第２６卷 第６期 气 象 科 学
２００６年１２月 ＳＣＩＥＮＴ 垦！垦
Ｖｏ１．２６，Ｎｏ．６
Ｄｅｃ．，２００６
空 间聚 类在 ＭＣＳ动 力场 特 征 分 析 中的应 用
过 仲 阳 戴 晓燕 吴健 平 顾 星 晔 林 珲
（１华 东师范 大学 地理信 息 科 学 教 育部重 点 实 验 室 ，上海 ２０００６２）
（２香港 中文大学地理 系地球信息科学联合实验室 ，香港）
摘 要 空 间聚类作 为数据挖掘的关键技术之一 ，是 一种 能从 大 型 数据 集中提取和挖 掘 空 间
数 据 分 布特 征 的 有效 方法 。本 文 利 用 环 境 物 理 量 场 数 值 格 点 预 报 值 ，运 用 空 间 聚 类 中 的 ＣＬＡＲ—
ＡＮＳ法 对 夏 季 影 响 青 藏 高 原 上 中尺度对流 系统 （ＭＣＳ）东移的动力场 （涡度场 、散度 场 和垂直速 度
场 ）的空 间 分 布 特 征 进 行 了分析 。研究发现 ，在青 藏高原 地 区 的大气低 层 ，ＭＣＳ中心 位 置 的西 侧
存 在着强辐合中心和垂直上升 中心 ，加之 向 东 的 正 涡 度 平 流的共 同作 用构成 了有利于 ＭＣＳ发展
和东移传播 的重要动力学条件 。这不仅有助 于深 入对夏季 青藏高原上 ＭＣＳ发生 、发展 的动力学
机制的 了解 ，而且对 于提高暴雨和强对流天气的预报能力具有重要 的现 实 意义 。
关键词 青藏高原 中尺 度 对 流系统 动力场 ＣＬＡＲＡＮＳ法
分 类 号 Ｐ４１３ 文 献 标 识 码 Ａ
引 言
我 国夏季长 江流 域强 降水 过程 是多 种尺 度系 统共 同作 用 的结 果 ，大 尺度 环 流形 势 是 导致 暴 雨 发 生 的重
要 背景 条件 ，而 中尺度 对流 系统 （Ｍｅｓｏｓｃａｌｅ Ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ，简 称 ＭＣＳ）的连续 生 成 和发 展则 是 降水 异
常的关 键 因素 ，并 且暴 雨 中心 的形成 是 中尺度 对流 云 团发生 发展 、移 动传播 的结 果［】 ］。因此 ，关 于 ＭＣＳ的
结 构 、发展演 变 机理 及其 与暴雨 过 程之 间关 系 的研究 一直是 大气 科学 的热 点和 难点 之一 。
近年来 ，随着气 象卫 星 、雷 达 等大气 探测 技术 和计 算机 技术 的广 泛应 用 ，以及数 值模 拟工 作 的开展 ，对 于
与暴 雨天 气相 关 的 中尺度 对流 系 统 的研究 得 到 了进一 步 的发展 。例如 ，Ａｎｄｅｒｓｏｎ和 Ａｒｒｉｔｔ［４ 利用 卫 星 图象
对 １９９２、１９９３年美 国地 区 ＭＣＳ的初 生 、成 熟及 消散 的 时间 、位置 、面积 、移 动路 径 以及 相 伴 随的 灾 害天 气 进
行 了统计 研究 ，发现 持续 扁状 对 流 系 统 （ＰＥＣＳ）较 中尺 度 对 流 复合 体 （ＭＣＣ）面 积 大 、发 生 频 数 多 ，而 ＰＥＣＳ
和 ＭＣＣ通常 形成 于斜 压波 所伴 随 的深厚 上升运 动 的环境 中 ，低 层 急流将 大量 水 汽输 送 至 ＰＥＣＳ和 ＭＣＣ的
初生 地 区 。Ｇａｌｅ和 Ｇａｌｌｕｓ＿５ 利 用 １９９８￣ １９９９年 ５～８月美 国 中部地 区 ４７例 ＭＣＳ的观 测 和模 型 输 出结 果 ，
对 ＭＣＳ消散 的环境条 件进 行 了分 析 ，发 现地 面空 气人 流和抬 升 的空气 入 流 的减 少会 导 致 ＭＣＳ移 动 速度 减
慢 ，低层 急流 作用 的终 止等 都会 影 响到 ＭＣＳ的消散 ，而 ８５０ ｈＰａ上相 当位 温平 流 的减 少 可作 为 ＭＣＳ消散 的
预报 参数 。王 建捷 等人 ［６ 运 用非 静力 中尺 度数值 模 式 ＭＭ５模拟 了 １９９８年 ６月 １６～１７日发 生在 武 夷 山北
麓地 区的暴雨 过程 ，对 引起 暴雨 的 ＭＣＳ进行 诊 断分析 发现 ，这 次 梅雨 锋暴 雨 发 生在 对 流层 中低 层 的中尺 度
辐 合线 上 ，在 弱 的风垂 直 切变环 境 下 ，梅 雨锋 中（对 流 云 系 中有 数 个 中 （尺度 云 呈塔 状 强 烈垂 直 发 展 ，强 烈发
展的 中 （降水 云 塔则对 应着 一个 从地 面伸 展 至 ２５０ ｈＰａ的正 涡度 区 ，其 中气流 的垂 直上 升运 动与 低层 强 辐合
和高层 强辐 散相 伴 随 ，形成 有利 的 中尺度 动 力配置 结 构 。
然 而 ，目前 大部分 中尺度数 值模 拟工 作 仅对暴 雨个 例进 行诊 断分 析 ，模 拟结 果 与实 际状况 存在 着一 定 的
偏 差 ，并涉及 复 杂 的大气 动力学 过 程 。而空 间数据 挖 掘技 术作 为 一种 能 从海 量 数据 中提 取 出 与灾 害 天气 有
收 稿 日期 ：２００５—０８—１５；修 改稿 日期 ：２００５—１２—１０
基金 项 目 ：本文 由国 家 自然 科 学基金 项 目（编 号 ：４０３７１０８０）、教育 部 科 学技术 研 究 重 点 项 目（编号 ：１０４０８３）、武汉 大学测绘遥感 信 息 工 程 国
家重 点 实 验 室 项 目（编号 ：ＷＫＬ（Ｏ３）０１０３）和 教育 部 留学 回 国人 员 基 金 项 目共 同资 助
第一 作 者简 介 ：过仲阳（１９６５一），男（汉），浙江 嵊 县 ，副教 授 ，博士 ，现在华 东 师范 大 学 地 理系 ，主要从 事 空 间数 据 挖 掘技 术 的研究 与应用
Ｅ－ｍａｉｌ：ｄｘｉａｏｙａｎ２００２＠ ｙａｈｏｏ．ｃｏｌ２ａ￣ｃａ
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第
26
卷第
6
期
2006
年
12
月
气象科学
SCIENTIA
肌
1ETEOROLOGICA
SINICA
Vo
l. 26 ,
No.6
Dec. , 2006
引
空间聚类在
MCS
动力场特征分析中的应用
过仲阳
1
戴晓燕
1
吴健平
1
顾星哗
1
林埠
2
0
华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室，上海
200062)
(2
香港中文大学地理系地球信息科学联合实验室，香港)
摘 要
空间聚类作为数据挖掘的关键技术之一，是一种能从大型数据集中提取和挖掘空间
数据分布特征的有效方法。本文利用环境物理量场数值格点预报值，运用空间聚类中的
CLAR
ANS
法对夏季影响青藏高原上中尺度对流系统
(MCS)
东移的动力场(涡度场、散度场和垂直速度
场)的空间分布特征进行了分析。研究发现，在青藏高原地区的大气低层
.MCS
中心位置的西侧
存在着强辐合中心和垂直上升中心，加之向东的正涡度平流的共同作用构成了有利于
MCS
发展
和东移传播的重要动力学条件。这不仅有助于深入对夏季青藏高原上
MCS
发生、发展的动力学
机制的了解，而且对于提高暴雨和强对流天气的预报能力具有重要的现实意义。
关键词青藏高原中尺度对流系统动力场
CLARANS
法
分类号
P413
文献标识码
A
亩
我国夏季长江流域强降水过程是多种尺度系统共同作用的结果，大尺度环流形势是导致暴雨发生的重
要背景条件，而中尺度对流系统
(Mesoscale
Convective
Systems.
简称
MCS)
的连续生成和发展则是降水异
常的关键因素，并且暴雨中心的形成是中尺度对流云团发生发展、移动传播的结果
[1-3J
。因此，关于
MCS
的
结构、发展演变机理及其与暴雨过程之间关系的研究一直是大气科学的热点和难点之一。
近年来，随着气象卫星、雷达等大气探测技术和计算机技术的广泛应用，以及数值模拟工作的开展，对于
与暴雨天气桶关的中尺度对流系统的研究得到了进一步的发展。例如.
Anderson
和
Arritt[4J
利用卫星图象
对
1992
、
1993
年美国地区
MCS
的初生、成熟及消散的时间、位置、面积、移动路径以及相伴随的灾害天气进
行了统计研究，发现持续扁状对流系统
(PECS)
较中尺度对流复合体
(MCC)
面积大、发生频数多，而
PECS
和
MCC
通常形成于斜压波所伴随的深厚上升运动的环境中，低层急流将大量水汽输送至
PECS
和
MCC
的
初生地区。
Gale
和
Gallus[5J
利用
1998~1999
年
5~8
月美国中部地区
47
例
MCS
的观测和模型输出结果，
对
MCS
消散的环境条件进行了分析，发现地面空气入流和抬升的空气入流的减少会导致
MCS
移动速度减
慢，低层急流作用的终止等都会影响到
MCS
的消散，而
850
hPa
上相当位温平流的减少可作为
MCS
消散的
预报参数。王建捷等人
[6J
运用非静力中尺度数值模式
MM5
模拟了
1998
年
6
月
16~17
日发生在武夷山北
麓地区的暴雨过程，对引起暴雨的
MCS
进行诊断分析发现，这次梅雨锋暴雨发生在对流层中低层的中尺度
辐合线上，在弱的风垂直切变环境下，梅雨锋中(对流云系中有数个中(尺度云呈塔状强烈垂直发展，强烈发
展的中(降水云塔则对应着一个从地面伸展至
250
hPa
的正涡度区，其中气流的垂直上升运动与低层强辐合
和高层强辐散相伴随，形成有利的中尺度动力配置结构。
然而，目前大部分中尺度数值模拟工作仅对暴雨个例进行诊断分析，模拟结果与实际状况存在着一定的
偏差，并涉及复杂的大气动力学过程。而空间数据挖掘技术作为一种能从海量数据中提取出与灾害天气有
收稿日期:
2005-08-15;
修改稿日期:
2005-12-10
基金项目
t
本文由国家自然科学基金项目〈编号，
40371080)
、教育部科学技术研究重点项目〈编号，
104083)
、武汉大学测绘遥感信息工程国
家重点实验室项目〈编号，
WKL
(03)
0103)
和教育部留学回国人员基金项目共同资助
第-作者简介
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过仲阳
0965-)
，男〈汉)
，浙江螺县，副教授，博士，现在华东师范大学地理系，主要从事空间数据挖掘技术的研究与应用
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羽田
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