麦哲宁, 许东蓓, 孙继松, 等. 2024. 基于ERA-5高分辨率资料的高原低涡客观识别方法研究[J]. 大气科学, 48(5): 1991−2003. MAI Zhening, XU Dongbei, SUN Jisong, et al. 2024. Study on an Objective Identification Method for Qinghai−Xizang Plateau Vortices Based on ERA-5 High-Resolution Data [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 48(5): 1991−2003.
DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2208.22119
青藏高原是影响我国极端天气和气候事件的关键区，其复杂而高耸的地形，通过对大气环流产生动力作用和热力作用，成为影响周边乃至全球大气环流中的重要一环。高原低涡便是在这种特殊地形作用下的产物，它的发展变化往往会对下游地区灾害性天气的发生产生重要影响，如低涡东移出高原造成暴雨、雷暴等天气。此外四川盆地易受西南涡的影响而带来强降雨，而西南涡的形成与发展也与高原低涡息息相关。研究高原低涡的初生、演变和移动特征以及与大尺度环流变化的关系等，对深刻认识高原天气系统生消机理，改善青藏高原以东地区的灾害性天气预报预警水平都具有重要意义。
青藏高原上站点稀疏、观测资料缺乏导致所需高原天气系统数据集存在不完整，比如高原东部测站较西部多，若通过人工分析天气图的方式识别天气系统，可能会造成生成于高原西部的天气系统记录缺失。相比以往人工翻阅天气图的方式，客观识别方法最大的优点是能在一定程度上克服人工识别带来的不确定性，减轻人工识别的工作负担。
图 （a）步骤A与（b）步骤B的效果示意图。（a）中绿色圆点为特征点，（b）中不同簇的特征点以不同颜色的圆点作区分，蓝色十字表示低涡中心，下同。
本文设计出一套适配高时空分辨率网格资料的低涡客观识别算法。该算法分为两个核心步骤：特征提取以及路径追踪，核心思想是对每个单独时次的再分析资料进行特征分析，提取出分成不同簇的低涡特征点，其次将相邻时刻之间的簇作匹配度分析，将孤立的低涡连接成动态的、发展的低涡过程。
图 （a）《年鉴》编号为C1717及客观识别编号为04的低涡，（b）《年鉴》编号为C1737及客观识别编号为37的低涡的路径对比。红色、蓝色分别表示《年鉴》低涡及客观识别低涡。
本算法设定两套标准同步对格点进行特征提取，配合后续的路径追踪，做到尽可能不遗漏不同发展阶段的低涡。对低涡特征点进行DBSCAN聚类分析，可以较好区分不同形状和大小的簇，避免了用单个点作为低涡中心带来的不准确性。连接配对相邻时次的孤立低涡时不是简单地根据中心点距离进行判断，而是优先考虑两个低涡间的重合程度，能有效降低错误匹配。当遇到邻近多个低涡或低值系统干扰低涡连接匹配时，采用定义继承指数的方法，充分考虑前序低涡的既往生命时长及尺度，尽量避免新得到的低涡过程丢弃长生命史前序低涡的情况。以低涡特征点的平均位置代表低涡中心，能一定程度使低涡中心精确地位于闭合等高线的中心。同时用这些特征点与高原边界线的重合与否来定义低涡是否移出高原，能有效降低只用低涡中心进行判断而造成的误判。
本文客观识别采用资料的时间分辨率为1 h，格点也较前人使用的资料更为精细，故有可能将低涡在更早的生命时期提取出来，将《年鉴》中的“东部型”低涡进一步追溯到更靠西的位置。月际变化规律趋势与《年鉴》较为一致，典型的长生命低涡能被正确识别，因此可认为本文设计的高原低涡客观识别算法及其数据库具备一定的参考价值与实用意义。
