本發(fā)明涉及全路徑臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性分析方法，尤其涉及一種基于統(tǒng)計(jì)動(dòng)力學(xué)的全路徑臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性分析方法。

背景技術(shù)：

已有的臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性分析模型主要有單點(diǎn)概率模型和經(jīng)驗(yàn)全路徑模型兩種。

1.單點(diǎn)概率模型，對(duì)研究點(diǎn)劃定圓形區(qū)域以確定影響研究點(diǎn)的臺(tái)風(fēng)樣本，通過(guò)泊松分布確定區(qū)域內(nèi)臺(tái)風(fēng)年發(fā)生數(shù)參數(shù)，并對(duì)區(qū)域內(nèi)的臺(tái)風(fēng)樣本的移動(dòng)速度大小、移動(dòng)方向、中心氣壓差、最大風(fēng)速半徑以及臺(tái)風(fēng)中心與研究點(diǎn)之間最小距離等特征進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)，利用蒙特卡羅方法模擬出大量的臺(tái)風(fēng)樣本，與臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型結(jié)合估算出研究點(diǎn)50年一遇和100年一遇的臺(tái)風(fēng)風(fēng)速。

2.經(jīng)驗(yàn)全路模型，將整個(gè)西北太平洋歷史臺(tái)風(fēng)作為樣本，通過(guò)泊松分布確定西北太平洋臺(tái)風(fēng)年生成數(shù)參數(shù)，直接利用歷史生成點(diǎn)作為模擬的初始點(diǎn)，對(duì)臺(tái)風(fēng)的全路徑移動(dòng)速度大小、移動(dòng)方向、強(qiáng)度進(jìn)行回歸統(tǒng)計(jì)，利用蒙特卡羅方法合成出大量的臺(tái)風(fēng)完整路徑，篩選出經(jīng)過(guò)研究點(diǎn)一定范圍區(qū)域內(nèi)的臺(tái)風(fēng)樣本，并與臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型結(jié)合估算出研究點(diǎn)50年一遇和100年一遇的臺(tái)風(fēng)風(fēng)速。

已有技術(shù)問(wèn)題及缺陷為：

1.單點(diǎn)概率模型僅適用于臺(tái)風(fēng)樣本豐富的小區(qū)域的臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性分析，對(duì)于大范圍區(qū)域(如沿海多個(gè)城市，鐵路，公路，電網(wǎng)系統(tǒng)等)的臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性分析，需要對(duì)區(qū)域進(jìn)行分段統(tǒng)計(jì)會(huì)造成計(jì)算繁瑣，而且用于研究臺(tái)風(fēng)樣本不足的地區(qū)會(huì)有較大的偏差。這種模型不能應(yīng)用于研究未來(lái)氣候變化下的臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性分析。

2.經(jīng)驗(yàn)全路模型模擬的初始生成點(diǎn)有限，且僅考慮歷史臺(tái)風(fēng)路徑信息，這種模型在臺(tái)風(fēng)樣本豐富的地區(qū)表現(xiàn)良好，但在歷史臺(tái)風(fēng)記錄稀缺的地區(qū)則表現(xiàn)遜色，不能應(yīng)用于研究未來(lái)氣候變化下的臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性分析。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于統(tǒng)計(jì)動(dòng)力學(xué)的全路徑臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性分析方法，

首先，使用生成模型生成臺(tái)風(fēng)的年發(fā)生數(shù)和發(fā)生位置。利用一維核概率密度函數(shù)估算出臺(tái)風(fēng)的年發(fā)生數(shù)概率密度，如式(1)所示，

式中，x表示臺(tái)風(fēng)年發(fā)生數(shù)；xi表示歷史上各年的臺(tái)風(fēng)個(gè)數(shù)；n表示歷史臺(tái)風(fēng)記錄的總年數(shù)；h表示最佳帶寬，采用一維有偏交叉驗(yàn)證方法估計(jì)，如式(2)所示，使式(2)最小的h即為最佳帶寬。

式中，δij＝(xi-xj)/h，xi和xj表示歷史上不同年的臺(tái)風(fēng)個(gè)數(shù)。通過(guò)蒙特卡羅方法模擬出臺(tái)風(fēng)的年發(fā)生數(shù)。利用三維核概率密度函數(shù)估算出臺(tái)風(fēng)在海洋上生成位置的概率密度，如式(3)所示，

式中，x表示臺(tái)風(fēng)生成位置向量；xi表示歷史各臺(tái)風(fēng)的發(fā)生位置向量；s表示位置向量的標(biāo)準(zhǔn)差矩陣；n表示歷史臺(tái)風(fēng)發(fā)生數(shù)；σxx、σyy、σzz分別表示三個(gè)維度各自的方差；wi表示每個(gè)核密度估算子的修正權(quán)值；γ1、γ2、γ3分別為標(biāo)準(zhǔn)化后三個(gè)維度之間相關(guān)系數(shù)的特征向量；λ1、λ2、λ3分別表示特征值；hopt1、hopt2、hopt3分別為三個(gè)變量的最佳帶寬。采用三維有偏交叉驗(yàn)證方法估計(jì)，如式(4)所示，使式(4)最小即為最佳帶寬，

式中，δijk＝(xik-xjk)/hk，xik和xjk表示歷史生成位置的第k維變量,k＝1，2，3。通過(guò)蒙特卡羅方法模擬出臺(tái)風(fēng)的生成位置。

接下來(lái)將上述模擬的臺(tái)風(fēng)年發(fā)生數(shù)和發(fā)生位置代入移動(dòng)模型中模擬臺(tái)風(fēng)生成之后每6小時(shí)的位置，臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)速度如(5)所示，

式中，u和v分別表示臺(tái)風(fēng)的緯向和經(jīng)向移動(dòng)速度；usteer和vsteer分別表示臺(tái)風(fēng)的緯向和經(jīng)向引導(dǎo)氣流速度；u300，u400等分別表示300百帕，400百帕等氣壓層的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)緯向速度在臺(tái)風(fēng)中心的5°半徑上的環(huán)向平均值；v300，v400等分別表示300百帕，400百帕等氣壓層的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)經(jīng)向速度在臺(tái)風(fēng)中心的5°半徑上的環(huán)向平均值；bx和by分別為緯向和經(jīng)向beta漂流速度，將歷史臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)速度代入式(5)反求出歷史臺(tái)風(fēng)的beta漂流速度，取模擬臺(tái)風(fēng)所在網(wǎng)格內(nèi)的歷史beta漂流平均值作為模擬臺(tái)風(fēng)的beta漂流速度。臺(tái)風(fēng)以模擬的移動(dòng)速度沿著地球的最大圓弧行進(jìn)6小時(shí)，得到臺(tái)風(fēng)6小時(shí)之后的位置，如此反復(fù)模擬，直至臺(tái)風(fēng)消亡，完成臺(tái)風(fēng)整個(gè)路徑的模擬。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在模擬臺(tái)風(fēng)路徑的同時(shí)，利用強(qiáng)度模型對(duì)臺(tái)風(fēng)每6小時(shí)的強(qiáng)度進(jìn)行模擬，當(dāng)臺(tái)風(fēng)位于海洋上，采用式(6)和式(7)分別估算出臺(tái)風(fēng)第二個(gè)位置的強(qiáng)度和第三個(gè)及其之后位置的強(qiáng)度，

式中，vmax表示臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度；a0，b0等表示各海洋網(wǎng)格的強(qiáng)度回歸參數(shù)；i表示本時(shí)刻；i+1表示6小時(shí)之后時(shí)刻；i-1表示6小時(shí)之前時(shí)刻；i表示相對(duì)強(qiáng)度；pi表示臺(tái)風(fēng)的潛在強(qiáng)度；sst表示臺(tái)風(fēng)中心位置的海洋表面溫度。當(dāng)臺(tái)風(fēng)登陸之后，采用式(8)估算臺(tái)風(fēng)在陸地上的強(qiáng)度衰減，

vmax＝vb+(vmax0-vb)exp(-αt)(8)

式中，vmax0表示臺(tái)風(fēng)登陸前時(shí)刻的強(qiáng)度；vb表示陸地網(wǎng)格的背景風(fēng)速；α表示陸地強(qiáng)度衰減參數(shù)；t表示衰減時(shí)間，當(dāng)臺(tái)風(fēng)的模擬強(qiáng)度小于10.8米/秒時(shí)，則認(rèn)為臺(tái)風(fēng)消亡，終止臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度的模擬。

合成出大量臺(tái)風(fēng)全路徑之后，篩選出進(jìn)入臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性分析位置五百公里范圍內(nèi)的模擬臺(tái)風(fēng)，將模擬臺(tái)風(fēng)的每6小時(shí)路徑位置和強(qiáng)度插值為每1分鐘的位置和強(qiáng)度。利用georgiou梯度風(fēng)場(chǎng)，計(jì)算出每個(gè)模擬臺(tái)風(fēng)對(duì)分析位置產(chǎn)生的梯度風(fēng)速，如式(9)所示，

其中，

當(dāng)臺(tái)風(fēng)位于海洋上

當(dāng)臺(tái)風(fēng)位于陸地上

rmax＝exp(c0+c1lnvmax+c2lon+c3lat)

式中，α表示臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向與分析位置之間的順時(shí)針夾角；r表示臺(tái)風(fēng)中心到分析位置的距離；vt表示臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)速度大?。籪表示分析位置的科氏參數(shù)；b表示臺(tái)風(fēng)氣壓分布參數(shù)；δp表示臺(tái)風(fēng)中心氣壓差；ρ表示空氣密度；rmax表示臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑；lon表示分析位置的緯度；lat表示分析位置的經(jīng)度；c0，c1等表示分析位置的最大風(fēng)速半徑回歸參數(shù)。最后將估算的梯度風(fēng)速折減為距離地表10米高度處的風(fēng)速，即分析位置距離海岸50公里范圍之內(nèi)時(shí)折減系數(shù)取0.58，分析位置距離海岸50公里范圍之外時(shí)折減系數(shù)取為0.53。

篩選出模擬臺(tái)風(fēng)對(duì)分析位置產(chǎn)生的年最大風(fēng)速并按從小到大進(jìn)行排序，第98百分位數(shù)即為50年一遇的風(fēng)速，第99百分位數(shù)即為100年一遇的風(fēng)速，從而完成對(duì)分析位置的臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性分析。

本發(fā)明的有益效果是：1.本方法基于核密度概率函數(shù)的生成模型模擬的臺(tái)風(fēng)生成位置并不局限于歷史生成位置，克服了經(jīng)驗(yàn)全路徑模型直接使用歷史生成點(diǎn)造成臺(tái)風(fēng)生成點(diǎn)樣本過(guò)少的缺點(diǎn)；

2.本方法將估算的陸地臺(tái)風(fēng)生成概率分配回核概率密度函數(shù)的估算子中，修正了海洋位置的臺(tái)風(fēng)生成概率，克服了以往模型估算臨近陸地海洋位置生成概率偏低的缺陷；

3.本方法利用歷史臺(tái)風(fēng)移動(dòng)、強(qiáng)度與環(huán)境變量之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，可以模擬歷史臺(tái)風(fēng)記錄稀缺地區(qū)的臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度，克服了經(jīng)驗(yàn)全路徑模型不能對(duì)歷史臺(tái)風(fēng)記錄稀缺區(qū)域進(jìn)行模擬的缺陷；

4.本方法可以模擬大量的完整臺(tái)風(fēng)路徑，利用這些完整臺(tái)風(fēng)路徑可以對(duì)大范圍和多個(gè)區(qū)域進(jìn)行臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性分析，克服了單點(diǎn)模型不能適用于大范圍區(qū)域臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性分析的缺陷。

附圖說(shuō)明

圖1是70年熱帶氣旋生成位置(空心圓)和1945-2014年的歷史熱帶氣旋生成位置(實(shí)心圓)的模擬圖。

圖2是圖1的網(wǎng)格分布圖。

圖3是隨機(jī)模擬的66年臺(tái)風(fēng)路徑圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖說(shuō)明及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

一種基于統(tǒng)計(jì)動(dòng)力學(xué)的全路徑臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性分析方法，它可細(xì)分為：生成模型、移動(dòng)模型、強(qiáng)度模型以及風(fēng)場(chǎng)模型等四部分。

首先使用生成模型生成臺(tái)風(fēng)的年發(fā)生數(shù)和發(fā)生位置。利用一維核概率密度函數(shù)估算出臺(tái)風(fēng)的年發(fā)生數(shù)概率密度，如式(1)所示。

式中，x表示臺(tái)風(fēng)年發(fā)生數(shù)；xi表示歷史上各年的臺(tái)風(fēng)個(gè)數(shù)；n表示歷史臺(tái)風(fēng)記錄的總年數(shù)；h表示最佳帶寬。采用一維有偏交叉驗(yàn)證方法估計(jì)，如式(2)所示，使式(2)最小的h即為最佳帶寬。

式中，δij＝(xi-xj)/h，xi和xj表示歷史上不同年的臺(tái)風(fēng)個(gè)數(shù)。通過(guò)蒙特卡羅方法模擬出臺(tái)風(fēng)的年發(fā)生數(shù)。利用三維核概率密度函數(shù)估算出臺(tái)風(fēng)在海洋上生成位置(經(jīng)度，緯度，時(shí)間)的概率密度，如式(3)所示。

式中，x表示臺(tái)風(fēng)生成位置(經(jīng)度，緯度，時(shí)間)向量；xi表示歷史各臺(tái)風(fēng)的發(fā)生位置向量；s表示位置向量的標(biāo)準(zhǔn)差矩陣；n表示歷史臺(tái)風(fēng)發(fā)生數(shù)；σxx，σyy，σzz分別表示三個(gè)維度各自的方差；wi表示每個(gè)核密度估算子的修正權(quán)值；γ1，γ2，γ3分別為標(biāo)準(zhǔn)化后三個(gè)維度之間相關(guān)系數(shù)的特征向量；λ1，λ2，λ3分別表示特征值；hopt1，hopt2，hopt3分別為三個(gè)變量的最佳帶寬。采用三維有偏交叉驗(yàn)證方法估計(jì)，如式(4)所示，使式(4)最小即為最佳帶寬。

式中，δijk＝(xik-xjk)/hk，xik和xjk表示歷史生成位置的第k維變量,k＝1，2，3。通過(guò)蒙特卡羅方法模擬出臺(tái)風(fēng)的生成位置。圖1為本方法模擬的70年熱帶氣旋生成位置與1945-2014年的歷史生成位置的對(duì)比。

接下來(lái)將上述模擬的臺(tái)風(fēng)年發(fā)生數(shù)和發(fā)生位置代入移動(dòng)模型中模擬臺(tái)風(fēng)生成之后每6小時(shí)的位置，臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)速度如(5)所示。

式中，u和v分別表示臺(tái)風(fēng)的緯向和經(jīng)向移動(dòng)速度；usteer和vsteer分別表示臺(tái)風(fēng)的緯向和經(jīng)向引導(dǎo)氣流速度；u300，u400等分別表示300百帕，400百帕等氣壓層的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)緯向速度在臺(tái)風(fēng)中心的5°半徑上的環(huán)向平均值；v300，v400等分別表示300百帕，400百帕等氣壓層的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)經(jīng)向速度在臺(tái)風(fēng)中心的5°半徑上的環(huán)向平均值；bx和by分別為緯向和經(jīng)向beta漂流速度，將歷史臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)速度代入式(5)反求出歷史臺(tái)風(fēng)的beta漂流速度，取模擬臺(tái)風(fēng)所在圖2中網(wǎng)格內(nèi)的歷史beta漂流平均值作為模擬臺(tái)風(fēng)的beta漂流速度。臺(tái)風(fēng)以模擬的移動(dòng)速度沿著地球的最大圓弧行進(jìn)6小時(shí)，得到臺(tái)風(fēng)6小時(shí)之后的位置，如此反復(fù)模擬，直至臺(tái)風(fēng)消亡，完成臺(tái)風(fēng)整個(gè)路徑的模擬。

在模擬臺(tái)風(fēng)路徑的同時(shí)，利用強(qiáng)度模型對(duì)臺(tái)風(fēng)每6小時(shí)的強(qiáng)度(這里定義為臺(tái)風(fēng)中心附近10米高度處的最大風(fēng)速)進(jìn)行模擬。當(dāng)臺(tái)風(fēng)位于海洋上，采用式(6)和式(7)分別估算出臺(tái)風(fēng)第二個(gè)位置的強(qiáng)度和第三個(gè)及其之后位置的強(qiáng)度。

式中，vmax表示臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度；a0，b0等表示圖2中各海洋網(wǎng)格的強(qiáng)度回歸參數(shù)；i表示本時(shí)刻；i+1表示6小時(shí)之后時(shí)刻；i-1表示6小時(shí)之前時(shí)刻；i表示相對(duì)強(qiáng)度；pi表示臺(tái)風(fēng)的潛在強(qiáng)度；sst表示臺(tái)風(fēng)中心位置的海洋表面溫度。當(dāng)臺(tái)風(fēng)登陸之后，采用式(8)估算臺(tái)風(fēng)在陸地上的強(qiáng)度衰減。

vmax＝vb+(vmax0-vb)exp(-αt)(8)

式中，vmax0表示臺(tái)風(fēng)登陸前時(shí)刻的強(qiáng)度；vb表示圖2中各陸地網(wǎng)格的背景風(fēng)速；α表示陸地強(qiáng)度衰減參數(shù)；t表示衰減時(shí)間。當(dāng)臺(tái)風(fēng)的模擬強(qiáng)度小于10.8米/秒時(shí)，則認(rèn)為臺(tái)風(fēng)消亡，終止臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度的模擬。圖3為隨機(jī)模擬的66年臺(tái)風(fēng)路徑。

合成出大量臺(tái)風(fēng)全路徑之后，篩選出進(jìn)入臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性分析位置五百公里范圍內(nèi)的模擬臺(tái)風(fēng)。將模擬臺(tái)風(fēng)的每6小時(shí)路徑位置和強(qiáng)度插值為每1分鐘的位置和強(qiáng)度。利用georgiou梯度風(fēng)場(chǎng)，計(jì)算出每個(gè)模擬臺(tái)風(fēng)對(duì)分析位置產(chǎn)生的梯度風(fēng)速，如式(9)所示。

其中，

當(dāng)臺(tái)風(fēng)位于海洋上

當(dāng)臺(tái)風(fēng)位于陸地上

rmax＝exp(c0+c1lnvmax+c2lon+c3lat)

式中，α表示臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向與分析位置之間的順時(shí)針夾角；r表示臺(tái)風(fēng)中心到分析位置的距離；vt表示臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)速度大??；f表示分析位置的科氏參數(shù)；b表示臺(tái)風(fēng)氣壓分布參數(shù)；δp表示臺(tái)風(fēng)中心氣壓差；ρ表示空氣密度；rmax表示臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑；lon表示分析位置的緯度；lat表示分析位置的經(jīng)度；c0，c1等表示分析位置的最大風(fēng)速半徑回歸參數(shù)。最后將估算的梯度風(fēng)速折減為距離地表10米高度處的風(fēng)速，即分析位置距離海岸50公里范圍之內(nèi)時(shí)折減系數(shù)取0.58，分析位置距離海岸50公里范圍之外時(shí)折減系數(shù)取為0.53。篩選出模擬臺(tái)風(fēng)對(duì)分析位置產(chǎn)生的年最大風(fēng)速并按從小到大進(jìn)行排序，第98百分位數(shù)即為50年一遇的風(fēng)速，第99百分位數(shù)即為100年一遇的風(fēng)速，從而完成對(duì)分析位置的臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性分析。本發(fā)明提供的基于統(tǒng)計(jì)動(dòng)力學(xué)的全路徑臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性分析方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.本方法基于核密度概率函數(shù)的生成模型模擬的臺(tái)風(fēng)生成位置并不局限于歷史生成位置，克服了經(jīng)驗(yàn)全路徑模型直接使用歷史生成點(diǎn)造成臺(tái)風(fēng)生成點(diǎn)樣本過(guò)少的缺點(diǎn)。

2.本方法將估算的陸地臺(tái)風(fēng)生成概率分配回核概率密度函數(shù)的估算子中，修正了海洋位置的臺(tái)風(fēng)生成概率，克服了以往模型估算臨近陸地海洋位置生成概率偏低的缺陷。

3.本方法利用歷史臺(tái)風(fēng)移動(dòng)、強(qiáng)度與環(huán)境變量之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，可以模擬歷史臺(tái)風(fēng)記錄稀缺地區(qū)的臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度，克服了經(jīng)驗(yàn)全路徑模型不能對(duì)歷史臺(tái)風(fēng)記錄稀缺區(qū)域進(jìn)行模擬的缺陷。

4.本方法可以模擬大量的完整臺(tái)風(fēng)路徑，利用這些完整臺(tái)風(fēng)路徑可以對(duì)大范圍和多個(gè)區(qū)域進(jìn)行臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性分析，克服了單點(diǎn)模型不能適用于大范圍區(qū)域臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性分析的缺陷。

本發(fā)明提供的基于統(tǒng)計(jì)動(dòng)力學(xué)的全路徑臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性分析方法。1應(yīng)用于臺(tái)風(fēng)模擬和災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析，在巨災(zāi)保險(xiǎn)和再保險(xiǎn)、巨災(zāi)證券的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)方面有廣泛的應(yīng)用前景；2應(yīng)用于確定工程設(shè)防臺(tái)風(fēng)等級(jí)，對(duì)重要工程的設(shè)計(jì)和運(yùn)行的災(zāi)害防御具有應(yīng)用前景；3應(yīng)用于城市抗風(fēng)防災(zāi)和應(yīng)急預(yù)案規(guī)劃，對(duì)政府管理部門(mén)的災(zāi)害管理和應(yīng)急響應(yīng)決策具有應(yīng)用前景。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。