基于WebGIS的宁波市历史台风相似路径分析

佘亮亮,何 亮,缪能斌

(1.宁波市水利水电规划设计研究院,浙江 宁波 315192;2.宁波弘泰水利信息科技有限公司,浙江 宁波 315200)

1 问题的提出

宁波市地处我国东部沿海,濒临西太平洋,受海洋和地形地势影响,气候类型复杂多样,受大气南北环流交替影响,夏秋季节台风袭击频繁,并可能与天文潮相遇发生“三碰头”的现象,极有可能发生严重的自然灾害,给人民生命财产造成严重的损失,已成为宁波市最主要的自然灾害之一,是一种破坏性极强的气象灾害。

随着经济社会的不断发展,台风引起的破坏后果越来越严重,国内现已逐步建立了以气象卫星、天气雷达、地面测站等现代手段的台风综合监测体系。借助于现代综合气象监测体系的建设,以及天气学、动力学等理论科学研究的发展进步,台风路径的综合预报误差基本与世界先进水平相当[1]。国内学者从不同方面进行了研究和阐述:纪文君等采用动力学方法,从内力、梯度力、偏向力等方面定量分析其对台风转向的作用[2];陈剑等采用相似预报的原理和方法,结合常规气象资料,计算出灰度场的相似离度,能较准确地预测移动路径[3];刘勇等根据台风路径的相似离度判断其数值和形态的相似程度,最终检索出与当前台风路径相似的历史台风[4];朱敬海等根据台风云团和晴空区间干湿梯度力和推动台风的惯性力见的相互关系,建立单一预报因子的台风路径预报方程[5]。

1949—2012年的63 a中,影响宁波市的台风共有169次,平均2.68次/a,对宁波市经济社会造成了严重损失。借助现代信息化手段,运用现阶段台风相似路径研究理论与方法,研发出适用于宁波市的台风分析查询系统,通过影响宁波市的相似台风路径分析,为今后防台工作提供辅助决策支持。

2 相似路径的计算方法

台风的相似路径在一定程度上反映了影响台风移动因子的相似性,只要台风影响因子的组合存在相似性,2次台风之间就存在一定程度上的相似。将台风路径概化成平面上的曲线,通过比较台风间数值的相似性以及形状的相似性,才能较全面合理地判断2次台风路径是否相似[6],这次主要采用了相似离度结合GIS空间搜索的方法。

图1选定了2次台风a和b中的一段,为方便说明将其在经纬度上的方位概化成x、y笛卡尔直角坐标系,2次台风在y方向的差异可以采用式(1)计算:

图1 台风路径示意图

其中:Mab为2次台风在y方向上的绝对差值的平均值,Mab的值越小,表明在y方向上越接近,为2次台风在y方向上相交的次数,i表示连接2次台风y方向纵线的条数。

2次台风在形状上的差异可以采用公式(2)计算:

其中:Hab为2次台风在y方向上2点高度差与平均高度差的离散程度,Hab的值越小,表明2次台风在y方向上形状上越接近。

相似离度的计算公式为式(3):

其中:Lab的值越小,则说明2场台风的相似程度越高。同理,可以计算出在x方向上的台风相似离度值[4]。

由于历史台风数据量大,若仅仅采用相似离度的计算方法,则会降低寻找相似路径的效率。首先选取一场台风,采用某国产GIS地理信息软件的缓冲区分析功能,建立与选定台风空间位置、形状以及方向等因子的缓冲区,寻找缓冲区内可能与典型台风路径相似的台风。

缓冲区为以典型台风上某点为圆心一系列的圆,可能相似的台风路径应在此缓冲区内都有记录点,大幅缩减与选中台风可能相似台风的选择范围,然后再通过相似离度计算筛选后可能相似的台风。GIS缓冲区示意见图2。

图2 GIS缓冲区示意图

3 基于WebGIS的解决方案

WebGIS是Internet技术应用于GIS开发的产物,是利用Web技术来扩展和完善地理信息系统的一项技术,基于浏览器/服务器(B/S)结构。应用Internet技术可对地理信息数据进行发布和应用,以实现地理数据的在线查询、业务处理等。WebGIS动态分布交互式系统,具备良好的可扩展性和跨平台性,目前已广泛运用于水利信息化系统开发中。

3.1 系统简介

宁波市台风查询分析系统采用B/S结构,主要分为信息采集层、数据库层和业务系统层3层,信息采集层主要包括实时台风信息采集、中央台(以及美国、日本等国家和地区)台风路径预报信息采集、历史台风信息采集、卫星云图和雷达图的获取等;数据库包括实时台风信息数据库、实时台风预报路径数据库、历史台风信息数据库、卫星云图数据库和雷达图数据库;业务系统包括实时台风信息查询、实时台风预报路径查询、实时台风相似路径查询、历史台风信息查询、历史台风相似路径查询等;数据交互共享平台和相似路径分析服务提供了数据共享和相似路径查询分析服务。

3.2 方法实现

台风路径、移动速度等均具有很大的不确定性,假定台风a为历史台风,台风b为实时台风。台风路径往往是每隔一段时间记录1次台风信息,以台风b上的信息点作为控制点,据此向台风a作垂线,与a相交的点作为台风b的控制点,根据公式 (1)计算2次台风数值相似度。同理,在台风b中选择相邻2个控制点,并找出2点中前一时刻信息点在台风a中对应的控制点,3点进行坐标变换,根据公式(2)进行2次台风的形态相似计算 (见图1)。

经过上述计算,确定2次台风的相似度,以此类推,再与另一场可能相似的历史台风进行相似度计算,当所有可能相似台风计算完成后,按相似离度大小排列,供用户选择、分析。相似路径计算流程见图3。

图3 相似路径计算流程图

4 实例研究

本文选取 “菲特” 台风 (2013年第23号)为例,“菲特”台风对宁波市造成了严重的洪涝灾害和经济损失。根据系统预先设置的缓冲半径等条件,自动筛选出数据库中可能符合条件的历史台风并计算出相似离度。 “菲特”(2013年第23号)台风及相似路径见图4。

由图4可知,通过GIS缓冲区叠加相似离度计算,共可以计算出10条相似路径,相似度从76.54%～55.58%计算耗时1 200 ms,当不采用GIS缓冲区法时,需耗时9 500 ms,大幅降低了寻找效率。

从误差方面看,相似度计算值最为相似的为“芙安”台风 (1970年第10号),但其路径与 “菲特”实际路径在形状上有所差异,而相似度计算值第2位的 “潭美”(2013年第12号)在形状上则更为相似。分析认为,该软件运用的计算方法后期还需修正,同时也可能由于 “芙安”台风发生时间久远,限于当时测量条件,本身存在一定的误差所致。

图4 “菲特”(2013年第23号)台风及相似路径图

5 结 语

本文研究了基于WebGIS,通过GIS缓冲区辅助相似离度查找台风相似路径的方法,二者结合加快了台风相似路径的寻找速度、准确性和科学性。在系统研发过程中,参考了相关文献[6-8],在系统调试过程中,发现检索出的台风相似路径与样本台风的相似程度,不仅与相似路径的计算方法有关,而且与台风样本数量、台风历史以及台风路径长度也有关系。

当台风路径较长时,控制节点一般较多,计算出的相似度也较差,相似台风路径较少,如图4中的 “潭美”与“菲特”除中期较为接近外,后期发生了明显的反向;相反,当台风路径较短时,控制节点也较少,计算出的相似度较路径长的好,具备相似路径的台风也较多。同时,还发现发源于南海海域的台风,在经过我国台湾岛时,一般会发生转向,影响宁波市的概率较发源于西太平洋的台风大为降低。

[1]许映龙,张玲.我国台风预报业务的现状及思考 [J].气象,2010,36(7):43-49.

[2]纪文君,郭湘平.台风路径预报的定量分析 [J].湛江海洋大学学报,2001,21(4):32-37.

[3]陈剑,孔玉寿.卫星云图资料在台风路径相似预报中的应用[J].海洋预报,2004,21(3):22-28.

[4]刘勇,吴必文.一种台风路径相似检索的算法研究 [J].气象,2006,32(7):18-24.

[5]朱敬海,潘杰丽.一种准确通用的台风路径预报模式[J].海洋预报,2007,24(1)69-74.

[6]李开乐.用相似离度做台风全路径预报 [J].海洋预报,1987,4(2):1-7.

[7]邹亮,任爱珠.基于GIS空间分析的台风路径预测 [J].清华大学学报:自然科学版,2008,48(12):2036-2040.

[8]张国峰,张京红.台风灾害评估中相似台风的筛选 [J].湖北农业科学,2012,51(7)1334-1337.