Автоматический мониторинг тропических циклонов по данным метеорологических спутников Земли

• Автор: Еременко, Александр Сергеевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Владивосток
• Количество страниц: 104 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МОНИТОРИНГ ТРОПИЧЕСКИХ ЦИКЛОНОВ
1.10 тропических циклонах
1.2 Источники информации о тропических циклонах
1.3 Тропические циклоны, методы и подходы к их диагностике
1.3.1 Методика Дворака
1.3.2 Возможности диагностики ТЦ по микроволновым изменениям
1.3.3. Оценка макропараметров ТЦ
1.3.4 Автоматическое прослеживание ТЦ
1.4 Выводы по главе
ГЛАВА 2. АЛГОРИТМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЦЕНТРА ТЦ
2.1 Используемые данные
2.2 Алгоритм обнаружения «глаза» ТЦ
2.2.1 «Глаз» ТЦ
2.2.2 Критерий разделимости участков изображений по яркости
2.2.3 Эффективность работы алгоритма
2.3 Алгоритм обнаружения ТЦ и расчёта его центра
2.3.1 Структурные карты облачности в виде доминантных ориентаций термических контрастов (ДОТК)
2.3.2 Сопоставление направлений скоростей ветра в ТЦ с ДОТК
2.3.3 Обнаружение ТЦ
2.3.4 Оценка точности работы алгоритма
2.4 Сравнение разработанного подхода с существующими методиками
2.5 Проблема отбраковки ложных объектов
2.6 Выводы по главе

ГЛАВА 3. МЕТОДЫ УЛУЧШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЦЕНТРА ТЦ
3.1 Применение гиперболически-логарифмической спирали (ГЛС) для расчёта геометрии облачных полос
3.2 Использование вертикальных профилей температуры и влажности атмосферы для расчёта параметров ТЦ
3.3 Выводы по главе
ГЛАВА 4. СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГОМОНИТОРИНГА ТЦ
4.1 Схема работы системы построения треков ТЦ
4.1.1 Распараллеливание расчёта карта доминантных ориентаций термических контрастов (ДОТК)
4.1.2 Схема работы алгоритма обнаружения круговой циркуляции ТЦ
4.1.3 Фильтрация «ложных» объектов
4.1.4 Схема работы алгоритма поиска «глаза» ТЦ
4.1.5 Построение треков ТЦ
4.1.6 Трёхмерная структура ТЦ
4.2 Структура распределённой системы обработки
4.3 Результаты опытной эксплуатации системы
4.4 Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы
Обнаружение тропических циклонов (ТЦ) и определение их макропараметров (положение центра, геометрические размеры, перепад давления, максимальная скорость ветра) является одной из важных задач дистанционного зондирования атмосферы. Чаще всего ТЦ проходят над поверхностью океана, где в большинстве случаев недоступны прямые метеорологические и аэрологические измерения. Спутниковые методы обладают преимуществом по сравнению с традиционными методами измерения: частота получаемой информации (интервал между изображениями с геостационарных спутников достигает 15 минут); практически мгновенное покрытие больших площадей; высокая детальность изображений; возможность получения трёхмерной картины распределения характеристик температуры и влагосодержания атмосферы, а также параметров поверхности океана.
Спутниковые данные являются основой для мониторинга ТЦ. Поэтому актуальна проблема определения положения центра и макропараметров ТЦ. На сегодняшний момент времени широко применяется методика Дворака и её модификации. Она основана на анализе структуры облачности экспертами по изображениям с геостационарных спутников. Для её работы применяются спутниковые данные в видимом и ИК-диапазоне. Методика не позволяет проводить все расчёты полностью автоматически. По этой причине разные эксперты, применяя данный подход, могут давать различные оценки. Сравнение оценок параметров ТЦ Объединённого тайфунного центра США [59] и Японского метеорологического агентства [72], показывают различия в оценках местоположений центра ТЦ (50 — 100 км). Особенно большие ошибки на

разрешающая способность (от 6-16 км); в) необходимость во взаимной привязке и нормализации между различными сенсорами, а также коррекция геометрии сканеров. Рассматривая сам алгоритм можно выделить следующие недостатки в его работе: а) Необходимость задания начального приближения центра ТЦ. б) Способность алгоритма производить оценку центра ТЦ с приемлемой точностью только при наличии сформированных спиральных полос и облачной стены «глаза» на изображении. Таким образом в случае слабых ТЦ (находящихся на стадии зарождения или затухания) ошибки оценки положения центра ТЦ могу достигать 100 км и более.
1.4 Выводы по главе
Диагностика тропических циклонов является одной из важных задач современной метеорологии. Методика Дворака, применяемая для диагностики ТЦ в различных метеорологических агентствах, основана на дешифрировании изображений облачности ТЦ. Данная методика является полуэмпирической, а так же не полностью автоматизирована. Различные метеорологические агентства, использующие данную методику, дают различные результаты по диагностике ТЦ.
Использование микроволновых измерений для диагностики ТЦ имеет ряд преимуществ, таких как способность микроволнового излучения проникать сквозь плотную облачность и возможность оценки параметров ТЦ (температурная аномалия, скорость ветра, зоны осадков). В то же время, такие факторы как нерегулярность получения изображений с радиометров, их низкое пространственное разрешение, существенные погрешности при оценке