一种多参数约束的基于矢栅分析的相似台风识别方法技术

本发明专利技术公开了一种多参数约束的基于矢栅分析的相似台风识别方法，即针对目标台风，通过台风中心位置、台风强度和台风行进速度三个参数建立相似台风的优化判别指标，综合利用矢量数据和栅格数据的分析方法，识别路径位置相似及在台风中心最邻近位置台风强度、行进速度也匹配性高的台风，可根据具体应用需求选择性施加约束参数组合，并通过提出的台风相似性判别指标进行相似台风的识别和排序。本发明专利技术建立基于台风路径、强度和行进速度三参数约束的相似台风的快速识别算法，由于可同时匹配台风强度与/或行进速度的信息，识别出的台风对海岸的潜在灾害性更为相近，能够更好地应用于相似台风的风暴潮增水、台风浪的影响区域及淹水等灾害程度的预测。灾害程度的预测。灾害程度的预测。

【技术实现步骤摘要】
一种多参数约束的基于矢栅分析的相似台风识别方法


[0001]本专利技术属于地球科学领域，尤其涉及一种多参数约束的基于矢栅分析的相似台风识别方法。

技术介绍

[0002]相似路径台风的准确识别对于台风路径预测和沿海风暴潮、台风浪、淹水等灾害预报至关重要。具有路径相似性的台风在受灾区域、受灾范围的提前预警方面发挥了重要的作用，可有效指导防灾策略并减少人民群众生命、财产损失。但如果相似路径的台风在强度等方面不匹配，则不能有效预估相应灾害的破坏程度，如风暴潮增水高度、淹水深度和范围等，使基于历史台风数据库进行灾害破坏预测的效果大打折扣。本研究目的是提出一种同时考虑台风强度及台风行进速度约束的台风路径相似性计算指标和计算方法，可保证识别出的台风路径在路径位置、台风强度和台风行进速度等方面均具有较好的相似性。
[0003]台风路径的相似性可以有不同方面的具体内涵，具体参数可包括台风中心位置、强度、行进速度及台风经过时间等，但若要求各方面都匹配则可能影响识别效率，并易使较多特征匹配较好而仅在某方面特征匹配性有所欠缺的台风被排除在外；因此，在实际应用中，均衡台风路径相似性和相应评价参数和指标的易用性更为关键。特别是在海岸灾害防御和预警应用中，赋予台风路径相似性的具体内涵直接影响灾害的合理预估。
[0004]因此，需要一种多参数约束的基于矢栅分析的相似台风识别方法以解决上述问题。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：本专利技术针对沿海台风风暴潮、台风浪及淹水灾害评估时，仅凭台风路径位置的相似性无法在兼顾灾害区域、范围基础上对灾害影响程度也做到合理预测的缺陷，提供了一种多参数约束的基于矢栅分析的相似台风识别方法，对现有的台风相似性识别指标和算法进行优化。
[0006]技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术公开的一种多参数约束的基于矢栅分析的相似台风识别方法采用如下技术方案：
[0007]本专利技术基于台风中心位置、台风强度和行进速度三个参数对台风路径相似性进行选择性约束，提出一种有效的包含以上多参数约束的相似台风识别指标以及基于矢栅综合分析的计算方法，包括如下步骤：
[0008]步骤1，建立历史台风数据库；
[0009]步骤2，初步识别与目标台风的台风路径位置相似的历史台风，并形成待识别台风子集；
[0010]步骤3，针对待识别台风子集中各待识别台风，计算目标台风路径上各台风中心位置对应的最邻近位置和最邻近距离，对目标台风所有台风中心位置形成配对关系；
[0011]步骤4，针对待识别台风子集中各待识别台风，计算与目标台风在台风路径位置、
强度和/或行进速度多参数同时约束的相似性指标值，获得不同组合约束参数均相似的历史台风并进行排序。
[0012]进一步地，步骤1包括：基于台风最佳路径数据集建立包含台风中心位置经纬度、台风级别、台风最大风速的历史台风数据库，该历史台风数据库还包括通过计算得到的台风路径长度和台风行进速度数据。其中，台风最佳路径数据集采用从气象机构公开获取的数据。
[0013]进一步地，步骤2包括：
[0014]步骤2.1，将目标台风路径作为“线”矢量对象，以L为宽度进行缓冲区计算，得到缓冲区多边形P；
[0015]步骤2.2，遍历历史台风数据库中的所有待识别台风，统计每个待识别台风位于多边形P中的台风中心所占的百分比
[0016]其中，N
in
为某一待识别台风路径中位于多边形P内部的台风中心数目，N
total
为该待识别台风路径的台风中心总数；
[0017]步骤2.3，当目标台风和待识别台风之间的路径长度比满足ratio
len
≥R1,ratio
len
≤1/R1，且ratio
loc
≥R2时，初步识别为台风路径位置相似，并纳入待识别台风子集；
[0018]其中，R1表示台风路径长度相似阈值，R2表示待识别台风路径上台风中心位置落入多边形P中的百分比阈值。
[0019]在缓冲区多边形P中，通过台风路径长度相似阈值R1和待识别台风路径上台风中心位置落入多边形P中的百分比阈值R2共同约束，遍历台风路径数据库识别出路径位置相似的台风，通过路径位置对待识别台风进行初筛，可以有效降低子集中台风数目，后续针对台风的遍历计算则无需对所有历史台风进行，可提高相似台风识别效率。
[0020]进一步地，步骤4包括计算待识别台风和目标台风强度的相似性，所述台风强度采用不同台风中心位置处的最大风速作为台风强度指征，所述最大风速的单位为m/s；所述计算待识别台风和目标台风强度的相似性，包含以下步骤：
[0021]步骤4.1，将待识别台风的台风中心位置、最大风速以Δt进行插值，形成时间分辨率为Δt的台风路径数据，和分别代表插值后任一时刻台风中心位置j所处的球面坐标及相应的最大风速，j≥1；
[0022]步骤4.2，基于初步识别为路径相似的台风，记目标台风路径上各台风中心位置为其对应的最大风速为i表示各台风中心位置的索引，1≤i≤I，I表示目标台风路径上台风中心位置的总数；步骤3计算获得的待识别台风路径上最邻近位置记为J
i
，则配对的台风中心位置的台风强度差异为反映两个台风路径上强度相似性的指标定义为以上公式中的下标o和s分别对应插值后的目标台风路径数据和待识别台风路径数据。
[0023]本专利技术提出的台风中心位置的配对方式完全克服了现有算法的局限性和不合理之处，同时也是台风路径位置相似性、强度相似性以及行进速度相似性指标评价的关键所在；另外，基于最大风速差的强度相似性指标计算公式具有代表性强、计算简便等优点。相关有益效果将结合附图在具体实施例中进行进一步说明。
[0024]进一步地，步骤4还包括计算待识别台风和目标台风行进速度的相似性，包含以下步骤：
[0025]步骤4.3，将待识别台风的行进速度以Δt进行插值，代表插值后任一时刻台风中心位置j的行进速度；
[0026]步骤4.4，基于初步识别为路径相似的台风，记目标台风路径上各台风中心位置的行进速度为则配对的台风中心位置的台风行进速度差异为反映两个台风路径上行进速度相似性的指标定义为
[0027]本专利技术提出的台风路径位置、强度与行进速度的相似性指标在形式上具有一致性，各指标的累加数目取决于目标台风的中心位置数目，也完全一致。采用本专利技术提出的各参数相似性指标，使其在量级上能够互相制衡，确保在识别台风相似性均有效施加效果。
[0028]进一步地，步骤4中提出的基于多参数约束的台风相似性指标计算基于台风中心最邻近位置的确定，形成目标台风和待识别台风中心位置的一一配对关系，并进行关于台风路径位置、强度和行进速度的匹配性指标计算；台风相似性综合指标的具体公式为：
[0029][0030]其中，d
i
为目标台风任一台风中心位置处与待识别台风路径最邻近距离，单位为Km；D
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代表待识本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多参数约束的基于矢栅分析的相似台风识别方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立历史台风数据库；步骤2，初步识别与目标台风的台风路径位置相似的历史台风，并形成待识别台风子集；步骤3，针对待识别台风子集中各待识别台风，计算目标台风路径上各台风中心位置对应的最邻近位置和最邻近距离，对目标台风所有台风中心位置形成配对关系；步骤4，针对待识别台风子集中各待识别台风，计算与目标台风在台风路径位置、强度和/或行进速度多参数同时约束的相似性指标值，获得不同组合约束参数均相似的历史台风并进行排序。2.根据权利要求1所述的一种多参数约束的基于矢栅分析的相似台风识别方法，其特征在于，步骤1包括：基于台风最佳路径数据集建立包含台风中心经纬度、台风级别、台风最大风速、台风行进速度和台风路径长度在内的历史台风数据库；其中，台风最佳路径数据集采用从气象机构公开获取的数据。3.根据权利要求2所述的一种多参数约束的基于矢栅分析的相似台风识别方法，其特征在于，步骤2包括：步骤2.1，针对目标台风路径计算以L为宽度的缓冲区多边形P；步骤2.2，遍历历史台风数据库中的所有待识别台风，统计每个待识别台风位于多边形P中的台风中心所占的百分比其中，N
in
为某一待识别台风路径中位于多边形P内部的台风中心数目，N
total
为该待识别台风路径的台风中心总数；步骤2.3，当目标台风和待识别台风之间的路径长度比满足ratio
len
≥R1,ratio
len
≤1/R1，且ratio
loc
≥R2时，初步识别为台风路径位置相似，并纳入待识别台风子集；其中，R1表示台风路径长度相似阈值，R2表示待识别台风路径上台风中心位置落入多边形P中的百分比阈值。4.根据权利要求3所述的一种多参数约束的基于矢栅分析的相似台风识别方法，其特征在于，步骤4包括计算待识别台风和目标台风强度的相似性，所述台风强度采用不同台风中心位置处的最大风速作为台风强度指征，所述最大风速的单位为m/s；所述计算待识别台风和目标台风强度的相似性，包含以下步骤：步骤4.1，将待识别台风的台风中心位置、最大风速以Δt进行插值，形成时间分辨率为Δt的台风路径数据，和分别代表插值后任一时刻台风中心位置j所处的球面坐标及相应的最大风速，j≥1；步骤4.2，基于初步识别为路径相似的台风，记目标台风路径上各台风中心位置为其对应的最大风速为i表示各台风中心位置的索引，1≤i≤I，I表示目标台风路径上台风中心位置的总数；步骤3计算获得的待识别台风路径上最邻近位置记为J
i
，则配对的台风中心位置的台风强度差异为反映两个台风路径上强度相似性的指标定义为以上公式中的下标o和s分别对应插值后的目标台风路径数据和待识别台风路径数据。
5.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨洁，余震炫，林岳岷，姜景晟，叶永岩，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：