CN101933448A - 一种制作热带气旋风带的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种制作热带气旋风带的方法，该方法包括：获取一场热带气旋事件中的多个已知风圈的时间、风力等级和风圈边界地理坐标的数据，椭圆拟合每个风圈的边界形成拟合椭圆化风圈，按确定的时间间隔对同一风力等级的拟合椭圆化风圈进行插值得到多个关于时间密集的插值风圈，对同一风力等级的多个拟合椭圆化风圈和多个插值风圈形成包络，所得到包络线包围的区域为经历该风力等级的风带，通过叠加各风力等级的风带形成该场热带气旋事件的热带气旋风带。

Description

一种制作热带气旋风带的方法

技术领域

本发明涉及热带气旋整体强度的评价和影响范围评估。更具体地，涉及一种热带气旋风带的制作方法。

背景技术

根据我国颁发的《热带气旋等级国家标准(GB/T 19201-2006)》中定义，热带气旋是指生成于热带或副热带洋面上，具有组织的对流和确定的气旋性环流的非锋面性涡旋的统称，包括热带低压、热带风暴、强热带风暴、台风、强台风和超强台风。该国家标准同时定义了风力等级是根据风对地面或海面物体影响程度而定出的等级，用来估计风速的大小。在该国家标准的各热带气旋等级中，热带低压的底层中心附近最大平均风速达到10.8m/s～17.1m/s(风力6～7级)，热带风暴达到17.2m/s～24.4m/s(风力8～9级)，强热带风暴达到24.5m/s～32.6m/s(风力10～11级)，台风达到32.7m/s～41.4m/s(风力12～13级)，强台风达到41.5m/s～50.9m/s(风力14～15级)，超强台风达到或大于51.0m/s(风力16级或以上)。根据习惯，由热带气旋引发的灾害通常称为台风灾害。

我国濒临西北太平洋及南海，是受台风灾害严重影响的几个主要国家之一。我国沿海甚至一些内陆地区都受到台风灾害的巨大影响。台风灾害具有发生频率高、影响范围广、突发性强、破坏力大以及成灾面积广等诸多特点。台风灾害致灾因子主要有大风、暴雨及风暴潮等，同时可能诱发洪水、滑坡、泥石流等次生灾害。全球每年约发生台风80-90次，而西北太平洋是全球范围内台风活动最频繁、强度最大的区域，约占全球台风比例的36％。中国位于太平洋西岸，受台风灾害影响十分严重。根据中国气象局1949-2006年热带气旋观测记录，西北太平洋和我国南海平均每年生成热带气旋34个，平均每年约有7.7次台风登陆。频繁的台风灾害严重威胁着我国东南沿海地区人民的生命和财产安全，据1985-2002年中国台风灾害损失资料，中国因台风灾害平均每年造成483人死亡，倒塌房屋49万间，直接经济损失347亿元。

中国气象局公开出版的《热带气旋年鉴》，记录了热带气旋最佳路径以及大风区域演变图。《大风区域演变图》是指一次热带气旋过程中逐日的风区演变。大风区域演变图一般记录了被标号的热带气旋在世界协调时00、06、12、18时的四次定位；以及分别以不同的显示格式示出的6级风区，8级风区和10级风区。在大风区域演变图中一般只记载了08时风区，只在08时风区分析不出，才记录其他时间的风区。本文中将由一场热带气旋整个生命史中的某一观测时刻观测得到的风力等值线包围的区域称为风圈，风力等值线为风圈的边界。针对大风区域演变图而言，图中所示风区边界线即为风力等值线，风区边界线所包围的区域即为一风圈。每个风圈及对风圈的标注记载了该风圈的观测时间，风力等级，以及风区的地理位置等数据。由上所述可知，大风区域演变图中以热带气旋路径和风圈形式记载的数据均为瞬时数据，且以风圈形式记录的数据的时间间隔不均匀。这种瞬时的断续的数据对于量化一场热带气旋事件的致灾能力和评估该热带气旋事件的影响区域都具有一定的困难。为了解决这个难题，有必要对整场热带气旋时间中由连续的大风形成的风带进行计算和制作。

热带气旋风带是指按照风力等级对经历一场热带气旋事件的地域进行划分而得到的带状区域。某一风力等级的风带在该场热带气旋事件中经历了该风力等级及该风力等级以上的大风。风带可用于一场热带气旋事件影响范围的确定，进而进行灾情综合研判；可以用于对描述一场热带气旋事件的物理量，诸如最大持续风速、累积动能、ACE指数等进行辅助计算，进而可以研究热带气旋的气候规律、比较两场或两场以上热带气旋事件之间的差别、研究热带气旋与其他气候事件，如：季风的爆发和推进、厄尔尼诺、拉尼娜等，或者气象要素，如：海表温度、水汽输送量等之间的关系；可以用于政府部门或保险行业对热带气旋主要的影响地区进行台风风险评价。

目前，已有研究根据雷达数据分析或台风动力学数值模拟可以得到分析风场，但对热带气旋风带的计算还没有较为成熟的方法。魏应植等在《应用气象学报》2007年6月第18卷3期第285至294页《多普勒雷达探测“艾利”台风风场不对称结构》一文中提到，通过多普勒雷达这种高时空分辨率的观测资料来分析研究近海登陆台风是一种有效和重要的途径。此种方法仅适合个别热带气旋瞬时风场的研究。由于对雷达测风存在两个问题：一方面受雷达应用时间的限制，不能获取足够时间长度的历史热带气旋风场数据；另一方面于受测风雷达分布限制，所获得的热带气旋影像不具有时间上的连续性，所以，这种方法只能对部分近海或陆地上的若干单个热带气旋影像进行分析，而无法得到整场热带气旋的连续风带。Mark D.Powell等在发表于Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，77&78(1998)第53至64页的The HRD real-time hurricane wind analysis system中提到利用数值预报结果，通过统计方法得到主要应用于强度和路径的实时预报的风场分析产品。此种方法虽然可以基于数值模拟或近实时风场分析系统得到的栅格数据进行风场分析，但不能利用热带气旋事件中时间上不连续的风力等值线等数据制作得到热带气旋事件的热带气旋风带。

因此，需要提供一种既可以利用历史资料也可以利用瞬时监测数据制作热带气旋风带的方法。

发明内容

本发明提供一种制作热带气旋风带的方法，该方法包括：

获取一场热带气旋事件中的多个已知风圈的时间、风力等级和风圈边界地理坐标的数据，

椭圆拟合每个风圈的边界形成拟合椭圆化风圈，

按确定的时间间隔对同一风力等级的拟合椭圆化风圈进行插值得到多个关于时间密集的插值风圈，

对同一风力等级的多个拟合椭圆化风圈和多个插值风圈形成包络，所得到包络线包围的区域为经历该风力等级的风带，

通过叠加各风力等级的风带形成该场热带气旋事件的热带气旋风带。

优选地，按确定的时间间隔对同一风力等级的拟合椭圆化风圈进行插值是按确定的时间间隔对拟合椭圆化风圈的长轴、短轴、长轴方位角以及拟合椭圆化风圈的中心进行线性插值得到插值的椭圆化风圈。

优选地，按确定的时间间隔对同一风力等级的拟合椭圆化风圈进行插值是按已知的热带气旋路径点的时间点对椭圆化风圈的长轴、短轴、长轴方位角进行插值得到插值椭圆，并按各路径点的坐标对相应的插值椭圆的中心进行定位得到插值的椭圆化风圈。

优选地，当确定的时间间隔小于已知的热带气旋路径点的时间间隔时，先以该确定的时间间隔对所述已知路径点进行插值，获得插值路径点的坐标，然后按各路径点所对应的时间点对椭圆化风圈的长轴、短轴、长轴方位角进行插值并按已知和所得到的路径点的坐标对相应的插值椭圆的中心进行定位，得到插值的椭圆化风圈。

优选地，根据本发明的方法进一步包括确定热带气旋路径上每个已知风圈的时间点的路径点坐标，并按已知风圈时间点的路径点坐标对相应的拟合椭圆化风圈的中心重新定位，得到沿热带气旋路径的拟合椭圆化风圈。

优选地，以该确定的时间间隔对所述已知路径点进行插值是采用非线性插值对各路径点进行插值获得插值路径点的坐标。

优选地，上述非线性插值是样条插值。

优选地，按确定的时间间隔对同一风力等级的椭圆化风圈进行插值是采用线性插值对椭圆化风圈的长轴、短轴、长轴方位角进行插值。

优选地，所述获取一场热带气旋事件中的多个已知风圈的数据包括对大风区域演变图进行数字化以提取包括各已知风圈的时间、风力等级、风圈边界地理坐标以及各路径点的时间和坐标的数据。

本发明进一步提供一种包括采用如上所述的制作热带气旋风带的方法制作的热带气旋风带产品。

本发明提供了一种基于瞬时大风区域制作热带气旋风带的方法。根据本发明的方法，可基于大风区域演变图中形状不规则的风圈和由于观测时刻离散获得的时间上不连续的风力等值线数据，获得热带气旋事件中接近实际大风影响范围的热带气旋风带。

根据本发明的制作热带气旋风带的方法制作得到的风带或包括风带的产品既可以利用热带气旋大风区域演变图提供的历史资料制作风带来模拟历史热带气旋事件的大风影响范围，用于历史台风的研究和比较；又可以利用各种实时分析或预报得到风力等值线数据，制作热带气旋的近实时风带或预报风带。

根据本发明的制作热带气旋风带的方法，可通过对反映瞬时历史实况的纸质图形数据进行扫描和数字化，得到用于制作风带的风圈边界点数据；也可利用目前各种数值形式的风圈数据制作热带气旋风带。

附图说明

图1示出根据本发明的制作热带气旋风带的方法的流程图。

图2示出本发明实施例1的热带气旋大风区域演变图。

图3示出图2所示大风区域演变图的数字化风圈。

图4示出图2所示大风区域演变图中第5号风圈的椭圆拟合示意图。

图5示出根据本发明一个实例的拟合椭圆风圈及插值椭圆风圈。

图6示出根据本发明另一个实例的拟合椭圆风圈及插值椭圆风圈。

图7示出根据本发明再一个实例的拟合椭圆风圈及插值椭圆风圈。

图8示出图6的椭圆风圈的包络线图。

图9示出由图6得到的根据本发明实施例1的6级风力的热带气旋风带。

图10示出根据本发明实施例1制作的热带气旋风带。

图11示出本发明实施例2的热带气旋大风区域演变图。

图12示出图11所示大风区域演变图的数字化风圈。

图13A和13B分别示出实施例2的6级风力和8级风力的拟合椭圆风圈及插值椭圆风圈。

图14A和14B分别示出实施例2的6级风力和8级风力的椭圆风圈包络线。

图15示出根据本发明实施例2制作的热带气旋风带。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合实施案例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

图1示出了根据本发明的制作热带气旋风带的方法流程图。本发明的制作热带气旋风带的方法包括以下步骤：

步骤101：获取一场热带气旋事件中的多个已知风圈中每个风圈的时间、风力等级和风圈边界地理位置的数据。

不同历史时期的热带气旋事件的关于大风的数据是以不同的数据形式记录的。对于以纸质形式记录的热带气旋事件的大风区域演变图，首先需要对演变图进行数字化，提取用于制作热带气旋风带的所需要的数据。以数字形式记录的关于热带气旋大风风圈的各种数据，包括观测时间，风力等级，风力等值线的地理位置等，可直接用于按照本发明的方法制作热带气旋风带。

步骤102：椭圆拟合每个已知风圈形成椭圆化风圈，也称拟合椭圆风圈或椭圆风圈。

台风风场具有不对称性是一件不争的事实。早在1979年，由陈联寿等编著、由科学出版社出版的《西太平洋台风概论》中就有通过测量风圈的长轴和短轴长度来研究热带气旋规律的描述。但该著作中没有对所提及的长轴和短轴作出明确定义，也未提到获取风圈长轴和短轴的方法。因此，本领域技术人员无法得知什么是和如何测量通常为不规则形状的风圈的长轴和短轴。2003年，Wang Xiuqin等在《Jounal of Ocean University of China》2004年第3卷第33-39页上发表的《An Ellipse Wind Field Model of Typhoons》中指出，椭圆风场较圆形风场能够更真实的描述台风风场，但没有描述如何由已知真实风场转化为椭圆风场。

本发明利用椭圆拟合技术将实际风圈拟合成椭圆风圈。将各种不规则形状的风圈用椭圆化风圈进行描述可以利用规则的形状较好地反映热带气旋风场基本特征，例如，长轴-短轴-方位角。另一方面，通过对具有同一风力等级的一组椭圆化风圈形成包络线来制作该风力等级的热带气旋风带，可以提高制作的风带的精确度。

步骤103：按照确定的时间间隔对同一风力等级的椭圆风圈进行插值得到多个关于时间密集的插值风圈。

例如，就大风区域演变图中所记载的数据而言，热带气旋中心路径点的记录一般为每日4次，风圈的记录一般为每日1次。如果通过对这样的具有很长的时间间隔的风圈形成包络线来制作风带，获得的结果必然距实际经历热带气旋大风的区域有很大的差距。根据本发明的方法，通过对同一风力等级的风圈进行插值获得关于时间紧密的插值风圈，可以大大改善通过对椭圆风圈形成包络线获得的风带的精度。

由于热带气旋路径较风圈时间精度更高，携带更多的热带气旋的移动速度、移动方向信息，而热带气旋路径点与风圈中心的距离相对于风圈尺度而言较小，通过路径点近似定位热带气旋风圈的位置，能够得到更为真实、平滑的热带气旋风带。基于这样的认识，可以确定热带气旋路径上每个已知风圈的时间点的路径点坐标，并按已知风圈时间点的路径点坐标对相应的拟合椭圆化风圈的中心重新定位，得到沿热带气旋路径的拟合椭圆化风圈。

按确定的时间间隔对同一风力等级的椭圆化风圈进行插值是按已知的热带气旋路径点的时间点对椭圆化风圈的长轴、短轴、长轴方位角进行线性插值并按各路径点的坐标对相应的插值椭圆的中心进行定位得到插值的椭圆化风圈。

当确定的时间间隔小于已知的热带气旋路径点的时间间隔时，先以该确定的时间间隔对所述已知路径点进行插值，获得插值路径点的坐标，按插值路径点的时间点对椭圆化风圈的长轴、短轴、长轴方位角进行线性插值并按已知和所得到的路径点的坐标对相应的插值椭圆的中心进行定位，得到插值的椭圆化风圈。

步骤104：对同一风力等级的所述多个椭圆风圈和所述多个插值风圈形成包络，由所得到的包络线包围的区域为经历该风力等级的大风的热带气旋风带。

步骤105：通过叠加各强度的风带形成整场热带气旋的风带。

实施例1

下文将以我国《热带气旋年鉴》中示出的1949年33号热带气旋事件的大风区域演变图为例详细描述根据本发明的制作热带气旋风带的方法。

步骤1：获取该场热带气旋事件的中心路径点和风圈属性数据。

我国《热带气旋年鉴》大风区域演变图中记载的一个热带气旋事件包括一条由多个时间间隔通常为6小时的热带气旋中心路径点连接而成的线状路径和多个不等时间间隔的表示某一风力等级的风区的环状图形共同描述，其中，每一个环状图形即一个风圈的边界。

首先，对纸质的该大风区域演变图进行扫描、校正，得到存储于计算机的图片，如图2所示。

其次，经过配准，使图片获得地理投影信息，以便用经纬度描述大风区域演变图上各点的坐标。

然后，对大风区域演变图中的每一个风圈进行数字化，如图3所示。举例来说，在已知地理信息系统软件中，对每一个风圈沿其边界取点，建立一个多边形，并将该风圈观测时间、风力等级等属性数据记录在该多边形的属性表中，如表1A所示。表1B记录了该场热带气旋事件的各路径点的测量时间以及坐标数据。例如，本实施例中的风圈5将由一组具有表示风圈边界地理位置的经纬度信息的点组成的多边形，如图3中的点所定义的多边形，和记录在属性表如表1中关于风圈5的信息来描述。需要说明的是，在《热带气旋年鉴》中，仅涉及6级、8级、10级三种风力等级。

表1A 1949年33号热带气旋风圈属性表

注：时间已转换为世界时，与图上时间相差8小时。

表1B 1949年33号热带气旋路径属性表

注：时间已转换为世界时，与图上时间相差8小时。

步骤2：将表示风圈的多边形拟合为椭圆风圈。

可以利用各种曲线拟合方法对由步骤1得到的数字化的风圈进行椭圆拟合。例如，在本实施例中，采用带约束的最小二乘法对风圈5进行椭圆拟合。利用步骤1得到的代表风圈5的多边形的若干顶点的坐标，经投影转换，如：以度为单位的地理投影转换为以米为单位的投影，每个顶点得到可以进行数学计算的横纵坐标。利用待定系数法，得到椭圆在平面直角坐标系中的一般方程，继而求得椭圆风圈的各种特征参数，如：长轴半径、短轴半径、中心坐标以及长轴方向，即可得知风圈的中心位置、最长距离、最短距离、以及风圈中心路径的走向。具体实现流程如下：

步骤201，通过投影变换，将风圈每一个边界点的坐标转化为可计算的横纵坐标(x，y)。

步骤202，计算椭圆一般方程(1和2)的系数P＝[a，b，c，d，e，f]，构建椭圆方程。

ax²+bxy+cy²+dx+ey+f＝0                        (1)

I＝4ac-b²＝1                                  (2)

构建椭圆方程包括以下步骤：

步骤A：读入数字化热带气旋的一个风圈，提取构成其顶点的横纵坐标的坐标数组(x_i，y_i)，其中，i＝1，2，3，...，n，n≥5。

步骤B：利用带约束的最小二乘法求椭圆方程中的各系数，由此得到的拟合的椭圆方程。

用带约束的最小二乘法对椭圆方程进行拟合，例如是在约束条件4ac-b²＝1下，求函数的最小值。由此，椭圆方程中的各系数即为当F取最小值时，a，b，c，d，e，f的值。由此得到拟合椭圆的椭圆方程。

其中，x_i，y_i分别为第i个待拟合点的横纵坐标。

步骤203，计算椭圆风圈的特征参数组：椭圆风圈的中心位置坐标(x₀，y₀)、A半轴和B半轴长度A和B、以及A半轴对x坐标轴的偏角θ。该偏角θ例如取逆时针方向为正，例如，若0°＜θ＜90°，表示A轴方向为东偏北θ度；若-90°＜θ＜0°，表示A轴方向为东偏南θ度。

为求得偏角θ，首先假设把坐标轴逆时针转动θ角度，其中(x′，y′)表示点(x，y)在坐标轴变动后的新坐标：

$\left\{\begin{array}{c}x=x^{\′}\cos \mathrm{\θ}-y^{\′}\sin \mathrm{\θ}\\ y=x^{\′}\sin \mathrm{\θ}+y^{\′}\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right.---\left(3\right)$

把(3)代入(1)，设新方程为：

a′x′²+b′x′y′+c′y′²+d′x′+e′y′+f′＝0                            (4)

可得到：

a′＝a cos²θ+b cosθsinθ+c sin²θ                    (5)

$b^{\′}=\frac{(c-a)}{2}\sin 2\mathrm{\θ}+b\cos 2\mathrm{\θ}---\left(6\right)$

c′＝a sin²θ-b cosθsinθ+b cos²θ                    (7)

d′＝d cosθ+e sinθ                                   (8)

e′＝-d sinθ+e cosθ                                  (9)

f′＝f                                                 (10)

其中，

为了让x′y′项的系数为0，需令

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}\arctan \left(\frac{b}{a-c}\right)---\left(11\right)$

由此计算得到的椭圆风圈的偏角θ。

步骤204：把此偏角θ代入公式(5)至(10)算出坐标轴旋转后的椭圆方程系数a′，b′＝0，c′，d′，e′，f′。

步骤205：由步骤204得到的系数按公式(12)求得A和B，以及坐标轴旋转后的椭圆中心坐标(x₀′，y₀′)：

$A=\sqrt{-\frac{f^{\′}-\frac{d^{\′2}}{4a^{\′}}-\frac{e^{\′2}}{4c^{\′}}}{a^{\′}}},$ $B=\sqrt{-\frac{f^{\′}-\frac{d^{\′2}}{{4a}^{\′}}-\frac{e^{\′2}}{{4c}^{\′}}}{c^{\′}}},$ ${x_0}^{\′}=-\frac{d^{\′}}{{2a}^{\′}},$ ${y_0}^{\′}=-\frac{e^{\′}}{{2c}^{\′}}---\left(12\right)$

步骤206：把(x₀′，y₀′)代入公式(3)求得原椭圆中心坐标(x₀，y₀)，即得到风圈中心横纵坐标。

图4示出了采用上述步骤对风圈5进行椭圆拟合得到的椭圆风圈。该椭圆风圈的风圈影响区域的最长距离为335.374km，最短距离为198.327km，影响区域的中心位置为120.209°E，18.838°N，影响区的走向为东偏北54.12°。

步骤3：对同一强度的一系列风圈进行插值得到插值的椭圆化风圈，也称插值风圈。

为制作热带气旋风带，需要对这些不等时间间隔的已知椭圆风圈进行插值，以获得具有相等时间间隔的插值风圈。

现在已经得到各观测时刻拟合椭圆风圈的椭圆参数。但如表1所示，对于该热带气旋事件的6级风力而言，风圈1和风圈2，风圈4和风圈5，风圈6和风圈7之间的时间间隔分别为24小时，而风圈2和风圈4之间的时间间隔为66小时，风圈5和风圈6之间的时间间隔为18小时。为了获得具有相同时间间隔的风圈和改善步骤4中生成的热带气旋风带的光滑性和精确性，通过例如线性插值的插值技术可以得到关于时间更密集的椭圆风圈，例如时间间隔为6小时的椭圆风圈。由此，可以得到任意时间点的插值椭圆风圈的各特征参数，包括长轴半径、短轴半径、长轴的方向、椭圆风圈的中心位置等，从而模拟该相应时间点的热带气旋大风区域。

优选地，可以根据大风区域演变图中热带气旋中心路径的各已知路径点对应的时间点对椭圆风圈的各特征参数，例如长轴、短轴、长轴方位角进行插值，而不对椭圆风圈的中心位置进行插值得到插值椭圆。通过根据热带气旋中心路径点的坐标对所得到的插值椭圆的中心进行定位，可以模拟得到每个已知热带气旋中心路径点所对应时刻的插值椭圆风圈。

更优选地，如果所选择的时间精度小于路径点的时间间隔，可以首先利用插值技术，诸如非线性插值技术，优选样条插值技术，以确定的时间间隔对热带气旋中心位置进行插值以获得关于时间密集的、路径光滑的插值路径点。然后对拟合椭圆风圈中除椭圆风圈中心位置之外的其他特征参数进行插值，例如线性插值得到插值椭圆，并根据上述插值得到的插值路径点对插值椭圆进行定位模拟得到对应确定的时间点的风圈，即该时间点的大风影响区域。

对拟合的椭圆风圈进行插值包括以下步骤：

步骤301：按观测时间先后对椭圆风圈进行排序。

步骤302：设置需要的插值时间间隔，并确定各已知椭圆风圈的观测时刻在目标插值椭圆时间序列中的位置。

例如，对于表1所示的各6级风圈的时刻，目标插值实现序列为1949-12-7-12:00至1949-12-14-0:00。若目标插值的时间间隔为6小时，则各已知风圈在目标插值椭圆时间序列中的位置分别为0，4，15，19，22，26；若目标插值的时间精度为1小时，则各已知风圈在目标插值椭圆时间序列中的位置分别为0，24，90，114，132，156。

步骤303：将椭圆特征各参数，中心横坐标x₀、中心纵坐标y₀、A半轴长A、B半轴长B和A半轴倾角θ，分别看作关于时间连续变化的函数，插值到目标位置。

根据本发明一个实例，对图2所示大风区域演变图中6级风圈进行椭圆拟合后以时间间隔为6小时进行线性插值得到的插值结果如图5所示。

根据本发明另一实例，可以沿热带气旋路径重新定位拟合风圈并形成插值风圈。首先，确定热带气旋路径上每个已知风圈的时间点的路径点坐标，并按已知风圈时间点的路径点坐标对相应的拟合椭圆化风圈的中心重新定位，得到沿热带气旋路径的拟合椭圆化风圈。然后，根据大风区域演变图中已知的热带气旋中心路径的各路径点的时间点对拟合椭圆风圈的各特征参数，例如长轴、短轴、长轴方位角进行例如线性插值，而不对椭圆风圈的中心位置进行插值，得到插值椭圆。再次，根据已知热带气旋中心路径点的坐标对所得到的相应插值椭圆进行定位得到插值风圈。由此，可以模拟每个路径点对应时刻大风的影响区域。图6示出对图2所示6级风圈沿路径点进行定位和插值得到的一系列椭圆风圈图。

对于上述实施例，如果所选择的时间精度小于已知路径点的时间间隔，可以首先利用诸如样条插值的非线性插值技术，将热带气旋中心位置插值到所需精度。对拟合椭圆风圈中除椭圆风圈中心位置之外的特征参数进行例如线性插值，并根据插值得到的热带气旋中心位置对相应的插值椭圆进行定位。图7示出对图2所示6级风圈以时间精度为1小时对路径点进行插值得到的一系列椭圆风圈图。

步骤4：生成不同风力等级的风带。

经过以上步骤，得到每一种风力等级下具有一定时间精度的离散椭圆风圈的特征参数。利用这些参数，分别生成每一风力等级下的风带。具体步骤如下：

步骤401：利用椭圆参数方程(13)对椭圆边界进行采样，得到近似椭圆的多边形顶点，称为样本椭圆。

$\{\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}A\cos t\\ B\sin t\end{array}\right]---\left(13\right)$

其中t∈[0，2π]，为参数方程的自由变量，用于确定所选顶点的坐标(x，y)。

步骤402：对每两个时间顺序上相邻的样本椭圆作凸包。

所谓平面某点集的凸包，指的是包含该点集的最小凸集即其内任意两点连线也在其内的集合。例如，可以采用在计算机图形学中已知的求有限个坐标点凸包的算法，诸如：Day A.M.Planar convex hull algorithms in theory and practice[J].Computer Graphics Forum，1998，7：177-193页中所公开的算法。本领域技术人员已知，求得两个椭圆的凸包就相当于求得它们的公切线。

步骤403：将上述同一风力等级风圈的所有凸包合并，则得到了的该风力等级的风带，如图8所示。合并凸包，就是基于多边形顶点操作将相交的不同多边形合并为一个多边形，例如，采用计算机图形中的“polygon clipping”技术。所采用的算法，例如Andreev R.D.Algorithm for clipping arbitrary polygons.Comput.Graph.Forum8(1989)，183-191页中所描述的算法。最后得到表征该场热带气旋事件中6级风风带，如图9所示。

步骤404：对所得的不同风力等级的风带进行叠加，对重叠部分取影响该区域的最大风力等级，于是得到该场热带气旋事件的热带气旋风带。

在本实施例中，8级风力仅存在一个风圈，表中1风圈3。因此可将该单一风圈视为8级风力的风带。将该8级风力风带与图9所示6级风力的风带相叠加得到图2所示热带气旋事件的热带气旋风带，如图10所示。

实施例2

下文将以我国《热带气旋年鉴》中示出的1949年第17号热带气旋事件的大风区域演变图，如图11所示，为例描述根据本发明的制作热带气旋风带的方法。

图12示出了该场热带气旋事件的大风区域演变图的数字化风圈，表2示出从数字化大风区域演变图得到的包括不同风力等级的风圈和各路径点的属性表。

表2A 1949年17号热带气旋风圈属性表

表2B 1949年17号热带气旋路径属性表

如实施例所述，分别对6级风力的风圈和8级风力的风圈进行椭圆拟合，对拟合的椭圆风圈插值得到插值椭圆，如图13A和13B所示，对所形成的椭圆风圈形成包络线，得到分别如图14A和图14B所示的6级风力风带和8级风力风带。

将6级风力风带和8级风力风带进行叠加，得到该场热带气旋事件的热带气旋风带，如图15所示。

以上借助本发明的优选实施例对本发明进行了说明。应当理解，本领域技术人员在阅读本发明公开内容的基础上，可以在不偏离本发明的精神和范围的对本发明进行修改和变型。本发明的保护范围仅由随附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种制作热带气旋风带的方法，其特征在于，该方法包括：

获取一场热带气旋事件中的多个已知风圈的时间、风力等级和风圈边界地理坐标的数据，

椭圆拟合每个风圈的边界形成拟合椭圆化风圈，

按确定的时间间隔对同一风力等级的拟合椭圆化风圈进行插值得到多个关于时间密集的插值风圈，

对同一风力等级的多个拟合椭圆化风圈和多个插值风圈形成包络，所得到包络线包围的区域为经历该风力等级的风带，

通过叠加各风力等级的风带形成该场热带气旋事件的热带气旋风带。

2.根据权利要求1所述的制作热带气旋风带的方法，其中按确定的时间间隔对同一风力等级的拟合椭圆化风圈进行插值是按确定的时间间隔对拟合椭圆化风圈的长轴、短轴、长轴方位角以及拟合椭圆化风圈的中心进行线性插值得到插值的椭圆化风圈。

3.根据权利要求1所述的制作热带气旋风带的方法，其中按确定的时间间隔对同一风力等级的拟合椭圆化风圈进行插值是按已知的热带气旋路径点的时间点对椭圆化风圈的长轴、短轴、长轴方位角进行插值得到插值椭圆，并按各路径点的坐标对相应的插值椭圆的中心进行定位得到插值的椭圆化风圈。

4.根据权利要求1所述的制作热带气旋风带的方法，其中当确定的时间间隔小于已知的热带气旋路径点的时间间隔时，先以该确定的时间间隔对所述已知路径点进行插值，获得插值路径点的坐标，然后按已知和所得到的各路径点所对应的时间点对椭圆化风圈的长轴、短轴、长轴方位角进行插值并按已知和所得到的路径点的坐标对相应的插值椭圆的中心进行定位，得到插值的椭圆化风圈。

5.根据权利要求3或4所述的制作热带气旋风带的方法，进一步包括确定热带气旋路径上每个已知风圈的时间点的路径点坐标，并按已知风圈时间点的路径点坐标对相应的拟合椭圆化风圈的中心进行重新定位，得到沿热带气旋路径的拟合椭圆化风圈。

6.根据权利要求4所述的制作热带气旋风带的方法，其中以该确定的时间间隔对所述已知路径点进行插值是采用非线性插值对各路径点进行插值获得插值路径点的坐标。

7.根据权利要求6所述的制作热带气旋风带的方法，其中所述非线性插值是样条插值。

8.根据权利要求1所述的制作热带气旋风带的方法，其中按确定的时间间隔对同一风力等级的椭圆化风圈进行插值是采用线性插值对椭圆化风圈的长轴、短轴、长轴方位角进行插值。

9.根据权利要求1所述的制作热带气旋风带的方法，其中所述获取一场热带气旋事件中的多个已知风圈的数据包括对大风区域演变图进行数字化以提取包括各已知风圈的时间、风力等级、风圈边界地理坐标以及各路径点的时间和坐标的数据。

10.一种包括采用根据权利要求1所述的制作热带气旋风带的方法制作的热带气旋风带产品。

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