佘亮亮,何 亮,繆能斌

(1.寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)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(guó)東部沿海,瀕臨西太平洋,受海洋和地形地勢(shì)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(tái)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(cái)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(qiáng)的氣象災(zāi)害。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展,臺(tái)風(fēng)引起的破壞后果越來越嚴(yán)重,國(guó)內(nèi)現(xiàn)已逐步建立了以氣象衛(wèi)星、天氣雷達(dá)、地面測(cè)站等現(xiàn)代手段的臺(tái)風(fēng)綜合監(jiān)測(cè)體系。借助于現(xiàn)代綜合氣象監(jiān)測(cè)體系的建設(shè),以及天氣學(xué)、動(dòng)力學(xué)等理論科學(xué)研究的發(fā)展進(jìn)步,臺(tái)風(fēng)路徑的綜合預(yù)報(bào)誤差基本與世界先進(jìn)水平相當(dāng)[1]。國(guó)內(nèi)學(xué)者從不同方面進(jìn)行了研究和闡述:紀(jì)文君等采用動(dòng)力學(xué)方法,從內(nèi)力、梯度力、偏向力等方面定量分析其對(duì)臺(tái)風(fēng)轉(zhuǎn)向的作用[2];陳劍等采用相似預(yù)報(bào)的原理和方法,結(jié)合常規(guī)氣象資料,計(jì)算出灰度場(chǎng)的相似離度,能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)移動(dòng)路徑[3];劉勇等根據(jù)臺(tái)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(tái)風(fēng)路徑相似的歷史臺(tái)風(fēng)[4];朱敬海等根據(jù)臺(tái)風(fēng)云團(tuán)和晴空區(qū)間干濕梯度力和推動(dòng)臺(tái)風(fēng)的慣性力見的相互關(guān)系,建立單一預(yù)報(bào)因子的臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)方程[5]。

1949—2012年的63 a中,影響寧波市的臺(tái)風(fēng)共有169次,平均2.68次/a,對(duì)寧波市經(jīng)濟(jì)社會(huì)造成了嚴(yán)重?fù)p失。借助現(xiàn)代信息化手段,運(yùn)用現(xiàn)階段臺(tái)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(tái)風(fēng)分析查詢系統(tǒng),通過影響寧波市的相似臺(tái)風(fēng)路徑分析,為今后防臺(tái)工作提供輔助決策支持。

2 相似路徑的計(jì)算方法

臺(tái)風(fēng)的相似路徑在一定程度上反映了影響臺(tái)風(fēng)移動(dòng)因子的相似性,只要臺(tái)風(fēng)影響因子的組合存在相似性,2次臺(tái)風(fēng)之間就存在一定程度上的相似。將臺(tái)風(fēng)路徑概化成平面上的曲線,通過比較臺(tái)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(tái)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(tái)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(tái)風(fēng)在y方向的差異可以采用式(1)計(jì)算:

圖1 臺(tái)風(fēng)路徑示意圖

其中:Mab為2次臺(tái)風(fēng)在y方向上的絕對(duì)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(tái)風(fēng)在y方向上相交的次數(shù),i表示連接2次臺(tái)風(fēng)y方向縱線的條數(shù)。

2次臺(tái)風(fēng)在形狀上的差異可以采用公式(2)計(jì)算:

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

相似離度的計(jì)算公式為式(3):

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

由于歷史臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)量大,若僅僅采用相似離度的計(jì)算方法,則會(huì)降低尋找相似路徑的效率。首先選取一場(chǎng)臺(tái)風(fēng),采用某國(guó)產(chǎn)GIS地理信息軟件的緩沖區(qū)分析功能,建立與選定臺(tái)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(tái)風(fēng)路徑相似的臺(tái)風(fēng)。

緩沖區(qū)為以典型臺(tái)風(fēng)上某點(diǎn)為圓心一系列的圓,可能相似的臺(tái)風(fēng)路徑應(yīng)在此緩沖區(qū)內(nèi)都有記錄點(diǎn),大幅縮減與選中臺(tái)風(fēng)可能相似臺(tái)風(fēng)的選擇范圍,然后再通過相似離度計(jì)算篩選后可能相似的臺(tái)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(kuò)展和完善地理信息系統(tǒng)的一項(xiàng)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(duì)地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)布和應(yīng)用,以實(shí)現(xiàn)地理數(shù)據(jù)的在線查詢、業(yè)務(wù)處理等。WebGIS動(dòng)態(tài)分布交互式系統(tǒng),具備良好的可擴(kuò)展性和跨平臺(tái)性,目前已廣泛運(yùn)用于水利信息化系統(tǒng)開發(fā)中。

3.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

寧波市臺(tái)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(kù)層和業(yè)務(wù)系統(tǒng)層3層,信息采集層主要包括實(shí)時(shí)臺(tái)風(fēng)信息采集、中央臺(tái)(以及美國(guó)、日本等國(guó)家和地區(qū))臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)信息采集、歷史臺(tái)風(fēng)信息采集、衛(wèi)星云圖和雷達(dá)圖的獲取等;數(shù)據(jù)庫(kù)包括實(shí)時(shí)臺(tái)風(fēng)信息數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)路徑數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史臺(tái)風(fēng)信息數(shù)據(jù)庫(kù)、衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)庫(kù)和雷達(dá)圖數(shù)據(jù)庫(kù);業(yè)務(wù)系統(tǒng)包括實(shí)時(shí)臺(tái)風(fēng)信息查詢、實(shí)時(shí)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)路徑查詢、實(shí)時(shí)臺(tái)風(fēng)相似路徑查詢、歷史臺(tái)風(fēng)信息查詢、歷史臺(tái)風(fēng)相似路徑查詢等;數(shù)據(jù)交互共享平臺(tái)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(shí)現(xiàn)

臺(tái)風(fēng)路徑、移動(dòng)速度等均具有很大的不確定性,假定臺(tái)風(fēng)a為歷史臺(tái)風(fēng),臺(tái)風(fēng)b為實(shí)時(shí)臺(tái)風(fēng)。臺(tái)風(fēng)路徑往往是每隔一段時(shí)間記錄1次臺(tái)風(fēng)信息,以臺(tái)風(fēng)b上的信息點(diǎn)作為控制點(diǎn),據(jù)此向臺(tái)風(fēng)a作垂線,與a相交的點(diǎn)作為臺(tái)風(fēng)b的控制點(diǎn),根據(jù)公式 (1)計(jì)算2次臺(tái)風(fēng)數(shù)值相似度。同理,在臺(tái)風(fēng)b中選擇相鄰2個(gè)控制點(diǎn),并找出2點(diǎn)中前一時(shí)刻信息點(diǎn)在臺(tái)風(fēng)a中對(duì)應(yīng)的控制點(diǎn),3點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)變換,根據(jù)公式(2)進(jìn)行2次臺(tái)風(fēng)的形態(tài)相似計(jì)算 (見圖1)。

經(jīng)過上述計(jì)算,確定2次臺(tái)風(fēng)的相似度,以此類推,再與另一場(chǎng)可能相似的歷史臺(tái)風(fēng)進(jìn)行相似度計(jì)算,當(dāng)所有可能相似臺(tái)風(fēng)計(jì)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(jì)算流程見圖3。

圖3 相似路徑計(jì)算流程圖

4 實(shí)例研究

本文選取 “菲特” 臺(tái)風(fēng) (2013年第23號(hào))為例,“菲特”臺(tái)風(fēng)對(duì)寧波市造成了嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害和經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的緩沖半徑等條件,自動(dòng)篩選出數(shù)據(jù)庫(kù)中可能符合條件的歷史臺(tái)風(fēng)并計(jì)算出相似離度。 “菲特”(2013年第23號(hào))臺(tái)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(jì)算,共可以計(jì)算出10條相似路徑,相似度從76.54%～55.58%計(jì)算耗時(shí)1 200 ms,當(dāng)不采用GIS緩沖區(qū)法時(shí),需耗時(shí)9 500 ms,大幅降低了尋找效率。

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

圖4 “菲特”(2013年第23號(hào))臺(tái)風(fēng)及相似路徑圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了基于WebGIS,通過GIS緩沖區(qū)輔助相似離度查找臺(tái)風(fēng)相似路徑的方法,二者結(jié)合加快了臺(tái)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(xiàn)[6-8],在系統(tǒng)調(diào)試過程中,發(fā)現(xiàn)檢索出的臺(tái)風(fēng)相似路徑與樣本臺(tái)風(fēng)的相似程度,不僅與相似路徑的計(jì)算方法有關(guān),而且與臺(tái)風(fēng)樣本數(shù)量、臺(tái)風(fēng)歷史以及臺(tái)風(fēng)路徑長(zhǎng)度也有關(guān)系。

當(dāng)臺(tái)風(fēng)路徑較長(zhǎng)時(shí),控制節(jié)點(diǎn)一般較多,計(jì)算出的相似度也較差,相似臺(tái)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(tái)風(fēng)路徑較短時(shí),控制節(jié)點(diǎn)也較少,計(jì)算出的相似度較路徑長(zhǎng)的好,具備相似路徑的臺(tái)風(fēng)也較多。同時(shí),還發(fā)現(xiàn)發(fā)源于南海海域的臺(tái)風(fēng),在經(jīng)過我國(guó)臺(tái)灣島時(shí),一般會(huì)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(tái)風(fēng)大為降低。

[1]許映龍,張玲.我國(guó)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的現(xiàn)狀及思考 [J].氣象,2010,36(7):43-49.

[2]紀(jì)文君,郭湘平.臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)的定量分析 [J].湛江海洋大學(xué)學(xué)報(bào),2001,21(4):32-37.

[3]陳劍,孔玉壽.衛(wèi)星云圖資料在臺(tái)風(fēng)路徑相似預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].海洋預(yù)報(bào),2004,21(3):22-28.

[4]劉勇,吳必文.一種臺(tái)風(fēng)路徑相似檢索的算法研究 [J].氣象,2006,32(7):18-24.

[5]朱敬海,潘杰麗.一種準(zhǔn)確通用的臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)模式[J].海洋預(yù)報(bào),2007,24(1)69-74.

[6]李開樂.用相似離度做臺(tái)風(fēng)全路徑預(yù)報(bào) [J].海洋預(yù)報(bào),1987,4(2):1-7.

[7]鄒亮,任愛珠.基于GIS空間分析的臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)測(cè) [J].清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,48(12):2036-2040.

[8]張國(guó)峰,張京紅.臺(tái)風(fēng)災(zāi)害評(píng)估中相似臺(tái)風(fēng)的篩選 [J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,51(7)1334-1337.