利用GIS空間分析進(jìn)行臺風(fēng)相似路徑篩選及預(yù)測

王喜娜，黃華兵，班 亞，劉雪芬

(1. 武漢大學(xué) 測繪學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 中山大學(xué) 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275)

一、引 言

我國是受臺風(fēng)災(zāi)害影響最嚴(yán)重的國家之一，每年平均有8～9次臺風(fēng)登陸我國，由于臺風(fēng)災(zāi)害評估涉及因素多，單一的方法很難做到精確評估，通常應(yīng)用多種方法分別進(jìn)行評估，提供多種方法的評估結(jié)果供決策參考，其中相似臺風(fēng)法就是一種重要的方法。所謂相似臺風(fēng)是指在年際上相近、日期上相鄰、強(qiáng)度上相近、活動路徑上接近的臺風(fēng)。

要使相似臺風(fēng)法在應(yīng)急期間的評估工作中發(fā)揮作用，必須具備兩個條件：第一，建立完備的臺風(fēng)數(shù)據(jù)庫；第二，要有相應(yīng)的軟件支撐，以便快速準(zhǔn)確地從臺風(fēng)數(shù)據(jù)庫中篩選出同當(dāng)前臺風(fēng)相似的歷史臺風(fēng)及其相關(guān)統(tǒng)計資料，同時軟件還應(yīng)具備成圖能力[1]。

本文利用GIS空間分析方法，根據(jù)相似度原理，計算臺風(fēng)路徑的相似度，并基于相似度進(jìn)行臺風(fēng)路徑的預(yù)測，最終用軟件實現(xiàn)了臺風(fēng)相似路徑篩選和臺風(fēng)路徑預(yù)測的功能。

二、臺風(fēng)路徑相似度計算及臺風(fēng)路徑預(yù)測

1.計算路徑相似度

選用歷史上相似過程、相似天氣形勢作預(yù)報，是經(jīng)驗預(yù)報中的常用方法。一場臺風(fēng)的運(yùn)動路徑，是各種影響臺風(fēng)移動的物理因子綜合作用的結(jié)果，相似的臺風(fēng)路徑在一定程度上反映了影響臺風(fēng)移動的諸因子的綜合作用近乎等效。我國中央氣象臺所設(shè)計的相似法采用3個相似標(biāo)準(zhǔn)：季節(jié)相似、地理相似和移向移速相似。

利用相似度進(jìn)行臺風(fēng)路徑預(yù)測的關(guān)鍵是相似度的確定。相似度通常被表示為0～1之間的數(shù)值，相似度越接近于1，表明檢索出的相似路徑與實時路徑越相似；反之，越接近于0，表明檢索出的相似路徑與實時路徑越不相似。本文應(yīng)用面積指數(shù)法[2]定義路徑相似度，即將一定時段內(nèi)實時路徑與歷史路徑所包圍的多邊形面積之和與某個參照面積的比值作為路徑相似度的值，具體的方法如下：

1) 在歷史數(shù)據(jù)庫中先按季節(jié)相似條件作檢索，檢索出實時臺風(fēng)所在旬及前后各一個旬，共3個旬內(nèi)的臺風(fēng)樣本；然后以實時臺風(fēng)的起報點(diǎn)為中心，進(jìn)行緩沖區(qū)分析，緩沖半徑設(shè)置為2.5個緯距，起點(diǎn)落在緩沖區(qū)圓內(nèi)和圓周上的臺風(fēng)樣本符合地理相似標(biāo)準(zhǔn)。

2) 在實時路徑上選擇一段目標(biāo)路徑，在目標(biāo)路徑的關(guān)鍵點(diǎn)上按一定距離繪制緩沖區(qū)，以與所有緩沖區(qū)相交的歷史臺風(fēng)路徑作為實時路徑的相似路徑。如圖1所示，歷史路徑A為待預(yù)報路徑的相似路徑，而歷史路徑B將被排除。

3) 計算路徑相似度。首先，計算沿實時路徑關(guān)鍵點(diǎn)所作緩沖區(qū)的外包矩形的面積，記為r，作為參照面積；然后計算相似路徑S與實時路徑i及矩形r構(gòu)成的多邊形的面積P(圖2陰影部分)。將空間相似度(spatial similarity index，SSI)定義為

?劉緒貽、李存訓(xùn):《富蘭克林·D．羅斯福時代，1929 ～1945》(劉緒貽、楊生茂總主編:《美國通史》第五卷)，人民出版社2002年版，第71頁。

SSI越接近于1，說明路徑間的相似程度越高；SSI越接近于0，說明路徑間的相似程度越低。

圖1 查找相似路徑示意圖

圖2 相似度計算示意圖

2. 基于相似度的臺風(fēng)路徑預(yù)測

以上述計算獲得的相似度作為預(yù)報中各相似路徑所占權(quán)重，利用各相似路徑在起報位置以后的移速、移向的數(shù)據(jù)，結(jié)合各相似路徑的權(quán)重，確定移速、移向，作為實時路徑未來時間內(nèi)的移速、移向。預(yù)報公式為

式中，α為未來Δt內(nèi)臺風(fēng)移速；β為未來Δt內(nèi)臺風(fēng)移向；λ表示實時路徑自身前期活動對其后期移動影響的重要程度，取0≤λ

Mi表示第i條相似路徑在相似路徑對實時路徑位置變動的總影響中所占的權(quán)重，其計算步驟如下：首先根據(jù)檢索獲得的相似路徑的SSI進(jìn)行降序排列，選取前n條相似路徑的SSI，求得這n條相似路徑SSI的總和M，以及每條相似路徑的SSI在相似度總和M中所占的百分比Mi(i=1,2,…,n)，分別以這n個Mi作為臺風(fēng)路徑預(yù)報公式中每條相似路徑的權(quán)重

式中，n小于相似路徑總數(shù)。

ui為第i條相似路徑未來k內(nèi)的移速。先求得第i條相似路徑S落入緩沖區(qū)內(nèi)的最后一個點(diǎn)P，從P點(diǎn)開始，計算臺風(fēng)中心在Δt內(nèi)走過的折線段的總長度D，除以時間t即得到平均移速ui=D/t。如果從P點(diǎn)開始不到Δt臺風(fēng)就已經(jīng)消亡，則計算從P點(diǎn)開始到其消亡期間臺風(fēng)的運(yùn)動速度。

ki為第i條相似路徑未來Δt內(nèi)的移向，先找到第i條相似路徑S落入緩沖區(qū)內(nèi)的最后一個點(diǎn)P，計算P點(diǎn)(X1,Y1)開始到未來Δt相似路徑上的臺風(fēng)中心位置Q(X2,Y2)的移向ki=arctan[(Y2-Y1)/(X2-X1)]。如果從P點(diǎn)開始到不到Δt臺風(fēng)就已經(jīng)消亡，則計算從P點(diǎn)到其消亡時熱帶吸取中心處的移向。

三、系統(tǒng)實現(xiàn)

1.系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)的功能分兩部分實現(xiàn)，一部分在服務(wù)器端執(zhí)行，一部分在客戶端執(zhí)行,如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)

服務(wù)器端主要負(fù)責(zé)實時地獲取中央氣象臺發(fā)布的臺風(fēng)報文，并將報文中包含的臺風(fēng)實時信息和預(yù)報信息如當(dāng)前臺風(fēng)編號、名稱、中心經(jīng)度、緯度、氣壓、風(fēng)速、七級風(fēng)圈半徑、十級風(fēng)圈半徑、臺風(fēng)運(yùn)動速度、運(yùn)動方向，以及未來24 h、48 h的位置、氣壓等數(shù)據(jù)解析出來，用這部分信息來更新實時臺風(fēng)的中心和路徑信息。將這部分功能單獨(dú)放在服務(wù)器端是為了防止多個客戶端重復(fù)地下載報文并且重復(fù)或并發(fā)地修改數(shù)據(jù)庫中的臺風(fēng)實時數(shù)據(jù)。

客戶端的功能由3部分組成：①在地圖上顯示當(dāng)前臺風(fēng)的實時信息，提供對臺風(fēng)中心當(dāng)前的位置、氣壓等信息及各點(diǎn)處臺風(fēng)預(yù)報信息的查詢；②相似臺風(fēng)的篩選，根據(jù)季節(jié)相似、地理位置相似、移向移速相似設(shè)計的空間相似度公式，篩選出符合相似性標(biāo)準(zhǔn)的若干條相似臺風(fēng)供參考；③臺風(fēng)路徑預(yù)報，結(jié)合臺風(fēng)數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)，對臺風(fēng)進(jìn)行相似路徑分析，查找與當(dāng)前臺風(fēng)路徑空間相似的歷史臺風(fēng)，并以相似路徑為基礎(chǔ)進(jìn)行短時(24 h)的預(yù)報。

2. 數(shù)據(jù)庫

本文中所用到的臺風(fēng)數(shù)據(jù)包括歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)兩部分。歷史數(shù)據(jù)由日本氣象廳發(fā)布的1951—2011年的臺風(fēng)路徑數(shù)據(jù)集生成，包括各次臺風(fēng)在各個時刻的中心位置、屬性數(shù)據(jù)及各臺風(fēng)的路徑數(shù)據(jù)；實時數(shù)據(jù)從中央氣象臺臺風(fēng)網(wǎng)上發(fā)布的報文解析，包括臺風(fēng)中心的數(shù)據(jù)和由臺風(fēng)中心串聯(lián)起來的臺風(fēng)路徑數(shù)據(jù)。

獲得報文之后，將報文中的信息解析出來，得到臺風(fēng)中心當(dāng)前的位置和未來的預(yù)報位置，對應(yīng)地存到數(shù)據(jù)庫中的臺風(fēng)中心表和臺風(fēng)預(yù)報信息表中，并判斷報文中的臺風(fēng)編號在臺風(fēng)路徑表中是否存在。若存在，則將該編號的臺風(fēng)路徑延伸至當(dāng)前報文中提供的臺風(fēng)中心位置；若不存在，說明一場新的臺風(fēng)出現(xiàn)了，向臺風(fēng)路徑表中插入新的要素，并將報文中的臺風(fēng)中心位置作為新的路徑的起點(diǎn)。

為了方便進(jìn)行相似路徑分析，實時和歷史的臺風(fēng)的中心數(shù)據(jù)存在同一表中，路徑數(shù)據(jù)也一樣。為了從這兩個表中查找出實時臺風(fēng)數(shù)據(jù)，設(shè)置這兩個圖層每2 h自動重新引用一次數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的表，并從中查找最新的臺風(fēng)記錄以獲得實時數(shù)據(jù)。

3. 實現(xiàn)流程

本文采用C#和ArcGIS Engine相結(jié)合的開發(fā)方式，對上述原理進(jìn)行實現(xiàn)，具體流程如圖4所示。

首先選擇實時路徑，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，包括分析起始時刻和終止時刻、緩沖距離、搜索起始年份和終止年份；然后系統(tǒng)按照上述條件和默認(rèn)的季節(jié)相似條件(當(dāng)前臺風(fēng)所在旬和前后一個旬)進(jìn)行初步檢索，找到這些歷史路徑后，計算這些歷史路徑與實時路徑相交所得多邊形的面積，計算空間相似度SSI,將計算得到的空間相似度降序排列，可在系統(tǒng)設(shè)置前若干條作為當(dāng)前臺風(fēng)的相似路徑；最后將空間相似度作為不同臺風(fēng)路徑的權(quán)重，結(jié)合歷史移向移速，計算實時路徑未來的移向和移速。

圖4 實現(xiàn)流程

4. 界面展示

(1)臺風(fēng)相似路徑篩選

如圖5所示，假設(shè)要對臺風(fēng)“瑪娃”生成45 h后即2012年6月3日11時的路徑進(jìn)行預(yù)測。

圖5 設(shè)置待分析的目標(biāo)路徑

首先在“待分析的臺風(fēng)”面板中進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。起始和終止日期指的是待分析的臺風(fēng)開始和結(jié)束的時刻。分析起始、終止時刻設(shè)置為24 h和45 h是指以瑪娃生成后24～45 h內(nèi)的路徑為基礎(chǔ)查找空間相似的路徑。緩沖距離設(shè)置為80 km，搜索起始年份設(shè)置為1951年，終止年份設(shè)置為2012年。圖5選擇的兩個臺風(fēng)中心之間的路徑即為本次分析選擇的目標(biāo)路徑。系統(tǒng)將對這段路徑上的臺風(fēng)中心建立緩沖區(qū)來查找相似路徑。

圖6為臺風(fēng)相似路徑查找的結(jié)果，左邊表格中的數(shù)據(jù)為各條相似路徑的編號、與待分析路徑的相似度、其過去24 h內(nèi)的平均移速移向等。選擇表格中的某一行，地圖上將閃爍顯示對應(yīng)的路徑。

圖6 臺風(fēng)相似路徑篩選結(jié)果

(2) 臺風(fēng)路徑預(yù)測

由歷史相似路徑進(jìn)行24 h的短時路徑預(yù)報，首先在“路徑預(yù)測選項”中進(jìn)行設(shè)置，如圖7所示。

圖7 路徑預(yù)測選項設(shè)置

需要選擇用來作為預(yù)測路徑的條數(shù)，此處設(shè)置為10條，勾選是否用原檢索路徑作為依據(jù)，設(shè)置原路徑中預(yù)測中所占的比重(0～1)之間，此處設(shè)置為0.5。此處的設(shè)置由主觀確定。在“預(yù)測結(jié)果”面板中，點(diǎn)擊“預(yù)測路徑”按鈕，開始預(yù)測，計算過程非常快，結(jié)果如圖8所示。

圖8 臺風(fēng)路徑預(yù)測結(jié)果

預(yù)測結(jié)果給出了瑪娃臺風(fēng)在發(fā)生后24～45 h之間的路徑，共計6個點(diǎn)，制作此演示時，系統(tǒng)中已有瑪娃在預(yù)測時段中的真實位置信息，圖8左邊的表格中列出了對瑪娃臺風(fēng)路徑的預(yù)報信息及與實際點(diǎn)位信息之間的誤差。右邊地圖上的細(xì)線為預(yù)測路徑，粗線為瑪娃臺風(fēng)的實際路徑。從圖上可以看出，預(yù)測誤差最小的為9.42 km，預(yù)測誤差最大的為32.70 km，平均誤差為19.60 km，預(yù)測結(jié)果較為理想。分析原因主要有以下幾方面：查到的相似路徑較多，瑪娃在45 h之后的路徑方向變動不大，預(yù)報時效不長(24 h)。因此可以得出，用這種方法進(jìn)行臺風(fēng)路徑預(yù)測結(jié)果是相對可靠的。

四、結(jié)束語

本文針對臺風(fēng)災(zāi)害評估工作中快速、準(zhǔn)確篩選相似臺風(fēng)及其災(zāi)情信息的需要，基于C#和ArcGIS Engine開發(fā)了臺風(fēng)相似路徑篩選及基于相似原理進(jìn)行預(yù)測的工具。利用該工具可以快速準(zhǔn)確地從臺風(fēng)數(shù)據(jù)庫中篩選出在時空上與預(yù)報臺風(fēng)相似的歷史臺風(fēng)及其災(zāi)情信息，為防災(zāi)減災(zāi)決策提供服務(wù)。

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