基于主观路径强度预报和参数化风场模型的热带气旋大风风圈预报方法

摘要

本发明涉及一种基于主观路径强度预报和参数化风场模型的热带气旋大风风圈预报方法，属于热带气旋大风风圈预报领域，包括以下步骤：S1：确定提供关注区域热带气旋路径和强度的数据来源；S2：根据所处区域地形特点，确定合适的参数化风场模型及算法；S3：确定计算网格范围和网格分辨率；S4：收集关注区域内历史热带气旋影响期间的各观测数据；S5：计算出设定网格中每个网格点上的风速值；S6：对受地形影响的区域风速进行修正；S7：计算风圈半径：绘制风圈，计算各个方位上各级风圈到热带气旋中心的距离，作为风圈半径，等权重平均得到不分象限的各等级风圈半径；S8：进行风圈半径计算结果修正；S9：对热带气旋风圈进行实时预报。

说明书

技术领域

本发明属于热带气旋大风风圈预报技术领域，涉及一种基于主观路径强度预报和参数化风场模型的热带气旋大风风圈预报方法。

背景技术

热带气旋大风灾害是沿海及海上主要的自然灾害之一。其灾害的破坏力或者破坏程度和破坏区域，不但与热带气旋路径、强度有密切的关系，还与一定级别的热带气旋大风分布有密切的关系，热带气旋风圈预警是当前全球各主要热带气旋预警中心面临的重大挑战之一。当前，热带气旋大风半径预报最主要的方法是气候持续法，也发展了参数、统计参数、单数值预报模式、多数值预报模式集成、观测风圈半径基础上考虑70％概率圆、卫星观测外推等方法。然而，气候持续预报物理上不连续，单模式预报性能不乐观，多模式集成虽然部分时次预报技巧高于气候持续法，但其对运算能力要求高、运算时间较长，并且现有模式均只能预报对称或仅考虑4个象限差异的非对称的风圈半径，不能很好的反映热带气旋大风影响区域的非对称。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于基于已给出的主观热带气旋路径和强度预报产品，结合考虑复杂地形的参数化风场模型，建立具有物理基础且可实现高非对称性的热带气旋风圈预报方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于主观路径强度预报和参数化风场模型的热带气旋大风风圈预报方法，包括以下步骤：

S1：确定提供关注区域热带气旋路径和强度的数据来源；

S2：根据所处区域地形特点，确定合适的参数化风场模型及算法；其中海上区域采用不考虑地形影响的参数化风场模型，受地形影响的区域选择考虑地形影响的参数化风场模型；

S3：根据计算机运算能力和应用需求，确定计算网格范围和网格分辨率；

S4：收集关注区域内历史热带气旋影响期间所有时次热带气旋中心位置的经度数据、纬度数据

S5：提取热带气旋中心经度数据、纬度数据、中心最低气压数据，输入到步骤S2确定的海上区域选择的模型中，计算出设定网格中每个网格点上的风速V

S6：根据所在位置陆地或海洋属性数据判断是否需要进行风场数据修正，如果网格点位于海洋上，则风速不进行修正；如果网格点位于陆地上，则通过步骤S2确定的受地形影响的区域选择的模型计算网格点上的修正风速V值；

S7：计算风圈半径：通过绘制等值线绘制出相应等级的风圈；将以热带气旋中心为中心的网格划分为四个或八个方位，计算各个方位上各级风圈到热带气旋中心的距离，作为各级风圈在各个方位上的风圈半径；再将各方位的风圈半径等权重平均得到不分象限的各等级风圈半径R

S8：风圈半径订正：通过历史风圈半径观测数据与计算风圈数据对比，进行风圈半径计算结果修正；

S9：对热带气旋风圈进行实时预报。

进一步，步骤S1中，将关注区域内常用的官方热带气旋路径和强度预报数据确定为输入风场模型的热带气旋路径和强度数据来源。

进一步，步骤S2中，海上区域采用基于热带气旋涡旋运动学平衡方程的Georgiou热带气旋风场模型，具体包括：

在热带气旋坐标系中，切向风速或地转风速V

Ψ

其中：r为计算场点距离热带气旋中心的距离；α为计算场点偏离热带气旋移动方向的角度；ρ为空气密度；V

其中P

其中Δp＝P

所述受地形影响的区域选择e指数衰减规律做修正，其计算公式如下：

式中V(x

进一步，步骤S3中所述网格采用经纬网格或公里网格，所述公里网格的设置方法包括：

以热带气旋中心位置为网格中心位置，设最大网格范围为r，表示计算以热带气旋中心为中心，半径为r范围内的风场数据，网格分辨率设为dx，其中r值为dx值的整数倍，则x方向和y方向的点数n均为2r/dx+1。

进一步，步骤S7中，若将空间划分为东、南、西、北四个方位，或划分为东、南、西、北、东南、东北、西南、西北八个方位，将八个方位或四个方位的风圈半径等权重平均得到不分象限的各等级风圈半径R

其中i为方位，i＝1,2,…,4或i＝1,2,…,8；j＝1,2,3依次代表七级、十级、十二级大风，R

等经纬网格的距离采用大圆距离公式计算，其计算公式如下：

其中：

不分象限的各等级风圈半径R

其中，m为象限数，取值为8或4。

进一步，步骤S8所述风圈半径订正包括以下步骤：

S81：首先提取历史数据中时间、热带气旋中心经度数据、中心纬度数据、近中心最大风速数据、中心最低气压数据和对应的七级、十级、十二级风圈半径数据；

S82；根据风圈半径数据反查历史数据中时间、热带气旋中心经度数据、中心纬度数据、近中心最大风速、中心最低气压数据，删除数据有缺项的记录，挑选出符合条件的所有历史样本数据；

S83：通过步骤S2-S7计算出所有符合条件的历史样本的8个或4个象限七级、十级、十二级风圈半径数据和不分象限的各等级风圈半径数据；

S84：基于历史各象限观测风圈半径与计算风圈半径数据，建立两者间的一元线性关系，用于风圈半径的订正，订正公式如下：

式中，

式中，Ro

进一步，步骤S9具体包括以下步骤：

S91：取实时提供热带气旋路径和强度预报数据的方法名称，以及该方法的起报时间、预报时效、和预报时间间隔等特征数据；

S92：确定风圈预报的时间间隔，并根据实际需求和所采用的热带气旋路径和强度预报方法的预报时效，确定风圈预警的预报时效；其中：风圈预报的时间间隔小于等于热带气旋路径和强度预报方法的时间间隔，且能被其整除；风圈预警的预报时效不能超过热带气旋路径和强度预报方法的预报时效，是预报方法时间间隔的整数倍；

S93：采用步骤S3中确定的风场网格设置方案作为预报计算风场的网格设置方案；

S94：设定风圈预报系统的每天的起报时间，该特征值与所提取的实时提供热带气旋路径和强度预报数据的方法的起报时间相同；

S95：提取机器时间，通过机器时间设定当前起报时间；

S96：提取起报时间的观测及各预报时效热带气旋路径和强度数据，提取当前起报时间下的活动热带气旋数，若当前活动热带气旋数为0，则流程结束，若当前活动热带气旋数大于等于1，则执行步骤S97：

S97：提取当期待计算热带气旋的路径和强度观测及预报数据，当热带气旋路径和强度预报的时间间隔大于风圈预报系统的时间间隔时，用线性插值方法将热带气旋路径和强度数据插值到所设定的时间间隔，线性插值方法计算方法如下：

式中，y为需要插值的变量，y

S98：按照步骤S2-S7，计算出起报时次观测及各预报时次的风场，绘制七级、十级、十二级风圈图，并计算相应时次的8个或4个象限七级、十级、十二级风圈半径数据和不分象限的各等级风圈半径数据；

S99：制作风圈半径数据和风圈图件；

S910：进行当前活动热带气旋的判断，如果当前时次还有其他的活动热带气旋，则重复S96-S910直至完成所有当前活动热地气旋的风圈半径数据。

本发明的有益效果在于：本方法相较常规气象数值模式方法，运算速度快，对计算能力要求低且预测效果较好。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为基于主观路径强度预报和参数化风场模型的热带气旋大风风圈预报方法流程图；

图2为以热带气旋中心为中心的方位划分图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，本发明提供一种基于主观路径强度预报和参数化风场模型的热带气旋大风风圈预报方法，包括以下步骤：

步骤1：确定用于输入风场模型的提供热带气旋路径和强度数据来源。将关注区域内最常用的官方热带气旋路径和强度预报数据(通常为中央气象台官方发布的热带气旋路径和强度预报或当地气象机构官方发布的热带气旋路径和强度观测及预报数据)确定为输入风场模型的热带气旋路径和强度数据来源。

步骤2：根据所处区域地形特点，确定合适的参数化风场模型及算法。海上区域可以采用基于热带气旋涡旋运动学平衡方程的Georgiou热带气旋风场模型等不考虑地形影响的参数化风场模型，受地形影响较大的沿海及内陆区域可选择经过地形影响修正的参数化风场模型。

其中Georgiou热带气旋风场模型算法如下：

在热带气旋坐标系中，切向风速或地转风速V

Ψ

其中：r为计算场点距离热带气旋中心的距离；α为计算场点偏离热带气旋移动方向的角度；ρ为空气密度；V

其中：P

Georgiou热带气旋风场模型中Holland参数B采用如下公式计算：

其中：Δp＝P

Georgiou热带气旋风场模型中最大风速半径R

地形影响下的风场计算采用e指数衰减规律做修正，其计算公式如下：

式中V(x

步骤3：根据实际计算机运算能力和应用需求，确定计算网格范围和网格分辨率。网格可采用经纬网格，也可采用公里网格。以下以公里网格为例，详细介绍网格的设置方法。以热带气旋中心位置为网格中心位置，设最大网格范围为r(推荐r值取为300-500km，表示计算以热带气旋中心为中心，半径为r范围内的风场数据),网格分辨率设为dx(推荐取值为2km，可适当放大或缩小,要求r值为dx值的整数倍)。则x方向和y方向的点数n均为2r/dx+1。

步骤4：收集关注区域内历史热带气旋影响期间所有时次热带气旋中心位置的经度数据、纬度数据

步骤5：提取热带气旋中心经度数据、纬度数据、中心最低气压数据输入到公式(1)-(5)，计算出步骤2设定网格中每个网格点上的风速V

步骤6：地形影响下风速修正。根据所在位置陆地或海洋属性数据判断是否需要进行风场数据修正。如果网格点位于海洋上，则风速不进行修正；如果网格点位于陆地上，则通过公式(6)计算网格点上的修正风速V值。

步骤7：计算风圈半径。通过用python、matlab、GRADS等绘图软件的绘制等值线功能绘制风圈，其中，设定的等值线值分别为13.9、24.5、和32.7，所获得的等值线即为相应等级的风圈。将以热带气旋中心为中心的网格划分为图2所示的八个方位，计算八个方位上七级、十级、十二级风圈到热带气旋中心的距离作为七级、十级、十二级在八个方位上的风圈半径。若将空间划分为东、南、西、北4个方位，则仅计算这4个方位上的各等级风圈半径，将八个方位或4个方位的风圈半径等权重平均得到不分象限的各等级风圈半径R

等公里网格的距离计算公式如下：

其中，i为方位，1-8或1-4；j为风力等级，1-3，依次代表七级、十级、十二级大风；R

等经纬网格的距离采用大圆距离公式计算，其起算公式如下：

其中：

不分象限的各等级风圈半径R

其中，m为象限数，取值为8或4。

步骤8：风圈半径订正。通过历史风圈半径观测数据与计算风圈数据对比，进行风圈半径计算结果修正。详细计算步骤如下：

(1)首先提取历史数据中时间、热带气旋中心经度数据、中心纬度数据、近中心最大风速数据、中心最低气压数据和对应的七级、十级、十二级风圈半径数据。具体所选取的风圈等级特征和风圈对应的分象限情况根据所具有的风圈半径数据确定。

(2)根据风圈半径数据反查历史数据中时间、热带气旋中心经度数据、中心纬度数据、近中心最大风速、中心最低气压等数据，删除数据有缺项的记录。挑选出符合条件的所有历史样本数据。

(3)通过步骤2-步骤7，计算出所有符合条件的历史样本的8个或4个象限七级、十级、十二级风圈半径数据(象限数和风圈分级特征与历史样本的风圈半径数据特征保持一致)和不分象限的各等级风圈半径数据。

(4)基于历史各象限观测风圈半径与计算风圈半径数据，建立两者间的一元线性关系，用于风圈半径的订正，订正公式如下：

式中，

式中，Ro

步骤9：建立热带气旋风圈实时预报系统。其步骤如下：

(1)取实时提供热带气旋路径和强度预报数据的方法名称，以及该方法的起报时间、预报时效、和预报时间间隔等特征数据。

(2)确定风圈预报的时间间隔，并根据实际需求和所采用的热带气旋路径和强度预报方法的预报时效，确定风圈预警的预报时效。其中：风圈预报的时间间隔小于等于热带气旋路径和强度预报方法的时间间隔，且能被其整除，推荐时间间隔取1小时、3小时、6小时等。风圈预警的预报时效不能超过热带气旋路径和强度预报方法的预报时效，是预报方法时间间隔的整数倍，如24小时、48小时、72小时、120小时等。

(3)采用步骤3中确定的风场网格设置方案作为预报计算风场的网格设置方案。

(4)设定风圈预报系统的每天的起报时间，推荐该特征值与所提取的实时提供热带气旋路径和强度预报数据的方法的起报时间相同，推荐设为每天的02时、08时、14时和20时或每天的08时和20时。

(5)提取机器时间，通过机器时间设定当前起报时间。通常起报时间滞后机器时间略长于热带气旋强度路径预报方法数据获得时间。

(6)提取起报时间的观测及各预报时效热带气旋路径和强度数据。提取当前起报时间下的活动热带气旋数。若当前活动热带气旋数为0，则流程结束。若当前活动热带气旋数大于等于1，则继续以下步骤。

(7)提取当期待计算热带气旋的路径和强度观测及预报数据，当热带气旋路径和强度预报的时间间隔大于风圈预报系统的时间间隔时，用线性插值方法将热带气旋路径和强度数据插值到所设定的时间间隔。线性插值方法计算方法如下：

式中，y为需要插值的变量，y

(8)按照步骤2-步骤7，计算出起报时次观测及各预报时次的风场，绘制七级、十级、十二级风圈图，并计算相应时次的8个或4个象限七级、十级、十二级风圈半径数据和不分象限的各等级风圈半径数据。

(9)风圈半径数据和风圈图件制作。

进行当前活动热带气旋的判断，如果当前时次还有其他的活动热带气旋，则重复(6)-(10)直至完成所有当前活动热地气旋的风圈半径数据。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。