引文格式： 王中山，袁金錦. 面向災(zāi)害風(fēng)險評估的臺風(fēng)數(shù)值模擬及可視化[J].測繪通報，2015(4)：108-110.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0123

面向災(zāi)害風(fēng)險評估的臺風(fēng)數(shù)值模擬及可視化

王中山1，袁金錦2

(1. 武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 山東省地質(zhì)測繪院，山東 濟南 250000)

Typhoon Numerical Simulation and Visualization for Disaster

Risk Assessment

WANG Zhongshan，YUAN Jinjin

摘要：針對具體臺風(fēng)對地區(qū)災(zāi)害風(fēng)險影響的快速應(yīng)急的特點，運用Shapiro臺風(fēng)風(fēng)場模型，結(jié)合GIS技術(shù)，以201319號“天兔”臺風(fēng)為例，實現(xiàn)了臺風(fēng)的數(shù)值模擬、該臺風(fēng)具體時刻的影響區(qū)域的可視化及對廣東省的災(zāi)害風(fēng)等級區(qū)劃，以期為應(yīng)急部門的防災(zāi)減災(zāi)工作提供科學(xué)的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：臺風(fēng)；GIS；數(shù)值模擬；可視化

中圖分類號：P208

收稿日期：2014-09-22

基金項目：城市公共安全脆弱性分析和綜合風(fēng)險評估關(guān)鍵技術(shù)研究與示范(2011BAK07B02)

作者簡介：王中山(1989—)，男，碩士，主要研究方向為地理信息系統(tǒng)理論與應(yīng)用。E-mail：wangzhongshan89@163.com

一、引言

臺風(fēng)是一種破壞力很強的災(zāi)害性天氣，登陸地一般集中在我國沿海的浙江、福建和廣東等經(jīng)濟較發(fā)達(dá)的地區(qū)，其伴隨有大風(fēng)、暴雨，以及其引發(fā)的風(fēng)暴潮、滑坡、泥石流和洪水等一系列災(zāi)害，給人們的生命財產(chǎn)造成巨大的損失。面對臺風(fēng)災(zāi)害對社會和經(jīng)濟的嚴(yán)重影響，進行臺風(fēng)風(fēng)場研究，進而模擬臺風(fēng)，促進人們深刻認(rèn)識臺風(fēng)和制定有效的措施來降低其造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失，具有很強的必要性和現(xiàn)實意義。

目前，對臺風(fēng)風(fēng)場模型的研究，大多數(shù)的研究重點是臺風(fēng)風(fēng)場模型的數(shù)值模擬及如何提高模擬精度[1-2]。此外，近年來不少學(xué)者也開展了臺風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃的相關(guān)研究，研究出災(zāi)害風(fēng)險的大小及災(zāi)害可能帶來的損失，并且對等級劃分，區(qū)分出不同等級風(fēng)險的區(qū)域范圍[3-4]。

本文結(jié)合公共安全中應(yīng)急處置快速反應(yīng)的特點，在臺風(fēng)風(fēng)場數(shù)值模擬模型的基礎(chǔ)上，運用GIS空間數(shù)據(jù)管理、GIS空間數(shù)據(jù)疊加分析、GIS空間數(shù)據(jù)插值等技術(shù)，實現(xiàn)臺風(fēng)動態(tài)時刻影響區(qū)域及整場臺風(fēng)對某個地區(qū)的風(fēng)險區(qū)劃，確定風(fēng)險較高的區(qū)域和較低的區(qū)域，為政府決策部門的資源配置、防災(zāi)減災(zāi)和應(yīng)急決策提供科學(xué)的參考和依據(jù)，從而進行必要的應(yīng)急疏散和救援調(diào)度。

二、臺風(fēng)風(fēng)場模型及其數(shù)值模擬

1. 臺風(fēng)風(fēng)場模型

本文選取Shapiro風(fēng)場數(shù)值模擬模型來對臺風(fēng)進行模擬，Shapiro風(fēng)場模型是一組描述大氣運動的偏微分方程，其理論模型是在不考慮熱帶氣旋豎向?qū)α鞯募僭O(shè)條件下，氣壓場對稱、定常厚度的邊界層中，通過牛頓第二定律經(jīng)過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換得到的。Shapiro風(fēng)場模型在移動柱坐標(biāo)中，動量守恒控制方程為[5-6]

(1)

(2)

Shapiro風(fēng)場是一組非線性偏微分方程組，本文采用有限差分法進行求解[10]。為了使差分?jǐn)?shù)值具有較好的穩(wěn)定性，所有的空間一階導(dǎo)數(shù)項采用迎風(fēng)格式，空間二階導(dǎo)數(shù)項采用中心差分格式，時間偏導(dǎo)數(shù)項采用向前差分格式，應(yīng)用時間推進法和牛頓迭代法相結(jié)合的方式求解離散化方程。

迭代初始值由梯度風(fēng)場作為初始值，邊界條件為在臺風(fēng)中心處，風(fēng)速值為零；最外圍的網(wǎng)格節(jié)點是忽略流體粘性加速度項和阻力加速度項穩(wěn)定狀態(tài)時的風(fēng)速，也就是科氏力和氣壓梯度力平衡，即

(3)

2. 數(shù)值模擬

基于上述的Shapiro風(fēng)場理論模型，首先根據(jù)臺風(fēng)的觀測數(shù)據(jù)得到B、Rmax、ΔP，然后對臺風(fēng)進行網(wǎng)格劃分[10](如圖1所示)，根據(jù)邊界條件求出初始值(u0,v0)；將其和得到的臺風(fēng)關(guān)鍵參數(shù)一起代入由式(1)得到的差分控制方程，迭代求解得到臺風(fēng)風(fēng)場中網(wǎng)格點的臺風(fēng)風(fēng)速(u,v)。Shapiro風(fēng)場計算得到的風(fēng)速值為邊界層高度內(nèi)豎向平均值，近似為500m高空中不受地面摩擦影響的梯度風(fēng)速，最后將計算出的風(fēng)速值采用式(4)轉(zhuǎn)換為近地面10m高度的風(fēng)速值。

圖1　臺風(fēng)影響范圍內(nèi)的節(jié)點

(4)

式中，v為離地面高度為z的平均風(fēng)速(m/s)；v1為離地面高度為z1的平均風(fēng)速值(m/s)；α為地面粗糙度指數(shù)。

本文選取Shapiro臺風(fēng)風(fēng)場模型對201319號臺風(fēng)“天兔(Usagi)”進行模擬?！疤焱谩逼鹗加?013年9月15日菲律賓以東；18日5時加強為強熱帶風(fēng)暴，20時加強為臺風(fēng)；19日11時加強為強臺風(fēng)，17時加強為超強臺風(fēng)；22日19時40分，“天兔”帶著國家氣象中心(NMC)的45m/s的評價，登上了汕尾市的陸地，汕尾市持續(xù)風(fēng)速達(dá)15級，陸豐測得極大風(fēng)速74.7m/s，超過17級。

為了更好地對觀測值與模擬值進行比較，選取了臺風(fēng)路徑附近兩個觀測站點，分別是東沙島(21.0213°N, 118.8611°E)、陸豐南塘(22.9093°N, 115.9131°E)。利用Shapiro臺風(fēng)風(fēng)場模型計算出這些站點在臺風(fēng)影響期間的風(fēng)速值，與臺風(fēng)中心靠近觀測站點的時段觀測到的風(fēng)速值進行比較。

如圖2和圖3所示，從中可以看出，東沙島觀測站只有在1∶00這個時刻模擬風(fēng)速值與實際觀測值差距較大，達(dá)到11m/s，其他時刻差異較小，基本吻合，整體變化趨勢也相同；陸豐南塘站在臺風(fēng)登陸期間的幾個時刻內(nèi)，只有20∶00時觀測值與模擬風(fēng)速值差距最大，為12m/s。造成這種個別點觀測值與模擬值差距較大的主要原因可能是臺風(fēng)本身具有的復(fù)雜性及Shapiro風(fēng)場模型在某些地方的參數(shù)的簡化?？傮w上，Shapiro風(fēng)場模型能夠滿足應(yīng)急處置快速反應(yīng)的模擬效果。

圖2　東沙島

圖3　陸豐南塘站

三、GIS平臺的可視化

利用GIS相關(guān)技術(shù)和手段將Shapiro風(fēng)場模型模擬結(jié)果以圖形的形式直觀地顯示出來，可以幫助應(yīng)急指揮決策人員從整體上把握整場臺風(fēng)對具體地區(qū)造成的災(zāi)害風(fēng)險等級，也可以清楚地了解具體時刻臺風(fēng)的影響區(qū)域，以確定科學(xué)合理的防災(zāi)減災(zāi)措施，將臺風(fēng)災(zāi)害帶來的損失降到最低。本文以“天兔”對廣東省的影響為例，利用反距離權(quán)重的差值方法，生成“天兔”臺風(fēng)具體時刻影響區(qū)域圖，可以直觀地展現(xiàn)不同時刻“天兔”臺風(fēng)對廣東省的影響區(qū)域；以縣為基本單位，生成“天兔”臺風(fēng)對廣東省災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃圖。具體的實現(xiàn)方法與步驟為：

1) 將Shapiro風(fēng)場模型計算出的風(fēng)速點值數(shù)據(jù)按照格式生成TXT文件。

2) 將TXT文件中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ArcMap中，處理成為SHP文件，并對其進行投影變換，使其與系統(tǒng)中的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)具有相同的投影系統(tǒng)。

3) 使用Spatial Analyst 工具，將風(fēng)速值點文件數(shù)據(jù)進行插值運算，得到風(fēng)場風(fēng)速值的柵格文件，本文采用的差值方法為反距離權(quán)重法。將風(fēng)速值劃分為5個等級，對柵格文件進行分類渲染。

4) 將渲染后的風(fēng)速值柵格文件與廣東省的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)進行疊加展示，生成具體某個時刻的臺風(fēng)影響區(qū)域?qū)ｎ}圖。如圖4和圖5分別為2013-09-22 3∶00和2013-09-22 14∶00“天兔”臺風(fēng)的影響區(qū)域圖。

圖4　2013-09-22 3：00影響區(qū)域圖

圖5　2013-09-22 14:00 影響區(qū)域圖

5) 使用ArctoolBox中的分析工具，將風(fēng)速值點文件數(shù)據(jù)與廣東省基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)進行疊加，以縣域為基本單位，獲得該縣域的整場臺風(fēng)的最大風(fēng)速值，然后以臺風(fēng)最大風(fēng)速值作為臺風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險的評價指標(biāo)，分級顯示，生成廣東省災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃圖，如圖6所示。

圖6　廣東省“天兔”臺風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃圖

由圖6可知，“天兔”臺風(fēng)對廣東省的影響的災(zāi)害高風(fēng)險區(qū)主要分布于廣東省東南部(汕尾市、陸豐市、潮陽市、東莞市、惠州市轄區(qū)等地區(qū))，這些地區(qū)位于臺風(fēng)路徑的兩側(cè)，受臺風(fēng)影響較大；隨著臺風(fēng)逐漸向內(nèi)陸移動，災(zāi)害風(fēng)險開始逐漸降低，次高風(fēng)險區(qū)主要分布于廣東省中部(廣州市、增城市、英德市等地區(qū))；中等風(fēng)險區(qū)和次低等風(fēng)險區(qū)主要分布于廣東省中北部、西中部(連州市、陽春市、臺山市等地區(qū))；風(fēng)險區(qū)主要分布廣東省西南部(高州市、雷州市、化州市等地區(qū))，這些地區(qū)離臺風(fēng)路徑較遠(yuǎn)，因此受臺風(fēng)影響較小。最后將“天兔”對廣東省影響的可視化成果與廣東省地區(qū)實際出現(xiàn)的風(fēng)速情況比較，發(fā)現(xiàn)基本吻合。

四、結(jié)束語

本研究基于Shapiro風(fēng)場模型，以201319號臺風(fēng)“天兔”為例，借助于GIS在空間數(shù)據(jù)存儲、空間數(shù)據(jù)分析、圖形交互和顯示方面的強大功能，將風(fēng)場模型與GIS結(jié)合，得出了天兔臺風(fēng)對廣東省災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃圖和“天兔”具體時刻影響區(qū)域圖，為應(yīng)急部門更加直觀地了解相關(guān)情況和決策提供了科學(xué)的參考依據(jù)。

本文只是從臺風(fēng)最大風(fēng)速值研究了臺風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險，臺風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險評估和區(qū)劃涉及多學(xué)科理論、方法和手段，僅僅一個因素不能夠較全面地反映實際情況，同時還需要考慮承災(zāi)體的空間分布及承災(zāi)能力等其他因素。因此，借助于GIS的強大技術(shù)支持，結(jié)合臺風(fēng)數(shù)值模擬模型，不斷優(yōu)化和完善臺風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險評估的技術(shù)方法，提高臺風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險評估和區(qū)劃的精度，能夠更好地為防災(zāi)減災(zāi)事業(yè)服務(wù)，同時也具有重要的現(xiàn)實意義。

參考文獻：

[1]江志輝,華鋒,曲平，等.一個新的熱帶氣旋參數(shù)調(diào)整方案[J].海洋科學(xué)進展,2008,26(1):1-7.

[2]林偉,方偉華.西北太平洋臺風(fēng)風(fēng)場模型中Holland B系數(shù)區(qū)域特征研究[J]. 熱帶地理, 2013(2):124-132.

[3]王勝,田紅,謝五三，等.基于GIS技術(shù)的臺風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃研究——以安徽省為例[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2012,17(1):161-166.

[4]劉少軍,張京紅,何政偉，等.基于GIS的臺風(fēng)災(zāi)害損失評估模型研究[J].災(zāi)害學(xué),2010,25(2):64-67.

[5]李茜,段忠東.Shapiro臺風(fēng)風(fēng)場模型及其數(shù)值模擬[J].自然科學(xué)學(xué)報,2005,14(1):45-52.

[6]SHAPIRO L J. The Asymmetric Boundary Layer Flow under a Translating Hurricane [J]. Journal of Atmospheric Sciences, 1983, 40(8): 1984-1998.

[7]ROLL H V. Physics of the Marine Atmosphere[M].[S.l.]：Academic Press, 1965:42.

[8]肖玉鳳,肖儀清,段忠東，等.Holland參數(shù)B對CE風(fēng)場數(shù)值模擬結(jié)果的影響研究[C]∥第十四屆全國結(jié)構(gòu)風(fēng)工程學(xué)術(shù)會議論文集.[北京]:[s.n.]，2009：163-168.

[9]肖玉鳳,段忠東,肖儀清，等. 基于數(shù)值模擬的臺風(fēng)危險性分析綜述(Ⅰ)——臺風(fēng)風(fēng)場模型[J].自然災(zāi)害學(xué)報, 2011, 20(2): 82-89.

[10]李茜.我國臺風(fēng)區(qū)城市的臺風(fēng)關(guān)鍵參數(shù)統(tǒng)計分析與Shapiro風(fēng)場模擬[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2003.

[11]鄭衛(wèi)江,吳煥萍,羅兵，等.GIS技術(shù)在臺風(fēng)預(yù)報服務(wù)產(chǎn)品制作系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].應(yīng)用氣象學(xué)報,2010,21(2):250-255.

[12]吳迪軍,孫海燕,黃全義，等.河道洪水演進數(shù)值模擬及其在GIS平臺上的可視化[J].測繪科學(xué),2009,34(6):242-243,189.

[13]劉順隆,鄭群.計算流體力學(xué)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社,1998.

[14]陸金甫,關(guān)治.偏微分方程的數(shù)值解法[M].北京：清華大學(xué)出版社,2004.

[15]陳香.福建省臺風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險評估與區(qū)劃[J].生態(tài)學(xué)雜志,2007,26(6):961-966.

[16]李瑞龍.基于改進的臺風(fēng)關(guān)鍵參數(shù)的臺風(fēng)極值風(fēng)速預(yù)測[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2007.

[17]王志春,宋麗莉,黃飛，等.沿海地區(qū)風(fēng)速指數(shù)的計算[J].廣東氣象,2006(4):17-18.

[18]劉仁義,劉南.ArcGIS開發(fā)寶典——從入門到精通[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

徠卡測量新技術(shù)應(yīng)用專欄