（地图学与地理信息系统专业论文）gis空间分析方法在热带气旋研究中的应用.pdf

摘要 在全球热带气旋( t r o p i c a lc y c l o n e ，以下简称t c ) 生成区中，西北太平洋的 发生频率最高，占全球总数的1 3 以上，同时西北太平洋上的台风强度也是全球最 强。我国是世界上遭受t c 影响最为频繁和严重的国家之一。因此研究t c 的发 生发展，准确预报t c 活动对于防灾减灾具有重要的意义。也因而t c 研究的重 要性长期得到重视。 由于t c 活动的复杂性，人们不断地探索新技术、新方法在t c 预报和影响 分析中的应用。在本文中，作者对基于g i s 空间分析技术的t c 预报和t c 过程 降水的空间插值问题进行了探索研究，分别提出了：1 ) 面积指数的相似度概念和 算法，以及基于这种相似性测度的t c 预报方法：2 ) 基于凸包和v o r o n o i 多边彤 技术的t c 过程降水的数据插补和空间插值方法。 t c 活动的路径趋向的准确预报一直是一个困难的问题，为此气象学家们建 立了各种预报方法，包括动力模型、统计模型、动力一统计相结合的模型等等。 在t c 活动的统计预报中。基于相似性的预报是一类重要的技术，于是本文基于 g i s 技术进行了相似性预报的探索研究我们用路径的几何相似扩展了气象学中 地理相似的概念，并在此基础上提出了面积指数的路径相似测度方法，就是用一 定时段内实时路径和历史路径所包围的面积与某一参照面积的比值测度来表示 历史路径和实时路径在该时段内相似程度，然后根据相似程度选择最为相似的前 n 条t c 路径建立预报模型，试验研究表明该模型对于非异常的路径具有较高的 精度。 t c 常常带来大范围的强降水，在使用g i s 技术研究过程降水的分布和影响 时，需要使用空间插值技术。目前人们对于空问插值技术的研究很多，大多数 g i s 软件提供了空间插值的工具，例如a r c g i s 中的空间分析工具箱就提供多种 空间插值方法包括克里格方法、倒数距离加权法、样条函数等。但是我们发现这 些插值方法在应用于t c 过程降水中存在一些需要解决的问题：1 ) 台风降水的显 著特点是存在明确的空间范围，即降水区域和非降水区域之间存在条明显的分 界线，因此需要确定降水的0 值边界，而g i s 中的空间插值方法没有考虑这一 情况，这样如果不加区分地使用g i s 工具箱中提供的插值方法，可能会带来不 正确的的降水表示例如无降水记录的区域被插值成有降水分布。我们将其称 为第一类的数据完整性问题。2 ) 在数据库的建立和数据分析过程中我们发现，在 降水分布的范围内存在一些测站没有降水记录的情况，仅仅根据数据记录无法判 别是由于这- - n 站本来就没有降水发生，还是因为漏测或无需上报降水数据而使 得降水记录缺失。我们将这种情况称为第二类的数据完整性问题。 显然，为了精确地表示过程降水的分布，我们对这两类数据完整性问题分别 提出了解决的办法：用v o r o n o i 多边形和g i s 邻接计算解决第一类数据完整性问 题；用点集的凸包和最大最小邻近距离方法解决第二类数据完整性问题。由此绲 到包括降水分布范围周围的0 降水测站的完整的数据点集，将该数据点集用于过 程降水的空间插值。 在上述两个问题研究的基础上，我们开发实现了基于g i s 的面积指数相似测 度和t c 预报的工具，以及t c 过程降水空间插值分析和可视化的工具箱。 关键字：热带气旋空间分析空闻相似面积指数空间插值凸包泰森多边形 i i a b s t r a c t t h ef r e q u e n c yo ft r o p i c a lc y c l o n eo nn o r t h w e s tp a c i f i ci st h eh i g h e s t i nt h ew o r l dw h e r es u f f e r e d i t ，w h i c ho c c u p i e da b o v e1 3 c h i n ai so n e o ft h em o s ts e r i o u sa n df r e q u e n tc o u n t r i e sw h i c hs u f f e r e dt h et r o p i c a l c y c l o n e t h u s ，i ti sm e a n i n g f u lf o ru st or e s e a r c hw h e r et r o p i c a lc y c l o n e o c c u r r e da n dh o wit g r e w ，t of o r e c a s ti t sp a t hi no r d e rt op r e v e n tt h e d i s a s t e r w ea t t a c hm o r e i m p o r t a n c et ot h er e s e a r c ho ni t p e o p l ec o n s t a n t l ye x p l o r et h en e wt e c h n o l o g ya n dm e t h o di nt h ea p p l i c a t i o n o ft cf o r e c a s t i n ga n da f f e c t i n ga n a l y s i sf o ri t sc o m p l e x i t y i nt h i sa r t i c l e t h e a u t h o r e x p l o r e st c f o r e c a s t i n gb a s e d o ng i s s p a t i a la n a l y s i sa n d s p a t i j l i n t e r p o l a t i n ga b o u tt cp r o c e s sp r e c i p i t a t i o n a d v a n c e st w om e t h o d s ：o n ei st c f o r e c a s t i n gm e t h o db a s e do na r e a i n d e xs i m i l a r i t ya n di t sa r i t h m e t i c ：t h eo t h e ri s d a t aa n ds p a t i a li n t e r p 0 1 a t i n gi nt h ea p p l i c a t i o no ft cp r e c i p i t a t i o nb a s e do n p r o t r u d i n gp o l y g o na n dv e r o n a i i ti s a l w a y s ah a r d p r o b l e m t o a c c u r a t e yf o r e c a s t t h et c p a t h ，t h u s m e t e o r o l o g i s t se s t a b l i s h e da l lk i n d so ff o r e c a s t i n gm e t h o d s i n c l u d ed y n a m i c a l m o d e l 、s t a t i s t i cm o d e la n dd y n a m i c a l s t a t i s t i cm o d e le t c t h ef o r e c a s t i n gb a s e do n s i m i i a r i t yi sa ni m p o r t a n tt e c h n o l o g y ，t h u ss i m i l a r i t yf o r e c a s t i n gi se x p l o r e db a s e d o ng i s w ee x t e n dt h eg e o g r a p h ys i m i l i t u d ew i t hg e o m e t r ys i m i l i t u d ea n da d v a n c et h e a r e a i n d e xp a t hs i m i l i t u d em e a s u r e m e n tt h a ts h o w st h es i m i l i t u d eb e t w e e nh js t o r y p a t ha n dr e a lp a t hw i t ht h er a t i ob e t w e e nt h ea r e ab yh i s t o r yp a t ha n dr e a lp a t h a n dr e f e r e n c ea r e a a n dt h e ns e l e c tt h ef o r w a r dnt cp a t ha c c o r d i n gt os i m i l i r u d e t ob u i i dt h ef o r e c a s t i n gm o d e l t h ee x a m i n a t i o ns h o w st h i sm o d e lish e l p f u lt ot h e n o r m a lp a t h t ca l w a y sl e a d st os t r o n g l yr a i n i n g w en e e du s es p a t i a l i n t e r p o l a t i n g i n r e s e a r c hp r o c e s sp r e c i d i t a t i o na n di t se f f e c t n o wt h e r ea r em a n yr e s e a r c he l ls p a t i a l i n t e r p o l a t i n ga n dt h i st o o i ss u p p l i e db yg i ss o f ts u c ha sa i c 6 1 sw h i c hh a sk r i n g 、 i d w 、s p l i n ef u n c t i o ne t c b u tt h e s em e t h o d se x i s ts o m ep r o b l e m ：1 ) t h es p e c i a l t y o ft cp r e c i p i t a t i o ni sd i s t i n c ts p a t i a le x t e n tb e c a u s eb e t w e e nt h ep r e e i p i t a t i o n a r e aa n dn o n p r e c i p i t a t i o na r e at h e r ei sa no b v i o u sb r e a d l j n o ，s oi ti sn e e dt o c o n f i r mt h ez e r o v a l u eb o u n d a r ye x c e p tg i ss o f t o t h e r w i s ei ts h o w st h ei n c o r r e c t i i p r e c i p i t a t i o na r e a ，s u c ha s s o m en o n p r e e i p i t a t i o na r e aw o u l db ec o n s i d e r e da s p r e c i p i t a t i o na r e a w ec a l l e dt h ep r o b l e ma st h ef i r s td a t ai n t e g r a l i t yp r o b l e m 2 ) d u r i n ge s t a b l i s h i n gd a t a b a s ea n da n a l y z i n gd a t a ，w e f o u n d t h e r e w e r es o m es t a t i o n s w i t ho n p r e c i p i t a t i o n r e c o r d e x i s t i n g i n p r e e i p i t a t i o n a r e a w ec o u l d n t d i s t i n g u i s hw h e t h e rp r e c i p i t a t i o no c c u r r e di nt h e s es t a t i o no rn o ta c c o r d i n gd a t a w ec a l l e dt h i sp r o b l e ma st h es e c o n dd a t ai n t e g r a l i t yp r o b l e m t os h o wi n c o r r e c t l yp r o c e s sp r e c i p i t a t i o nd i s t r i b u t e ，w ea d v a n c et h em e t h o dt o d e a lw i t ht h et w op r o b l e m ：r e s o l v et h ef i r s td a t ai n t e g r a l i t yp r o b l e mw i t hv o r o n o i a n dg i sn e i g h b o ra n a l y s i sa n dt h es e c o n dd a t ai n t e g r a l i t yp r o b l e mw i t hp r o t r u d i n g p o l y g o na n dm a x m i nn e i g h h e r d i s t a n c e t h u sw eo b t a i nt h ec o m p l e t ed a t ai n c l u d i n g n o n p r e c i p i t a t i o n s t a t i o nb e s i d et h ep r e c i p i t a t i o na r e aa n du s et h e s ed a t ai n i n t e r p o l a t i n g ? l e d g v e l o pt h et o o l a b o u tt c f o r e c a s t i n g b a s e do na r e a i n d e x s i m i l a r i t y m e a s u r e m e n ta n dt h ea n a l y s i so fi n t e r p o l a t i n gi nt cp r o c e s sp r e c i p i t a t i o na r e aa n d v i s u m i z a t i o n k e yw o r d s ：t r o p i c a lc y c l o n e ，s p a t i a la n a l y s i s ，g e o g r a p h y s i m i l a r i t y , a r e a i n d e x ，s p a t i a li n t e r p o l a t i n g ，p r o t r u d i n gp o l y g o n ，v o r o n o i v 苤壹煎硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 张超教授华东师范大学主席 束炯教授华东师范大学委员 李朝颐教授华东师范大学委员 益建芳副教授华东师范大学秘书 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：趣整日期：也兰：吏函 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复稍并允许论 文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版，保密的学位论文在 解密后适用本规定。 日期：丝三：王2 曼 学位论文作者签名：撤 日期： 导师签名： j 啪耋。s 地 乏区飞 g i s 空间分析方法在热带气旋研究中的应用 第一章0 论 第一章引论 1 1 热带气旋研究的意义 热带气旋( t r o p i c a lc y c l o n e ，以下简称t c ) 是世界上最重要的自然灾害之一， 它是指热带地区形成的一种低压，它不断旋转，并伴随着大风和强降雨天气。t c 按 其中心附近风力大小划分为4 种类型( 陈联寿、丁一汇，1 9 7 9 ) ：中心风力在7 级和 7 级以下的称热带低压，8 到9 级称热带风暴，1 0 到1 1 级称强热带风暴，1 2 级和1 2 级以上称台风。这4 种类型t c 在发展过程中往往会相互转化。在自然灾害中，台风 所造成的灾害，仅次于强地震，国内外均如此( 络继宾，t 9 9 7 ) 。台风在全球三个海 区上影响最大，即西北太平洋( 包括南海) 、西北大西洋( 包括加勒比海和墨西哥湾) 和孟加拉湾( 陈联寿、丁一汇，1 9 7 9 ) 。当这种风暴移近大陆或登陆后，将给人类带 来灾害，严重的可酿成巨灾。我国是全世界少数几个受台风影响最严重的国家之。 1 9 4 9 年以来，受西北太平洋t c 影响，我国每年直接经济损失达1 0 - - 1 0 0 亿元，死亡 人数在1 0 0 1 0 0 0 人以上。近年来，沿海地区随着社会经济的快速发展，台风灾害所 造成的社会损失也呈明显上升的趋势( 冯利华，1 9 9 9 ) 。然而台风在危害人类的同 时，也在保护人类。台风给人类送来了淡水资源。大大缓锯了全球水荒，一次直径不 算太大的台风，登陆时可带来3 0 亿吨降水。另外，台风还使世界各地冷热保持相对 均衡。显而易见，准确地预报t c ，对于防灾减灾、保障国民经济安全运行有着重大 意义。 基于台风对于环境和社会经济的重要影响，气象部门和相关领域十分重视t c 的 发生机制、活动规律和预报的研究。本文从新的视角对t c 的研究进行了探索，我们 以g i s 技术为核心，对空间相似技术在t c 预报中的应用进彳亍了较为系统的研究，并 结合降水影响的分析提出了降水场插值中数据完整性的插补方法，建立了基于 v o r o n o i 多边形与凸多边形的过程降水的边界确定算法。 1 2g i s 在热带气旋研究中的应用 近5 0 多年来，完善的气象监测网络和新的观测技术手段的运用为t c 监测、分 析和预报做出了积极的贡献。多学科地交叉，以信息技术为核心，在数据综合集成的 一致环境中，探索分析t c 是国际上的新动向( a s a n o b uk i t a m o t 0 ，2 0 0 1 ) 。目前国内 外的很多科学工作者通过使用g i s 技术、数据挖掘技术和空间数据挖掘技术 ( d m s 蛳) 、人工智能技术( a i ) 等挑战气象问题的复杂行为对传统气象方法的限制， 并取得了一定的成果。 鱼坚至塑坌堑查鲨垄垫堂墨壁堕塑! 竺壁望笙二：茎! ! 堡 美国的国家天气服务中心( n w s ) 将g i s 用于天气服务和i n t e r n e t 上的天气信 息发布，印度中尺度预报国家中心将中尺度预报模式与g i s 结合，利用g i s 的可视化 和空间分析功能制作天气图和天气分析( s a s e e n d r a ne t c ) ，d m y ( 1 9 9 4 ) 在g t s 的 支持下，集成精细d e m 模型，发展了p r i s m 气候分析系统，其气候分析和描述能力显 著提高。为了发展g i s 在气象学和气候学中的应用，科学技术领域欧洲协作计划提出 了c o s t 7 1 9 这项开始于2 0 0 1 年有1 8 个欧洲国家参加的研究计划。其主要目标是：与 g i s 产业密切合作建立g i s 和气象数据的接口，评估气象和气候数据的实用性、内容 和可获得性，鼓励和培育g i s 在气象和气候研究中的合作发展，增强国家气象服务机 构、研究团体和g i s 产业的联系。s h i p l e y 在研究g i s 应用于气象学领域的基础上提 出了g i s 就是天气处理系统的断言( s h i p l e ye t c ，1 9 9 8 ) ，甚至提出了g i s 气象学的 概念( s h i p l e ye t c ，2 0 0 0 ) 。我国g i s 在气象学领域的研究刚刚起步，厦门市危房改 造办公室台风跟踪预警系统利用g i s 技术建立台风监测系统，对台风形成地点、移动 时间、登陆时间、登陆地点等进行可视化的跟踪和记录，以达到台风预警的目的。上 海台风研究所在国家气象局预测减灾司的支持下研究了g i s 在t c 检索分析中的应用， 建立了基于6 i s 的西北太平洋t c 路径检索和分析系统，取彳导了很好的效果。这一系 统面向县级气象部门，充分利用g i s 的空间分析和查询能力为t c 路径预报提供大量 的相似路径参考信息，这一系统的研制为探索如何在g i s 环境中进行t c 数据分析和 t c 路径预报积累了丰富经验。但是，目前这系统的主要功能还停留在t c 数据管理、 路径检索、和可视化等简单的功能上。需要在此基础上进行完善，充分发挥g i s 集成 多源数据的能力，将t c 观测数据、天气数据、气象卫星观测数据、雷达数据、海温 场数据等进行综合集成，在g i s 技术所提供的一致的数据环境下，发展t c 及其相关 数据的数据挖掘分析技术、人工智能技术。发展基于g i s 的t c 分析和预报技术，建 立空间分析技术集成的综合分析和预报系统。将g i s 空间分析技术应用于气象学领域 是国际上富有意义的方向，也是本研究工作的内容。 1 3 本文的工作 目前利用g i s 技术研究t c 的工作还刚剐起步，将g i s 技术、d m s d m 等手段 应用到t c 的研究领域中来，挖掘丰富的t c 资料中蕴含的知识具有重要的意义。我 们曾经开发了基于g i s 技术的西北太平洋热带气旋检索系统，这一系统主要利用 了g i s 的空间数据管理、空间查询、地图可视化等能力，提供了相似路径搜索、关键 区路径查询、台风源地统计分析、t c 过程降水和大风影响的可视化等功能。在系统 的开发实践中我们注意到g i s 和t c 分析的结合上还有很多值得关注和深入研究的问 题，在此我们主要对基于g i s 空间分析技术的t c 预报和台风过程降水的空间插值问 题进行了探索研究，分别提出了：1 ) 面积指数的相似度概念和算法，以及基于这种相 似性测度的t c 预报方法；2 ) 基于凸包和v o r o n o i 多边形技术的台风过程降水的数据 g 竖窒塑坌! ! 查堡垄垫塑墨塑竺壅主塑堕旦塑二雯! i 堕 插部和空问插值方法。 ( 1 ) t c 相似路径研究与实现 台风活动十分复杂，为气象学家建立各种预报方法，包括动力模型、统计模型、 动力一统计相结合的模型等等，但是准确地预报的路径趋向仍然是一个困难问题。在 t c 活动的统计预报中基于相似性的预报是一类重要的技术，本文基于g i s 技术进 行了探索，用路径的几何相似扩展了气象学中地理相似的概念，并在此基础上提出了 面积指数的路径相似测度方法，就是用一定时段内实时路径和历史路径所包围的面积 与某一参照面积的比值测度历史路径和实时路径的在该时段内相似程度，然后根据相 似程度选择最为相似的前1 1 条t c 路径建立预报模型，试验研究表明该模型对于所非 异常的路径具有较高的精度。 ( 2 ) t c 过程降水中空间插值分析的数据完整性和降水场的边界问题 t c 常常带来大范围的强降水，用g i s 分析和表示t c 活动过程降水的分布特征， 需要将测站记录的降水数据进行空间插值。目前人们对于空间插值技术的研究很多， 大多数g i s 软件提供了空间插值的工具，例如a r c g i s 中的空问分析工具箱具有多种 空间插值方法包括克里格、倒数距离加权、样条函数等。但是我们发现这些插值方法 在应用于台风过程降水中存在一些需要解决的问题：1 ) 台风降水的显著特点是存在明 确的空问范围，即降水区域和非降水区域之闯存在一条明显的分界线，因此需要确定 降水的0 值边界，而普通的空间插值方法不考虑这一情况，如果不加区分地使用g i s 工具箱中提供的插值方法，可能会带来不正确的降水表示一例如无降水记录的区域被 插值成有降水分布。我们将其称为第一类的数据完整性问题2 ) 在数据库的建立和数 据分析过程中我们发现，在降水分布的范围内存在一些测站没有降水记录的情况，仅 仅根据数据的分布无法判别是由于这一测站本来就没有降水发生，还是因为漏测或无 需上报降水数据而使得降水记录确失。我们将这种情况称为第二类的数据完整性问 题。 显然为了精确地表示降水的分布，我们对这两类数据完整性问题分别提出了解决 的办法：用v o r o n o i 多边形和g i s 邻接计算解决第一类数据完整性问题；用点集的凸 包和最大最小邻近距离方法解决第二类数据完整性问题。由此得到包括降水分布范围 周围的0 降水测站的完整的数据点集，将该数据点集用于降水的空间数据插值。 ( 3 ) 构建g i s 分析工具集成的t c 相似路径检索和降水影响功能 在上述两个问题研究的基础上，我们开发实现了基于面积指数相似测度和t c 预 报的工具，和t c 过程降水空间插值分析和可视化的工具箱。 1 4 论文的结构 论文由四个章节组成，其中第二、第三章节是本论文重点部分。 第一章引论部分作者在文献回顾的基础上，提出了本文研究的两个问题：基于 竺竖室塑坌堑查婆堡垫堂墨塑塑塞! 塑壁旦塑二兰! i 笙 空间相似的面积指数法及其预报模型，台风过程降水的空间插值问题。 第二章热带气旋相似路径预报研究，作者对t c 预报方法进行了文献回顾在此 基础上提出了基于g i s 的热带气旋的空间相似测度，扩展了气象学中地理相似的概 念，建立了这种相似测度的方法和预报模型。根据这一方法，我们对登陆上海的西北 太平洋t c 作了2 4 小时的路径预报的探索研究。 第三章热带气旋降水时空分布研究，论述了一般空间插值分析技术在过程降水插 值分析中的缺陷，提出了两类数据完整性的问题，在g i s 支持下，以凸包、v o r o n o i 多边形、以及空间叠置分析等技术建立了针对有界的过程降水的插值技术，消除边界 效应。最后以西北太平洋t c 降水作了实例研究。 第四章结论讨论部分。我们对于提出的两个研究t c 的新方法进行了总结，并对 于它们存在的问题作了一定的探讨。 g 1 s 空间分析方法在热带气旋研究中的应用 第二章热带气旋桐似路径预报研究 第二章热带气旋相似路径预报研究 2 1 相似路径研究方法 利用相似处理问题可以不需要事先完全了解问题并建立规则，完全以目前问 题与过去案例的相似比较为基础，作为解决问题的思考方向与解决方式( 图 2 1 ) 。它有如下一些优点：使用背景知识，有利于给定属性的权重值；可用特殊 值分析已知资料，不需要检验变量是否存在依赖性；不需要了解问题解决方法， 只需要获得过去案例和解决方法，而获取一个新的案例的时间比起产生新的规则 所用的时间要节省等等。 问题 结果 图2 - 1 ：利用相似处理问题结构图 相似学习在许多领域中都有应用，比如在数据挖掘中利用相似学习进行分类 ( h a n d 。1 9 8 1 ) ；相似学习是机器学习在数据库中的应用之一它的发展是统计、 人工智能等发展对机器学习影响的结果。近年来，利用相似度、相似预报的方法 来研究天气规律天气预报等也有了不少研究成果。刘强军等( 1 9 9 8 ) 利用 1 9 9 4 - 1 9 9 6 年6 - 9 月的k 多层数值预报格点资料，对晋城市中雨以上的降水， 采用相似离度法研制降水预报系统。张丰启等( 2 0 0 2 ) 应用1 9 8 6 1 9 9 7 年的高空 常规资料，利用相似离度描述两个物理量场的相似程度，制作了山东省分县冰雹 预报逐级指导的相似预报方法，试验证明该方法实用性强，应用效果好。张丰肩 等( 2 0 0 0 ) 应用1 9 8 6 1 9 9 7 年常规探空资料利用相似离度概念设计了威海市冰 雹强对流天气定时、定点、定量的概率预报方法。赵光平等( 2 0 0 0 ) 通过对北京 h l a f s 暴雨模式产品中诸多物理量场与历史个例进行动力过程相似检验，在较全 面地掌握预报对象的三维空间物理结构和动力过程前提下，通过渗入有明确天气 学意义、并对宁夏暴雨有实际预报能力的综合指标和模型，在天气系统自动识别 技术的支持下。应用螺旋度修正方案，建立自动、客观化的暴雨落区预报系统。 g i s 空间分析方法在热带气旋研究中的应用第二章热带气旋相似路径预报研究 闰丽风等( 1 9 9 9 ) 采用相似原理，利用车贝雪夫多项式对暴雨发生前期高空三层 的高度场展开，突出与历史暴雨过程场相似特点。在高度场相似的基础上，又对 和暴雨关系密切的q 矢量散度，水汽通量及其散度，潜在不稳定度等物理量进行 诊断分析。也取场的主要分布特点来进一步逼近，进行最佳相似预报和相似分析 预报。陈静( 2 0 0 0 ) 在考虑环流的动态演变特征在降水预报中重要性的基础上， 设计了一种环流演变动态相似预报方法，在1 0 0 0 h p a 气压场、8 5 0 h p a 温度场、 5 0 0 h p a 高度场分别提取3 个物理意义清晰、叉具有立体性和多元性的相似因子， 采用该文设计的二级相似标准以e c m w f 数值预报产品作为预报资料与历史资料 库进行滚动映射，寻找最优相似个例，制作长江上游降水面雨量的逐1 7 滚动预报。 李开乐( 1 9 9 7 ) 结合预报经验，按照形势变化特征对5 0 0 和1 0 0 h p a 高度、太平 洋海面温度等多层次月平均格点资料进行分区统计，然后用相似离度理论做计 算，对广东降水和气温的长期趋势做预报。廖木星等( 1 9 9 9 ) 将相似离度方法应 用到船用防避台风决策系统中预测台风路径和强度。谭广雄等( 1 9 9 7 ) 利用 1 9 4 7 1 9 9 5 年t c 每6 小时的最佳路径资料和同一时期在香港天文台取得的累积 2 4 小时雨量的资料，利用相似预报方法来预测t c 降水量。 本文探索研究了利用g i s 空间分析来构造t c 路径相似度比较的方法面 积指数法，通过该方法寻找与实时路径空间相似的台风，结合t c 路径的移向移 速，预测t c 路径2 4 小时内位置，从而进行预警防灾。探索方法流程如图2 2 ： 根据面积指数相似度，作为不同历史路径的权重，结 合它们的移向移速，计算实时路径的未来移速移向 图2 2 ：相似路径预报方法流程结构 g i s 空间分析方法在热带气旋研究中的应用 第二章热带气旋相似路径预报研究 2 2 基于g i s 空间相似的方法面积指数法 2 2 1 路径相似概念 选用历史上相似过程、相似天气形势作预报，是经验预报中的常用方法。 条台风路径，是各种影响台风移动的物理因子综合作用的结果。相似的台风路径， 在一定程度上反映了影响台风移动的诸因子，其综合作用等效。从而用前期路径 相似的t c 样本可以推断t c 未来动向。这就是相似法的基本观点( 陈联寿，1 9 7 9 ) 。 我国中央气象台所设计的相似法采用的相似标准有如下三个( 陈联寿、丁 汇，1 9 7 9 ) ： ( 1 ) 地理相似：两个台风虽具备相同的季节特征，如地理位置不同，则影响因 子也不同，故相似台风需要地理相似即位置相似。今规定两个台风之间的距离符 合以下标准的称为地理( 位置) 相似。 j - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 d = l 妒2 + a l 2 5 纬距 i 。 a ( p 和a 分别为两个台风的纬距和经距分量。即以所要预报台风的初始位置( 起 报位置) 为中心，2 5 个纬距为半径作一个圆，落在圆内和圆周上的台风样本均 符合位置相似。 ( 2 ) 季节相似：一定的季节反映了大气王l = 流的气候特征。不同季节，影响台风 移动的因子也不同。因此相似台风首先要规定季节特征相似。经试验后规定，出 现在台风所在旬前后各延伸个旬共三个旬内的台风样本，称季节特征相似。这 个标准适合于盛夏7 、8 、9 三个月，7 月之前9 月之后的台风稀少季节，则可适 当放宽时段以增加样本。 ( 3 ) 移向移速相似：台风移向移速是环境基本流场与台风内力相互作用的综合 结果。故移向移速相似的台风，间接地反映了这种作用的综合效果类似。移向对 预报结果十分敏感，为了滤掉位移中的小波动，故规定用1 2 小对内的平均移向 为标准来确定移向相似。 地理相似考虑的是在预报起始点一定范围内出现的台风，它不能保证选中的 台风其后期移动变化会同预报台风的后期移动相似，如图2 3 ，对于预报台风， 就有a 和b 两条相似台风满足地理相似；本文考虑台风路径的空间相似，这个概 念在地理相似的基础上还考虑了形状、方向和空间距离三因素。空间相似除了考 虑起始点范围内的相似，还考虑了预报台风移动位置上的相似，我们认为相似台 风除了要满足落在预报起始点范围内，还应该落在预报台风某一移动位置的范围 内，如图2 3 ，预报台风的相似台风就只有b 。通过空间相似，我们排除了 路 g i s 空间分析方法在热带气旋研究中的应用第二章热带气旋相似路径预报研究 径，因为b 比a 路径在形状、方向和空间距离上更加相似于预报台风。通过空间 相似概念，我们筛选了信息量，提取了更加精确的历史信息。g i s 的缓冲区分析 方便我们查找落在预报台风移动位置一定范围内的历史台风，结合该方法，我们 设置台风相似路径的搜索条件。 2 2 2 面积指数法 图2 - 3 ：地理相似和空间相似 利用相似度做台风路径预报是常用的方法之一，但是相似度的定义有多种方 法。实际工作中，相似度通常被标准化成o l 之间的值( 其中，0 为不相似，l 为最相似) 或以百分比的方式表现，1 0 0 最相似( w a t s o n ，1 9 9 7 ) 。在此基础上 许家成( 2 0 0 2 ) 认为实时路径与历史路径之间距离最短时候，说明两路径在空间 上最相似。陆涛( 2 0 0 4 ) 在许家成论文的基础上。通过设置缓冲区，搜索落入缓 冲区的历史路径，减少了寻找相似路径的工作。但是，利用最短距离来表示相似 度大小的方法在计算上比较复杂，需要计算历史路径上每一点到实时路径的累积 最短距离之和，来确定该历史路径的相似度。而且论文中并没有涉及到计算出相 似度指数后该如何运用其结果来预测未来台风路径，而是简单对相似度结果做了 降序排列，根据相似度最大值来选取历史路径，将该历史路径的后期位置作为实 时路径后期位置。但是我们选择的相似路径是在一定时段内同实时路径空间相似 的台风，这些台风虽然在一定时间内相似度较高，但是过了这段时间就与实时 路径的位置走向不相符合，反而其他相似度较次的相似路径，其后期位置同实时 路径的位置移动相似，这种情况下我们忽略其他相似路径对于实时路径位置预报 的作用，会造成预测误差偏大。适当考虑其他相似路径，怎样合理考虑其他相似 路径在台风路径预报中的作用将是我们考虑的问题。因此，本文的研究探索了在 g i s 空间分析方法在热带气旋研究l 扣的应用第二章热带气旋相似路径预报研究 空间相似的基础上，建立一个新的相似度测度方法面积指数法，并据此结合 台风移向移速建立一个预测未来台风路径趋势的数学模式。 获得面积指数的相似度方法的思路为： ( 1 ) 根据g i s 缓冲区分析建立的相似规则，从历史数据库中选取一些与实时路 径相似的历史路径s 。为了优化从历史数据库中搜索出相似台风的时间，我们采 用g i s 的缓冲区方法，选取符合相似条件的历史台风。该方法充分运用了g i s 的空间分析功能，并考虑到了路径的形状、方向和空间相互关系。如图2 4 ，我 们选择那些经过缓冲区，并与移动位置点，起始位置点所在的纬线或者经线相交 的历史路径作为相似路径。 图2 - 4 ：缓冲区计算示意图 ( 2 ) 根据实时路径与每条相似历史路径s 构成的多边形面积与实时路径空间范 围的比值确立相似度。首先，我们以实时路径的缓冲区范围作一矩形r 作为实时 路径的空间范围；其次，取得相似路径s 与实时路径i 以及矩形r 构成的多边形 的面积p ( 图2 5 ) ：最后，获得空间相似度( s p a t i a ls i m i l a r i t yi n d e x ，s s i ， 公式2 - 1 ) ， q s s i = 1 一- 。x 事- - 边- 形- - - ，其中o s s i 1 ( 2 一1 ) b 矩形r s s i 越接近于0 ，表明检索出的相似路径与实时路径越不相似，反之，s s 越接 近于1 ，表明检索出的相似路径与实时路径越相似。 在m a p o b j e c t 组件中我们采用如下方法构建多边形求其面积： 1 1 、m 2 为实 时路径与矩形框交点，n l 、n 2 为相似路径与矩形框交点，f 为相似路径与实时路 径交点，瓦积p 为实时路径、历史路径和矩形框所封闭的多边形面积即多边形 m 1 f n i 面积同多边形f n 2 m 2 面积之和；若无交点m 1 、m 2 、n 1 、n 2 ，则以各实时路 径相似路径落入缓冲区内的线段起点、终点代替。我们在构建m 1 f n l 、f n 2 m 2 的 时候，要按相反方向记录相似路径和实时路径上的点，作为多边形上节点构建多 边形来求其面积。 g i s 空间分析方法在热带气旋研究中的应用第二章热带气旋相似路径预报研究 2 2 3 实现方法 作者利用m a p o b j e c t 2 1 组件和v is u mb a s i c 6 o 语言开发一个相似路径预 报功能模块，具体实现方法如下： 步骤一：根据项目西北太平洋热带气旋检索系统，以矢量格式存储t c 路径( 这里我们采用s h p 格式) ，每一段折线记录了间隔6 小时的台风前后移动 位置。我们从历史数据库中选取一条台风路径( 我们的历史数据库包含了 1 9 4 9 2 0 0 2 年中发生在西北太平洋的t c 路径) ，比如，选取台风序号为1 9 4 9 0 1 的历史路径，然后我们选择该历史路径上某一时间段的路径作为实时路径，这里 我们以1 9 4 9 0 1 台风第9 0 小时位置点和第1 2 0 小时位露点这一时间段为例，产生 了一条新的实时t c 路径i ( 图2 6 ) 。 图2 - 6 ：确立实时路径范围，及相似条件设置 步骤二：设定t c 历史数据库的搜索年份以及缓冲距离，利用g i s 缓冲区分 g i s 空间分析方法花热带气墟硪究，| i 的应用第_ 阜热带气旋棚似路 童预 鞋研究 析，确定相似历史路径，大大提高计算速度、减少计算量。( 图2 7 ) 圈2 - 7 ： 获得满足相似条件下，经过缓冲区范用内的历史路径 步骤三：对于已经选取的t c 相似路径，求得它与实时路径以及矩形r 构成 的多边形面积。( 图2 8 ) 。 图2 - 8 ：获得相交面积及相似度 步骤四：根据多边形面积，求出面积指数测度，并根据相似度大小进彳亍降序 排序( 图2 9 ) ，以便做预报时候，计算各个相似路径s 在预报中所占的重要程 度，确定预报权重。 g i s 空间分析方法在热带气旋研究中的应用 第二章热带气旋相似路径预报研究 图2 - 9 ：获得排序过后的各个历史路径的相似度 根据所得的每条历史路径的相似度，我们将用其作为判断每条历史路径在实 时路径预报中所占重要性的权重，结合移速移向进行实时路径未来2 4 小时位置 预报。 2 3 空间相似的t c 路径预报方法 我们把根据面积指数测度方法计算获得的相似度作为预报中各相似路径所 占权重。利用各相似路径未来时间内移速移向的数据结合各相似路径的权重，确 定一个移向和移速，作为实时路径未来时间内的移速移向从而构造了预报公式 2 2 。 f 口：( 1 一五) 杰m u + 2 u 。，d 为未来k ，j 、时内台风移速 j ( 2 - 2 ) i = ( i - 2 ) e m ；，+ 址。，肋未来k ，j 、时内台风移向 l i = l 其中，五表示实时路径自身前期活动对其后期移动影响的重要程度，我们取 0 l ，当五= 0 ，表示实时路径后期活动不受其前期位置影响，公式2 - 2 变为公 式2 3 ： g i s 空问分析方法在热带气旋研究中的应用 第二。章热带气旋相似路径预报研究 口= m 。u ，a n 未来k , l 、时内台风移速 ( 2 - 3 ) n = m 。k i ，肋未来k 小时内台风移向 1 = l m 。表示第i 条相似路径在相似路径对实时路径位置变动的总影响中所占权 重，其计算步骤如下：首先根据检索获得的相似路径的s s i 进行排序 o ) 进行选择。实践证明，p = 2 ，即彬= 1 d ? 是 较优的选择，d 是离散点至p 点的距离。当p 太小接近于0 时，估计点的插值 结果接近于样本平均值；当p 太大如l o 以上，估计点的插值结果接近于距离最 近的样本点的值，即接近于最近距离方法( 泰森多边形) 的估计结果。泰森多边 形方法可看成倒数距离加权法的一个特例。 3 ) 样条