王　華　楊乾鵬/林芝市氣象局

模式識別在氣象探測和信息處理中的應用

王華楊乾鵬/林芝市氣象局

隨著模式識別和氣象探測技術的發(fā)展，模式識別在氣象探測和氣象信息數(shù)據(jù)處理中應用較為廣泛。本文主要總結了在氣象領域內應用的一些方法，包括在基于聚類算法的雷電數(shù)據(jù)應用、神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)在暴雨預報中的應用以及基于多普勒天氣雷達探測資料中低空急流、龍卷、下?lián)舯┝骱完囷L鋒四種天氣現(xiàn)象的分類識別。

模式識別；氣象探測；聚類；神經(jīng)網(wǎng)絡

模式識別是20世紀60年代初迅速發(fā)展起來的一門科學，經(jīng)過幾十年的研究，取的了豐碩的成果，已經(jīng)形成了一個比較完善的理論體系，主要包括統(tǒng)計模式識別、結構模式識別、模糊模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡模式識別和分類器融合等研究內容。模式識別系統(tǒng)由信息獲取、預處理、特征提取和選擇、分類判決等4個部分組成。模式識別主要是應用在其它學科，尤其是在一些文本分類、語音識別、圖像識別、視頻識別，在本文主要是介紹模式識別在氣象探測和氣象信息處理中的應用，從而提高天氣的預報預測能力和氣象資料的分析處理能力。

一、基于聚類算法的雷電數(shù)據(jù)的應用

（一）研究雷電的背景和意義

本文分析了一種新的雷電數(shù)據(jù)應用方法。在這個方法中將會運用一種聚類算法——K-MEANS算法。氣象觀測活動中獲得的雷電數(shù)據(jù)通過該方法進行聚類分析，得出理想的雷暴體聚類中心，這些聚類中心是最佳的雷暴體參數(shù)信息的反應。通過對這一聚類結果的研究與分析，可以掌握雷暴活動中雷暴單體的生命演變過程，并可以預測雷暴的發(fā)展動向。

（二）雷電數(shù)據(jù)應用的現(xiàn)狀

雷電與災害性天氣（如龍卷、冰雹、超級單體和大風）的關系非常密切，這方面已經(jīng)有許多研究。觀測數(shù)據(jù)表明，云地閃的總數(shù)、閃電總數(shù)以及這些因素的綜合指數(shù)與災害性天氣有最直接的關系。天氣預報人員可以使用云地閃電數(shù)據(jù)進行大范圍天氣監(jiān)測和對流天氣短時預報。因為閃電演變特征能較好地指示對流的存在、產(chǎn)生、移動、消散、結構、范圍、強度和再發(fā)展等重要信息。雷電資料對雷達低仰角探測被地物遮擋的地區(qū)和國家邊界周圍以及沿海地區(qū)的作用尤為突出。對于因山地和大面積水域產(chǎn)生的局地強對流天氣，雷電數(shù)據(jù)對其演變的監(jiān)測和識別也具有重要意義。研究表明，一定情形下的云地閃與洪水、冰雹、暴雨、龍卷以及微暴流是密切關聯(lián)的。但這種關聯(lián)需要對不同的地區(qū)和不同的季節(jié)分別進行研究分析。這一課題的廣泛研究必須建立在對雷電網(wǎng)絡數(shù)據(jù)進一步分析的基礎上。

雷電探測網(wǎng)可以24小時連續(xù)監(jiān)測閃電的活動，跟其它探測設備相比，雷電探測系統(tǒng)還具有以下特點：

（1）雷電數(shù)據(jù)能夠有效地在大面積的雨區(qū)內區(qū)分出發(fā)展中的對流云。

（2）當衛(wèi)星云圖、氣象雷達或其它氣象資料缺乏時，雷電數(shù)據(jù)可作補充。

（3）實時的閃電數(shù)據(jù)可在數(shù)秒內報告雷暴的監(jiān)測結果，這是雷達和衛(wèi)星所不能企及的。

（4）雷電數(shù)據(jù)可以瞬間刷新，以幫助識別強對流天氣的區(qū)域和發(fā)展趨勢。

2.3K-均值法聚類和實現(xiàn)處理的大概步驟

1967年，MacQueen首次提出了K均值聚類算法（K-means算法）。迄今為止，很多聚類任務都選擇該經(jīng)典算法。該算法的核心思想是找出K個聚類中心 ，使得每一個數(shù)據(jù)點和與其最近的聚類中心的平方距離和被最小化（該平方距離和被稱為偏差 D）。

K均值（K-means）聚類算法（對n個樣本進行聚類）

（1）［初始化］：隨機指定K個聚類中心（）；

（2）［分配］：對每一個樣本，找到離它最近的聚類中心，并將其分配到所標明類；

（3）［修正］：將每一個移動到其標明的類的中心；

（4）［計算偏差］： ； （2-1）

（5）［D判斷收斂］：如果D值收斂，則return（）并終止本算法；否則，返回步驟（2）。

K-means 算法的優(yōu)點與不足。優(yōu)點：能對大型數(shù)據(jù)集進行高效分類，其計算復雜性為 O（tKmn），其中，t為迭代次數(shù)，K為聚類數(shù)，m為特征屬性數(shù)，n為待分類的對象數(shù)，通常，K，m，t＜＜n。在對大型數(shù)據(jù)集聚類時，K-means 算法比層次聚類算法快得多。不足：通常會在獲得一個局部最優(yōu)值時終止；僅適合對數(shù)值型數(shù)據(jù)聚類；只適用于聚類結果為凸形（即類簇為凸形）的數(shù)據(jù)集［3］。以經(jīng)典K-means算法為基礎，研究者們提出了很多新的改進的K-means 算法。

實現(xiàn)的大概步驟：

輸入：聚類個數(shù)k，包含n個數(shù)據(jù)對象的數(shù)據(jù)集。

輸出：k個聚類。

（1）從n個數(shù)據(jù)中任意選擇k個數(shù)據(jù)作為初始的聚類中心。

（2）計算每個數(shù)據(jù)點到聚類中心的距離，把數(shù)據(jù)點歸類到最近的聚類中心的簇。

（3）所有數(shù)據(jù)點分配完成后，再計算其聚類新的中心。

（4）將新的中心和前一次的聚類中心作比較，如果有變化則轉到步驟2，否則，轉到步驟5。

（5）輸出聚類結果。

二、神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)在暴雨預報中的應用

（一）研究暴雨的背景和意義

暴雨是我國夏季常見的一種影響嚴重的災害性天氣。某一地區(qū)連降暴雨或出現(xiàn)大暴雨、特大暴雨，常導致山洪爆發(fā)，水庫垮壩，江河橫溢，房屋被沖塌，農(nóng)田被淹沒，交通和電訊中斷，會給國民經(jīng)濟和人民的生命財產(chǎn)帶來嚴重危害。暴雨尤其是大范圍持續(xù)性暴雨和集中的特大暴雨，不僅影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而且可能危害人民的生命，造成嚴重的經(jīng)濟損失。暴雨的研究和預報，對提高防災減災能力有著重大的意義。

（二）神經(jīng)網(wǎng)絡技術在暴雨中的應用

神經(jīng)元網(wǎng)絡原理模擬人腦的學習、記憶、思維、推理機能，主要是利用其網(wǎng)絡模擬預報員從大尺度環(huán)境場中捕捉暴雨信息的能力。神經(jīng)網(wǎng)絡專家系統(tǒng)與傳統(tǒng)規(guī)則型專家系統(tǒng)亦不相同，傳統(tǒng)型專家系統(tǒng)的規(guī)則基于預報員長期的工作經(jīng)驗，規(guī)則之間要滿足嚴格的合諧性和完備性條件才能保證推理的正確性，而這兩點實際是很難達到的。神經(jīng)元網(wǎng)絡專家系統(tǒng)利用人工神經(jīng)元來模擬大腦的記憶和思維能力，用網(wǎng)絡權系矩陣隱式地表示知識，通過隱單元和節(jié)點作用函數(shù)實現(xiàn)非線性。通過訓練獲取知識，利用網(wǎng)絡對初值的響應實現(xiàn)推理功能。

大概步驟：依據(jù)在一段時間內暴雨的資料，將分布在一定區(qū)域的暴雨資料按照經(jīng)緯度網(wǎng)格化，組成神經(jīng)元網(wǎng)絡待選的感應神經(jīng)元輸入神經(jīng)元。利用具有一層隱結點的BP網(wǎng)絡，設定隱單元的數(shù)目為輸入神經(jīng)元數(shù)據(jù)量的一半，目的是使網(wǎng)絡具有良好的性能，通過BP網(wǎng)絡建立模式資料與發(fā)生暴雨發(fā)生所在地的站點降水資料的映射關系，通過網(wǎng)絡的學習功能，確定網(wǎng)絡權系矩陣，由此對大到暴雨以上的降水進行預報。

三、總結

本文簡單的從基于聚類算法的雷電數(shù)據(jù)應用；神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)在暴雨預報中的應用；上述方法參考了大量前輩的資料，這里只是一些總結及設想，有一些簡單的嘗試，還沒有大范圍的應用。目前模式識別技術在氣象領域的應用較為廣泛，隨著模式識別技術的快速發(fā)展，將模式識別技術應用到其中將會推動氣象技術的更加快速發(fā)展，會更充分利用好氣象資料，提高識別精度和處理效率。

［1］李弼成，邵美珍，等.模式識別原理與應用.西安：西安電子科技大學出版社， 2008

［2］王耀生.人工智能、模式識別在氣象領域應用的現(xiàn)狀與展望.北京：氣象，1987

［3］孫吉貴，劉杰，趙連宇.聚類算法研究.2008 Journal of Software， Vol.19， No.1，