浙江省相似臺風(fēng)分析與多源信息集成系統(tǒng)

邱 超，丁 濤，顏 丹 佳，何 默 為

(1.浙江省水文局，浙江 杭州 310009； 2.中國計(jì)量大學(xué) 質(zhì)量與安全工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

浙江省毗鄰東海，海岸線總長6 486.24 km，地處我國臺風(fēng)高發(fā)地區(qū)，每次臺風(fēng)災(zāi)害都給浙江地區(qū)帶來了嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近20 a臺風(fēng)災(zāi)害給我國帶來約平均每年300多億元的直接經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。因此加強(qiáng)對臺風(fēng)災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報分析，可提前準(zhǔn)備、早做防御，最大程度減輕臺風(fēng)災(zāi)害損失。對于臺風(fēng)災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報，國內(nèi)學(xué)者在這方面也開展了很多研究，如利用GIS的空間分析功能[3-6]，以及用相似臺風(fēng)匹配算法對當(dāng)前臺風(fēng)進(jìn)行預(yù)報。目前已經(jīng)提出了多種相似臺風(fēng)匹配算法，如路徑相似度算法[7-9]、相似離度法[10]、聚類相似法[11]、最短路徑算法[12]、氣象條件相似算法[13]、條件數(shù)算法[14]等。將相似臺風(fēng)匹配算法應(yīng)用于臺風(fēng)災(zāi)害評估工作中[15-16]，同時對相似臺風(fēng)的降雨特征進(jìn)行研究[17-20]，為防臺決策提供科學(xué)可靠的依據(jù)，降低臺風(fēng)災(zāi)害損失。就目前提出的相似臺風(fēng)匹配算法而言，在進(jìn)行相似臺風(fēng)匹配時仍存在兩方面不足，一方面臺風(fēng)匹配算法采用的相似性指標(biāo)比較單一，主要以歷史路徑為主，未考慮臺風(fēng)預(yù)報路徑等信息；另一方面未將相似臺風(fēng)與其對應(yīng)的路徑、雨情、水情、災(zāi)情等多源信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)和集成，信息提供不夠全面和靈活。

基于以上問題，本文提出的相似臺風(fēng)匹配算法更多地考慮了路徑、季節(jié)、移向、移速和強(qiáng)度等臺風(fēng)相似性指標(biāo)以及各個國家和地區(qū)發(fā)布的臺風(fēng)預(yù)報路徑信息，同時將臺風(fēng)信息與雨情、水情、災(zāi)情等信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，多源信息集成性更好。構(gòu)建的軟件系統(tǒng)可針對用戶的不同需求靈活選用特征相似法、預(yù)測路徑法、綜合匹配法和實(shí)時緩沖區(qū)法等相似臺風(fēng)匹配算法。系統(tǒng)以4種臺風(fēng)匹配算法為核心，借助于GIS空間分析能力，可快速、準(zhǔn)確地從歷史臺風(fēng)數(shù)據(jù)庫中檢索出滿足用戶需求的相似臺風(fēng)，并可實(shí)現(xiàn)對相似臺風(fēng)雨情、水情、災(zāi)情等多源信息的集成式查詢和對比分析。系統(tǒng)支持多用戶的動態(tài)分布交互操作，用戶可在任何支持瀏覽器的客戶端通過Internet進(jìn)行訪問。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

浙江省相似臺風(fēng)匹配系統(tǒng)采用基于B/S的3層架構(gòu)，包括數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器和客戶端。數(shù)據(jù)庫采用SQL Server2008 R2，服務(wù)器采用IIS，客戶端包括電腦、手機(jī)、平板等多種終端，具體如圖1所示。服務(wù)器主要包括系統(tǒng)的功能模塊，如實(shí)時臺風(fēng)相似匹配模塊、歷史臺風(fēng)相似匹配模塊、歷史臺風(fēng)統(tǒng)計(jì)模塊、水雨災(zāi)情對比模塊、實(shí)時臺風(fēng)同步模塊和后臺管理模塊。數(shù)據(jù)庫部分主要包括實(shí)時臺風(fēng)同步程序和數(shù)據(jù)庫表，同步程序的主要功能是獲取臺風(fēng)的實(shí)時和預(yù)報路徑信息并存入本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的臺風(fēng)預(yù)報表和臺風(fēng)實(shí)時信息表中。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)Fig.1 System frame structure

1.2 系統(tǒng)功能

為了更好地滿足用戶需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能包括實(shí)時臺風(fēng)相似匹配模塊、歷史臺風(fēng)相似匹配模塊、歷史臺風(fēng)統(tǒng)計(jì)模塊、水雨災(zāi)情對比模塊、實(shí)時臺風(fēng)同步模塊和后臺管理模塊，具體如圖2所示。

(1) 實(shí)時臺風(fēng)相似匹配模塊。主要功能是根據(jù)設(shè)計(jì)的匹配算法從歷史臺風(fēng)數(shù)據(jù)庫中檢索出與當(dāng)前實(shí)時臺風(fēng)相似的歷史臺風(fēng)。

(2) 歷史臺風(fēng)相似匹配模塊。主要用于臺風(fēng)結(jié)束后的總結(jié)和日常工作中的臺風(fēng)路徑分析，用戶可利用系統(tǒng)提供的歷史臺風(fēng)的索引功能，直接輸入臺風(fēng)的編號或名稱來選定研究對象，也可以通過年份、季度、月份、登錄強(qiáng)度、登錄地點(diǎn)等搜索研究對象，將其作為當(dāng)前臺風(fēng)進(jìn)行相似臺風(fēng)的匹配。

(3) 水雨災(zāi)情對比模塊主要用于相似臺風(fēng)間的雨情、水情和災(zāi)情對比。如雨情對比包括各相似臺風(fēng)在臺風(fēng)期間的降雨等值線圖以及特征雨量的查詢和對比。災(zāi)情對比主要對比各相似臺風(fēng)的受災(zāi)農(nóng)田、倒塌房屋、死亡人數(shù)、經(jīng)濟(jì)損失等信息。

(4) 歷史臺風(fēng)統(tǒng)計(jì)模塊。對歷史臺風(fēng)按發(fā)生季節(jié)、過程強(qiáng)度、登陸強(qiáng)度、登錄地點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

(5) 實(shí)時臺風(fēng)同步模塊。為了獲得實(shí)時臺風(fēng)路徑信息以及多個國家和地區(qū)預(yù)報的臺風(fēng)路徑信息，實(shí)時臺風(fēng)同步模塊可實(shí)時、同步獲取各氣象臺的臺風(fēng)實(shí)時及預(yù)報信息，并將數(shù)據(jù)存儲到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫表中。

(6) 系統(tǒng)后臺管理模塊。包括用戶管理和數(shù)據(jù)管理兩部分的功能，系統(tǒng)提供兩個角色的訪問，一種是作為管理員，能夠錄入修改數(shù)據(jù)，通過圖形界面的交互更改數(shù)據(jù)庫信息；另外一種是普通用戶，僅能夠使用系統(tǒng)的所有功能，但是不能對數(shù)據(jù)庫有任何操作，以保證系統(tǒng)的安全性。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)Fig.2 System function structure diagram

2 相似臺風(fēng)匹配算法

2.1 特征相似法

特征相似法基于中國中央氣象臺的臺風(fēng)相似標(biāo)準(zhǔn)，以地理(路徑)相似為基礎(chǔ)，進(jìn)一步以發(fā)生季節(jié)、臺風(fēng)移向和中心移速為相似條件進(jìn)行匹配，另外本系統(tǒng)還增加了臺風(fēng)強(qiáng)度這一相似條件。為增加匹配算法的靈活性，設(shè)定了匹配時長和匹配間隔兩個參數(shù)。“匹配時長”越長，匹配路徑范圍越大，反之則越小；匹配間隔越大，計(jì)算復(fù)雜度越小，反之則越大。特征相似法的原理如圖3所示，下面根據(jù)該原理圖對相似度計(jì)算方法作進(jìn)一步的闡釋。

(1) 特征相似性指標(biāo)。相似指標(biāo)包括臺風(fēng)路徑、發(fā)生季節(jié)、臺風(fēng)移向、臺風(fēng)中心移速和臺風(fēng)強(qiáng)度，用戶可在系統(tǒng)界面上交互式選擇，系統(tǒng)根據(jù)用戶選擇的相似性指標(biāo)進(jìn)行相似臺風(fēng)的特征匹配。

(2) 臺風(fēng)相似路徑的確定。從臺風(fēng)的生成點(diǎn)至當(dāng)前臺風(fēng)的位置繪制一系列的緩沖圓，緩沖圓間隔決定了相鄰緩沖圓之間的距離，系統(tǒng)中可手動輸入，默認(rèn)為12 h，緩沖圓半徑默認(rèn)為200 km，可人為修改。如果在一系列的緩沖圓內(nèi)都有某條臺風(fēng)的紀(jì)錄點(diǎn)，則該條歷史臺風(fēng)即為當(dāng)前實(shí)時臺風(fēng)的相似臺風(fēng)，如圖3中匹配出的相似臺風(fēng)1和相似臺風(fēng)2。

(3) 相似度的計(jì)算。以緩沖圓圓心與每條相似歷史臺風(fēng)路徑上相應(yīng)關(guān)鍵點(diǎn)之間的距離d和緩沖圓半徑r的比值確立相似度SI：

(1)

該緩沖圓內(nèi)所有的關(guān)鍵點(diǎn)的相似度的平均值作為歷史臺風(fēng)在該緩沖圓處的相似度，記作ASI，見公式(2)。

(2)

將所有緩沖圓的ASI求平均值后可得到該歷史臺風(fēng)與當(dāng)前實(shí)時臺風(fēng)的相似度TASI，見公式(3)。TASI越接近于1，表明檢索出的相似路徑與實(shí)時路徑越相似。

(3)

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

2.2 預(yù)測路徑法

特征相似法是基于臺風(fēng)的歷史路徑信息，而預(yù)測路徑法則是利用各個國家和地區(qū)發(fā)布的臺風(fēng)預(yù)報路徑信息，來獲得當(dāng)前實(shí)時臺風(fēng)可能移動的方向和路線。預(yù)測路徑法原理為：以中國、臺灣、美國和日本等圖家和地區(qū)氣象臺發(fā)布的預(yù)測路徑為約束條件，采用凸包算法繪制各預(yù)測路徑的包絡(luò)線，而后在數(shù)據(jù)庫中搜索經(jīng)過包絡(luò)區(qū)域的歷史臺風(fēng)，具體見圖4所示。預(yù)測路徑法相似度為相似臺風(fēng)在包絡(luò)區(qū)域內(nèi)的紀(jì)錄點(diǎn)個數(shù)與當(dāng)前臺風(fēng)總的預(yù)報點(diǎn)個數(shù)之比。

圖4 預(yù)測路徑法原理Fig.4 Schematic diagram of the predicted path method

2.3 綜合匹配法

綜合匹配法兼具特征相似法和預(yù)測路徑法的優(yōu)點(diǎn)，若根據(jù)特征相似法匹配出相似臺風(fēng)為(S1，S2，…，Sn)，根據(jù)預(yù)測路徑法匹配出的相似臺風(fēng)為(T1，T2，…，Tm)，二者的交集(Q1，Q2,…，Qj)即為綜合匹配算法搜索出的歷史臺風(fēng)，綜合匹配法的原理如圖5所示，圖中相似臺風(fēng)1和相似臺風(fēng)2既在歷史路徑上與當(dāng)前臺風(fēng)相似，同時均經(jīng)過臺風(fēng)預(yù)測路徑的包絡(luò)區(qū)域。

圖5 綜合匹配法原理Fig.5 Schematic diagram of the integrated matching method

2.4 實(shí)時緩沖區(qū)法

以當(dāng)前臺風(fēng)中心位置為圓心，設(shè)定一個緩沖半徑(缺省為200 km的區(qū)域，系統(tǒng)中可人為修改)，篩選出經(jīng)過該緩沖圓的歷史臺風(fēng)，從而可獲得歷史上經(jīng)過當(dāng)前臺風(fēng)位置附近的臺風(fēng)。并以緩沖圓內(nèi)各歷史臺風(fēng)的紀(jì)錄點(diǎn)與當(dāng)前臺風(fēng)位置的距離進(jìn)行排序，距離越小越靠前。

3 應(yīng)用實(shí)例

本文以Web GIS技術(shù)和相似臺風(fēng)匹配算法為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)開發(fā)了“浙江省相似臺風(fēng)匹配系統(tǒng)”。該系統(tǒng)包括實(shí)時臺風(fēng)相似匹配模塊、歷史臺風(fēng)相似匹配模塊、歷史臺風(fēng)統(tǒng)計(jì)模塊、水雨災(zāi)情對比模塊和后臺管理模塊，各個模塊對應(yīng)于系統(tǒng)主界面上部菜單。限于篇幅，此處重點(diǎn)闡述歷史臺風(fēng)相似匹配模塊，僅以歷史臺風(fēng)“桑美”為例，借助于系統(tǒng)開發(fā)的相似臺風(fēng)匹配算法，從歷史臺風(fēng)數(shù)據(jù)庫中檢索出與“桑美”相似的歷史臺風(fēng)，并對匹配出的多場相似臺風(fēng)進(jìn)行水雨災(zāi)情的查詢和比較。缺省情況下系統(tǒng)主界面默認(rèn)顯示當(dāng)前實(shí)時臺風(fēng)或最近一場臺風(fēng)。

首先選擇“歷史臺風(fēng)匹配”菜單，彈出歷史臺風(fēng)選擇對話框，在對話框中可以通過臺風(fēng)名稱或編號進(jìn)行模糊查找，也可通過年份、季度、月份、登陸強(qiáng)度、登陸地點(diǎn)等指標(biāo)進(jìn)行層級篩選，將“桑美”選為目標(biāo)匹配對象。而后選擇相似臺風(fēng)臺匹配算法，對于實(shí)時臺風(fēng)而言可以選擇的匹配算法有特征相似法、預(yù)測路徑法、實(shí)時緩沖區(qū)法和綜合匹配法；對于歷史臺風(fēng)匹配而言，由于臺風(fēng)已經(jīng)結(jié)束，因此可供選擇的匹配算法僅為特征相似法。特征相似法參數(shù)設(shè)置界面位于主界面左下角，此處地理相似選擇400 km，即緩沖圓半徑；歷史匹配時段輸入24 h，該參數(shù)主要用于確定用戶欲匹配的臺風(fēng)路徑段，默認(rèn)為從臺風(fēng)生成到當(dāng)前時刻的臺風(fēng)路徑段；匹配間隔設(shè)定6 h，即系列緩沖圓之間的時間間隔；此處臺風(fēng)相似指標(biāo)僅選擇了地理路徑相似，也可以進(jìn)一步勾選和設(shè)置臺風(fēng)季節(jié)、中心移速和臺風(fēng)強(qiáng)度等相似指標(biāo)。點(diǎn)擊“匹配”后，系統(tǒng)會將算法匹配出相似臺風(fēng)列于主界面左下角，以列表的形式顯示相似臺風(fēng)的臺風(fēng)編號、臺風(fēng)名稱、臺風(fēng)等級、登陸地點(diǎn)、相似度、開始時間、最大風(fēng)速、最低氣壓、最大雨量、經(jīng)濟(jì)損失、詳情等屬性，方便用于對相似臺風(fēng)間的重要特征指標(biāo)進(jìn)行比較。通過特征相似法匹配出的“197209-貝蒂”“195310”“197613-畢莉”與臺風(fēng)“桑美”的相似度分別為54%，47%和36%。相似臺風(fēng)匹配出來以后，可以通過選擇主界面上的菜單“水情災(zāi)情查詢”進(jìn)一步查詢和對比相似臺風(fēng)“貝蒂”“195310”和“畢莉”的水情、雨情和災(zāi)情，實(shí)現(xiàn)了相似臺風(fēng)與其對應(yīng)的路徑、雨情、水情、災(zāi)情等多源信息的關(guān)聯(lián)和集成，可為防臺決策提供更為全面的臺風(fēng)對比信息。

4 結(jié) 語

本文以臺風(fēng)路徑、發(fā)生季節(jié)、臺風(fēng)移向、臺風(fēng)中心移速、臺風(fēng)強(qiáng)度以及各個國家和地區(qū)發(fā)布的臺風(fēng)預(yù)報路徑信息為基礎(chǔ)，開發(fā)了特征相似法、預(yù)測路徑法、實(shí)時緩沖區(qū)法和綜合匹配法共4種相似臺風(fēng)匹配算法，相似臺風(fēng)匹配算法和系統(tǒng)功能更加豐富、完善，通過設(shè)定匹配時長和匹配間隔等算法參數(shù)，增加了系統(tǒng)的靈活性和實(shí)用性。匹配系統(tǒng)可提供實(shí)時臺風(fēng)相似匹配、歷史臺風(fēng)相似匹配、歷史臺風(fēng)統(tǒng)計(jì)、臺風(fēng)詳情查看、水雨災(zāi)情對比信息以及后臺數(shù)據(jù)維護(hù)等功能。系統(tǒng)能夠以表格、圖像、雨量等值線、文字和超鏈接等方式呈現(xiàn)出相似臺風(fēng)間的相關(guān)信息，極大地方便用戶快捷和高效地提取相關(guān)信息進(jìn)行預(yù)測分析。該系統(tǒng)于2016年開始運(yùn)行，在防御“尼伯特”“莫蘭蒂”“瑪莉亞”等多場臺風(fēng)過程中，驗(yàn)證了算法的可行性及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。