一种基于综合强度指标的热带气旋潜在影响评估方法

摘要

本发明提供了一种基于综合强度指标的热带气旋潜在影响评估方法，该方法包括：(1)以2°×2°的经纬度网格划分平面空间，按年代际尺度统计热带气旋路径经过各网格的网格年代际路径定位时次；(2)计算网格中热带气旋每个定位时次的能量耗散指数值，累加得出单个网格的网格年代际能量耗散指数值，作为反映热带气旋的综合强度指标；(3)依据热带气旋各等级平均风速，获取不同等级热带气旋在不同量级的网格年代际能量耗散指数值下，对应的网格年代际路径比较定位时次；(4)建立热带气旋潜在影响等级，评估热带气旋对不同区域的潜在影响。本发明能有效评估热带气旋的潜在影响，对防御热带气旋灾害，提高其预报水平具有重要价值。

说明书

技术领域

本发明涉及气象领域中的热带气旋评估方法，更具体的说，是涉及一种基于 综合强度指标的热带气旋潜在影响评估方法。

背景技术

热带气旋(Tropicalcyclones，TCs)是一种具有强大破坏力的灾害性天气系统， 由其引发的狂风、暴雨和风暴潮等灾害都会给人类的生命安全和国家财产构成巨 大威胁。近十年来，热带气旋对东亚的影响呈现增加趋势。中国地处太平洋西岸， 海岸线长，是世界上受热带气旋影响最严重的国家之一。

热带气旋的生成和发展过程受热带海表温度等多种外界因素的影响，其强度 特征、影响程度及影响范围等也随时间发生改变。Emanuel(2005)在研究全球气 候变暖对大西洋热带气旋强度变化趋势的影响时，提出了表征热带气旋潜在破坏 力的能量耗散指数(PowerDissipationIndex，PDI)，该指数定义为热带气旋中心 附近最大风速的立方在整个生命周期上的积分；该指数综合考虑了热带气旋的频 数、强度及生命史，克服了以往单独研究其频数或强度的限制。但是自此以后采 用能量耗散指数指标作为热带气旋强度量化标准的相关研究中，仅从热带气旋的 整个生命期出发，分析或估计其强度变化趋势，未考虑具体一段时间内所有发生 的热带气旋在不同区域体现的强度特征，以便分析该时段热带气旋对不同区域的 潜在影响。基于此，针对某一地区而言，在热带气旋灾损资料不足的情况下，为 研究热带气旋在该区域的活跃程度，有必要提供一种判定热带气旋综合强度的指 标，用以有效评估其潜在影响的方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于综合强度指标的 热带气旋潜在影响评估方法，本发明方法中结合历史热带气旋每间隔固定时间定 位一次的最佳路径数据集，提供一种新的热带气旋综合强度指标，用于挖掘其活 动强弱的演变规律，评估热带气旋的潜在影响，为开展热带气旋的预警预报及灾 害防御工作提供信息和决策支持。

本发明中所提及的技术术语所代表的含义分别为：

TCs:热带气旋

IDT_RL：网格年代际路径定位时次

IDG_PDI：网格年代际能量耗散指数值

CT_RL：网格年代际路径比较定位时次

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于综合强度指标的热带气旋潜在影响评估方法，包括如下步骤：

(1)以精度为2°×2°的经纬度网格划分平面空间，根据已有的热带气旋路 径定位信息，按照年代际时间尺度统计热带气旋路径经过各个网格的定位时次， 得到网格年代际路径定位时次IDT_RL；

(2)计算网格中热带气旋路径上每个定位时次的能量耗散指数值，累加得 出单个网格的网格年代际能量耗散指数值IDG_PDI，作为反映热带气旋的综合 强度指标；其中，计算第i个网格在第t个年代的网格年代际能量耗散指数值 具体计算方式如下：

$IDG\_{\mathrm{PDI}}_i^t=\underset{k=1}{\overset{IDT\_{\mathrm{RL}}_i^t}{\Sigma }}{\left(V_{i,t,k}^m\right)}^3·T,i=1,2,...,p;t=1,2,...,q$

式中，为第i个网格在第t个年代内第k个路径定位时次的最大风速(m/s)， 为第i个网格在第t个年代内的路径定位时次，T为热带气旋路径上的定 位时次间隔时间(s)，p、q均为正整数；

(3)依据热带气旋各强度等级对应的平均风速，获取不同强度等级热带气 旋在不同量级的网格年代际能量耗散指数值IDG_PDI条件下，对应的网格年代 际路径比较定位时次CT_RL；其中，计算第j潜在影响等级的网格年代际能量耗 散指数值IDG_PDI对应的网格年代际路径比较定位时次CT_RL_j，具体计算方式 如下：

$CT\_{\mathrm{RL}}_j=IDG\_{\mathrm{PDI}}_j/[{\left(\overline{V_n}\right)}^3·T],n=1,2,...,m$

式中，IDG_PDI_j为第j潜在影响等级的网格年代际能量耗散指数值IDG_PDI (m³/s²)，依据所有确定，为第n强度等级热带气旋对应的平均风速 (m/s)，T为热带气旋路径上的定位时次间隔时间(s)，m为正整数；

(4)根据研究区域所有网格的网格年代际路径定位时次IDT_RL、网格年 代际能量耗散指数值IDG_PDI和网格年代际路径比较定位时次CT_RL，建立热 带气旋潜在影响等级，评估热带气旋对不同区域的潜在影响及其时空演变特征。

所述步骤(1)中平面空间为所研究总体热带气旋从生成至消散整个生命期过 程的路径延伸范围，以精度为2°×2°的经纬度网格划分该平面空间，将该平面空 间划分为a×b个子区域，实现平面空间的区域化，其中a、b均为正整数。

所述步骤(3)中获取网格年代际路径比较定位时次CT_RL的步骤包括：

A1.依据不同强度等级热带气旋的中心附近最大风速范围，取其最小值和最 大值的平均，获取热带气旋各强度等级对应的平均风速

A2.在所述步骤(2)中获得的各个网格的网格年代际能量耗散指数值 IDG_PDI中找出其最小值和最大值，确定网格年代际能量耗散指数值IDG_PDI 的范围，根据此范围划分不同量级的网格年代际能量耗散指数值IDG_PDI；

A3.根据步骤A1和步骤A2中分别获得的各强度等级热带气旋对应的平均 风速和不同量级的网格年代际能量耗散指数值IDG_PDI，可计算得到对应的网 格年代际路径定位时次，将其称为网格年代际路径比较定位时次CT_RL。

所述步骤(4)是根据步骤(2)计算得到所有的网格年代际能量耗散指数值 IDG_PDI，按其不同量级条件下可能发生的台风及以上强度等级的热带气旋次数， 以及步骤(1)和步骤(3)中分别得到的网格年代际路径定位时次IDT_RL和网格年 代际路径比较定位时次CT_RL两者的比例关系，最终确定热带气旋的潜在影响 等级，进而根据该影响等级可评估热带气旋对不同区域的潜在影响及其时空演变 特征。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明基于热带气旋的能量耗散原理，通过网格划分平面空间，可获取热带 气旋路径的子轨迹片段，计算单个网格的网格年代际能量耗散指数值，作为反映 热带气旋综合强度的指标；基于年代际单个网格中子轨迹片段累计得到的网格年 代际路径定位时次(IDT_RL)、网格年代际能量耗散指数值(IDG_PDI)和网格年代 际路径比较定位时次(CT_RL)，建立热带气旋的潜在影响等级，提出一种对不同 区域热带气旋潜在影响进行评估的方法；本发明可以有效识别热带气旋的时空潜 在影响特征，针对某一区域而言，能够快速有效地评估热带气旋的潜在影响，为 区域防灾减灾提供技术支持。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图。

图2是各年代的热带气旋生成位置及路径分布图。

图3是各年代的热带气旋网格年代际路径定位时次(IDT_RL)分布图。

图4是各年代的热带气旋网格年代际能量耗散指数值(IDG_PDI)分布图。

具体实施方式

为使本发明的目的和优点更为明确，下面结合附图与具体实例对本发明方法 进行具体阐述：

图1为本发明的流程示意图，首先根据中国气象局 (http://tcdata.typhoon.gov.cn/)提供的1950-2009年每隔6h定位一次的西北太平洋 热带气旋(TCs)，选取首次定位风速达到10.8m/s及以上且生命史在12h及以上的 TCs为样本，根据本发明方法，评估60年来TCs的潜在影响，各年代际的TCs 生成位置及路径分布图如图2所示，对于网格年代际能量耗散指数值IDG_PDI 和网格年代际路径比较定位时次CT_RL，其具体计算公式如下：

$IDG\_{\mathrm{PDI}}_i^t=\underset{k=1}{\overset{IDT\_{\mathrm{RL}}_i^t}{\Sigma }}{\left(V_{i,t,k}^m\right)}^3·T,i=1,2,...,1000;t=1,2,...,6$

$CT\_{\mathrm{RL}}_j=IDG\_{\mathrm{PDI}}_j/[{\left(\overline{V_n}\right)}^3·T],n=1,2,...,6$

其中，为第i个网格在第t个年代的网格年代际能量耗散指数值 为第i个网格在第t个年代内第k个路径定位时次的最大风 速(m/s)；为第i个网格在第t个年代内的路径定位时次CT_RL；CT_RL_j为第j潜在影响等级网格年代际能量耗散指数值IDG_PDI对应的网格年代际路 径比较定位时次；IDG_PDI_j为第j潜在影响等级网格年代际能量耗散指数值 IDG_PDI(m³/s²)，依据所有确定；为第n强度等级热带气旋对应的平 均风速(m/s)，T为热带气旋路径上的定位时次间隔时间(s)，按照《热带气旋等级》 (GB19201-2006)，热带气旋共包括热带低压(TD)、热带风暴(TS)、强热带风暴 (STS)、台风(TY)、强台风(STY)和超强台风(SuperTY)六个强度等级。

以精度为2°×2°的经纬度网格划分空间(0°-50°N，100°E-180°)，可得1000个 子网格；计算年代际时间尺度下所有TCs的IDT_RL和IDG_PDI，分别如图3 和图4所示。根据计算结果，IDG_PDI值基本介于0～10×10^10m³/s²之间，IDT_RL 不超过88次(年均8.8次)。依据TCs各强度等级对应的平均风速，计算不同量级 IDG_PDI值对应的网格年代际路径比较定位时次CT_RL，结果如表1所示(表中 序号6对应的平均风速值取大于超强台风临界值的某一风速)。

表1

如表1所示，当IDG_PDI值超过7×10^10m³/s²时，TCs达到台风等级对应 的CT_RL超过63次，大于71.6％的IDT_RL，最大可达91次；表明：单个网格 区域内年均可能至少遭受6次台风或者3次强台风，甚至可能年均遭受1次及以 上的超强台风，影响程度高。当IDG_PDI值低于1×10^10m³/s²时，TCs达到台 风等级对应的年均CT_RL不超过1次，小于10.2％的IDT_RL；表明：单个网格 区域年均至多遭受1次台风或者2次强热带风暴，或者至多遭受6次热带风暴， 影响程度低。因此，可依据IDG_PDI值划分TCs的潜在影响等级，具体等级见 表2。

表2

根据本发明提出的基于热带气旋综合强度指标的潜在影响评估方法，从图4 中可以看出，在(6°N-30°N，100°E-140°E)范围，TCs以中及以上潜在影响等级为 主，影响范围集中在中国南海中北部、菲律宾吕宋岛东部至日本南部海域；特高 潜在影响等级的范围呈现逐年代减小趋势，70年代减幅最显著。而(30°N-50°N， 100°E-140°E)范围，TCs以低潜在影响等级为主，并呈现略减小趋势，影响范围 呈现年代际变化；在40°N以北的低影响范围自上世纪70年代开始有所增加； 但进入21世纪后，又开始减小。对中国而言，在华南和华东地区，TCs以中低 和低潜在影响等级为主，而在华北和东北地区则以低潜在影响等级为主。

综合上述具体实施例，本发明方法客观反映了区域TCs活跃强弱的变化规律， 有效说明了TCs的潜在影响，可为区域防台减灾决策提供辅助工具。

以上所述示例仅表达了本发明的实施方式，但并非是对本发明的限制。