增強顯示雲圖

增強顯示雲圖是指根據不同的研究目的和要求用對數、指數和線性等不同增強方式，用預定的亮度灰階揭示出雲頂各處的溫度特徵，辨別雲區邊界的溫度梯度、雲區各處的對流旺盛程度和範圍，以及雲頂高度等。

基本介紹

• 中文名：增強顯示雲圖
• 外文名：Enhanced display cloud
• 描述：雲區溫度、對流、高度等的圖形
• 套用：熱帶氣旋
• 學科：氣象學

概念

增強顯示雲圖是一種運用紅外雲圖確定大氣流動狀況的方法。根據云圖的雲特徵指數推算熱帶氣旋中心附近的最大風速、最低海平面氣壓等的對應關係。

用增強顯示雲圖確定熱帶氣旋強度的方法

Dvorak在1972年提出了用衛星雲圖估計熱帶氣旋強度的方法，1975年和1980年曾作過修改，1984年又提出了用增強顯示紅外雲圖分析預報熱帶氣旋強度的方法，但其方法比較繁瑣，用起來比較麻煩。為在業務工作中使用方便，我們根據西北太平洋與南海熱帶氣旋的雲系特徵，對上述方法作了改進，編寫了《用衛星雲圖預報颱風的方法》，其中估計熱帶氣旋強度的方法操作簡單，使用方便。但本方法仍存在主觀性，有些雲特徵指數取決於預報員的經驗，而且對40m·s^-1以上的強颱風，只能根據定性判據，確定其強度為40-60m·s^-1。自1987年8月關島飛機停止探測以來，用衛星雲圖來確定熱帶氣旋強度在業務工作中尤為重要。因而，我們用增強顯示紅外雲圖資料對原有的雲特徵指數進行修改與調整，使改進後的用雲圖確定熱帶氣旋強度的方法更客觀化、定量化，並適用於各種強度的熱帶氣旋，且精度(誤差在士5m·s^-1之內)滿足業務套用需求。

增強顯示雲圖介紹和因子的選取

中央台所用的增強顯示紅外雲圖，實際上是一張雲頂和地表溫度的分布圖，或是一張雲頂相對高度分布圖。對紅外雲圖作增強處理，是根據不同的研究目的和業務使用要求，用對數、指數或線性等多種不同的增強方式，來突出所關心的那部分雲區的雲頂溫度分布或地表熱狀況，用事先規定好的灰階表示出來。中央台1983年以來所用增強曲線如圖1所示。

圖 1 中央氣象 台1983一1988年所用的增強曲線

在增強顯示圖片中，採用在雲頂溫度大於-3℃時進行下增強，即圖片的灰度等級與雲頂溫度呈線性關係，溫度小於-3℃對採用等級增強，即一個灰度等級對應一固定的溫度範圍。增強灰階與溫度的對應關係見圖1。

雲圖確定熱帶氣旋強度的方法中選用了眼區(或環流中心)、濃密雲區和螺旋雲帶的特徵作為因子。熱帶氣旋雲系主要由眼區(或環流中心雲區)、中心濃密雲區和螺旋雲帶三部分組成，其強度可以用這三部分雲系的演變特徵來描述。.如熱帶氣旋強度較弱時，其中心位於濃密雲區外邊，隨著強度的逐漸增強，環流中心依次從雲外移進雲區邊緣或進人濃密雲區內部，形成颱風眼。颱風眼愈小愈圓，眼區溫度愈高，颱風則愈強。同樣，濃密雲區，螺旋雲帶與熱帶氣旋的強度也有對應的關係。根據云系的特徵，選取因子，對每個熱帶氣旋讀取數據，經過統計與調整，得到雲特徵指數，用其來表征氣旋的強度。

研究利用增強顯示紅外雲圖能表達雲頂溫度和眼區溫度的特徵，在確定颱風強度的雲指數時，在文獻的基礎上增加了下列因子：

(1)在環流中心指數中，考慮了環流中心位置與最冷雲區邊緣的距離。

圖 2 環流中心指數及其特徵

(2)在眼指數中，用了眼區的溫度和直徑的大小。

(3)在中心濃密雲區指數中，除考慮濃密雲區的面積外，採用了中心強對流雲區頂部的最低溫度。

(4)在確定螺旋雲帶指數時，用了螺旋雲帶的最低雲頂溫度和螺旋雲帶的條數。

資料與方法

用增強顯示圖片確定熱帶氣旋強度的方法，是根據云系的特徵與熱帶氣旋強度的對應關係，用雲特徵指數來表征熱帶氣旋強度。其方法簡述如下：

表1 眼指數

（1）確定眼指數(或環流中心指數)A

A=A1+A2

眼指數A有兩種情況，無颱風眼時，用環流中心指數A1表示，A=A1，A2=0；有颱風眼時，用眼指數A2表示，A=A2，A1=0，A2=E1+E2+E3。

圖3 眼的形狀特徵

在熱帶風攀階段，通常是無眼的。無颱風眼時，根據熱帶氣旋環流中心與濃密雲區的相對位置來確定環流中心指數A1值。而環流中心的類型、特徵由圖2給出。

有颱風眼時，分別根據颱風眼的形狀、直徑和眼區的溫度(表1)來確定指數E1、E2和E3。

眼的形狀特徵見模型圖3。其中大眼、橢圓眼的直逕取長短軸的平均值，不規則的眼、螺旋眼一般不計算E2。

（2）確定濃密雲區指數B

B=B1+B2

沒有濃密雲區時，指數B=0。

當環流中心在雲外、雲襄的邊緣或進入濃密雲區的中心(稱CDO))時，則根據強對流雲區或CDO的最低雲頂溫度和雲頂溫度<-57℃的面積，分別確定B1和B2(見表2)。

表 2 濃密雲區指數

（3）確定螺旋雲帶指數C

C=C1+C2+C3

根據螺旋雲帶的最低雲頂溫度，雲帶的長度(用螺旋弧度表示)和螺旋雲帶的條數(見表3)，分別確定指數C1、C2和C3。當只有中心強對流雲區而無明顯外螺旋雲帶時，指數C=1.0。

表 3 螺旋雲帶指數

（4）確定熱帶氣旋強度雲指數I

I=A+B+C

（5）確定熱帶氣旋中心附近最大風速V_max

上述方法求得1904組熱帶氣旋強度的雲指數，經擬合得到，熱帶氣旋中心最大風速V_max（ms^-1）與指數I的線性關係式為：

V_max=5.4268I-26.9475

誤差分析結果為：平均絕對誤差為3.25ms^-1，標準差為4.16ms^-1。

研究結論

本方法能夠比較客觀和定量的求出熱帶氣旋中心的強度值，且使用起來比較方便，在GMS實時系統接收完雲圖後，在微機上只需1-2分鐘，便可得到熱帶氣旋強度值。但還存在以下問題：

(1)對於強熱帶氣旋(55m·s^-1以上)多數I-V_max值偏於擬合線之下，是由於兩個原因造成的：其一，這類強熱帶氣旋的雲頂最低溫度在-80C以下，而圖l給出的增強曲線在-74C以下均為白色灰階，不能準確表征其強度值；其二，增強曲線(圖1)在高於-33C時採用下增強，因此眼區溫度的確定誤差較大，影響強度的確定。這類問題，在套用了GMS高分辨展寬數值雲圖資料實時接收系統及徽機處理後，將逐步解決。

(2)當熱帶氣旋較弱時，常由一片白色雲區覆蓋，中心位置難以確定，影響環流中心指數A1的確定。我們正在研究無眼熱帶氣旋客觀化的雲圖定位方法，以便得到較精確的熱帶氣旋的中心位置，來支持我們確定強度的方法。

(3)當I≥8.2時，V_max=17.6m·s^-1，達熱帶風暴強度；I≥9.5時，V_max=24.6m·s^-1，達強熱帶風暴強度；I≥11.0時，V_max=32.7m·s^-1，達颱風強度；I≤8.0時，即為熱帶低壓強度。I的最低取值範圍，尚不能確定，因在歷史樣本和檢驗資料中，I最小值為7.4，相應的V_max只有13.2m·s^-1，達弱熱帶低壓強度，有一定的誤差。這是此方法的不足之處，將在後續工作中逐步完善，繼續改進。

對增強顯示雲圖的數位化處理

隨著氣象探測手段的不斷改進，氣象信息正在向快速、準確、數量化轉變，數字衛星雲圖也屬其中之一。我們在引進的小型衛星雲圖數位化實時處理系統上，作了二次性開發，提取列印的數字雲圖信息。研究旨在介紹所採用的方法，並對列印結果進行簡要說明。

以APPLE型微機為主處理機的小型衛星雲圖數位化實時處理系統，可以分別對日本GMS-3同步低分辨雲圖及美國NOAA系列極軌低分辨雲圖進行增強處理和準實時快看，對NOAA低分辨雲圖還可實時疊加定位網路。國家氣象局對此系統已在全國氣象系統進行推廣。該系統通過增強傳真圖片及偽彩色增強實時快看，為我們提供了一些半定量的雲圖信息。但如果在實現傳真圖片增強及偽彩色螢幕顯示(對極軌雲圖要加上定位格線，實現螢幕圖象翻滾)的同時，再由計算機列印出一張數字雲圖，無論從記憶體上還是時間上，主處理機APPLEI都是難以勝任的。為此，必須從實時系統所保留下來的信息中再次提取。儘管我們只得到了6個等級(5條亮度溫度線)的數字雲圖，但由於其獲取的速度及其結果的準確直觀，對資料的二級傳真廣播、存貯、存檔都具有較大的優越性。

原系統的主要工作特點

（1）APPLE的視頻顯示特點

APPLE的視頻顯示是利用系統RAM存貯器中的信息來實現的。每1個存貯單元中的數值，拉制螢幕上的1個字元，在高分辨圖象顯示方式下，共有6種顏色(黑、自、紫、綠、紅、蘭)。圖象容量為280×192的矩陣，共有53760個點。它具有兩個圖象緩衝區，分別稱為“首頁”($4000—$5FFF)和“次頁”($2000—$3FFF)。每1頁使用了1個較大的存貯區，共占8192個單元。螢幕上的1個點，表示圖象緩衝區內的1位。但每1個位元組只有7位顯示在螢幕上，餘下的1位(最高有效位)用以確定此位元組其地位的色彩。此位若為“O”，則對應的螢幕點為黑色；若為“1”，那么它的顏色跟該位元組的最高有效位及該點在螢幕上的位置有關。具體顏色的確定遵循以下規則：①在偶數位的點必定是黑色、紫色或蘭色；②在奇數位的點必定是黑色、綠色或紅色；③每個位元組必定是紫/綠位元組或蘭/紅位元組；④即使兩個點分別屬於不同的位元組，如果並排在一起，都將顯示白色。以上規則，決定了APPLE屏顯的“位元組”著色特點。同其他一些“點著式”微機相比，顯示功能是有很大的缺陷。

（2）現有處理系統的快看裝置

我們引進的雲圖處理系統，在接收雲圖信號的同時，準實時地在螢幕上顯示出6種偽彩色的增強雲圖，其各種顏色均對應原圖上的一定灰度級數。6種經過標定的偽彩色就分別對應著一定的亮度溫度範圍，使快看系統具有定量化的意義。

圖4 原灰度等級與偽彩色的對應關係

該系統偽彩色的標定過程，是在偽彩色著色前完成的。系統在A/D上採樣後，首先進行自電平訂正，然後對原信息上的16級灰度進行採樣，對圖象信號中的原16個灰度級進行一定的歸併，用6種顏色在螢幕上顯示，從而勾畫出5條明顯的亮度溫度線。原灰度等級與偽彩色的歸併關係可見圖4。

系統對圖象信號歸併和確定顏色後，再按照APPLE高分辨的顯示規則，將這些數據存入圖象緩衝區，在螢幕上實現偽彩色增強快看雲圖。因此，在APPLE的高分辨圖象緩衝區，保存著數量化了的雲圖信息。

列印輸出數字雲圖的實施方案

已存貯在高分辨圖象緩衝區內的數據，與螢幕上的偽彩色增強雲圖相對應。但緩衝區每個單元內的數據，本身並無直觀的信息含義。它們都是按APPLE高分辨顯示著色規則，由7個位(bit)組合成的一個數。如何將這個數再轉變成7個包含各自信息的數，是我們列印輸出數字雲圖的關鍵問題。起初，我們從1個位元組的整體入手，對每個單元內的7個數進行平滑，然後作為1個數字信息列印出來。在此之前，我們對每個位元組的顯示設計了模式，共300多種(還遠沒有包括各種可能)。這樣在橫軸上共列印出了40個信息點。為了使列印的數字圖在形狀上不過於失真，我們在縱座標上進行了抽樣。對192個顯示行只取了24行，每隔8行抽樣一次。於是打出了一張24x40的數字圖。在此圖中，我們可以大致看出系統的結構。但也有以下幾個缺陷：①空間解析度大大下降，橫軸方向為原圖的1/4，縱軸方向只有原圖的1/8，大量的信息被丟失；②每個位元組中的信息被平滑，而我們所設計的位元組顯示模式有限，對列印結果的準確性產生了一定的影響；③經緯線特別是經線，由於抽樣，兒乎無法辨認，對系統的定位產生影響。

能不能列印出一張具有原空問解析度，而又不產生太大形變的數字雲圖呢?辦法之一是對每個位元組的彩色顯示設定模式中的每一個位元組的數值，並還原成7個顯示點信息。使每個位元組的數值代表了原有的信息量。採用這種方法的途徑，就是建立位元組顯示模式。這種模式種類繁多，從工作量及工程的精練上講，這種方法是不足取的。我們採用了另一種辦法，即對每個位元組的各個位逐一進行判斷和還原，然後重新編碼，列印輸出。這樣，就形成了在程式中判斷每一位元組的各個位所代表的灰度范l封。我們採用彙編語言編製程序來完成這部分工作。至於列印格式及所必要的人機對話，則用BASIC程式來實現。

圖5 子程式的邏輯框圖

數字雲圖的實現

APPLE在高分辨顯示方式下，每行共有280個點。但由於其視顯的特點，致使一半的點是非信息點，它們呈顯黑色。因此，事實七每行只有140個點是包含數量化雲圖信息的。APPLE微機所配的RX—80單色印表機，其最大行寬只有132字，這樣不得不捨去每行上的兩個位元組(7個信息點)。對每1位元組各個數位的信息還原判斷，我們用彙編語言編制了子程式(圖5)。

圖6 原空間解析度的區域數字雲圖(局部)

經以上判斷，確定各個位所代表的灰度範圍後，我們將重新編好的新數字碼，通過一些監控子程式，按人機對話所規定的要求列印輸出。在輸出方式上，我們採用了符號輸出。因APPLE的64個ASC碼中，有一些符號只占一個數字元的1/2，可以充分壓縮行間距，不使數字圖產生太大的形變(圖6)。若直接採用數字輸出，則列印結果會被拉長一倍，使數字雲圖產生形變。根據不同對象，我們同樣可以實現分區同步數字雲圖，或包括定位格線的極軌數字雲圖的列印輸出。

研究結論

研究主要是以紅外數字雲圖為主。數字雲圖上的符號各代表了一定的亮度溫度範圍。如果對可見光雲圖進行處理，數字雲圖同樣具有數量化的信息。這時圖上的各符號代表的是一定的反照率範圍。衛星雲圖的數量化處理，內容是很多的。我們只獲得了增強傳真雲圖、偽彩色顯示雲圖以及數字雲圖。這些資料還沒有將衛星雲圖所含的信息充分提取出來。今後，我們相信還會有更多的數量化資料被提取出來，現有的系統將會不斷完善和提高。