[发明专利]一种基于聚类的降水日变化类型划分与空间分布提取方法

说明书

本发明公开了一种基于聚类的降水日变化类型划分与空间分布提取方法，包括基于多年逐小时的栅格降水数据，统计得到每个栅格单元每个降水指标对应一个24维的向量；对得到的24维降水日变化数据做标准化处理；采用不同的聚类数据，基于KMeans算法对标准化后的降水日变化数据进行聚类；分析聚类结果，确定最优聚类数目；归并聚类结果中的相似类，得到降水日变化分类方案，并计算每类的平均日变化特征，归并后所得到的聚类结果中各个类型所包含栅格单元的位置构成降水日变化特征的空间分布图。本发明突破了现有研究降水日变化研究中区域确定主观性强、所提取降水日变化特征准确性差等问题，在降水预报、气象灾害预警等领域具有广阔应用前景。

技术领域

本发明属于降水预报、气象灾害预警相关领域，涉及一种基于聚类的降水日变化类型划分与空间分布提取方法。

背景技术

受太阳辐射、下垫面和地形等因素影响，降水在一天24小时的分布不是均一的，而是呈现出一定规律性(例如有的区域夜雨偏多)，并具有显著的区域差异。降水日变化的分类与空间分布信息可以帮助探明区域的降水形成机制、验证和改进气象预报模型、辅助气象灾害预警，具有重要的理论和应用价值。

现有的降水日变化类型划分和空间分布提取方法通常采用“自上而下”的方式进行，即：依据自然地理区域或是规则的矩形区域预先定义区域边界，然后进行区域内的日变化特征提取与特征刻画。但是这种预先定义区域的方式依赖执行者的经验知识，存在一定程度的主观性，且难以准确刻画日变化特征的空间分布。

近年来，空间上连续分布的栅格降水数据(如GPM、CMORPH等)使得采用“自下而上”的数据挖掘方法来探索降水日变化的空间分布成为可能。通过“自下而上”的方式，可以根据基本栅格单元的降水日变化特征，将其分为不同的类型，每个类型中的基本单元具有相似的降水日变化，这些单元的位置构成了降水日变化的空间分布。这种方式可以用栅格降水数据客观地确定降水日变化的空间分布，在降水预报、气象灾害预警等领域具有广阔的应用前景。

发明内容

发明目的：为克服当前降水日变化研究中区域确定主观性强、所提取降水日变化特征准确性差等问题，提供一种基于聚类的降水日变化类型划分与空间分布提取方法，采用“自下而上”的数据挖掘方法，从连续分布的栅格降水数据中，获取一个相对客观的、易于理解的降水日变化空间分布模式。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于聚类的降水日变化类型划分与空间分布提取方法，包括以下步骤：

(1)基于多年逐小时的栅格降水数据，统计各栅格单元上降水量、降水频率和降水强度在一天中各小时的多年平均值，统计结果为每个栅格单元每个降水指标对应一个 24维的向量；

(2)对步骤(1)中得到的24维降水日变化数据做标准化处理，去除因天气形势所导致的降水日变化差异；

(3)采用不同的聚类数据，基于KMeans算法对标准化后的降水日变化数据进行聚类，将具有相似降水日变化形态特征的栅格单元聚成一类；

(4)分析聚类结果，确定最优聚类数目；

(5)归并聚类结果中的相似类，得到降水日变化分类方案，并计算每类的平均日变化特征，归并后所得到的聚类结果中各个类型所包含栅格单元的位置即构成了降水日变化特征的空间分布图。

进一步的，所述步骤(2)标准化处理降水日变化数据的方法为：遍历每个栅格单元的24小时降水日变化数据，首先，计算每个栅格单元24小时降水数据的平均值；然后，判断平均值是否为0，按如下方式标准化日变化数据：①如果平均值为0，则标准化后的数值为0；②若平均值不为0，则根据公式求得标准化的数据值，其中，D_a(h)是该栅格单元第h小时的标准化数据值，R_a(h)代表第h小时的原始数据。