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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur
automatischen positionsabhängigen
probabilistischen Vorhersage eines tropischen Zyklons, wobei Datenaufzeichnungen
von tropischen Zyklon-Ereignissen generiert und positionsabhängige Wahrscheinlichkeitswerte
für spezifische Wetterbedingungen
in Verbindung mit dem tropischen Zyklon ermittelt werden. Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung alle Arten von tropischen Zyklonen
wie beispielsweise Orkane, Taifune und tropische Stürme.
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Jedes
Jahr verursachen tropische Zyklone (hierin auch als Orkane, Taifune
und tropische Stürme
etc. bezeichnet) schwerwiegende Schäden in verschiedenen Teilen
der Welt. Das Vorkommen von solchen Wetterereignissen ist langfristig
schwierig, wenn nicht unmöglich,
vorhersagbar. Selbst der Weg oder die Sturmbahn eines existierenden
Sturmes ist über
eine Zeitdauer von Stunden oder von Tagen schwierig vorhersagbar.
Die insbesondere in diesem Dokument angegebenen Beispiele gehen
Orkane an, wobei Taifune und tropische Stürme etc. in der gleichen Weise
behandelt werden können.
Orkane sind die schwerwiegendste Kategorie von meteorologischen
Phänomenen,
bekannt als „tropischer
Zyklon". Orkane,
so wie alle tropischen Zyklone, umfassen eine vor-existierende Wetterstörung, warme
tropische Meere, Feuchtigkeit und relativ leichte Höhenwinde.
Wenn die richtigen Bedingungen lange genug andauern, können sie
sich kombinieren, um heftige Winde, unglaubliche Wellen, sintflutartige
Regenfälle und
Wasserfluten bewirken, die wir mit diesen Phänomenen verbinden. Somit benötigt die
Bildung eines tropischen Zyklons und sein Wachsen zum Beispiel zu
einem Orkan: 1) eine vor-existierende Wetterstörung; 2) Meerestemperaturen
von mindestens 26°C
bis zu einer Tiefe von etwa 45 m; und 3) relativ leichte Winde in
der Tiefe der Atmosphäre
(schwacher Scherwind). Typischerweise werden tropische Stürme und
Orkane schwächer,
wenn ihre Wärme- und
Feuchtigkeitsquelle abgeschnitten werden (wie dies der Fall ist,
wenn sie sich über
Land bewegen) oder wenn sie mit starken Scherwinden zusammentreffen.
Ein abschwächender
Orkan kann sich jedoch wieder verstärken, wenn er sich in eine
günstigere Region
bewegt. Die Reste eines auf Land treffenden Orkans können immer
noch bedeutende Schäden verursachen.
Jedes Jahr entwickeln sich im Durchschnitt zehn tropische Stürme über dem
Atlantischen Ozean, dem Karibischen Meer und dem Golf von Mexiko.
Viele davon bleiben über
dem Meer. Sechs dieser Stürme
entwickeln sich jedes Jahr zu Orkanen. In einer durchschnittlichen
3-Jahres-Periode
sind ungefähr
fünf Orkane
beispielsweise die Küstenlinie
der Vereinigten Staaten aufgetroffen und haben damit etwa 50 bis
100 Personen irgendwo zwischen Texas und Maine getötet. Zwei
von diesen Orkanen waren typische bedeutende Orkane (Winde stärker als
110 Meilen pro Stunde). Wie bereits erwähnt ist ein Orkan eine Art
eines tropischen Zyklons, welcher ein allgemeiner Ausdruck ist für ein Sturmtief,
das sich im Allgemeinen in den Tropen formt. Der Zyklon wird von Gewittern
begleitet und, in der nördlichen
Halbkugel, von Winden nahe der Erdoberfläche, die entgegen dem Uhrzeigersinn
zirkulieren. Tropische Zyklone können
wie folgt klassiert werden: (i) Tropische Depression: Ein organisiertes
System von Wolken und Gewitter mit einem definierten Oberflächenumlauf und
maximal nachhaltigen Winden (Nachhaltige Winde werden definiert
als durchschnittlich 1 Minute dauernde Winde, welche etwa 10 Meter über der
Oberfläche
gemessen werden) von 33 Knoten oder weniger (1 Knoten = 1 Seemeile
pro Stunde oder 1.15 gesetzliche Meilen pro Stunde); (ii) Tropischer
Sturm: Ein organisiertes System von starken Gewittern mit einem
definierten Oberflächenumlauf
und maximal nachhaltigen Winden von 34–63 Knoten; (iii) Orkan: Ein
intensives tropisches Wettersystem mit starken Gewittern mit einem
klar definierten Oberflächenumlauf
und maximal nachhaltigen Winden von 64 Knoten oder stärker. Orkane
werden gemäss
der Stärke ihrer
Winde klassiert unter Verwendung der Saffir-Simpson-Hurrikan-Skala.
Ein Sturm der Kategorie 1 hat die niedrigsten Windgeschwindigkeiten,
während
ein Orkan der Kategorie 5 die stärksten
aufweist. Dies sind relative Bezeichnungen, da Stürme der
niedrigen Kategorie manchmal grössere
Schäden
verursachen können
als Stürme
der höheren
Kategorie, je nach dem Ort des Vorkommens und den jeweiligen Gefahrenumständen, die
sie mit sich bringen. In der Tat können tropische Stürme auch
bedeutsame Schäden
und Verlust von Menschenleben verursachen, hauptsächlich infolge
der Überflutung. Normalerweise,
wenn die Winde dieser Stürme
34 Knoten erreichen, wird dem Zyklon ein Name gegeben. Es soll dabei
erwähnt
werden, dass die Kategorie des Sturms nicht unbedingt direkt dem
Schaden entspricht, den er zufügen
wird. Stürme
der niedrigen Kategorie (und selbst tropische Stürme) können erhebliche Schäden verursachen,
je nachdem, mit welchen Wetter-Eigenschaften sie zusammenwirken,
wo sie auftreffen und wie langsam sie sich bewegen.
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Wie
erwähnt,
definiert die Saffir-Simpson-Hurrikan-Skala (SS-Skala) die Orkanstärke mit Kategorien.
Ein Sturm der Kategorie 1 ist der schwächste Orkan (Winde von 64–82 Knoten);
ein Orkan der Kategorie 5 ist der stärkste (Winde stärker als
135 Knoten). Betreffend dem verursachten Schaden kann gesagt werden,
dass typischerweise Stürme
der Kategorie 1 mit Winden von 64 bis 82 Knoten normalerweise keinen
wirklichen Schaden an Gebäudestrukturen
verursachen. Schäden
werden primär
an nicht verankerten Wohnwägen,
Büschen
und Bäumen
verursacht. Sie können
auch gewisse Überflutungen
von Küstenstassen
und geringen Schaden an Stegen verursachen. Stürme der Kategorie 2 mit Winden
von 83 bis 95 Knoten können
normalerweise gewisse Dachmaterial-, Türen- und Fensterschäden verursachen. Sie können auch
der Vegetation, Wohnwägen
etc. erhebliche Schäden
zufügen,
oder die Überflutungen
können
Stege beschädigen
und kleine Schiffe in ungeschützten
Ankerplätzen
können sich
aus ihrer Vertäuung
reissen. Stürme
der Kategorie 3 mit Winden von 96 bis 113 Knoten können normalerweise
gewisse strukturelle Schäden
an kleineren häuslichen
Niederlassungen und Nutzgebäuden mit
einer geringfügigen
Anzahl von zusammenbrechenden Zwischenwänden verursachen. Wohnwägen werden
zerstört.
Auch zerstören Überflutungen in
der Küstengegend
kleinere Bauwerke, während größere Bauwerke
durch umhertreibende Trümmer beschädigt werden.
Gebiete können
ins Landesinnere überflutet
werden. Stürme
der Kategorie 4 mit Winden von 114 bis 135 Knoten können normalerweise erheblichere
Zusammenbrüche
von Zwischenwänden
mit gewissen kompletten Zusammenbrüchen von Dachstrukturen kleinerer
Häuser
verursachen. Die Strandgebiete können
extrem unterspült
werden. Gebiete können
ins Landinnere überflutet
werden. Schlussendlich Stürme
der Kategorie 5 mit Winden von über
135 Knoten können
normalerweise den kompletten Dacheinsturz von vielen Häusern und
industriellen Gebäuden
verursachen. Gewisse Gebäude
können
vollständig
kollabieren, und manche Schuppen zusammenstürzen oder im Ganzen weggeblasen
werden. Überflutungen
verursachen erhebliche Schäden
an allen unteren Etagen von Gebäuden,
die in der Nähe
der Küste
liegen. Massenevakuierung von Wohngebieten kann notwendig sein.
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Dennoch
müssen
Versicherungsgesellschaften und andere Dienststellen Wege entwickeln,
um die Risiken, die mit solchen Wetterereignissen verbunden sind,
zu berechnen, und dieses Wissen in der Preisberechnung von Versicherungsprodukten
und in der Berechnung der Grössenordnung
und der Frequenz der über
die Dauer zu erwartenden Schäden zu
berücksichtigen.
Diesbezüglich
ist verwendbare Information verfügbar
in Form von historischen Daten von Stürmen, welche im Laufe der Jahre
vorgekommen sind. Etwa 80 solche Stürme treten weltweit jedes Jahr
auf. Daten werden für
viele dieser Stürme gesammelt,
umfassend die Lage betreffende Daten für die Zugbahn oder „Sturmbahn", Windgeschwindigkeiten,
barometrische Drucke und andere Faktoren. Solche Stürme sind
im Nordatlantik (d.h. im Teil des Atlantischen Ozeans nördlich des Äquators)
am besten dokumentiert, wo verlässliche
Daten für über 100
Jahre Aktivität
verfügbar
sind. Ungefähr
10 Stürme
kommen in der Region des Nordatlantiks auf einer jährlichen
Basis vor. Historische Daten sind auch für Zyklone verfügbar, die
im Nordwest-Pazifik vorkommen, wo jedes Jahr etwa 26 Stürme auftreten. Geeignete
Daten für
diese Pazifikstürme
sind nur etwa für
die letzten 50 Jahre verfügbar.
Für Stürme in anderen
Regionen sind weniger Daten verfügbar.
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Im
Stand der Technik können
verschiedene Systeme gefunden werden zur Vorhersage von tropischen
Zyklonenwinden. Eine Möglichkeit
wird von M. Demaria in „Estimating
Probabilities of Tropical Cyclone surface Winds" (X-002297474 EPO) oder von M. Demaria
und J. Kaplan in „An
Updated Statistical Hurricane Intensity Prediction Scheme (SHIPS)
for Atlantic and Esstern North Pacific Basins" (XP-008035846) gezeigt. Beide Systeme
beschreiben ein Monte-Carlo-Generieren von Zyklon–Zugbahnen
und -Intensitäten,
welche Wahrscheinlichkeiten des Aufkommens einer spezifischen Windstärke in einer
gegebenen geographischen Position und zu einer gegebenen Zeit ergeben.
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Bei
Verwendung aller verfügbaren
historischen Daten sind Informationen bezüglich ein paar hundert Stürme vorhanden
für die
Bewertung durch Forscher und Wissenschaftler. Solche Informationen sind
für die
Einschätzung
von Risiken in Verbindung mit Sturmschäden in den betreffenden Gebieten nützlich.
Jedoch in Anbetracht der unvorhersehbaren Natur des Sturmverhaltens
und der Anzahl Faktoren, die solche Verhalten beeinflussen, sind
die verfügbaren
Datensets von historischen Stürmen
vom probabilistischen Standpunkt aus gesehen relativ unbedeutend.
Angesichts der Tatsache, dass dieses Datenset jährlich nur durch relativ wenige
Stürme
vergrössert
wird, besteht ein Problem in Bezug auf die Erstellung von statistischen
Analysen bezüglich
der Möglichkeit,
dass ein Sturm in einer bestimmten Position vorkommt.
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Eine
Art und Weise, wie dieses Problem behandelt werden kann, ist durch
das Generieren von simulierten oder „alternativen" Stürmen und
das Verwenden der Daten solcher „Stürme", um das verfügbare Datenset von historischen
Aufzeichnungen zu vergrössern.
Diese Vorgehensweise kann die Verfügbarkeit von tausenden, oder
sogar zehn- oder hunderttausenden von zusätzlichen Stürmen ergeben, von welchen genügend grosse
Datensets geschaffen werden können,
um verlässliche
statistische Analysen auszuführen.
Die vorliegende Erfindung betrifft verschiedene Ausführungsformen,
die die Verwendung eines Verfahrens, eines Systems und eines Computerprogrammprodukts
zum Generieren von solchen expandierten probabilistischen Datensets umfassen.
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Deswegen
wird darauf hingewiesen, dass sich die vorliegende Erfindung nicht
nur auf das Verfahren nach Anspruch 1 bezieht, sondern auch auf ein
System und ein Computerprogrammprodukt für das Ausführen dieses Verfahrens nach
Anspruch 32 beziehungsweise Anspruch 33. Als Basis für die Skalierungstabelle
kann zum Beispiel die Saffir-Simpson-Hurrikan-Skala verwendet werden.
Das erste und zweite Monte-Carlo-Modul
sowie das Interpolationsmodul können
mit Hardware und/oder Software durchgeführt werden.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung umfasst ein Verfahren für das Generieren eines probabilistischen
Datensets bezüglich
eines Wetterereignisses, wie beispielsweise ein tropischer Zyklon
oder ein Orkan, Taifun oder tropischer Sturm. Diese Ausführungsform
des Verfahrens umfasst die Schritte des Eingebens von Daten, repräsentativ
für eine
historische Sturmbahn eines Wetterereignisses, und des Generierens
von Daten, repräsentativ
für eine
Vielzahl von alternativen Sturmbahnen, basierend auf der historischen
Sturmbahn. Die für
alternative Sturmbahnen repräsentativen
Datenpunkte werden von entsprechenden Punkten entlang der historischen
Sturmbahn mit Hilfe eines abhängigen
Stichprobenverfahrens generiert. In gewissen Ausführungsformen
ist das abhängige
Stichprobenverfahren ein gezieltes Zufallsbewegung-Verfahren.
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Eine
Ausführungsform
umfasst den Schritt des Generierens der die alternativen Sturmbahnen repräsentativen
Daten, basierend auf der historischen Sturmbahn, das Generieren
einer Serie von Zufallstupel (xr, yr) für
einen historischen Punkt (x, y) der historischen Sturmbahn, das
Berechnen einer Summe von zufälligen
Abweichungen (x',
y') der Zufallstupel
entlang der historischen Sturmbahn, und das Zufügen der Summe der zufälligen Abweichungen
(x', y') zum historischen
Punkt (x, y) der historischen Sturmbahn, um alternative Punkte entlang
der alternativen Sturmbahnen zu erzeugen.
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Die
Daten repräsentativ
für eine
oder mehrere historische Sturmbahnen umfassen eine Vielzahl von
Punkten repräsentativ
für geographische
Positionen entlang der historischen Sturmbahn oder Sturmbahnen.
Die generierten Daten repräsentativ
für eine Vielzahl
von alternativen Sturmbahnen umfassen eine Vielzahl von alternativen
Punkten repräsentativ für geographische
Positionen entlang der alternativen Sturmbahnen. In einer Ausführungsform
haben mindestens ein Teil der Vielzahl der alternativen Sturmbahnen,
verbunden mit einer bestimmten historische Sturmbahn, Startpunkte,
welche vom Startpunkt der historischen Sturmbahn, auf welcher die
alternativen Sturmbahnen basiert sind, verschieden sind. Die für eine historische
Sturmbahn repräsentativen
Daten können
die geographische Länge
und Breite umfassen, um eine Position für jeden Punkt der Vielzahl
von Punkten zu definieren.
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In
gewissen Ausführungsformen
des Verfahrens umfasst der Schritt des Eingebens der für eine historische
Sturmbahn repräsentativen
Daten die Eingabe von mindestens einer der folgenden Angaben: die
geographische Länge
und Breite einer Vielzahl von Punkten, welche repräsentativ
sind für
eine historische Sturmbahn; ein Azimutwinkel für mindestens einen Teil der
Punkte entlang der historischen Sturmbahn; die Geschwindigkeit für mindestens
einen Teil der Punkte entlang der historischen Sturmbahn; eine Änderungsrate
des Azimutwinkels für mindestens
einen Teil der Punkte entlang der historischen Sturmbahn; und eine Änderungsrate
der Geschwindigkeit für
mindestens einen Teil der Punkte entlang der historischen Sturmbahn.
Anderenfalls können
diese letzteren Werte (Azimutwinkel, Geschwindigkeit, Änderungsrate
des Azimutwinkels und der Geschwindigkeit) von in periodischen Zeitabständen aufgezeichneten
Daten der geographischen Länge
und Breite berechnet werden.
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Gewisse
Ausführungsformen
des vorliegenden Verfahrens umfassen des Weiteren den Schritt des
Auswählens
einer Untermenge von den für
die alternativen Sturmbahnen repräsentativen Daten zur Verwendung
in dem probabilistischen Datenset. In dieser Ausführungsform
und in anderen umfasst der Schritt des Generierens von Daten, die
repräsentativ sind
für alternative
Sturmbahnen, den Schritt des Beschränkens einer Streuung der alternativen
Punkte von einem entsprechenden historischen Punkt gemäss einem
oder mehren physikalischen Gesetzen.
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In
gewissen Ausführungsformen
des vorliegenden Verfahrens umfasst der Schritt des Eingebens der
Daten repräsentativ
für eine
Sturmbahn eines historischen Wetterereignisses die Eingabe von Daten
repräsentativ
für eine
Intensität
des Ereignisses. Die für
die Intensität
repräsentativen
Daten können
atmosphärische
Druckangaben in Verbindung mit mindestens einem Teil der Vielzahl
der entlang der historischen Sturmbahn liegenden Punkte umfassen.
Die atmosphärischen
Druckangaben definieren ein historisches Druckprofil der historischen
Sturmbahn. Die atmosphärische
Druckangabe kann einen absoluten Druck und eine Ableitung (oder
Abänderung)
des absoluten Druckes in Bezug auf die Zeit umfassen. In gewissen
Ausführungsformen
umfassen die atmosphärischen
Druckangaben eine oder mehrere Druckverteilungen. In gewissen Ausführungsformen
des vorliegenden Verfahrens umfasst der Schritt der Dateneingabe
das Eingeben von Daten, welche repräsentativ sind für eine Vielzahl
von historischen Sturmbahnen, und den Schritt des Erstellens eines
Netzes über
eine geographische Interessenzone, wobei diese Interessenzone mindestens einen
Teil der Vielzahl von Sturmbahnen umfasst. Diese Ausführungsbeispiele
können
des Weiteren den Schritt des Erstellens einer Druckklimatologie
für ausgewählte Zellen
in dem Netz umfassen, basierend auf den atmosphärischen Druckangaben in Verbindung
mit mindestens einem Teil der Vielzahl von Punkten, die sich entlang
der historischen Sturmbahnen und innerhalb der besagten Netzzellen
befinden. Die Druckklimatologie für die ausgewählten Zellen kann
eine Funktion der Druckverteilung sein. Die Druckklimatologie für eine ausgewählte Zelle
im Netz kann von den atmosphärischen
Druckangaben, in Verbindung mit der ausgewählten Zelle, und/oder den atmosphärischen
Druckangaben, in Verbindung mit einer oder mehreren der an die ausgewählte Zelle angrenzenden
Zellen (d.h. eine oder mehrere benachbarte Zellen), erstellt werden.
In gewissen Ausführungsformen
wird die Druckklimatologie für
eine ausgewählte
Zelle von einem gewichteten Bewertungsdurchschnitt der Druckangaben,
in Verbindung mit der ausgewählten
Zelle, und den Druckangaben, in Verbindung mit einer oder mehreren
benachbarten Zellen, erstellt.
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In
gewissen Ausführungsformen
wird jeder Zelle im Netz ein Land-/Meer-Wert zugeordnet. In diesen
Ausführungsformen
werden die Druckangaben in Verbindung mit einer angrenzenden Zelle
verwendet, um die Druckklimatologie einer ausgewählten Zelle zu erstellen, nur
falls die angrenzende Zelle und die ausgewählte Zelle den gleichen Land-/Meer-Wert aufweisen.
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Gewisse
Ausführungsformen
des vorliegenden Verfahrens umfassen den zusätzlichen Schritt, dass unter
Verwendung der Druckklimatologie ein oder mehrere alternative Druckprofile
für eine
oder mehrere der historischen Sturmbahnen für die ausgewählten Zellen
im Netz generiert werden. Zusätzlich
können
ein oder mehrere Druckprofile für
eine oder mehrere der alternativen Sturmbahnen generiert werden.
Unter Verwendung der Druckklimatologie können auch ein oder mehrere
alternative Druckprofile für
eine oder mehrere der alternativen Sturmbahnen für die ausgewählten Zellen
im Netz generiert werden. In gewissen Ausführungsformen werden mindestens
eines der alternativen Druckprofile für die historischen Sturmbahnen,
die Druckprofile für
die alternativen Sturmbahnen und die alternativen Druckprofile für die alternativen
Sturmbahnen modifiziert, mindestens teilweise basierend auf dem
historischen Druckprofil entlang der historischen Sturmbahn des zugehörigen Wetterereignisses.
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In
gewissen Ausführungsformen
der Erfindung umfasst der Schritt der Dateneingabe das Eingeben
von Daten repräsentativ
für eine
Vielzahl von historischen Sturmbahnen und das Eingeben von Daten
repräsentativ
für atmosphärische Druckangaben
in Verbindung mit mindestens einem Teil der Vielzahl der entlang
der historischen Sturmbahn liegenden Punkte. Die atmosphärischen
Druckangaben definieren historische Druckprofile der historischen Sturmbahnen.
In diesen Ausführungsformen
umfasst der Schritt des Generierens von Daten das Generieren einer
Vielzahl von alternativen Sturmbahnen für mehr als eine der historischen
Sturmbahnen. Des Weiteren umfassen diese Ausführungsformen mindestens einen
der folgenden Schritte: a) Generieren von einem oder mehreren alternativen
Druckprofilen für
eine oder mehrere der historischen Sturmbahnen; b) Generieren von
einem oder mehreren Druckprofilen für eine oder mehrere der alternativen
Sturmbahnen; und c) Generieren von einem oder mehreren alternativen
Druckprofilen für
eine oder mehrere der alternativen Sturmbahnen. Diese Ausführungsform und
andere des vorliegenden Verfahrens können des Weiteren den Schritt
des Entnehmens einer Untermenge von Daten von den Daten, repräsentativ
für die
historischen Sturmbahnen und die alternativen Sturmbahnen, und von
den Druckprofilen, basierend auf den klimatologischen Bedingungen
für eine
ausgewählte
Zeitperiode, umfassen.
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Weitere
Merkmale und Vorteile sind für
den Fachmann offensichtlich bei der Betrachtung der folgenden detaillierten
Beschreibung der veranschaulichenden Ausführungsformen, welche die beste
zurzeit bekannte Ausführungsart
des Verfahrens erläutert.
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Die
vorliegende Offenlegung wird hierin mit Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen
beschrieben, welche nur als nicht beschränkende Beispiele gegeben sind,
worin:
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1 ist
ein Flussdiagramm, welches den globalen Ablauf einer Ausführungsform
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
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2 ist
ein Flussdiagramm, welches den Schritt der Dateneingabe für die historischen
Stürme in
der Ausführungsform
der 1 weiter veranschaulicht.
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3 ist
ein Flussdiagramm, welches den Schritt des Erstellens der Klimatologie
in der Ausführungsform
der 1 weiter veranschaulicht.
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4 ist
ein Flussdiagramm, welches den Schritt des Erzeugens von alternativen
Sturmbahnen in der Ausführungsform
der 1 weiter veranschaulicht.
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5 ist
ein Flussdiagramm, welches den Schritt des Erzeugens von alternativen
Druckentwicklungen in der Ausführungsform
der 1 weiter veranschaulicht.
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6 ist
ein Flussdiagramm, welches den Schritt des Auswählens einer Untermenge von
alternativen Stürmen
und des Berechnens der Windfelder in der Ausführungsform der 1 weiter
veranschaulicht.
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7 veranschaulicht
ein Verfahren zum Generieren von Punkten eines probabilistischen
Datensets, welche für
einen Teil der alternativen Sturmbahn repräsentativ sind.
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8a veranschaulicht
eine Vielzahl von alternativen Sturmbahnen, welche durch das Verfahren
der 7 generiert werden unter Verwendung einer normal
verteilten Zufallsbewegung.
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8b veranschaulicht
eine Vielzahl von alternativen Sturmbahnen, welche durch das Verfahren
der 7 generiert werden unter Verwendung einer gleichmässig verteilten
Zufallsbewegung.
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8c veranschaulicht
eine Vielzahl von alternativen Sturmbahnen, welche durch das Verfahren
der 7 generiert werden unter Verwendung einer gezieltes
Zufallsbewegung.
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9a veranschaulicht
eine Vielzahl von alternativen Sturmbahnen, wobei jede Sturmbahn
am Startpunkt einer jeweiligen historischen Sturmbahn anfängt.
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9b veranschaulicht
eine Vielzahl von alternativen Sturmbahnen, wobei jede Sturmbahn
an einem alternativen Startpunkt bezüglich einer historischen Sturmbahn
anfängt.
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10 veranschaulicht
eine Vielzahl von historischen und alternativen Sturmbahnen, welche in
einem Teil einer Karte übereinander
gelagert sind.
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11 (a, ..., i) veranschaulicht eine Vielzahl von
alternativen Druckentwicklungen für jede der Vielzahl von Stürmen.
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1 ist
ein Flussdiagramm, welches den globalen Ablauf einer Ausführungsform
des vorliegenden Verfahrens veranschaulicht. Der erste Schritt in
dieser Ausführungsform
ist die Dateneingabe für eine
Vielzahl von historischen Stürmen.
Dieser Schritt ist in der 1 durch
das Feld 12 dargestellt. Solche Daten umfassen geographische
Informationen, welche die Sturmbahnen der jeweiligen historischen
Sturmbahnen definieren und Intensitätsdaten, um die Stärke des
Sturmes anzugeben. Eine Quelle für
solche Daten ist das National Hurricane Center („NHC"), das zur National Oceanic and Atmospheric Administration
(„NOAA") gehört. Daten
betreffend die Geographie und die Intensität von Orkanen und tropischen
Zyklonen und Stürmen
können
gesehen werden und sind erhältlich auf
der Webseite des NHC bei www.nhc.noaa.gov. Anschliessend an die
Eingabe dieser Daten wird eine Klimatologie in der Interessenzone
erstellt. Dieser Vorgang ist in der 1 durch das
Feld 14 dargestellt. Nach dem Erstellen der Klimatologie
werden in den eingegebenen Daten alternative Sturmbahnen für jede der
historischen Sturmbahnen erzeugt. Dieser Schritt ist durch das Feld 16 dargestellt.
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Anschliessend
an das Erzeugen der alternativen Sturmbahnen wird eine Vielzahl
von alternativen Druckentwicklungen für die historischen und alternativen
Sturmbahnen erzeugt. Dieser Schritt ist in 1 durch
das Feld 18 dargestellt. Das Erzeugen der alternativen
Sturmbahnen und der alternativen Druckentwicklungen für die historischen
und die alternativen Sturmbahnen formt eine relativ grosse Gesamtheit
von Stürmen
(sowohl historische als auch alternative). Eine Untermenge der alternativen
Stürme
wird basierend auf die klimatologischen Daten ausgewählt. Dieser
Schritt ist durch das Feld 20 dargestellt. Schlussendlich
werden Windfelder für
spezifische Interessenpunkte berechnet. Dieser Schritt ist in dem
Flussdiagramm der 1 durch das Feld 22 dargestellt.
Jeder der Schritte 12 bis 22 wird im Folgenden ausführlicher
erörtert
mit Bezugnahme auf die Flussdiagramme der 2 bis 6.
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2 ist
ein Flussdiagramm, welches den Schritt der Dateneingabe für die historischen
Stürme in
der Ausführungsform
der 1 weiter veranschaulicht. Der erste Vorgang in
diesem Schritt ist durch das Feld 24, bezeichnet mit „Einlesen
der Rohdaten", dargestellt.
Wie oben angegeben, ist das National Hurricane Center eine Quelle
für Daten
historischer Stürme.
Diese Daten umfassen geographische Daten (d.h. die geographische
Breite und Länge), welche
individuelle Knoten der historischen Sturmbahn definieren. Die Positionen
der Stürme
sind im Allgemeinen in einem Zeitabstand von sechs Stunden angezeigt.
In vielen Fällen
sind Intensitätsdaten auch
in Form einer Druckmessung, welche in der Nähe des Zentrums des Knotens
gemessen wurde, geliefert. Für
das Ereignis, für
welches keine zentrale Druckmessung geliefert wird, kann ein Druck
von dem maximalen nachhaltigen Wind, der auch auf der Webseite erhältlich ist,
berechnet werden. Diese Vorgänge
sind durch das Entscheidungsfeld 26 und das Bearbeitungsfeld 28 dargestellt.
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Nach
dem Einlesen der Rohdaten und wenn nötig dem Berechnen der Drucke
werden zusätzliche Berechnungen
ausgeführt,
um die Geschwindigkeit, die Azimutwinkel und die Saffir-Simpson
Kategorie zu bestimmen. Diese Berechnungen sind im Flussdiagramm
der 2 durch das Feld 30 dargestellt. An diesem
Punkt werden die Daten kontrolliert und bestätigt (Feld 32). Nach
diesen Vorgängen
können
die ursprünglichen
Daten interpoliert werden, um die Auflösung zu verbessern. Das heisst,
zusätzliche
geographische Punkte oder Knoten können zwischen den „6 Stunden-Knoten", die in den Rohdaten
erhältlich
sind, definiert werden. Die 6 Stunden-Knoten werden interpoliert,
um eine bessere geographische Auflösung zu ermöglichen. In einer Ausführungsform werden
die Daten bis zu 0.2 Grad-Schritten interpoliert. Eine solche Interpolation
ermöglicht
ein Generieren von gleichmässigeren
alternativen Sturmbahnen und verbessert den globalen Vorgang des
vorliegenden Verfahrens. Dieser Vorgang ist in der 2 durch
das Feld 34 dargestellt.
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Der
letzte Vorgang in dem Schritt der Eingabe der historischen Daten
betrifft das Hinzufügen
von „an
Land" Markierungen.
Wenn ein Sturm sich von einer Position über Wasser zu einer Position über Land (oder
vice versa) bewegt, werden wesentliche Druckveränderungen beobachtet. Demgemäss werden Landeinfall-
und Landverlasspunkte bestimmt und in die Daten eingegeben für die Verwendung
in nachfolgenden Schritten des Verfahrens. Dieser Vorgang ist in
der Ausführungsform
der 2 durch das Feld 36 dargestellt.
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3 ist
ein Flussdiagramm, welches den Schritt des Erstellens einer Klimatologie
in der Ausführungsform
der 1 weiter veranschaulicht. Obwohl Aufzeichnungen
von verlässlichen
Druckdaten über
mehr als 100 Jahren existieren, werden diese historischen Daten
vorzugsweise vorbearbeitet, um eine konsistentere Datenbank durch
die hierin beschriebenen Verfahren zu erhalten. Der erste Vorgang
in dem Schritt des Erstellens einer Druckklimatologie ist das Erstellen
eines 1° zu
10 Netzes über der
geographischen Interessenzone. Dieser Vorgang ist durch den Schritt
38 in der Ausführungsform
der 3 dargestellt. Die Originaldaten umfassen sowohl
den absoluten Druck in spezifischen Positionen als auch die Abänderung
des Druckes (d.h. die Druckableitung). Diese Daten werden mit den
individuellen Netzpositionen (Feld 40) übereingestimmt. Gewisse Positionen
im Netz werden viele beobachtete Druck- und Druckableitungswerte
aufweisen. Andere Positionen haben weniger beobachtete Werte und
noch andere weisen keine auf.
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Nach
diesem Vorgang werden minimale Drucke, basierend auf die Klimatologie
der Meeresoberflächentemperatur
(SST), hinzugefügt.
Das heisst, für
jede Position in dem Netz wird der niedrigste Druck verbunden mit
der höchsten
je beobachteten SST an dieser spezifischen Position eingegeben. Dieser
Wert fungiert als „Grundwert" für alternative Druckwerte
verbunden mit jeder Position in dem Netz, die ausgewählt werden
kann (wie im Folgenden ausführlicher
erörtert)
in Verbindung mit den alternativen Druckentwicklungen für die historische und/oder
alternativen Sturmbahnen. Dieser Vorgang ist in der Ausführungsform
der 3 durch das Feld 42 dargestellt.
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Nach
dem Hinzufügen
der minimalen Drucke wird die Druckklimatologie geglättet. Die
Zwecke des Glättungsverfahrens
umfassen eine oder mehrere der folgenden: Um eine volle Deckung
der Interessenzone zu erhalten; um die Variationen in den Verteilungen
der Drucke und der Druckableitungen von einem Netz zu den angrenzenden
Netzen zu glätten; um
Variationen in den Verteilungen der minimalen Werte, der maximalen
Werte und den Durchschnitten der absoluten Drucke und Druckableitungen
zu glätten;
und um die gleiche Anzahl von „Beobachtungen" in jeder Netzposition
zu erhalten. Dieses Glättungsverfahren
führt zu
einem konsistenteren Set von druckbezogenen Werten für die Interessenzone,
die in einem Stichprobenverfahren, welches im Folgenden weiter beschrieben
wird, verwendet wird. In der besonderen beschriebenen Ausführungsform
sind die zu glättenden
Mengen keine Skalenmengen (wie beispielsweise eine durchschnittliche
Druckmenge in jeder Position) sondern eher druckbezogene Verteilungen
für jede
Position. Dementsprechend ist das Glättungsverfahren relativ komplexer.
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Um
die oben erwähnten
Ziele zu erreichen, befolgt eine Ausführungsform des vorliegenden
Verfahrens die im Folgenden dargelegte Vorgehensweise. Andere Vorgehensweisen
können
verwendet werden und gewisse können
sehr gut mit dieser Vorgehensweise vergleichbar sein oder dieser
sogar bevorzugt werden. Die Vorgehensweise ist die folgende:
Eine
Anzahl von validen Beobachtungen wird in jeder Position ermittelt.
In dieser Ausführungsform
können bis
zu 260 Beobachtungen für
jede Position eingegeben werden. Gewisse Positionen können soviele
Beobachtungen (oder mehr) haben, während andere Positionen weniger
oder keine aufweisen. Alle nicht validen Daten werden ersetzt. Diese
Unterscheidung zwischen validen und nicht validen Beobachtungen basiert
auf der Tatsache, dass Druckwerte unter 800 hPa nicht möglich und
somit nicht valid sind. Nachdem alle validen Beobachtungen für jede Position eingegeben
wurden, schleift das vorliegende Verfahren durch die Datenposition,
wobei es in jeder Position (als „Mittelposition" bezeichnet) den
folgenden Vorgang anwendet:
- 1) Erhalten aller
validen Beobachtungen für
die Mittelposition und für
alle angrenzenden Positionen (d.h. alle Netzzellen, welche die „Mittel"-Zelle umkreisen),
die den gleichen Land-/Meer-Wert aufweisen. Das heisst, wenn die
Mittelposition eine Meerposition ist, werden nur die angrenzenden
Positionen, welche auch Meerpositionen sind, betrachtet. Wenn die
Mittelposition eine Landposition ist, werden nur die angrenzenden Positionen,
welche auch Landpositionen sind, betrachtet. Somit werden die Land-
und Meerbeobachtungen im Glättungsverfahren
nicht gemischt.
- 2) Bilden einer Datei der Druckverteilung für alle Punkte. Die Beobachtungen
der Mittelposition werden gewichtiger bewertet, zum Beispiel indem man
sie doppelt zählt.
Je nach der Anzahl der angrenzenden Positionen, welche die gleichen Land-/Meer-Werte aufweisen,
und je nach de Anzahl der validen Beobachtungen in jeder Position, wird
eine beliebige Anzahl von Beobachtungen für diese besondere Druckverteilungsdatei
erhalten.
- 3) Verwenden einer kubischen Spline, um die Funktionen der Druckverteilung
bis zu einer standardmässigen
Anzahl von Beobachtungen (zum Beispiel 100 Beobachtungen für jede Position)
zu interpolieren.
-
Die
obige Vorgehensweise wird ein Datenset mit einer standardmässigen Anzahl
(zum Beispiel 100) Beobachtungen von Drucken und Druckableitungen
herstellen für
jede Netzzelle, welche nicht mehr als 1 Grad von einer Originalzelle
abweicht. Durch Iteration kann man theoretisch alle in der Interessenzone
existierenden Lücken
füllen.
-
Die
oben beschriebene Vorgehensweise erreicht die vorher dargelegten
Ziele. Positionen, in welchen keine historischen Beobachtungen innerhalb
der Interessenzone verfügbar
sind, werden „eingefüllt", und Variationen
in der Interessenzone werden geglättet. Jedoch spitze Druckgradiente,
welche in Land/Meer – Übergangspositionen
auftreten, werden beibehalten.
-
Das
Glättungsverfahren
der Druckklimatologie ist in der 3 durch
das Feld 44 dargestellt. Es sollte beachtet werden, dass
in der beschriebenen Ausführungsform
sowohl eine Landklimatologie als auch eine Meerklimatologie in der
oben beschriebenen Art und Weise erstellt und geglättet wird.
-
4 ist
ein Flussdiagramm, welches den Schritt des Erzeugens von alternativen
Sturmbahnen in der Ausführungsform
der 1 weiter veranschaulicht. Der erste Schritt in
diesem Vorgang ist das Auswählen
von einer der Vielzahl von historischen Sturmbahnen (d.h. die Daten
der geographischen Länge
und Breite), welche im ersten Schritt des globalen Verfahrens, welches
in der 1 dargestellt ist, eingegeben wurden. Der Vorgang
des Auswählens
ist im Flussdiagramm der 4 durch das Feld 46 dargestellt.
Dann wird eine alternative Sturmbahn für die ausgewählte historische
Sturmbahn generiert.
-
Die
spezifische Art und Weise, in welcher jede alternative Sturmbahn
generiert wird, ist im Folgenden mehr im Detail beschrieben. Dieser
Vorgang ist im Flussdiagramm der 4 durch
das Feld 48 dargestellt. Eine Vielzahl (N) von alternativen
Sturmbahnen wird erzeugt. In der Ausführungsform der 4 wird
dies durch die Anwesenheit des Entschlussfelds 50 und der
entstehenden Schleife veranschaulicht. In ähnlicher Weise wird eine Vielzahl von
Sturmbahnen für
jede historische Sturmbahn generiert. Dieser Aspekt des Vorgangs
ist durch die Anwesenheit des Entschlussfelds 52 und der
entstehenden Schleife veranschaulicht.
-
Anschliessend
an das Generieren der alternativen Sturmbahnen, erzeugt die Ausführungsform des
Verfahrens, welches in der 1 dargestellt
ist, eine alternative Druckentwicklung („APE") für
jede der historischen Sturmbahnen und der alternativen Sturmbahnen.
Die 5 ist ein Flussdiagramm, welches den Schritt des
Erzeugens von APEs in der Ausführungsform
der 1 weiter veranschaulicht. Der erste Vorgang in
diesem Schritt ist das Auswählen
einer historischen Sturmbahn. Dieser Vorgang ist in der 5 durch
das Feld 54 dargestellt. Der nächste Vorgang in diesem Schritt
ist das Generieren einer APE für
eine ausgewählte
historische Sturmbahn. Dieser Vorgang ist in der 5 durch
das Feld 56 dargestellt. Eine Vielzahl (M) von APEs wird
generiert. Dieses Merkmal ist schematisch durch das Entschlussfeld 58 und
die entstehende Schleife dargestellt.
-
Zusätzlich zum
Generieren einer APE für jede
historische Sturmbahn ist es wünschenswert, eine
APE für
jede alternative Sturmbahn verbunden mit jeder historischen Sturmbahn
zu generieren. Dementsprechend verbindet das Verfahren dieser Ausführungsform,
nach dem Generieren einer APE für
die erste historische Sturmbahn, jede alternative Sturmbahn, welche
von der ausgewählten
historischen Sturmbahn generiert wurde, mit der originalen Druckentwicklung
der historischen Sturmbahn. Dieser Vorgang ist in der 5 durch
das Feld 60 dargestellt. Eine APE wird dann für die alternative
Sturmbahn (Feld 62) generiert. Die Methodologie für das Generieren
der APE ist gleich wie diejenige, welche in Verbindung mit dem Vorgang,
welcher mit Bezug auf das Feld 56 erwähnt wurde, verwendet wurde. Ein
spezifisches Stichprobenverfahren, welches für diesen Vorgang angewendet
werden kann, wird im Folgenden ausführlicher erörtert. Eine Vielzahl (M) von
APEs wird für
jede alternative Sturmbahn generiert. Dieses Merkmal ist in der 5 durch
das Beschlussfeld 64 und die entstehende Schleife veranschaulicht.
Die APEs werden dann in ähnlicher
Weise für
jede der Vielzahl (N) der alternativen Sturmbahnen verbunden mit
jeder historischen Sturmbahn generiert. Dieses Merkmal ist in der 5 durch
das Beschlussfeld 66 und der entstehenden Schleife veranschaulicht.
-
Zum
Schluss wird der Vorgang in dieser Weise fortgesetzt, bis APEs für alle historische
Sturmbahnen und alle verbundenen alternativen Sturmbahnen generiert
worden sind. Dieses Merkmal ist in der Ausführungsform der 5 durch
das Abschlussfeld 68 und der entstehenden Schleife veranschaulicht.
-
6 ist
ein Flussdiagramm, welches den Schritt des Auswählens einer Untermenge von
alternativen Stürmen,
basierend auf die Klimatologie aus der Ausführungsform der 1,
weiter veranschaulicht. Der erste Vorgang in diesem Schritt ist
das Auswählen
von alternativen Sturmbahnen, um eine Vielzahl von „Klon" Jahren zu bilden.
Insbesondere umfasst jedes historische Jahr eine Vielzahl von historischen
Stürmen.
Gemäss
der obigen Erörterung
wird eine Vielzahl (N) von alternativen Sturmbahnen für jede historische
Sturmbahn in einem gegebenen Jahr gebildet. Da jedoch die alternativen
Sturmbahnen durch ein Zufallsverfahren (auch wenn dieses eine abhängige Stichprobentechnik
verwendet) erzeugt werden, ist das Vorkommen von gewissen der alternativen
Sturmbahnen in einem gegebenen Jahr wahrscheinlicher als das Vorkommen
von anderen. Das Auswählverfahren
basiert auf der Kenntnis der Klimatologie des wirklichen Jahres,
in welchem die verbundenen historischen Sturmbahnen vorgekommen
sind. In anderen Worten, alternative Sturmbahnen, deren Vorkommen
in der Wirklichkeit relativ unwahrscheinlich beurteilt wird, werden
deselektiert, basierend auf ermittelte klimatologische Kenntnisse. Somit
wird eine Auswahl von der Gesamtheit der alternativen Sturmbahnen,
welche verfügbar
sind, um ein „Klon" Jahr zu bilden,
geformt, um gewisse der alternativen Sturmbahnen zu umfassen und
andere auszuschliessen. Dieser Vorgang ist in der 6 durch
das Feld 70 veranschaulicht.
-
Eine „Angleichung", welche an den Daten der
ausgewählten
Stürme
ausgeführt
wird, betrifft die vorher erörterte „an Land" Markierungen. Da
die Drucke schnell ansteigen, wenn ein Sturm sich von über Wasser
auf über
Land bewegt, werden die Druckdaten verbunden mit den alternativen
Sturmbahnen angeglichen, um dieses Phänomen wiederzugeben. Dieser
Vorgang ist in dem Flussdiagramm der 6 durch
das Feld 72 dargestellt.
-
Der
letzte Schritt in der globalen Methodologie, welcher in dem Flussdiagramm
der 1 veranschaulicht ist, betrifft das Berechnen
der Windfelder für
bestimmte Punkte entlang jeder Sturmbahn. Solche Berechnungen beinhalten
die Anwendung der Holland'schen
Formel, welche die gerichteten Rauheitswerte und extra-tropische Übergänge berechnet.
Diese Vorgänge
sind in dem Flussdiagramm der 6 durch
die Felder 74, 76, 78 und 80 dargestellt.
-
Wie
oben erwähnt,
werden die alternativen Sturmbahnen durch eine abhängige Stichprobentechnik
generiert. Die 7 veranschaulicht ein Verfahren
zum Generieren von Punkten eines probabilistischen Datensets, welche
repräsentativ
sind für eine
alternative Sturmbahn. Es wird Bezug genommen auf die 7,
wo das Liniensegment 100 einen Teil einer historischen
Sturmbahn darstellt. Zum Zweck der Erörterung wurde ein x – y Koordinatensystem
so überlagert,
dass die Linie 100 durch drei Punkte dargestellt werden
kann, wie folgt:
x = 0 1 2
y = 0 1 1
-
Übereinstimmende
Punkte einer alternativen Sturmbahn, dargestellt durch die Linie 102,
werden durch Generieren von einer Serie von Zufallstupel (xr, yr) für jeden
Punkt der historischen Sturmbahn, anschliessendes Berechnen der
kumulierten Summe (x',
y') dieser Zufallsnummern
entlang der Sturmbahn (d.h. das Zusammenrechnen der zufälligen Abweichungen
entlang der Sturmbahn), und anschliessendes Zufügen dieser akkumulierten zufälligen Abweichungen
(x', y') zur historischen
Sturmbahn (x, y) erzeugt. Die erhaltenen Punkte definieren die alternative
Sturmbahn. Im Beispiel der 7, sind
die Zufallstupel:
xr = 1 0 –1
Yr = 0 0 1
-
Die
kumulierten Summen entlang der alternativen Sturmbahn sind:
| x' = 1 | 1 + 0 = 1 | 1 + (–1) = 0 |
| y' = 0 | 0 + 0 = 0 | 0 + 1 = 1 |
-
Schlussendlich
werden die Punkte auf der generierten Sturmbahn (Linie 102) wie
folgt erhalten:
| x + x' = 0 + 1 = 1 | 1 + 1 = 2 | 2 + 0 = 2 |
| y + y' = 0 + 0 = 0 | 1 + 0 = 1 | 1 + 1 = 2 |
-
Es
gibt verschiedene Wege zum Generieren von Zufallsnummern entweder
durch ein unabhängiges
Stichprobenverfahren von einer normalen oder gleichförmigen Verteilung
oder durch eine abhängige Stichprobentechnik
(wie beispielsweise eine gezielte Zufallsbewegung). Unter Verwendung
der Letzteren kann ein nachfolgender Punkt nur in einem gewissen Grad
von einem vorhergehenden Punkt abweichen. Wie im Folgenden ausführlicher
erörtert
werden wird, generiert eine abhängige
Stichprobentechnik (insbesondere eine gezielte Zufallsbewegung)
realistischere alternative Sturmbahnen.
-
Die 8a–8c veranschaulichen
alternative Sturmbahnen, welche durch die oben beschriebene Technik
generiert werden, unter Verwendung sowohl eines unabhängigen als
auch eines abhängigen
Stichprobenverfahrens. Die 8a veranschaulicht
die Resultate, welche erhalten werden, wenn die Zufallsnummern durch
ein unabhängiges Stichprobenverfahren
von einer normalen Verteilung generiert werden. In der 8a stellt
die dicke Linie 104 die historische Sturmbahn dar. Die übrigen Linien
stellen alternative Sturmbahnen dar. Die alternativen Sturmbahnen
veranschaulichen umherirrende Sturmbewegungen, deren Vorkommen in
der Wirklichkeit nicht wahrscheinlich sind.
-
Die 8b zeigt
die historische Sturmbahn 104 und eine Vielzahl von alternativen
Sturmbahnen, welche durch eine unabhängige Stichprobentechnik generiert
wurden, wobei die Zufallszahlen von einer gleichmässigen Verteilung
generiert werden. Die alternativen Sturmbahnen in diesem Beispiel
sind viel glatter als diejenigen, die in der 8a dargestellt sind.
Die alternativen Sturmbahnen in der 8b weisen
jedoch weiterhin unrealistische „Bewegungen" in zahlreichen Punkten
entlang der Sturmbahn auf.
-
Die 8c zeigt
die historische Sturmbahn 104 und eine Vielzahl von alternativen
Sturmbahnen, welche durch eine abhängige Stichprobentechnik generiert
wurden. In der 8c kann jeder Punkt entlang
der alternativen Sturmbahn nur in einem gewissen Grad vom vorhergehenden
Punkt abweichen. Wie die Resultate zeigen, generiert diese „gezielte Zufallsbewegung" alternative Sturmbahnen,
welche realistischer sind als die in den 8a und 8b dargestellten
Sturmbahnen.
-
9a veranschaulicht
die Resultate, die erhalten werden, wenn eine Vielzahl von alternativen Sturmbahnen
von jeder der relativ grossen Anzahl von historischen Sturmbahnen
generiert wird. In der Darstellung der 9a fängt jede
historische Sturmbahn und ihre jeweiligen verbundenen alternativen Sturmbahnen
an einem gemeinsamen Punkt an (siehe zum Beispiel die Sturmbahnen,
die im unteren rechten Teil der 9a beginnen).
Die 9b stellt eine ähnliche Anzahl von Sturmbahnen
dar, beinhaltet jedoch eine Verfeinerung, welche ein Aspekt der vorliegenden
Erfindung ist. Die Verfeinerung umfasst das Auswählen von alternativen Startpunkten
für jede
der Vielzahl von alternativen Sturmbahnen, verbunden mit einer bestimmen
historischen Sturmbahn. Die Wirkungen dieser Änderung sind leicht ersichtlich
durch die Unterschiede in den unteren rechten Teilen der 9a,
respektive der 9b. Diese Änderung mildert ein wenig ein
unnatürliches „Ballen" von alternativen
und historischen Sturmbahnen, welches in der Darstellung der 9a ersichtlich
ist.
-
Die 10 veranschaulicht
das Resultat, welches erhalten wird, wenn eine relativ grosse Anzahl
von historischen Sturmbahnen und eine Vielzahl von alternativen
Sturmbahnen verbunden mit jeder historischen Sturmbahn auf einer
Karte der Karibik und des Nordatlantiks übereinander gelagert werden.
-
Das
Stichprobenverfahren, mit welchem die alternativen Druckentwicklungen
(APEs) erzeugt werden, wird nun beschrieben. Wie oben erörtert in Verbindung
mit der 3, wird eine Druckklimatologie
erstellt und geglättet.
Anschliessend an diese Schritte wird ein historischer Sturm für das Stichprobenverfahren
ausgewählt.
Bei jeder Position wird zuerst der historische Druck notiert. Dann
wird ein alternativer Druckwert aus der Druckverteilung, welcher für diese
Position von der geglätteten
Druckklimatologie vorhanden ist, ausgewählt. Der gewählte Druck wird
dann mit dem geographischen Punkt der historischen Sturmbahn verbunden,
um eine alternative Druckentwicklung für diesen Punkt zu erzeugen.
Dieses Verfahren wird wiederholt, um eine Vielzahl (M) von alternativen
Druckwerten für
jeden Punkt zu formen und somit eine Vielzahl von alternativen Druckentwicklungen
für die
historische Sturmbahn.
-
Eine
Art und Weise zum Erzeugen einer alternativen Druckentwicklung für eine ausgewählte Sturmbahn
kann als „Minimum" Methode bezeichnet werden.
In dieser Methode wird die Position (geographische Länge und
Breite) des Minimums des absoluten Druckes in der ausgewählten Sturmbahn
identifiziert. Ein neuer Druckwert wird dann ausgewählt gemäss einer
Funktion der Druckverteilung in dieser Position. Das Auswählen kann
auf einer Zufallswahl basieren. Wenn der neue minimale Wert ausgewählt ist,
werden alle anderen Druckwerte entlang der ausgewählten Sturmbahn
dementsprechend angeglichen, wobei nur die ersten und die letzten
Werte unverändert
bleiben. Dies ergibt eine alternative Druckentwicklung, welche die
Form der ausgewählten Sturmbahn
wiederspiegelt, in welcher jedoch die absoluten Werte der Drucke
in jeder Position wechseln (ausser der allerersten und der allerletzten
Position entlang der Sturmbahn). Es können auch Landeinfall- und
Landverlasspositionen identifiziert werden, um zu gewährleisten,
dass zweckmässige
Werte in den alternativen Druckentwicklungen an diesen Positionen
eingesetzt werden.
-
Eine
andere Methode, durch welche alternative Druckentwicklungen generiert
werden können, kann
als „Perzentil" Methode beschrieben
werden. Diese Methode basiert sich auf die Druckdifferenzen in der
Zeit (dp/dt), zusammen mit der Information von der historischen
Sturmbahn. Die Schritte zum Berechnen einer Druckentwicklung für eine alternative Sturmbahn
sind die folgenden:
- a) Bei der Zeit t = 0 entlang
der alternativen Sturmbahn wird der Druckwert p(0) gleich festgesetzt
wie der Druckwert der historischen Sturmbahn bei der Zeit t = 0.
- b) Bei der Zeit t = 1 wird der Druckwert entlang der alternativen
Sturmbahn durch ein erstes Bestimmen des Perzentils des Druckwechsels
entlang der historischen Sturmbahn zwischen den Zeiten t = 0 und
t = 1 ermittelt. Dieser Wert liegt auf der Druckverteilungskurve
der historischen Sturmbahn in der Position x = 1. Das Perzentil
wird mit einer bestimmten Grösse
variiert und ein Wert des Druckwechsels, entsprechend dem variierten Perzentil,
befindet sich in der Druckverteilung für die Position x = 1 der alternativen
Sturmbahn. Der Druckwert bei der Zeit t = 1 in der alternativen Sturmbahn
ist dann gleich dem Druck bei der Zeit t = 0 plus der Wert, der
sich in der Druckverteilung der alternativen Sturmbahn befindet.
- c) Die obigen Schritte werden während der Zeit t = 2 wiederholt,
mit Rückverweis
auf die bei der Zeit t = 1 bestimmten Werte.
-
Das
Perzentil wird vorzugsweise gemäss
einer gleichmässigen
Verteilung variiert. Die Streuung ist vorzugsweise etwa plus/minus
15 %. Eine zweite alternative Druckentwicklung kann gebildet werden durch
das Starten bei dem letzten Zeitschritt und das Befolgen des gleichen
Verfahrens, wobei der Zeit t = 0 entgegengesetzt gearbeitet wird.
Eine dritte alternative Druckentwicklung kann bestimmt werden durch
das Entnehmen eines gewichteten Bewertungsdurchschnitts der ersten
und der zweiten Druckentwicklung, wobei der ersten mehr Gewicht
in der Nähe
des Anfangs der Sturmbahn und der zweiten mehr Gewicht in der Nähe des Endes
der Sturmbahn gegeben wird. Der Fachmann in der Technik wird verstehen,
dass andere Variationen in ähnlicher Art
und Weise ermittelt werden können,
um zusätzliche
Druckentwicklungen zu erzeugen.
-
Das
Verfahren des Generierens der alternativen Druckentwicklungen wird
für jede
der historischen Sturmbahnen, welche im Anfangsschritt eingegeben
wurden, und für
jede der alternativen Sturmbahnen, welche für jede der historischen Sturmbahnen
generiert wurden, wiederholt. Wenn N alternative Sturmbahnen für jede historische
Sturmbahn generiert werden und wenn M APEs für jede der historischen und
der alternativen Sturmbahnen generiert werden, wird somit ein Total
von (N + 1) × M „künstlichen" Stürmen für jeden
historischen Sturm generiert, für
welchen Daten verfügbar
sind. Das heisst, jede Sturmbahn (sowohl eine historische als auch eine
alternative) ist mit M hypothetischen Druckentwicklungen verbunden.
-
Die 11 stellt APEs dar, welche für eine Vielzahl
von Sturmbahnen generiert wurden. In jeder der Darstellungen der 11 wird die Druckentwicklung einer ausgewählten Sturmbahn
mit einer dunklen Linie dargestellt, während die für die ausgewählte Sturmbahn
generierten APEs mit helleren Linien gezeigt werden. Wie oben erörtert, sind
die Profile oder Formen der APEs ähnlich zur ausgewählten Sturmbahn.
Die Werte der absoluten Drucke sind jedoch in jeder gegebenen Position
entlang der Sturmbahn unterschiedlich, wie dargestellt.
-
Die
Wahl der alternativen Drucke für
jeden Punkt der historischen Druckentwicklung unterliegt gewissen
Bedingungen. Zum Beispiel, der alternative Druckwert, der für einen
bestimmten Punkt gewählt wird,
wird nicht höher
sein als die Druckwerte, welche nie an diesem bestimmten Punkt beobachtet
wurden, oder als diejenigen, die unter Verwendung der Erweiterung
der Klimatologie basierend auf der SST bestimmt wurden. Des Weiteren,
wenn in der historischen Druckentwicklung eine ungewöhnliche
Druckvariation in einer bestimmten Position auftritt, dann können in ähnlicher
Weise ungewöhnliche
Variationen für
die APEs in dieser Position ausgewählt werden. Druckvariationen,
welche in der Wirklichkeit nicht möglich sind oder deren Vorkommen
in einer gegebenen Position extrem unwahrscheinlich scheinen, werden
auch vermieden. Die entwickelten Druckverteilungen in Verbindung
mit dem Erstellen der Druckklimatologie, erörtert im Zusammenhang mit der 3,
werden verwendet, um die Erfüllung dieser
Bedingungen zu erleichtern.
-
Obwohl
die vorliegende Offenlegung mit Bezugnahme auf bestimmte Mittel,
Materialien und Ausführungsformen
in der vorhergehenden Beschreibung beschrieben wurde, wird der Fachmann
der Technik die wesentlichen Merkmale der vorliegenden Offenlegung
leicht feststellen, und verschiedene Änderungen und Modifikationen
können
zur Anpassung der verschiedenen Verwendungen und Merkmale ausgeführt werden,
ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, wie in den folgenden
Ansprüchen
definiert, abzuweichen.