基于WebGIS的寧波市歷史臺風(fēng)相似路徑分析

佘亮亮,何 亮,繆能斌

(1.寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計研究院,浙江 寧波 315192;2.寧波弘泰水利信息科技有限公司,浙江 寧波 315200)

1 問題的提出

寧波市地處我國東部沿海,瀕臨西太平洋,受海洋和地形地勢影響,氣候類型復(fù)雜多樣,受大氣南北環(huán)流交替影響,夏秋季節(jié)臺風(fēng)襲擊頻繁,并可能與天文潮相遇發(fā)生“三碰頭”的現(xiàn)象,極有可能發(fā)生嚴(yán)重的自然災(zāi)害,給人民生命財產(chǎn)造成嚴(yán)重的損失,已成為寧波市最主要的自然災(zāi)害之一,是一種破壞性極強的氣象災(zāi)害。

隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展,臺風(fēng)引起的破壞后果越來越嚴(yán)重,國內(nèi)現(xiàn)已逐步建立了以氣象衛(wèi)星、天氣雷達、地面測站等現(xiàn)代手段的臺風(fēng)綜合監(jiān)測體系。借助于現(xiàn)代綜合氣象監(jiān)測體系的建設(shè),以及天氣學(xué)、動力學(xué)等理論科學(xué)研究的發(fā)展進步,臺風(fēng)路徑的綜合預(yù)報誤差基本與世界先進水平相當(dāng)[1]。國內(nèi)學(xué)者從不同方面進行了研究和闡述:紀(jì)文君等采用動力學(xué)方法,從內(nèi)力、梯度力、偏向力等方面定量分析其對臺風(fēng)轉(zhuǎn)向的作用[2];陳劍等采用相似預(yù)報的原理和方法,結(jié)合常規(guī)氣象資料,計算出灰度場的相似離度,能較準(zhǔn)確地預(yù)測移動路徑[3];劉勇等根據(jù)臺風(fēng)路徑的相似離度判斷其數(shù)值和形態(tài)的相似程度,最終檢索出與當(dāng)前臺風(fēng)路徑相似的歷史臺風(fēng)[4];朱敬海等根據(jù)臺風(fēng)云團和晴空區(qū)間干濕梯度力和推動臺風(fēng)的慣性力見的相互關(guān)系,建立單一預(yù)報因子的臺風(fēng)路徑預(yù)報方程[5]。

1949—2012年的63 a中,影響寧波市的臺風(fēng)共有169次,平均2.68次/a,對寧波市經(jīng)濟社會造成了嚴(yán)重損失。借助現(xiàn)代信息化手段,運用現(xiàn)階段臺風(fēng)相似路徑研究理論與方法,研發(fā)出適用于寧波市的臺風(fēng)分析查詢系統(tǒng),通過影響寧波市的相似臺風(fēng)路徑分析,為今后防臺工作提供輔助決策支持。

2 相似路徑的計算方法

臺風(fēng)的相似路徑在一定程度上反映了影響臺風(fēng)移動因子的相似性,只要臺風(fēng)影響因子的組合存在相似性,2次臺風(fēng)之間就存在一定程度上的相似。將臺風(fēng)路徑概化成平面上的曲線,通過比較臺風(fēng)間數(shù)值的相似性以及形狀的相似性,才能較全面合理地判斷2次臺風(fēng)路徑是否相似[6],這次主要采用了相似離度結(jié)合GIS空間搜索的方法。

圖1選定了2次臺風(fēng)a和b中的一段,為方便說明將其在經(jīng)緯度上的方位概化成x、y笛卡爾直角坐標(biāo)系,2次臺風(fēng)在y方向的差異可以采用式(1)計算:

圖1 臺風(fēng)路徑示意圖

其中:Mab為2次臺風(fēng)在y方向上的絕對差值的平均值,Mab的值越小,表明在y方向上越接近,為2次臺風(fēng)在y方向上相交的次數(shù),i表示連接2次臺風(fēng)y方向縱線的條數(shù)。

2次臺風(fēng)在形狀上的差異可以采用公式(2)計算:

其中:Hab為2次臺風(fēng)在y方向上2點高度差與平均高度差的離散程度,Hab的值越小,表明2次臺風(fēng)在y方向上形狀上越接近。

相似離度的計算公式為式(3):

其中:Lab的值越小,則說明2場臺風(fēng)的相似程度越高。同理,可以計算出在x方向上的臺風(fēng)相似離度值[4]。

由于歷史臺風(fēng)數(shù)據(jù)量大,若僅僅采用相似離度的計算方法,則會降低尋找相似路徑的效率。首先選取一場臺風(fēng),采用某國產(chǎn)GIS地理信息軟件的緩沖區(qū)分析功能,建立與選定臺風(fēng)空間位置、形狀以及方向等因子的緩沖區(qū),尋找緩沖區(qū)內(nèi)可能與典型臺風(fēng)路徑相似的臺風(fēng)。

緩沖區(qū)為以典型臺風(fēng)上某點為圓心一系列的圓,可能相似的臺風(fēng)路徑應(yīng)在此緩沖區(qū)內(nèi)都有記錄點,大幅縮減與選中臺風(fēng)可能相似臺風(fēng)的選擇范圍,然后再通過相似離度計算篩選后可能相似的臺風(fēng)。GIS緩沖區(qū)示意見圖2。

圖2 GIS緩沖區(qū)示意圖

3 基于WebGIS的解決方案

WebGIS是Internet技術(shù)應(yīng)用于GIS開發(fā)的產(chǎn)物,是利用Web技術(shù)來擴展和完善地理信息系統(tǒng)的一項技術(shù),基于瀏覽器/服務(wù)器(B/S)結(jié)構(gòu)。應(yīng)用Internet技術(shù)可對地理信息數(shù)據(jù)進行發(fā)布和應(yīng)用,以實現(xiàn)地理數(shù)據(jù)的在線查詢、業(yè)務(wù)處理等。WebGIS動態(tài)分布交互式系統(tǒng),具備良好的可擴展性和跨平臺性,目前已廣泛運用于水利信息化系統(tǒng)開發(fā)中。

3.1 系統(tǒng)簡介

寧波市臺風(fēng)查詢分析系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu),主要分為信息采集層、數(shù)據(jù)庫層和業(yè)務(wù)系統(tǒng)層3層,信息采集層主要包括實時臺風(fēng)信息采集、中央臺(以及美國、日本等國家和地區(qū))臺風(fēng)路徑預(yù)報信息采集、歷史臺風(fēng)信息采集、衛(wèi)星云圖和雷達圖的獲取等;數(shù)據(jù)庫包括實時臺風(fēng)信息數(shù)據(jù)庫、實時臺風(fēng)預(yù)報路徑數(shù)據(jù)庫、歷史臺風(fēng)信息數(shù)據(jù)庫、衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)庫和雷達圖數(shù)據(jù)庫;業(yè)務(wù)系統(tǒng)包括實時臺風(fēng)信息查詢、實時臺風(fēng)預(yù)報路徑查詢、實時臺風(fēng)相似路徑查詢、歷史臺風(fēng)信息查詢、歷史臺風(fēng)相似路徑查詢等;數(shù)據(jù)交互共享平臺和相似路徑分析服務(wù)提供了數(shù)據(jù)共享和相似路徑查詢分析服務(wù)。

3.2 方法實現(xiàn)

臺風(fēng)路徑、移動速度等均具有很大的不確定性,假定臺風(fēng)a為歷史臺風(fēng),臺風(fēng)b為實時臺風(fēng)。臺風(fēng)路徑往往是每隔一段時間記錄1次臺風(fēng)信息,以臺風(fēng)b上的信息點作為控制點,據(jù)此向臺風(fēng)a作垂線,與a相交的點作為臺風(fēng)b的控制點,根據(jù)公式 (1)計算2次臺風(fēng)數(shù)值相似度。同理,在臺風(fēng)b中選擇相鄰2個控制點,并找出2點中前一時刻信息點在臺風(fēng)a中對應(yīng)的控制點,3點進行坐標(biāo)變換,根據(jù)公式(2)進行2次臺風(fēng)的形態(tài)相似計算 (見圖1)。

經(jīng)過上述計算,確定2次臺風(fēng)的相似度,以此類推,再與另一場可能相似的歷史臺風(fēng)進行相似度計算,當(dāng)所有可能相似臺風(fēng)計算完成后,按相似離度大小排列,供用戶選擇、分析。相似路徑計算流程見圖3。

圖3 相似路徑計算流程圖

4 實例研究

本文選取 “菲特” 臺風(fēng) (2013年第23號)為例,“菲特”臺風(fēng)對寧波市造成了嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害和經(jīng)濟損失。根據(jù)系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的緩沖半徑等條件,自動篩選出數(shù)據(jù)庫中可能符合條件的歷史臺風(fēng)并計算出相似離度。 “菲特”(2013年第23號)臺風(fēng)及相似路徑見圖4。

由圖4可知,通過GIS緩沖區(qū)疊加相似離度計算,共可以計算出10條相似路徑,相似度從76.54%～55.58%計算耗時1 200 ms,當(dāng)不采用GIS緩沖區(qū)法時,需耗時9 500 ms,大幅降低了尋找效率。

從誤差方面看,相似度計算值最為相似的為“芙安”臺風(fēng) (1970年第10號),但其路徑與 “菲特”實際路徑在形狀上有所差異,而相似度計算值第2位的 “潭美”(2013年第12號)在形狀上則更為相似。分析認(rèn)為,該軟件運用的計算方法后期還需修正,同時也可能由于 “芙安”臺風(fēng)發(fā)生時間久遠,限于當(dāng)時測量條件,本身存在一定的誤差所致。

圖4 “菲特”(2013年第23號)臺風(fēng)及相似路徑圖

5 結(jié) 語

本文研究了基于WebGIS,通過GIS緩沖區(qū)輔助相似離度查找臺風(fēng)相似路徑的方法,二者結(jié)合加快了臺風(fēng)相似路徑的尋找速度、準(zhǔn)確性和科學(xué)性。在系統(tǒng)研發(fā)過程中,參考了相關(guān)文獻[6-8],在系統(tǒng)調(diào)試過程中,發(fā)現(xiàn)檢索出的臺風(fēng)相似路徑與樣本臺風(fēng)的相似程度,不僅與相似路徑的計算方法有關(guān),而且與臺風(fēng)樣本數(shù)量、臺風(fēng)歷史以及臺風(fēng)路徑長度也有關(guān)系。

當(dāng)臺風(fēng)路徑較長時,控制節(jié)點一般較多,計算出的相似度也較差,相似臺風(fēng)路徑較少,如圖4中的 “潭美”與“菲特”除中期較為接近外,后期發(fā)生了明顯的反向;相反,當(dāng)臺風(fēng)路徑較短時,控制節(jié)點也較少,計算出的相似度較路徑長的好,具備相似路徑的臺風(fēng)也較多。同時,還發(fā)現(xiàn)發(fā)源于南海海域的臺風(fēng),在經(jīng)過我國臺灣島時,一般會發(fā)生轉(zhuǎn)向,影響寧波市的概率較發(fā)源于西太平洋的臺風(fēng)大為降低。

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