；中尺度对流云团pMCS_b1,i和当前时次T_i+1中的某个中尺度对流云团pMCS_v,i+1的面积重叠率分别大于重叠率阈值T_aol^(b1,i)和T_aol^(b2,i)，其中，重叠率阈值T_aol^(b1,i)为中尺度对流云团pMCS_b1,i所在的云团面积区间对应的重叠率阈值；T_aol^(b2,i)为中尺度对流云团pMCS_b2,i所在的云团面积区间对应的重叠率阈值；此时，认为中尺度对流云团pMCS_b1,i和中尺度对流云团pMCS_b2,i合并为中尺度对流云团pMCS_v,i+1；如果中尺度对流云团pMCS_b1,i的面积大于中尺度对流云团pMCS_b2,i的面积，则认为中尺度对流云团pMCS_b2,i因云团合并而消失，不再继续追踪中尺度对流云团pMCS_b2,i的质心运动轨迹，由此得到一条以pMCS_b2,i的质心为追踪终点的质心运动轨迹；跳转到步骤7；记录中尺度对流云团pMCS_b1,i到中尺度对流云团pMCS_v,i+1的质心运动轨迹，并继续追踪该质心运动轨迹；跳转到步骤6；步骤5.3.3，如果中尺度对流云团pMCS_u,i没有发生云团分裂现象和云团合并现象，则在中尺度对流云团pMCS_1,i+1,pMCS_2,i+1,…,pMCS_s,i+1中，确定与中尺度对流云团pMCS_u,i具有最大面积重叠率的云团，记为pMCS_d,i+1，其中，d∈[1,2,…,s]；然后，记录中尺度对流云团pMCS_u,i到中尺度对流云团pMCS_d,i+1的质心运动轨迹，并继续追踪该质心运动轨迹；跳转到步骤6；步骤5.4，判断中尺度对流云团pMCS_u,i的云团面积，是否处于步骤1绘制的箱线图中外限下界值Q1‑3IQR小于0所对应的面积区间；如果否，则认为T_i时次为中尺度对流云团pMCS_u,i的生命周期的终止时次，T_i时次的中尺度对流云团pMCS_u,i的质心为本条质心移动轨迹追踪的终点，至此完成对此云团质心运动轨迹的追踪；然后跳转到步骤7；如果是，则采用KF方案对中尺度对流云团pMCS_u,i进行质心运动轨迹的追踪，包括以下步骤：步骤5.4.1，在红外亮温卫星遥感图像M_i中，确定通过步骤5.3面积重叠法AOL匹配无法成功的中尺度对流云团，在AOL方法匹配不成功的中尺度对流云团pMCS_u,i中，判断能否筛选到与中尺度对流云团pMCS_u,i的质心距离在质心设定距离范围内的中尺度对流云团，如果不能，则表明中尺度对流云团pMCS_u,i的质心为本条质心移动轨迹追踪的终点，至此完成对此质心运动轨迹的追踪；然后跳转到步骤7；如果能，执行步骤5.4.2；步骤5.4.2，使用KF方案对中尺度对流云团pMCS_u,i进行追踪；包括：步骤5.4.2.1，如果T_i时次是中尺度对流云团pMCS_u,i生成的初始时次，给KF方案提供一个初始的预测移动矢量，步骤如下：以中尺度对流云团pMCS_u,i的质心为中心，在红外亮温卫星遥感图像M_i中，找出距离pMCS_u,i质心中心设置范围内的所有的、已确定能用AOL方法匹配的对流，假设T_i时次共有k个，分别为：pMCS_e1,i,pMCS_e2,i,…,pMCS_ek,i；在T_i+1时次分别为：pMCS_f1,i+1,pMCS_f2,i+1,…,pMCS_fk,i+1即：pMCS_e1,i在T_i+1时次演变为pMCS_f1,i+1；pMCS_e2,i在T_i+1时次演变为pMCS_f2,_i+1，依此类推，pMCS_ek,i在T_i+1时次演变为pMCS_fk,i+1；计算得到pMCS_e1,i到pMCS_f1,i+1的质心移动矢量x₁；pMCS_e2,i到pMCS_f2,i+1的质心移动矢量x₂；依此类推，pMCS_ek,i到pMCS_fk,i+1的质心移动矢量x_k；对质心移动矢量x₁，质心移动矢量x₂,…,质心移动矢量x_k取平均值，作为中尺度对流云团pMCS_u,i从T_i时次到T_i+1时次的预测移动矢量x_p；如果T_i时次不是中尺度对流云团pMCS_u,i生成的初始时次，则使用KF方案上一步迭代出的结果作为预测移动矢量x_p；步骤5.4.2.2，基于中尺度对流云团pMCS_u,i的质心位置和预测移动矢量x_p，得到中尺度对流云团pMCS_u,i在T_i+1时次的云团质心预测位置；然后，在红外亮温卫星遥感图像M_i+1中，确定通过步骤5.3面积重叠法AOL匹配无法成功的多个中尺度对流云团，假设共有y个，分别为pMCSc_1,i+1,pMCSc_2i+1,…,pMCSc_y,i+1；分别计算预测移动矢量x_p到中尺度对流云团pMCSc_1,i+1,pMCSc_2i+1,…,pMCSc_y,i+1质心的距离，分别为w₁，w₂…w_y，若w_j为y个距离中最短距离，j∈[1,2,…,y]，则pMCSc_j,i+1即为中尺度对流云团pMCS_u,i在T_i+1时次演变得到的云团；记录pMCS_u,i到pMCSc_j,i+1的质心运动轨迹，并继续追踪该质心运动轨迹；跳转到步骤6；步骤6，令i＝i+1，返回步骤2，进入下一步迭代过程；步骤7，由此追踪到多条质心运动轨迹；步骤8，对于追踪到的每条质心运动轨迹，判断是否满足以下两个条件之一：条件1：质心运动轨迹的持续时间大于轨迹持续时间阈值；条件2：质心运动轨迹对应的云团生命期中涉及到的各时次云团面积的最大值，大于等于第一云团面积阈值F1；如果满足，则执行步骤9；否则舍弃该质心运动轨迹；步骤9，判断质心运动轨迹对应的云团生命期中涉及到的各时次云团面积的最大值，是否小于等于第二云团面积阈值F2；其中，F2大于F1；如果满足，则认为该质心运动轨迹代表普通对流系统；否则，认为该质心运动轨迹代表超级活跃的对流系统。