浙江省相似台风分析与多源信息集成系统

邱 超，丁 涛，颜 丹 佳，何 默 为

(1.浙江省水文局，浙江 杭州 310009； 2.中国计量大学 质量与安全工程学院，浙江 杭州 310018)

浙江省毗邻东海，海岸线总长6 486.24 km，地处我国台风高发地区，每次台风灾害都给浙江地区带来了严重经济损失和人员伤亡。据统计，近20 a台风灾害给我国带来约平均每年300多亿元的直接经济损失[1-2]。因此加强对台风灾害的预测预报分析，可提前准备、早做防御，最大程度减轻台风灾害损失。对于台风灾害的预测预报，国内学者在这方面也开展了很多研究，如利用GIS的空间分析功能[3-6]，以及用相似台风匹配算法对当前台风进行预报。目前已经提出了多种相似台风匹配算法，如路径相似度算法[7-9]、相似离度法[10]、聚类相似法[11]、最短路径算法[12]、气象条件相似算法[13]、条件数算法[14]等。将相似台风匹配算法应用于台风灾害评估工作中[15-16]，同时对相似台风的降雨特征进行研究[17-20]，为防台决策提供科学可靠的依据，降低台风灾害损失。就目前提出的相似台风匹配算法而言，在进行相似台风匹配时仍存在两方面不足，一方面台风匹配算法采用的相似性指标比较单一，主要以历史路径为主，未考虑台风预报路径等信息；另一方面未将相似台风与其对应的路径、雨情、水情、灾情等多源信息进行关联和集成，信息提供不够全面和灵活。

基于以上问题，本文提出的相似台风匹配算法更多地考虑了路径、季节、移向、移速和强度等台风相似性指标以及各个国家和地区发布的台风预报路径信息，同时将台风信息与雨情、水情、灾情等信息进行关联，多源信息集成性更好。构建的软件系统可针对用户的不同需求灵活选用特征相似法、预测路径法、综合匹配法和实时缓冲区法等相似台风匹配算法。系统以4种台风匹配算法为核心，借助于GIS空间分析能力，可快速、准确地从历史台风数据库中检索出满足用户需求的相似台风，并可实现对相似台风雨情、水情、灾情等多源信息的集成式查询和对比分析。系统支持多用户的动态分布交互操作，用户可在任何支持浏览器的客户端通过Internet进行访问。

1 系统总体设计

1.1 系统结构

浙江省相似台风匹配系统采用基于B/S的3层架构，包括数据库、服务器和客户端。数据库采用SQL Server2008 R2，服务器采用IIS，客户端包括电脑、手机、平板等多种终端，具体如图1所示。服务器主要包括系统的功能模块，如实时台风相似匹配模块、历史台风相似匹配模块、历史台风统计模块、水雨灾情对比模块、实时台风同步模块和后台管理模块。数据库部分主要包括实时台风同步程序和数据库表，同步程序的主要功能是获取台风的实时和预报路径信息并存入本系统数据库中的台风预报表和台风实时信息表中。

图1 系统框架结构Fig.1 System frame structure

1.2 系统功能

为了更好地满足用户需求，系统设计功能包括实时台风相似匹配模块、历史台风相似匹配模块、历史台风统计模块、水雨灾情对比模块、实时台风同步模块和后台管理模块，具体如图2所示。

(1) 实时台风相似匹配模块。主要功能是根据设计的匹配算法从历史台风数据库中检索出与当前实时台风相似的历史台风。

(2) 历史台风相似匹配模块。主要用于台风结束后的总结和日常工作中的台风路径分析，用户可利用系统提供的历史台风的索引功能，直接输入台风的编号或名称来选定研究对象，也可以通过年份、季度、月份、登录强度、登录地点等搜索研究对象，将其作为当前台风进行相似台风的匹配。

(3) 水雨灾情对比模块主要用于相似台风间的雨情、水情和灾情对比。如雨情对比包括各相似台风在台风期间的降雨等值线图以及特征雨量的查询和对比。灾情对比主要对比各相似台风的受灾农田、倒塌房屋、死亡人数、经济损失等信息。

(4) 历史台风统计模块。对历史台风按发生季节、过程强度、登陆强度、登录地点进行统计分析。

(5) 实时台风同步模块。为了获得实时台风路径信息以及多个国家和地区预报的台风路径信息，实时台风同步模块可实时、同步获取各气象台的台风实时及预报信息，并将数据存储到系统的数据库表中。

(6) 系统后台管理模块。包括用户管理和数据管理两部分的功能，系统提供两个角色的访问，一种是作为管理员，能够录入修改数据，通过图形界面的交互更改数据库信息；另外一种是普通用户，仅能够使用系统的所有功能，但是不能对数据库有任何操作，以保证系统的安全性。

图2 系统功能结构Fig.2 System function structure diagram

2 相似台风匹配算法

2.1 特征相似法

特征相似法基于中国中央气象台的台风相似标准，以地理(路径)相似为基础，进一步以发生季节、台风移向和中心移速为相似条件进行匹配，另外本系统还增加了台风强度这一相似条件。为增加匹配算法的灵活性，设定了匹配时长和匹配间隔两个参数。“匹配时长”越长，匹配路径范围越大，反之则越小；匹配间隔越大，计算复杂度越小，反之则越大。特征相似法的原理如图3所示，下面根据该原理图对相似度计算方法作进一步的阐释。

(1) 特征相似性指标。相似指标包括台风路径、发生季节、台风移向、台风中心移速和台风强度，用户可在系统界面上交互式选择，系统根据用户选择的相似性指标进行相似台风的特征匹配。

(2) 台风相似路径的确定。从台风的生成点至当前台风的位置绘制一系列的缓冲圆，缓冲圆间隔决定了相邻缓冲圆之间的距离，系统中可手动输入，默认为12 h，缓冲圆半径默认为200 km，可人为修改。如果在一系列的缓冲圆内都有某条台风的纪录点，则该条历史台风即为当前实时台风的相似台风，如图3中匹配出的相似台风1和相似台风2。

(3) 相似度的计算。以缓冲圆圆心与每条相似历史台风路径上相应关键点之间的距离d和缓冲圆半径r的比值确立相似度SI：

(1)

该缓冲圆内所有的关键点的相似度的平均值作为历史台风在该缓冲圆处的相似度，记作ASI，见公式(2)。

(2)

将所有缓冲圆的ASI求平均值后可得到该历史台风与当前实时台风的相似度TASI，见公式(3)。TASI越接近于1，表明检索出的相似路径与实时路径越相似。

(3)

图3 特征相似法原理Fig.3 Schematic diagram of feature similarity method

2.2 预测路径法

特征相似法是基于台风的历史路径信息，而预测路径法则是利用各个国家和地区发布的台风预报路径信息，来获得当前实时台风可能移动的方向和路线。预测路径法原理为：以中国、台湾、美国和日本等图家和地区气象台发布的预测路径为约束条件，采用凸包算法绘制各预测路径的包络线，而后在数据库中搜索经过包络区域的历史台风，具体见图4所示。预测路径法相似度为相似台风在包络区域内的纪录点个数与当前台风总的预报点个数之比。

图4 预测路径法原理Fig.4 Schematic diagram of the predicted path method

2.3 综合匹配法

综合匹配法兼具特征相似法和预测路径法的优点，若根据特征相似法匹配出相似台风为(S1，S2，…，Sn)，根据预测路径法匹配出的相似台风为(T1，T2，…，Tm)，二者的交集(Q1，Q2,…，Qj)即为综合匹配算法搜索出的历史台风，综合匹配法的原理如图5所示，图中相似台风1和相似台风2既在历史路径上与当前台风相似，同时均经过台风预测路径的包络区域。

图5 综合匹配法原理Fig.5 Schematic diagram of the integrated matching method

2.4 实时缓冲区法

以当前台风中心位置为圆心，设定一个缓冲半径(缺省为200 km的区域，系统中可人为修改)，筛选出经过该缓冲圆的历史台风，从而可获得历史上经过当前台风位置附近的台风。并以缓冲圆内各历史台风的纪录点与当前台风位置的距离进行排序，距离越小越靠前。

3 应用实例

本文以Web GIS技术和相似台风匹配算法为基础，设计开发了“浙江省相似台风匹配系统”。该系统包括实时台风相似匹配模块、历史台风相似匹配模块、历史台风统计模块、水雨灾情对比模块和后台管理模块，各个模块对应于系统主界面上部菜单。限于篇幅，此处重点阐述历史台风相似匹配模块，仅以历史台风“桑美”为例，借助于系统开发的相似台风匹配算法，从历史台风数据库中检索出与“桑美”相似的历史台风，并对匹配出的多场相似台风进行水雨灾情的查询和比较。缺省情况下系统主界面默认显示当前实时台风或最近一场台风。

首先选择“历史台风匹配”菜单，弹出历史台风选择对话框，在对话框中可以通过台风名称或编号进行模糊查找，也可通过年份、季度、月份、登陆强度、登陆地点等指标进行层级筛选，将“桑美”选为目标匹配对象。而后选择相似台风台匹配算法，对于实时台风而言可以选择的匹配算法有特征相似法、预测路径法、实时缓冲区法和综合匹配法；对于历史台风匹配而言，由于台风已经结束，因此可供选择的匹配算法仅为特征相似法。特征相似法参数设置界面位于主界面左下角，此处地理相似选择400 km，即缓冲圆半径；历史匹配时段输入24 h，该参数主要用于确定用户欲匹配的台风路径段，默认为从台风生成到当前时刻的台风路径段；匹配间隔设定6 h，即系列缓冲圆之间的时间间隔；此处台风相似指标仅选择了地理路径相似，也可以进一步勾选和设置台风季节、中心移速和台风强度等相似指标。点击“匹配”后，系统会将算法匹配出相似台风列于主界面左下角，以列表的形式显示相似台风的台风编号、台风名称、台风等级、登陆地点、相似度、开始时间、最大风速、最低气压、最大雨量、经济损失、详情等属性，方便用于对相似台风间的重要特征指标进行比较。通过特征相似法匹配出的“197209-贝蒂”“195310”“197613-毕莉”与台风“桑美”的相似度分别为54%，47%和36%。相似台风匹配出来以后，可以通过选择主界面上的菜单“水情灾情查询”进一步查询和对比相似台风“贝蒂”“195310”和“毕莉”的水情、雨情和灾情，实现了相似台风与其对应的路径、雨情、水情、灾情等多源信息的关联和集成，可为防台决策提供更为全面的台风对比信息。

4 结 语

本文以台风路径、发生季节、台风移向、台风中心移速、台风强度以及各个国家和地区发布的台风预报路径信息为基础，开发了特征相似法、预测路径法、实时缓冲区法和综合匹配法共4种相似台风匹配算法，相似台风匹配算法和系统功能更加丰富、完善，通过设定匹配时长和匹配间隔等算法参数，增加了系统的灵活性和实用性。匹配系统可提供实时台风相似匹配、历史台风相似匹配、历史台风统计、台风详情查看、水雨灾情对比信息以及后台数据维护等功能。系统能够以表格、图像、雨量等值线、文字和超链接等方式呈现出相似台风间的相关信息，极大地方便用户快捷和高效地提取相关信息进行预测分析。该系统于2016年开始运行，在防御“尼伯特”“莫兰蒂”“玛莉亚”等多场台风过程中，验证了算法的可行性及系统的稳定性。