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

        2015-12-26 06:22:40王中山,袁金錦
        測繪通報 2015年4期
        關(guān)鍵詞:數(shù)值模擬臺風(fēng)可視化

        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。

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        徠卡測量新技術(shù)應(yīng)用專欄

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