CN112287046A - 一种台风风圈内地表平均粗糙度系数的确定方法及系统 - Google Patents

一种台风风圈内地表平均粗糙度系数的确定方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种台风风圈内地表平均粗糙度系数的确定方法，包括：基于台风登陆点及后续移动路径扫掠过的经纬度范围内数字高程模型数据库给出的地表高程数据文件提取台风风圈内地表高程数据；基于所述台风风圈内地表高程数据和地表粗糙度计算公式计算地表粗糙度；基于所述地表粗糙度和地表平均粗糙度计算公式计算地表平均粗糙度系数。解决了对于台风与地表粗糙度之间如何进行量化分析尚未建立指标参数的问题。建立一种台风风圈内地表粗糙度的评价指标，以便于后续评价地表粗糙度对台风风速衰减的影响。

Description

一种台风风圈内地表平均粗糙度系数的确定方法及系统
技术领域
本发明涉及数据处理技术领域，具体涉及一种台风风圈内地表平均粗糙度系数的确定方法。
背景技术
当前针对台风风场的研究，还是以气象部门开展的研究为主，主要通过气象卫星对不同高度处的台风风场进行观测。但是，受观测手段和观测距离的影响，越是靠近地球表面，观测风场受到地表粗糙度的影响越大，观测误差也就越大。因此，不能仅仅凭借气象部门发布的台风中心最大风速去对地表风速一而代之，尤其是对一般离地高度不超过100m的输电铁塔，尤其应当开展地表下垫面粗糙度对台风近地风场的影响。目前，缺少台风与地表粗糙度之间进行量化分析的指标参数。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供一种台风风圈内地表平均粗糙度系数的确定方法，包括：
基于台风登陆点及后续移动路径扫掠过的经纬度范围内数字高程模型数据库给出的地表高程数据文件提取台风风圈内地表高程数据；
基于所述台风风圈内地表高程数据和地表粗糙度计算公式计算地表粗糙度；
基于所述地表粗糙度和地表平均粗糙度计算公式计算地表平均粗糙度系数。
优选的，所述基于台风登陆点及后续移动路径扫掠过的经纬度范围数字高程模型数据库给出的地表高程数据文件提取台风风圈内地表高程数据包括：
获取台风登陆点及后续移动路径扫掠过的经纬度范围内数字高程模型数据库中给出的地表高程数据文件；
将所述地表高程数据文件中的地表高程数据导入ArcGis软件中，依据气象部门提供的以台风中心点为圆心，在各种风速半径下，对台风风圈影响范围进行绘制；
基于ArcGis软件提供的掩面提取功能，提取所述台风风圈影响范围内的地表高程数据。
优选的，所述基于所述台风风圈内地表高程数据计算地表粗糙度包括；
基于ArcGis软件中的地表高程坡度计算功能计算地表网格坡度值；
基于所述地表网格坡度值和所述地标粗糙度计算公式计算地表粗糙度。
优选的，所述基于所述地表网格坡度值和所述地标粗糙度计算公式计算地表粗糙度是使用ArcGis软件中提供的地图代数计算模块计算。
优选的，所述地表粗糙度计算公式如下式所示：
Figure BDA0002686593990000021
式中：Slopi为第i个地形网格的坡度值。
优选的，所述基于所述地表粗糙度和地表平均粗糙度计算公式计算地表平均粗糙度系数，包括：
计算各网格单元的地表粗糙度的累加值；
基于所述累加值计算累加值在整个台风风圈面积内的平均值确定地表平均粗糙度系数。
优选的，所述地表平均粗糙度计算公式如下式所示：
Figure BDA0002686593990000022
式中：A为整个台风风圈面积。
一种台风风圈内地表平均粗糙度系数的确定系统，包括：地表高程数据提取模块，地表粗糙度计算模块和平均粗糙度系数确定模块；
所述地表高程数据提取模块，基于台风登陆点及后续移动路径扫掠过的经纬度范围内数字高程模型数据库给出的地表高程数据文件提取台风风圈内地表高程数据；
所述地表粗糙度计算模块,基于所述台风风圈内地表高程数据和地表粗糙度计算公式计算地表粗糙度；
所述平均粗糙度系数确定模块,基于所述地表粗糙度和地表平均粗糙度计算公式计算地表平均粗糙度系数。
优选的，所述地表高程数据提取模块包括：文件获取子模块、台风风圈影响绘制子模块和数据提取子模块；
所述文件获取子模块,用于获取台风登陆点及后续移动路径扫掠过的经纬度范围内，DEM数据库中给出的地表高程数据文件；
所述台风风圈影响绘制子模块,将所述地表高程数据文件中的地表高程数据导入ArcGis软件中，依据气象部门提供的以台风中心点为圆心，在各种风速半径下，对台风风圈影响范围进行绘制；
所述数据提取子模块,借助ArcGis软件中提供的掩面提取功能，提取台风风圈影响范围内的地表高程数据。
优选的，所述地表粗糙度计算模块包括：地形网格坡度值计算子模块、地表粗糙度计算子模块；
所述地形网格坡度值计算子模块,通过借助ArcGis软件中提供的地表高程坡度计算功能计算地表网格坡度值；
所述地表粗糙度计算子模块,基于所述地表网格坡度值和所述地标粗糙度计算公式计算地表粗糙度。
优选的，所述平均粗糙度系数确定模块包括：地表粗糙度累加子模块、平均地表粗糙度计算子模块；
所述地表粗糙度累加子模块，基于各网格的地表粗糙度计算各网格单元的地表粗糙度的累加值；
所述平均地表粗糙度计算子模块，基于所述累加值和整个台风风圈面积结合地表平均粗糙度计算公式计算地表平均粗糙度系数。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
一种台风风圈内地表平均粗糙度系数的确定方法，包括：基于台风登陆点及后续移动路径扫掠过的经纬度范围内数字高程模型数据库给出的地表高程数据文件提取台风风圈内地表高程数据；基于所述台风风圈内地表高程数据和地表粗糙度计算公式计算地表粗糙度；基于所述地表粗糙度和地表平均粗糙度计算公式计算地表平均粗糙度系数。解决了对于台风与地表粗糙度之间如何进行量化分析尚未建立指标参数的问题。建立一种台风风圈内地表粗糙度的评价指标，以便于后续评价地表粗糙度对台风风速衰减的影响。
附图说明
图1为本发明的步骤流程图；
图2为基于DEM数据绘制的城市及沿海形貌图层；
图3为台风中心移动路径图层。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
实施例1：
本发明提供了一种台风风圈内地表平均粗糙度系数的确定方法，如图1所示包括：
步骤1:基于台风登陆点及后续移动路径扫掠过的经纬度范围内数字高程模型数据库给出的地表高程数据文件提取台风风圈内地表高程数据；
步骤2:基于所述台风风圈内地表高程数据和地表粗糙度计算公式计算地表粗糙度；
步骤3:基于所述地表粗糙度和地表平均粗糙度计算公式计算地表平均粗糙度系数。
基于一种台风风圈内地表平均粗糙度系数的确定方法具体包含以下步骤：
所述步骤1:基于台风登陆点及后续移动路径扫掠过的经纬度范围内数字高程模型数据库给出的地表高程数据文件提取台风风圈内地表高程数据具体包括：
(1)获取台风登陆点及后续移动路径扫掠过的经纬度范围内，DEM数据库中给出的地表高程数据文件。
(2)将地表高程数据导入ArcGis软件中，依据气象部门提供的最大风速半径或七级风圈、十级风圈风速半径，以台风中心点为圆心，绘制台风风圈影响范围。
(3)借助ArcGis软件中提供的掩面提取功能，提取台风风圈影响范围内的地表高程数据。
所述步骤2：基于所述台风风圈内地表高程数据和地表粗糙度计算公式计算地表粗糙度具体包括：
(1)借助ArcGis软件中提供的地表高程坡度计算功能，计算得到各地表网格单元的地表坡度。
(2)生成地表坡度图层。
(3)借助ArcGis软件中提供的地图代数计算模块，基于公式1计算地表粗糙度。
(4)生成地表粗糙度图层，并输出*.XYZ格式的文件，存储图层各网格中心经纬度坐标及粗糙度数值。
Figure BDA0002686593990000051
式中：Slopi-第i个地形网格的坡度值
所述步骤3基于所述地表粗糙度和地表平均粗糙度计算公式计算地表平均粗糙度系数具体包括：
定义台风风圈内地表平均粗糙度系数为N个网格粗糙度的累加值，地表平均粗糙度系数即为N个网格粗糙度的累加值在整个台风风圈面积A内的平均值。具体计算公式如式2所示。
Figure BDA0002686593990000052
本专利提出了一种台风风圈内地表平均粗糙度系数的确定方法，建立了台风风圈内地表粗糙度指标，使得后续可以通过研究这一指标，分析随着台风路径的移动，所引发的台风近地风速与地表粗糙度之间的潜在变化规律，进而为界定台风显著影响区和非显著影响区提供量化参数。
其中数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)是地理信息系统数据库中最为重要的空间信息资料和赖以进行地形分析的核心数据系统，国家测绘部门将其作为国家空间数据基础设施建设的重要内容之一。
ArcGIS产品线为用户提供一个可伸缩的，全面的GIS平台。ArcObjects包含了许多的可编程组件，从细粒度的对象(例如单个的几何对象)到粗粒度的对象(例如与现有ArcMap文档交互的地图对象)涉及面极广，这些对象为开发者集成了全面的GIS功能。
实施例2：
基于同一种发明构思，本发明还提供了一种台风风圈内地表平均粗糙度系数的确定系统，包括：地表高程数据提取模块，地表粗糙度计算模块和平均粗糙度系数确定模块；
所述地表高程数据提取模块，基于台风登陆点及后续移动路径扫掠过的经纬度范围内数字高程模型数据库给出的地表高程数据文件提取台风风圈内地表高程数据；
所述地表粗糙度计算模块,基于所述台风风圈内地表高程数据和地表粗糙度计算公式计算地表粗糙度；
所述平均粗糙度系数确定模块,基于所述地表粗糙度和地表平均粗糙度计算公式计算地表平均粗糙度系数。
优选的，所述地表高程数据提取模块包括：文件获取子模块、台风风圈影响绘制子模块和数据提取子模块；
所述文件获取子模块,用于获取台风登陆点及后续移动路径扫掠过的经纬度范围内，数字高程模型数据库中给出的地表高程数据文件；
所述台风风圈影响绘制子模块,将所述地表高程数据文件中的地表高程数据导入ArcGis软件中，依据气象部门提供的以台风中心点为圆心，在各种风速半径下，对台风风圈影响范围进行绘制；
所述数据提取子模块,借助ArcGis软件中提供的掩面提取功能，提取台风风圈影响范围内的地表高程数据。
优选的，所述地表粗糙度计算模块包括：地形网格坡度值计算子模块、地表粗糙度计算子模块；
所述地形网格坡度值计算子模块,通过借助ArcGis软件中提供的地表高程坡度计算功能计算地表网格坡度值；
所述地表粗糙度计算子模块,基于所述地表网格坡度值和所述地标粗糙度计算公式计算地表粗糙度。
优选的，所述平均粗糙度系数确定模块包括：地表粗糙度累加子模块、平均地表粗糙度计算子模块；
所述地表粗糙度累加子模块，基于各网格的地表粗糙度计算各网格单元的地表粗糙度的累加值；
所述平均地表粗糙度计算子模块，基于所述累加值和整个台风风圈面积结合地表平均粗糙度计算公式计算地表平均粗糙度系数。
实施例3：
本发明能够对台风风圈移动过程中，受到的地表地形变形的宏观影响进行量化。所提出的关键指标台风风圈内地表平均粗糙度系数，与台风风速随着登陆后，与地表摩擦作用，近地风场风速的急剧衰减有着必然联系。通过定义这一宏观层面的指标，免去了研究台风风场与地表地形复杂作用的精细化模拟，而是通过宏观能量损失因素的定量化评估，寻求其与风速衰减的内在联系，从而为后续评估台风显著影响区提供量化指标，进而更好的指导沿海台风区结构抗风设计加固。
基于2005年超强台风麦莎登录浙江沿海时的路径及浙江省的DEM数据，进行实例应用介绍。
时间 经度 纬度 最大风速半径(公里)
2005080518 121.5 27.9 100
2005080600 120.9 28.4 100
2005080606 120.4 28.9 100
2005080612 119.8 30.0 100
2005080618 118.8 30.5 100
2005080700 118.4 31.2 100
表1
(1)提取浙江省沿海DEM数据，并基于ArcGis绘制DEM形貌图如图2所示。
(2)收集2005年超强台风麦莎台风中心经纬度数据登录浙江沿海时的路径如表1所示，在图2基础上补充台风移动路径图层如图3所示。
(3)依据气象部门提供的台风麦莎登陆浙江时刻的台风中心经纬度坐标，最大风速半径公里，绘制登陆时刻台风风圈影响范围，借助ArcGis软件中提供的掩面提取功能，提取台风风圈影响范围内的地表高程数据。
(4)借助ArcGis软件中提供的地表高程坡度计算功能，计算得到各地表网格单元的地表坡度，并生成地表坡度图层。
(5)借助ArcGis软件中提供的地图代数计算模块，基于公式1计算地表粗糙度，并生成地表粗糙度图层。
(6)输出*.XYZ格式的文件，存储图层各网格中心经纬度坐标及粗糙度数值。
(7)基于公式2计算台风风圈内地表平均粗糙度系数，对于本应用实例，＝260846，A＝31400平方公里，经计算，台风麦莎登陆时刻的地表平均粗糙度系数为8.3每平方公里。
应用本发明专利，能够对台风风圈移动过程中，受到的地表地形变形的宏观影响进行量化。所提出的关键指标台风风圈内地表平均粗糙度系数，与台风风速随着登陆后，与地表摩擦作用，近地风场风速的急剧衰减有着必然联系。通过定义这一宏观层面的指标，免去了研究台风风场与地表地形复杂作用的精细化模拟，而是通过宏观能量损失因素的定量化评估，寻求其与风速衰减的内在联系，从而为后续评估台风显著影响区提供量化指标，进而更好的指导沿海台风区结构抗风设计加固。
本专利所提出的台风风圈内地表平均粗糙度系数，这一指标参数是开展台风风场强度分区的关键指标。
本专利所提出的台风风圈内地表平均粗糙度系数的计算方法，是后续开展台风风区划分的重要技术保障，也是本专利要求重点保护的创新点。
显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种台风风圈内地表平均粗糙度系数的确定方法，包括：
基于台风登陆点及后续移动路径扫掠过的经纬度范围内数字高程模型数据库给出的地表高程数据文件提取台风风圈内地表高程数据；
基于所述台风风圈内地表高程数据和地表粗糙度计算公式计算地表粗糙度；
基于所述地表粗糙度和地表平均粗糙度计算公式计算地表平均粗糙度系数。
2.如权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述基于台风登陆点及后续移动路径扫掠过的经纬度范围数字高程模型数据库给出的地表高程数据文件提取台风风圈内地表高程数据包括：
获取台风登陆点及后续移动路径扫掠过的经纬度范围内数字高程模型数据库中给出的地表高程数据文件；
将所述地表高程数据文件中的地表高程数据导入ArcGis软件中，依据气象部门提供的以台风中心点为圆心，在各种风速半径下，对台风风圈影响范围进行绘制；
基于ArcGis软件提供的掩面提取功能，提取所述台风风圈影响范围内的地表高程数据。
3.如权利要求2所述的确定方法，其特征在于，所述基于所述台风风圈内地表高程数据计算地表粗糙度包括；
基于ArcGis软件中的地表高程坡度计算功能计算地表网格坡度值；
基于所述地表网格坡度值和所述地标粗糙度计算公式计算各网格的地表粗糙度。
4.如权利要求3所述的确定方法，其特征在于，所述地表粗糙度计算公式如下式所示：
Figure FDA0002686593980000011
式中：Slopi为第i个地形网格的坡度值。
5.如权利要求4所述的确定方法，其特征在于，所述基于所述地表粗糙度和地表平均粗糙度计算公式计算地表平均粗糙度系数，包括：
基于各网格的地表粗糙度计算各网格单元的地表粗糙度的累加值；
基于所述累加值和整个台风风圈面积结合地表平均粗糙度计算公式计算地表平均粗糙度系数。
6.如权利要求5所述的确定方法，其特征在于，所述地表平均粗糙度计算公式如下式所示：
Figure FDA0002686593980000021
式中：A为整个台风风圈面积。
7.一种台风风圈内地表平均粗糙度系数的确定系统，其特征在于，包括：地表高程数据提取模块，地表粗糙度计算模块和平均粗糙度系数确定模块；
所述地表高程数据提取模块，基于台风登陆点及后续移动路径扫掠过的经纬度范围内数字高程模型数据库给出的地表高程数据文件提取台风风圈内地表高程数据；
所述地表粗糙度计算模块,基于所述台风风圈内地表高程数据和地表粗糙度计算公式计算地表粗糙度；
所述平均粗糙度系数确定模块,基于所述地表粗糙度和地表平均粗糙度计算公式计算地表平均粗糙度系数。
8.如权利要求7所述的确定系统，其特征在于，所述地表高程数据提取模块包括：文件获取子模块、台风风圈影响绘制子模块和数据提取子模块；
所述文件获取子模块,用于获取台风登陆点及后续移动路径扫掠过的经纬度范围内数字高程模型数据库中给出的地表高程数据文件；
所述台风风圈影响绘制子模块,将所述地表高程数据文件中的地表高程数据导入ArcGis软件中，依据气象部门提供的以台风中心点为圆心，在各种风速半径下，对台风风圈影响范围进行绘制；
所述数据提取子模块,借助ArcGis软件中提供的掩面提取功能，提取台风风圈影响范围内的地表高程数据。
9.如权利要求7所述的确定系统，其特征在于，所述地表粗糙度计算模块包括：地形网格坡度值计算子模块、地表粗糙度计算子模块；
所述地形网格坡度值计算子模块,基于ArcGis软件中提供的地表高程坡度计算功能计算地表网格坡度值；
所述地表粗糙度计算子模块,基于所述地表网格坡度值和所述地标粗糙度计算公式计算各网格的地表粗糙度。
10.如权利要求7所述的确定系统，其特征在于，所述平均粗糙度系数确定模块包括：地表粗糙度累加子模块、平均地表粗糙度计算子模块；
所述地表粗糙度累加子模块，基于各网格的地表粗糙度计算各网格单元的地表粗糙度的累加值；
所述平均地表粗糙度计算子模块，基于所述累加值和整个台风风圈面积结合地表平均粗糙度计算公式计算地表平均粗糙度系数。
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