基于FFT和小波變換的臺(tái)風(fēng)天氣GNSS ZTD周期特征分析

婁澤生 張高博 賈相宇 楊 晶 劉雨青

1 河北水利電力學(xué)院水利工程系,河北省滄州市黃河西路49號(hào),061001 2 滄州市遙感與智慧水利技術(shù)創(chuàng)新中心,河北省滄州市黃河西路49號(hào),061001 3 新疆大學(xué)地理與遙感科學(xué)學(xué)院,烏魯木齊市華瑞街777號(hào),830017 4 新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊市華瑞街777號(hào),830017 5 新疆大學(xué)智慧城市與環(huán)境建模普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊市華瑞街777號(hào),830017

臺(tái)風(fēng)是發(fā)生在熱帶洋面上的強(qiáng)烈氣旋性渦旋,是一種典型致災(zāi)天氣[1]。其中,99%的水汽集中于對流層,與云雨的分布有直接關(guān)系。臺(tái)風(fēng)具有巨大的能量,臺(tái)風(fēng)過境會(huì)引起區(qū)域上空對流層發(fā)生劇烈變化,帶來狂風(fēng)和風(fēng)暴潮,從而引發(fā)強(qiáng)降雨[2]。水汽在臺(tái)風(fēng)移動(dòng)過程中會(huì)不斷地吸收和釋放能量,從而影響電磁波信號(hào)的傳播,導(dǎo)致無線電通訊及衛(wèi)星導(dǎo)航定位異常[3]。因此,可以通過分析水汽對臺(tái)風(fēng)的響應(yīng),對臺(tái)風(fēng)軌跡及臺(tái)風(fēng)天氣中的強(qiáng)降雨天氣作出合理預(yù)測。目前,利用GNSS氣象學(xué)反演水汽的技術(shù)已發(fā)展成熟[4-5],其中中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(CMONOC)觀測站在現(xiàn)代天氣研究方面發(fā)揮著重要作用[6]。本文利用CMONOC觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行研究,以期為臺(tái)風(fēng)軌跡預(yù)報(bào)和氣象部門的臺(tái)風(fēng)災(zāi)害及極端降水預(yù)警等提供借鑒和參考。

1 研究數(shù)據(jù)

本文研究數(shù)據(jù)主要包括臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)、GNSS ZTD數(shù)據(jù)和降水?dāng)?shù)據(jù)。

1)臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)來源于中國氣象臺(tái)風(fēng)網(wǎng)(http:∥typhoon.nmc.cn/web.html),包含臺(tái)風(fēng)運(yùn)動(dòng)軌跡、起止時(shí)間、強(qiáng)度等信息,本文選擇臺(tái)風(fēng)經(jīng)過前3 d至臺(tái)風(fēng)結(jié)束期間數(shù)據(jù)(圖1和表1)。

圖1 臺(tái)風(fēng)軌跡及站點(diǎn)分布

表1 臺(tái)風(fēng)起止時(shí)間及研究站點(diǎn)

2)GNSS ZTD數(shù)據(jù)來自中國大陸環(huán)境構(gòu)造監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),涵蓋站點(diǎn)名稱、站點(diǎn)坐標(biāo)、數(shù)據(jù)采集時(shí)間、ZTD (單位mm)等信息。數(shù)據(jù)采集頻率為25次/d,等間隔時(shí)間采集。部分站點(diǎn)存在數(shù)據(jù)缺失,本文利用SPSS軟件進(jìn)行補(bǔ)缺。

3)降水?dāng)?shù)據(jù)來源于氣象網(wǎng)站(https:∥www.xihe-energy.com),降水量為小時(shí)數(shù)據(jù),單位mm。根據(jù)CMONOC站點(diǎn)坐標(biāo)獲得同區(qū)域同時(shí)段降水?dāng)?shù)據(jù),保證ZTD與降水的時(shí)空一致性。本文研究日降水量與ZTD短時(shí)序的對應(yīng)關(guān)系,將小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行日降水量計(jì)算處理。

2 數(shù)據(jù)處理

因?qū)α鲗友舆t數(shù)據(jù)中包含噪聲,會(huì)影響研究分析的準(zhǔn)確性,本文選用dbN 小波對對流層延遲數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換,分解后得到高頻系數(shù)與低頻系數(shù)。其中,高頻部分由各種干擾噪聲、異常突變、周期和隨機(jī)波動(dòng)等構(gòu)成,低頻部分則反映了對流層延遲的主要特征,如演變趨勢[7-8]。先將ZTD數(shù)據(jù)作小波變換,再進(jìn)行頻譜分析確定噪聲層;利用硬閾值去噪剔除噪聲層,然后將各層數(shù)據(jù)重構(gòu)得到剔除噪聲的對流層延遲數(shù)據(jù)。信號(hào)有時(shí)在時(shí)域上無法發(fā)現(xiàn)其特征,尤其是周期性特征,但如果將信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域,這些周期性特征就很容易顯現(xiàn)出來[8],快速傅里葉變換能將信號(hào)從時(shí)域變換到頻域。本文利用加漢寧窗的快速傅里葉變換對時(shí)間序列的周期信號(hào)進(jìn)行分析。

3 ZTD周期性變換研究

3.1 小波變化分析

為研究臺(tái)風(fēng)來臨前后水汽的變換周期,以隨機(jī)選取的2012年臺(tái)風(fēng)布拉萬、2016年臺(tái)風(fēng)尼伯特、2017年臺(tái)風(fēng)天鴿、2018年臺(tái)風(fēng)安比、2019年臺(tái)風(fēng)利奇馬來臨時(shí)期部分站點(diǎn)為研究對象,分別利用小波變換和快速傅里葉變換處理臺(tái)風(fēng)天氣ZTD(水汽)數(shù)據(jù)和正常天氣ZTD(水汽)數(shù)據(jù),通過對小波變換的不同層高頻周期項(xiàng)和快速傅里葉變換的頻譜進(jìn)行分析,探討臺(tái)風(fēng)事件對ZTD(水汽)變換周期的影響。

經(jīng)小波變換后,ZTD不同層高頻項(xiàng)具有不同的周期變化特征。圖2～6為不同臺(tái)風(fēng)不同站點(diǎn)采集到的臺(tái)風(fēng)天氣和正常天氣ZTD(水汽)數(shù)據(jù)經(jīng)小波分解后的D4項(xiàng)(日周期變化)結(jié)果,圖中,除了JSLY、JXJA、XIAM站點(diǎn)臺(tái)風(fēng)天氣和正常天氣的GNSS ZTD變化差異不明顯外,其余站點(diǎn)的GNSS ZTD臺(tái)風(fēng)天氣的振幅均比正常天氣大,變化更劇烈;臺(tái)風(fēng)天氣GNSS ZTD峰值大于正常天氣,說明臺(tái)風(fēng)天氣下水汽含量較高。同時(shí),經(jīng)小波變換后在開始和結(jié)束時(shí)相位相反,但變化過程中中部的相位變化基本一致,說明經(jīng)過小波變換后相同層的周期相同。

圖2 布拉萬臺(tái)風(fēng)實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)ZTD小波分解日周期變化

圖3 尼伯特臺(tái)風(fēng)實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)ZTD小波分解日周期變化

結(jié)合圖1、3和6分析可知,JSLY站點(diǎn)與臺(tái)風(fēng)中心相距較遠(yuǎn),與正常天氣相比,臺(tái)風(fēng)天氣ZTD變化不明顯。結(jié)合圖1和5分析可知,當(dāng)觀測站點(diǎn)與臺(tái)風(fēng)中心的距離較近時(shí),與正常天氣相比,臺(tái)風(fēng)天氣ZTD變化更明顯,與臺(tái)風(fēng)中心距離越遠(yuǎn)臺(tái)風(fēng)天氣ZTD變化越不明顯。圖4為沿臺(tái)風(fēng)天鴿軌跡縱向選擇的3個(gè)站點(diǎn)ZTD變化,其中GDZH、GXNN站點(diǎn)臺(tái)風(fēng)天氣ZTD振幅最先發(fā)生波動(dòng),GXBS站點(diǎn)變化較晚。其余臺(tái)風(fēng)天氣無論偏遠(yuǎn)或鄰近站點(diǎn),均表現(xiàn)為沿臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑,臺(tái)風(fēng)氣旋中心越早經(jīng)過,站點(diǎn)GNSS ZTD振幅波動(dòng)越早,并且與氣旋中心距離越近ZTD振幅越大,水汽含量越大。

圖4 天鴿臺(tái)風(fēng)實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)ZTD小波分解日周期變化

圖5 安比臺(tái)風(fēng)實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)ZTD小波分解日周期變化

圖6 利奇馬臺(tái)風(fēng)實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)ZTD小波分解日周期變化

3.2 傅里葉變換分析

因小波變換為時(shí)頻分析方法,且在頻域不易看出ZTD的主要變化周期,本文利用快速傅里葉變換(FFT)方法分析ZTD變化周期。

由圖7～11可以看出,經(jīng)快速傅里葉變換后ZTD在頻域具有很好的表現(xiàn)性,臺(tái)風(fēng)天氣變化周期與正常天氣變化周期分析見表2。

圖7 天鴿臺(tái)風(fēng)實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)

圖8 安比臺(tái)風(fēng)實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)

圖10 利奇馬臺(tái)風(fēng)實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)

圖11 尼伯特臺(tái)風(fēng)實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)

表2 不同天氣期間ZTD變化周期對比分析

結(jié)合經(jīng)小波變換后ZTD圖像分析可知,盡管臺(tái)風(fēng)來臨的時(shí)間各不相同,所有結(jié)果均顯示,兩種天氣條件下ZTD的變化周期不一致。結(jié)合表2(選取臺(tái)風(fēng)天氣和正常天氣第1個(gè)相對異常的峰值)和圖7～11可知,臺(tái)風(fēng)期間11個(gè)不同站點(diǎn)的ZTD變化周期均有所縮短,僅HECD、GXBS、HRBN站點(diǎn)的ZTD變化周期增大。臺(tái)風(fēng)天氣ZTD的周期相對于正常天氣發(fā)生了變化,同時(shí)JXJA、XIAM、JSLY站點(diǎn)ZTD在小波D4層日周期變化不明顯,不能很好地反映臺(tái)風(fēng)天氣和正常天氣的水汽變化周期,但經(jīng)快速傅里葉變換后這些站點(diǎn)在頻域有很好的表現(xiàn)性,均顯示出臺(tái)風(fēng)天氣ZTD變化周期相較于正常天氣縮短的特征。由小波變換分析和傅里葉快速變換分析可知,臺(tái)風(fēng)天氣能在一定程度上影響水汽的變化周期,臺(tái)風(fēng)天氣水汽的變化周期縮短[9],對應(yīng)地區(qū)的降水量增加[10]。

4 臺(tái)風(fēng)與水汽變化研究

4.1 不同臺(tái)風(fēng)事件中水汽變化分析

降水來自大氣中的水汽,大氣中的水汽也是維持臺(tái)風(fēng)動(dòng)力的主要成分,通過連續(xù)觀測GPS可降水量并了解其時(shí)空分布,對監(jiān)測和預(yù)測臺(tái)風(fēng)具有重要的意義。多位學(xué)者針對區(qū)域降水量與GNSS天頂對流層延遲、水汽的關(guān)系開展了相關(guān)研究[11-16],發(fā)現(xiàn)水汽值大小及其增幅與降水過程存在較好的對應(yīng)關(guān)系,并且對短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)或暴雨臨近預(yù)報(bào)有較好的指示意義[17]。為研究GNSS ZTD數(shù)據(jù)代替GNSS水汽的可行性,本文選取臺(tái)風(fēng)事件中部分鄰近區(qū)域及偏遠(yuǎn)區(qū)域GNSS基準(zhǔn)站,利用采集的ZTD數(shù)據(jù)對不同臺(tái)風(fēng)事件中的降水變化進(jìn)行分析。

4.2 臺(tái)風(fēng)前后臨近站點(diǎn)水汽分析

根據(jù)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)軌跡,隨機(jī)選取不同臺(tái)風(fēng)時(shí)期鄰近區(qū)域的GNSS基準(zhǔn)站,分析臺(tái)風(fēng)來臨前后GNSS ZTD和相關(guān)降水?dāng)?shù)據(jù)。由圖12可以看出,臺(tái)風(fēng)來臨前3 d,不同地區(qū)站點(diǎn)ZTD會(huì)發(fā)生較為劇烈的變化且均會(huì)產(chǎn)生降水;臺(tái)風(fēng)降水發(fā)生前后GNSS ZTD單峰結(jié)構(gòu)明顯,降水量與ZTD每日增幅有很強(qiáng)的對應(yīng)關(guān)系,并多次出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)GNSS ZTD劇烈升降的變化過程。

圖12 不同鄰近站點(diǎn)ZTD日周期變化與日降水量對比分析

4.3 臺(tái)風(fēng)前后偏遠(yuǎn)站點(diǎn)水汽分析

根據(jù)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)軌跡,隨機(jī)選取偏遠(yuǎn)區(qū)域GNSS基準(zhǔn)站,分析臺(tái)風(fēng)來臨前后GNSS ZTD和降水的關(guān)系。由圖13可知,在臺(tái)風(fēng)來臨前3 d,不同區(qū)域均會(huì)發(fā)生降水。對于遠(yuǎn)距離區(qū)域的臺(tái)風(fēng)降水,ZTD震蕩性越強(qiáng),波動(dòng)幅度越大,降水強(qiáng)度越大,并且在臺(tái)風(fēng)發(fā)生前一段時(shí)間內(nèi)ZTD會(huì)發(fā)生劇烈變化。

圖13 不同偏遠(yuǎn)站點(diǎn)ZTD日周期變化與日降水量對比分析

研究結(jié)果表明,臺(tái)風(fēng)降水量與ZTD變化有較強(qiáng)的對應(yīng)關(guān)系。對于遠(yuǎn)距離區(qū)域的臺(tái)風(fēng)降水,ZTD震蕩性越強(qiáng),波動(dòng)幅度越大,對應(yīng)降水強(qiáng)度越大;對于近距離區(qū)域臺(tái)風(fēng)降水,ZTD短時(shí)間內(nèi)的升幅越大,對應(yīng)的降水量往往越大。當(dāng)ZTD達(dá)到峰值時(shí),說明大氣中的水汽含量較高,為降雨的發(fā)生作好了必要的準(zhǔn)備,并且發(fā)生強(qiáng)降雨之前ZTD會(huì)發(fā)生急劇變化。同時(shí),通過對臺(tái)風(fēng)中心不同距離GNSS站點(diǎn)進(jìn)行對比分析得出,相較于之后經(jīng)過的GNSS基準(zhǔn)站,臺(tái)風(fēng)最先經(jīng)過的GNSS基準(zhǔn)站ZTD發(fā)生波動(dòng)早,且先經(jīng)過區(qū)域降水量比后經(jīng)過區(qū)域降水量大。

5 結(jié) 語

利用小波變換及快速傅里葉變換對不同臺(tái)風(fēng)不同GNSS站點(diǎn)的ZTD 數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,通過對ZTD日變化周期和日降水量進(jìn)行對比分析,得到以下結(jié)論:

1)與正常天氣相比,臺(tái)風(fēng)影響下GNSS ZTD周期會(huì)縮短,降水會(huì)增加。

2)對降雨過程進(jìn)行分析可知,在降雨發(fā)生前,ZTD會(huì)發(fā)生較為劇烈的變化,并達(dá)到一個(gè)峰值。

3)通過對臺(tái)風(fēng)中心不同距離的GNSS站點(diǎn)進(jìn)行對比分析可知,臺(tái)風(fēng)先經(jīng)過區(qū)域站點(diǎn)的ZTD比后經(jīng)過站點(diǎn)的ZTD發(fā)生波動(dòng)早,且先經(jīng)過區(qū)域的降水量比后經(jīng)過區(qū)域的降水量大。