一种改进的识别和跟踪温带气旋的算法外文翻译资料

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ATM0SPHERIC科学的进展VOL．34，JULY 2017，909-924

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一种改进的识别和跟踪温带气旋的算法

卢楚翰

教育部气象灾害重点实验室/气候与环境变化联合国际研究实验室/气象灾害预报与评估协同创新中心，

南京信息工程大学，南京210044

摘要：在这研究，为热带以外的气旋的修改鉴定和追踪的算法被开发。这个鉴定计划基于技术与一个连接部件的标记方法相结合以便检测外部边界和单个气旋的空间领域特征的三角形网孔的 contouring。允许的一个新追踪方法气旋合并并且切开事件的鉴定，以及短命暴风，被开发在追踪热带以外的气旋减少无常。我也证明这个方法排除将不必要地用常规 NCP 方法被检测的开的系统的轨道。气旋频率的分发的 climatological 特征在与在以前的研究看见的那些相比的传统的暴风雨轨道区域上是实质地更大的。有趣地，在北极的气旋密度的重要增加发生在所有四个季节期间(多达 19% 在夏天) 与纬度经度 gridded 网孔分析看那相比。我基于气旋的领域开发二个新地区性的紧张索引(深度和涡度) 更好确定在北极区域的气旋的活动，并且发现在这二个索引的 interannual 可变性是高度一致的。这分析的结果可以经由从这个 cyclonic-domain-based 算法导出的最新检测的 2D 气旋地图集是高纬度的气旋的行为研究清楚些。

关键词：温带气旋，自动检测，多尺度，北极涛动

引用：Lu，C.H，2017：用于识别和跟踪温带气旋的改进算法.Adv.Atmos.Sci。34（7），909-924.doi：10.1007 / s00376-017-6231-2。

1.介绍

研究和记录温带气旋气候的行为具有很大的社会重要性，因为这些系统通常伴有强风和强降水。气旋也是经向热量，能量和空气质量再分配的主要运输者（Hu et a1。2014）。关于东亚温带气旋的气候特征，近年来基于自动识别和跟踪方法取得了新的进展。Hu 等人（2010）研究了中国东北地区冷涡的气候特征，并提出了有冷的斡旋活动可能会影响局部和偏远的气候异常，并导致某些“气候影响”。Zhang 等人（2012b）报道，西西伯利亚蒙古和东亚海岸是东亚气旋的主要形成区域;他们指出，东亚内陆很少出现爆发性气旋。Chen 等人（2014）发现，中国的气旋和反气旋活动显然是不对称的，它们的变化与东亚对流层上层喷流有密切关系。

近年来，全球范围内气旋活动对外的气候增加有显著变化。为了有效地测量气旋活动，已经提出了一系列自动识别和跟踪气旋的算法（Murray和Sim-monds .1991 Hodges，1994; Zhang et al。2004年; Wernli和Schwierz，2006年Rudeva和Gulev，2007年; Wang et a1.2009）。比对项目称为IMILAST，并且已经开展了15种常用的检测和跟踪算法，以全面评估与方法相关的不确定性（Neu et a1.2013）。然而，由于温带气旋结构相对模糊，探测和跟踪气旋非常复杂（Neu et a1.2013）。

识别气旋中心是气旋探测和跟踪的第一个基本步骤。压力或相对涡度的拉普拉斯最小压力或最大值通常被确定为气旋中心。压力或相对涡度的局部压力最小值或拉普拉斯算子的最大值通常被识别为气旋中心。一些研究还进行了空间截断，以消除识别前的大规模背景条件（Hoskins和Hodges，2002）。一旦注意到气旋中心，它的位置和强度，由压力或相对压力表示（Simmonds和Wu，1993; Zhang et a1.20l2a），一旦检测到潜在的气旋中心或跟踪阶段后，可以确定其他特征，例如气旋的循环，大小，深度和半径（Nielsen和Dole，1992; Sinclair，1997; Simmonds，2000年; Wernli和Schwierz，2006; Rudeva和Gulev，2007）。气旋范围可以说是系统强度的现实可靠的量化。这一特征可用于研究气旋与极端降水之间的局部物理关系（Finnis et a.2007; Raible et a.2.2007; Hawcroft et a1.2012; Pfahl和Wernli，2012）。尽管很难确定具有复杂形状的气旋区域，但已经提出了一些确定气旋区域的方法。Sinclair（1997）将气旋的外边界定义为涡度的零轮廓.Simmonds（2000）和Simmonds和Keay（2000）使用从气旋中心到径向导数点的径向搜索来估计气旋大小。海平面气压（SLP）降至零。Wernli和Schwierz（2006）提出了一种直接检测最外侧闭合SLP轮廓的新方案。继Wlernli和Schwierz（2006）之后，Hanley和Caballero（2012）最近开发了一个多中心气旋识别和跟踪的客观方案。

在二维中检测旋风的特征区域也简化了温带气旋跟踪方法中涉及的复杂环境。例如，在连续时间步骤中将两个相邻候选旋风中心相关联的传统邻居中心点（NCP）方案在IMLAST（表1中的10-13）中是简单且流行的。然而，仅NCP计划难以识别伴随两个以上NCP的旋风轨迹。当两个或多个相邻旋风分离器被相同的凹陷（旋风合并）包围时或者当一个凹陷被分成几个子系统（旋风分离）时尤其如此。在这些情况中的任何一种情况下，对旋风轨迹的识别变得更加困难。或者，连接重叠特征区域（C0FA）方案，将两个旋风系统与连续图表中的阴影特征区域连接起来，可以有效地降低跟踪旋风合并或分裂事件的复杂性（例如，Hewson，2009; Inatsu，2009; Hanley和Caballero，2012）。此外，NCP方案中的最大位移条件，当它们相距足够远时断开两个相关中心，不需要C0FA方案。然而，一个潜在的问题是，仅COFA方案可以忽略没有重叠区域的快速旋风。

到目前为止，外部气旋边界检测方案的发展仍然是一个挑战。首先，很难准确地识别出一组封闭的轮廓。其次，即使最外面的气旋轮廓也是分界的，并且在定义实际气旋区域方面存在不确定性。此外，单个大气场可能无法很好地描绘旋风器位置的极值（Ulbrich等，2001），或者系统的早期阶段，即使存在强大的背景流和强大的压力梯度。因此，Rudeva和Gulev（2007）认为“对旋风大小进行完整的定量表征在方法和物理意义上都是一项艰巨的任务”。

为了过滤一些局部热量低点，许多现有的跟踪方案使用最小生命周期来省略短寿命旋风。例如，Neu等人中的61％的方案。（2013）应用此标准，尽管有各种最短寿命，如表1所示。排除短寿命旋风的另一个潜在原因是由于减少在跟踪期间包含开放系统（当地压力最小而没有封闭的等压线）和其他封闭旋风中心内或附近的低温而引起的困难和不确定性。因此，24小时的最小寿命是固定的Neu et al（2013）中的所有方法。但是，短时旋风，例如低于或低于截止低点的旋风，可以对当地天气的影响很大[例如2009年12月底的Xola风暴（Pinto和Silva，2010）]。例如，Hewson（2009）报道，在北大西洋，29％的气旋性能不到一天，关于Met Oflice的全球模型预测。亚天气旋风是春季长江 - 淮河流域最常见的旋风系统（68.6％）（Qin等，2017）。

表1.参与IMLAST的不同旋风识别和跟踪方法的当前研究中关注的一些方面的简要描述

在本文中，我将重点关注2D气旋场中温带气旋的客观自动识别和跟踪。因此，通过遵循Wemli和Schwierz（2006）的最外侧气旋轮廓方案的路径，开发了修改的识别方案以及新的NCP-COFA组合跟踪方法来检测温带气旋的轨迹和区域。使用35一年欧洲中心天气预报（ECMWF）中期重新分析（ERA-Interim）高分辨率数据集评估我的算法的性能。

2.数据

本研究使用从1979年1月1日到12月31日的ERA-Interim数据集（Dee等，2011）。这种再分析数据集在全球范围内可用，具有相对较高的六小时时间分辨率，并且循环模式（包括旋风分离器）受到观察的良好约束。我使用完整的T255【5I2（Lon）x256（lat）】高斯网格，其全局水平分辨率大约为0.7°times;0.7°。与大多数先前的研究相比，该分辨率相对较高。为了减轻地形对我的结果的影响，我选择850hPa水平（Z850）的位势潜在高度场并过滤掉gt; 1500m的地形和青藏高原地区（20°-45°N，65°一110°E）。Z850的选择还有助于比较相对涡度与深度，以量化相同压力水平下旋风分离器内的强度，如第5节所述。本研究的重点是北半球的温带气旋。因此，研究区域是20°N的极向域。北极涛动（AO）的月平均指数来自http://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/precip/CWlink/dailyao-index/ao-index.html。

3.识别和跟踪

3.1.检测旋风中心

检测旋风中心是识别非旋风系统的第一个基本步骤。与先前研究中应用的标准类似，旋风中心候选被确定为Z850网格点，其低于纬度-经度网格上的所有八个周围网格点。该局部最小条件相对较宽并且需要在封闭轮廓搜索阶段上进行多次迭代，因为需要对每个旋风中心候选者进行该过程。作为一个例子，我展示了2002年6月30日为0000 UTC数据集确定的气旋中心候选者在图1a中。在这个任意选择的日期，有许多没有明显气旋形状的开放系统候选者，以及低压系统。可以应用进一步的限制来减少未闭合的候选人（Murray和Simmonds，1991; Pinto等人，2005; Wang等人，2006）。在这项研究中，第一个轮廓是否被封闭是一种有效过滤开放系统的直观方式。

除了大量的开放候选人之外，在北冰洋内部还发现了一个有两个中心的强大低压系统（图1a）。我发现在两个错误检测到的中心有两个相邻的带状网格具有相等的局部最小值，如上面强烈的北极旋风。这种不正确的检测是由于网格区域接近极点（即子午线的会聚）的显着减少，使得气旋中心候选网格点处的值可能无法与其相邻的八个网格点清楚地区分开。在这种情况下，九点局部最小值方法将错过候选者。随着水平分辨率的增加，这种模糊性得到增强。为了缓解这些问题，可以应用aspatial smootherf（Sinclair，1997）或proiection transformation（Simmonds和Murray，I999; Serreze和Barrett，2008; Hanley和Caballero，2012）。然而，Neu等人（2013）中只有五种方法在北极地区应用了数据转换（表1），而其他一些方法最初是为区域性气旋活动研究而设计的。在这里，我将Z850场在60°N以北重新划分为100kmtimes;100km版本的国家冰雪数据中心北极地球（EASE）网格（Armstrong和Brodzik，1995），并将这个新网格区域与 原始高斯网格从20°N到60°N。因此，具有混合网格的网格准等面积投影被应用于北方温带。北极地区网格的空间分布具有与中纬度和低纬度相当的水平分辨率（图1c）。

在将Z850场投影到上述修改的网格上之后，可以改善高纬度候选者的识别。 如图1b所示，俄罗斯北部和巴芬湾附近的四个公开候选人将被自动消除。这个结果反映了当使用常规纬度-经度网格网（Sinclair，1997）时极性区域中较高的旋风中心计数的偏差，这可以通过我的方法得到缓解。另外，图1a中前面提到的错误检测的北极旋风分离器展示了具有相同封闭轮廓的两个旋风中心候选者。第5节将更深入地讨论如何改进北极气旋的识别。

图1.（a，b）使用（a）纬度-经度网格和（b）EASE网格在2002年7月30日0000 UTC的Z850（20加仑/分钟间隔）旋风中心检测的示意图。（c）高纬度地区100公里X 100公里EASE网格的空间分布。灰点表示检测到的旋风中心候选者的位置，黑点表示具有封闭外轮廓的最小旋风中心的位置。（b）中的黑线是北冰洋东部旋风分离器的最外侧封闭轮廓，其值为1270 gpm，由我的算法检测到。

3.2.旋风系统的识别

与Wernli和Schwierz（2006）方案相反，引入了一种新的三角形填充轮廓方法，以在每个时间步长从Z850场检测旋风分离器的最外轮廓及其域。三角形填充轮廓方法也称为三角形网格轮廓，广泛用于计算机图形编程（Boissonat，1984）。此方法包含两个步骤：轮廓搜索和网格填充或“着色”。

3.2.1.气旋轮廓的集合

在旋风相关的封闭轮廓搜索过程中，我介绍了旋风相关轮廓搜索过程中的三角网格轮廓绘制技术。这种方法明显不同于以前的研究。切割点的值在所选三角形的任意两个顶点之间线性插值。如果轮廓值与任何三角形顶点的值不同，则此三角形中的切割点数必须小于2。在大多数情况下，轮廓仅在每个三角形中切割两次周长。因此，使用三角网格技术是为了更好地描绘旋风器的形状并降低该阶段的不确定性。附录B详述了我如何构建北半球温带地区的三角形网格。图2显示了如何确定轮廓的示意图，Qin 等人，（2017）中记录了如何获得最外侧封闭旋风轮廓集的详细信息。我使用4 gpm作为封闭轮廓搜索的轮廓间隔，因为我发现在北方温带地区绘制Z850时，这个区间的轮廓是静密集的。第8节将讨论分析对轮廓间隔选择的敏感性。

图2. 封闭轮廓搜索算法的草图，具有基于顶点处的斜率的内插Z850轮廓点（灰点）。箭头表示跟踪方向，黑点表示旋风候选的中心。

3.2.2.旋风域的定义

旋风系统域的定义基于网格填充或区域阴影技术，并且有助于描绘由具有不同几何形状的旋风器引起的循环方案。“经典有序边缘”方法（Newman和Sproull，1979），在每个公共纬度或经度的序列中填充两个或多个端点之间的网格，经常应用于阴影区域。当每个结构中有两个以上的端点时，此过程会导致复杂性增加。或者，已经设计了一种迭代方法来自动检测旋风系统的最外轮廓或“界面”内的域

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