一种简捷的台风移动方向预测方法与流程

本发明涉及一种台风的预测方法，尤其涉及一种简捷的台风移动方向预测方法。

背景技术：

台风是最频繁、也是最危险的自然灾害之一，据统计，每年全球每年有80-100个台风生成，每年会引起数万人的直接死亡。中国是受台风影响最为严重的国家之一，近8成的国土受台风影响。随着近几十年社会经济的发展，台风带来的人口损失逐年减少，但经济损失却有着逐年增大的趋势，尤其在南海至东北的近1.8多万公里的海岸带，台风灾害更是这些地区的常客。对台风轨迹的准确预报能够最直观地减少台风带来的经济损失。早年的台风路径预测方法一般是利用前面时刻热带气旋中心位置的观测值反演出初始速度及气压梯度力等,进而进行外推预报。这类预报方法(如等)多是基于统计得到的回归方程，缺乏动力学的支撑。随着过去数十年数值预报的发展，台风路径的预报方式转为基于多个带有随机初始扰动和物理参数化过程的数值模式结果的集合预报、然后再路径集合平均与不同置信区间的路径范围。然而该类方法宥于超量的计算，在实践中往往需要较长的时间才能给出预报的结果，计算成本也高。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的在于提供一种快速简便、计算准确的台风移动方向预测方法。

技术方案：本发明的简捷的台风移动方向预测方法，包括以下步骤：

第一步，获取格点化等压面上的物理量及其时间序列；

第二步，对上述物理量预处理，使其时间间隔等距并计算总时次；

第三步，对上述物理量进行多尺度子空间变换尺度分解；

第四步，计算台风与其所处环境之间的动能正则传输

第五步，截取台风中心7度以内的并对其做垂向平均；

第六步，计算台风中心偶极子的方向。

优选地，第一步中，所述物理量包括位势、温度和三维风场。

优选地，第二步中，所述总时次包括2的整数次幂。

优选地，第三步中，所述尺度分解包括将物理量分解为1天以下的对流扰动尺度，1-32天的台风尺度和32天以上的台风背景环境尺度。

优选地，第四步中，所述计算方式为基于mwt框架下动能的正则传输公式。

优选地，第五步中，所述截取的时刻为t0时刻。

优选地，第六步中，所述偶极子的方向为从正向负。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

(1)本发明的预测方法仅凭现有的资料进行预测，效果较好，同时无需大型数值预报，在保证准确性的前提下，节省了大量的计算量和宝贵的时间。

(2)本发明的预测方法可以为应对台风灾害预警决策提供及时的意见，能够更及时地调整台风灾害防护政策，减少公众对台风灾害不确定性的恐慌，同时可以让公众及早地对财产进行转移，减少直接经济损失。

附图说明

图1为本发明台风移动方向预测方法的工作流程图；

图2为台风天鹅(201515)的路径图；

图3为台风天鹅背景流尺度与台风尺度之间的的动能正则传输图；

图4为台风西马仑(200620)的路径图；

图5为台风西马仑背景流尺度与台风尺度之间的的动能正则传输图；

图6为极坐标网格示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明是一种简捷的台风移动方向预测方法，能够在不依托数值模拟的情况下快速估算6-12小时内台风的移动方向。如图1的流程所示，假定t0时刻在西北太平洋上存在一例台风，具体实施方案如下：

第一步，获取t0时刻前128天内格点化的等压面(从1000hpa到100hpa间隔50hpa，共计19层)上的三维风场(v＝(u,v,ω))；

第二步，对步骤1中的物理量预处理，使其时间间隔等距并且总时次为2的整数次幂；

第三步，利用liangandanderson(2007)提出的多尺度子空间变换(mwt)，将物理量分解到1天以下的对流扰动尺度，1-32天的台风尺度和32天以上的低频背景流尺度子空间中。本方法采用的这种尺度分离方法，在对数据进行尺度分离的同时也保证了局地能量的守恒。下面，对mwt与该方法所提及的符号做简要说明。在进行mwt变换时，首先确定按时间尺度将序列分为几个子空间，即背景流尺度子空间、台风尺度子空间和对流扰动尺度子空间，以及它们的上下界。在mwt工具包中该上下界由j0，j1，j2标定。如一天4个时次，那么物理量的时间序列有29个时次，对应的对流扰动尺度/台风尺度子空间上/下界为22，台风尺度/背景环流尺度子空间上/下界为27。那么：

即可解出j0＝3，j1＝8，j2＝9。确定了尺度子空间的上下界后，该工具包可得到mwt变换系数，这也是步骤4将用到的部分。以温度(t)为例，mwt作用于其序列后产生以下六个量：

t～0(t)、t～1(t)、t～2(t)

其中上面三个为三个子空间的重构场，即如传统滤波后得到的低频滤波、带频滤波、高频滤波场；下面三个系数和分别对应这上面的变换系数，其中表示对某一变量表示在第n时次(采样空间的n步)、在子空间(即包含某一特定尺度范围的函数子空间)上进行的mwt变换，分别表示背景流尺度、台风尺度和对流扰动尺度子空间。

第四步，利用liang(2016)提出的基于mwt框架下能量的正则传输公式，定量计算环境与台风之间的动能的正则传输：

对于子空间其动能的跨尺度传输为：

其中，a为地球半径，为球坐标系下经度、纬度和压力方向的坐标，下标n表示时间序列第n个时次，为mwt工具生成的对应子空间的变换系数。对于台风尺度子空间其动能的正则传输是背景环流、对流扰动、台风尺度自身对台风尺度的动能跨尺度传输以及背景环流和对流扰动共同对台风尺度的动能跨尺度传输的线性叠加。本方法所用到的背景环流对台风尺度的动能跨尺度传输计算时，上式中单个物理量a在第n个时次的mwt变换系数为两个物理量(a和b)乘积的mwt变换系数只需要选取包含背景尺度和台风尺度的部分，即：

第五步，截取t0时刻台风中心7度以内的并对其做垂向平均；

第六步，计算台风中心偶极子的方向(由正向负)，

即为快速估计的台风未来6-12小时的移动方向。寻找偶极子的方向的方法有很多，本方法所列的实例所采用的只是其中一种：

1、将台风由内而外，分为7环，每环间隔一度；再以正东为0度，从台风中心等角度射出12条射线，每个环(包括台风中心)与射线的交点构成一个点(如图6)，将经纬度下的插值到这样8×12的矩阵r中；

2、对矩阵r计算加权平均，得到同方位角平均的记为r：

3、将序列r拓展100个周期，得到rr，使得：

rrj+12m＝rj，m＝0，...，99.

4、对rr做傅里叶变换(如matlab中的快速傅里叶变换)，找到第101个复数值(对应1个r的周期)，(利用matlab中angle函数)计算其对应位相φ，等同于未来6-12小时台风的移动方向角(其中-90°/0°/90°/180°(-180°)分别对应着正南/东/北/西方向)。

以2015年15号台风天鹅为例，8月21日12时，天鹅到达中国台湾以东洋面，收集自2015年4月15日18时起至8月21日12时(一日4次，共计512个时次)的100至1000hpa(间隔50hpa)的西北太平洋上的三维风场。令j0，j1，j2分别为3、8和9，将其与三维风场代入mwt中，从而将三维风场分解到1天以下的对流扰动尺度子空间，1-32天的台风尺度子空间和32天以上的低频背景流尺度子空间中并利用公式(1)计算出(如图3所示)。图3中，“天鹅”北部为负，南部为正，大体已经能判断台风接下来将向北移动。进一步按照步骤6的方法，计算出φ＝95.2°，即接下来“天鹅”将向北移动。

同样地，在2006年11月2日0时，预报未来12小时，台风西马仑的移动方向。收集2006年6月27日6时起至11月2日0时(一日4次，共计512个时次)的三维风场。与在“天鹅”的一样，计算“西马仑”的图5中，“西马仑”西南(负)和东北(正)侧存在一对的偶极子，计算出φ＝-115.4°，即西马仑将向西南移动。

图6为极坐标网格示意图，深色/浅色阴影处分别为正/负的背景流尺度向台风尺度的动能正则传输。