一种基于非均匀栅格划分进行台风轨迹路径模拟的方法

1.本发明涉及台风路径模拟技术领域，具体涉及一种基于非均匀栅格划分进行台风轨迹路径模拟的方法。


背景技术：

2.台风灾害作为常见的自然灾害之一，严重威胁着沿海地区的生命财产安全。强风能够毁坏房屋建筑和公共设施，伴随台风的强降雨能够引起洪水以及城市内涝。了解台风的轨迹，对减少台风的灾害损失非常重要。
3.vickery等提出经验全路径是一种常用的台风轨迹模拟方法，该方法将研究区域划分为均匀的栅格，其中，均匀的栅格是指将研究区域划分为若干个大小完全相同的栅格，对每个栅格里面的历史轨迹数据，进行线性拟合，获得线性方程参数。然后代入方程参数，采用线性方程对台风行进速度、台风行进方向和台风中心气压进行模拟。但是该方法的栅格划分分辨率较低，而且不能保证每个栅格能为线性拟合提供足够的历史数，导致模拟的台风轨迹路径精度不高。


技术实现要素：

4.本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种基于非均匀栅格划分进行台风轨迹路径模拟的方法。
5.本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：一种基于非均匀栅格划分进行台风轨迹路径模拟的方法，包括步骤：步骤s1、获取热带气旋数据，并对热带气旋数据进行预处理；步骤s2、将研究区域划分成非均匀栅格，其中，非均匀栅格是指大小不完全相等的栅格；步骤s3、基于步骤s2划分的非均匀栅格，通过经验全路径模型模拟台风轨迹。
6.进一步地，步骤s1具体包括：步骤s1.1、从公共网站下载预设年份的热带气旋数据；步骤s1.2、删除步骤s1.1中下载的热带气旋数据中时段数小于等于10的气旋，其中，时段间隔为6小时。
7.进一步地，步骤s2具体包括：步骤s2.1、设研究区域为；步骤s2.2、假设将划分为个大小相等的区域、、，其中为整数且的取值范围为；步骤s2.3、判断、、内的数据数是否均小于预设阈值：若是，则不会被划分；若否，则被划分为个大小相等的区域、、；其中，预设阈值用于保证经验全路径模型模拟台风轨迹时有足够的数据对经验全路径模型公式中的参数进行拟
合；步骤s2.4、针对、、中数据数小于预设阈值的区域，区域内的线性方程的参数将采用中的数据进行拟合；针对、、中数据数大于等于预设阈值的区域，对数据大于等于预设阈值的每个区域，分别重复步骤s2.2~步骤s2.3，直至不能继续划分或划分后的区域尺寸大小小于预设的最小尺寸。
8.进一步地，对于台风发生多受关注的区域，样本点多，栅格划分密集；对于台风发生少受关注少的区域，样本点少，栅格划分稀疏。
9.进一步地，步骤s3中，经验全路径模型采用如下公式：（1）（2）其中，和分别为台风中心所在位置的经度和纬度；和分别是公式（1）和公式（2）的残差；和分别是台风在时刻和时刻的行进角度，角度值按照顺时针方向从-180
°
到180
°
，设正北方向角度值为0
°
；为时刻到时刻台风行进角度的变化量；为台风在时刻的行进速度；为时刻到时刻行进速度自然对数的变化量；、、、、为公式（1）的系数；、、、、、为公式（2）的系数。
10.步骤s3具体包括：步骤s3.1、针对步骤s2中划分的栅格，对每个栅格分别通过公式（1）和公式（2）对系数、、、、和、、、、、进行拟合，拟合方法采用稳健线性回归中的随机采样一致性算法ransac；步骤s3.2、对公式（1）的残差和公式（2）的残差，采用分布进行拟合；步骤s3.3、选取模拟台风的初始状态，初始状态包括台风的初始位置、台风初始行进角度和台风的初始行进速度，代入公式（1）和公式（2），获得模拟的台风轨迹，其中，台风的初始位置指初始时台风中心所在位置的经度和纬度。
11.进一步地，步骤s3.1中的随机采样一致性算法ransac具体如下：1）从栅格内所有样本点中随机选取若干个样本点，对选取的若干个样本点进行线性回归；2）判断栅格内所有样本点中非步骤1）中的样本点是否为经验全路径模型内的点；3）如果经验全路径模型内的样本点比例达到设定的阈值，则采用最小二乘法重新对这些满足经验全路径模型的点进行线性拟合，否则，重复步骤1）和2）；其中，最小二乘法的计算公式如下：（3）式（3）中，、、均为矩阵，为矩阵的转置，为矩阵的逆矩阵，为经验全路径模型公式系数的矩阵形式，为栅格内的所有样本点的自变量的矩阵形式，为栅格内的所有样本点的因变量的矩阵形式。
12.本发明的有益效果是：1.本发明采用了非均匀栅格划分方法，对台风密集的区域进行了精细化划分，提
高了划分栅格的分辨率，同时能保证每个栅格有足够的历史数据用于参数拟合，以保证模拟的台风轨迹路径更加准确，接近实际的台风轨迹。
13.2.在参数拟合中，部分栅格进行了数据共享，如步骤s2.4中区域，当的子区域内的数据数小于预设阈值时，区域的数据共享给了该子区域，这样能保证在区域划分子区域中，即使区域中大量样本数据聚集在某一子区域，此子区域仍能继续划分为更小的子区域；如若数据不能共享，当的子区域内的数据数小于阈值时，区域不能划分。
14.3.栅格内的参数拟合采用了稳健线性回归，减少了线性回归过程中离群值对拟合结果的影响。
附图说明
15.图1为本发明实施例所述的台风数据的栅格划分的示意图。
16.图2为本发明实施例所述的向东方向台风数据的栅格划分的示意图。
17.图3为本发明实施例所述的向西方向台风数据的栅格划分的示意图。
18.图4 为本发明实施例所述的部分历史台风轨迹的示意图。
19.图5为本发明实施例所述的部分模拟的台风轨迹的示意图。
具体实施方式
20.为了便于本领域人员更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，下述仅是示例性的不限定本发明的保护范围。
21.本实施例所述的一种基于非均匀栅格划分进行台风轨迹路径模拟的方法，包括步骤：步骤s1、获取热带气旋数据，并对热带气旋数据进行预处理；步骤s2、将研究区域划分成非均匀栅格，其中，非均匀栅格是指大小不完全相等的栅格；步骤s3、基于步骤s2划分的非均匀栅格，通过经验全路径模型模拟台风轨迹。
22.为了更好地理解上述的技术方案，下面将参照附图详细地描述本发明的示例性实施例，虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，还可以以各种形式实现本发明而并不局限于这里所述的实施例。这些实施例是为了使本领域技术人员更清楚和更透彻地理解本发明。
23.具体地，本实施例所述的一种基于非均匀栅格划分进行台风轨迹路径模拟的方法，包括步骤如下：步骤s1、获取热带气旋数据，并对热带气旋数据进行预处理。
24.进一步地，步骤s1具体包括：步骤s1.1、从公共网站下载预设年份的热带气旋数据，本实施例以从某国气象局热带气旋资料中心下载1949年到2021年的热带气旋资料为例；步骤s1.2、删除步骤s1.1中下载的热带气旋数据中持续时间较短的气旋，原因是持续时间较短的气旋强度弱影响小。本实施例中删除时段数小于等于10的气旋，其中，时段
间隔为6小时，也就是删除步骤s1.1中下载的热带气旋数据中时段数小于等于60个小时的气旋。
25.步骤s2、将研究区域划分成非均匀栅格，其中，非均匀栅格是指大小不完全相等的栅格。
26.本实施例中，最大的创新点在于将研究区域进行非均匀栅格划分。具体地，步骤s2包括：步骤s2.1、设研究区域为。
27.步骤s2.2、假设将划分为个大小相等的区域、、，其中为整数且的取值范围为。
28.步骤s2.3、判断、、内的数据数是否均小于预设阈值：若是，则不会被划分；若否，则被划分为个大小相等的区域、、；其中，预设阈值用于保证经验全路径模型模拟台风轨迹时有足够的数据对经验全路径模型公式中的参数进行拟合。
29.步骤s2.4、针对、、中数据数小于预设阈值的区域，区域内的线性方程的参数将采用中的数据进行拟合；针对、、中数据数大于等于预设阈值的区域，对数据大于等于预设阈值的每个区域，分别重复步骤s2.2~步骤s2.3，直至不能继续划分或划分后的区域尺寸大小小于预设的最小尺寸。
30.为了更好的理解步骤s2所述的非均匀栅格的划分方法，下面以为例，则，即将划分为4个大小相等的区域、、、，具体实现过程如下：（1）选取研究区域，本实施例以某区域为例进行说明，根据预设的最小尺寸，将等分为个基本单元，由于，这里将等分为个基本单元，的大小根据以下划分标准计算获得，即保证每个基本单元的尺寸大于预设的最小尺寸，且该基本单元划分的子单元的尺寸小于最小尺寸；每个基本单元尺寸为最后划分栅格区域的最小尺寸，栅格可以由多个基本单元或者一个基本单元组成。本实施例中以取6为例，即，将等分为个基本单元，从图1、图2、图3、图4、图5均可以看出。图1~图5中，横坐标代表东经，纵坐标代表北纬；箭头表示的hax代表海岸线；从图1~图5的图示方向看，水平的线条和垂直的线条代表划分栅格的线。
31.（2）对研究区域的起始单元赋参数，参数包括、和，其中，指单元代表的区域是否可以划分，指单元代表的区域的大小，指单元代表的区域所使用数据的范围。
32.（3）对进行划分，划分为4个大小相等的区域、、、，设左上角为、右上角为、左下角为、右下角为。判断、、、中数据数是否均小于预设阈值：若是，则不进行划分，的起始单元参数状态变为不能划分；
若否，对于数据数小于预设阈值的，以为例，则这时的起始单元值参数表示不能划分，表示栅格的大小为，表示使用的数据所包括的范围为；对于数据数大于等于预设阈值的，以为例，则的起始单元值参数为表示能划分，表示栅格的大小为，表示使用的数据所包括的范围为。
33.（4）对于栅格的起始单元的参数状态为能划分的区域，如步骤（3）中的，对其进行划分，重复步骤（2）和步骤（3），直到栅格不满足划分条件，或者栅格大小为单个单元格大小为止，本实施例中最小栅格大小为（纬度
×
经度）。一般将历史台风轨迹数据分为东西方向，分别对公式（1）和公式（2）的系数进行拟合，栅格划分也根据东西方向数据分别划分，图1为本发明实施例所述的台风数据的栅格划分的示意图，图2为本发明实施例所述的向东方向台风数据的栅格划分的示意图，图3为本发明实施例所述的向西方向台风数据的栅格划分的示意图。
34.作为本实施例优选地，对于台风发生多受关注的区域，样本点多，栅格划分密集；对于台风发生少受关注少的区域，样本点少，栅格划分稀疏。这样能保证每个栅格区域内有足够样本数据的同时，尽可能的将栅格划分的精细化，有助于对台风轨迹精确化模拟。
35.步骤s3、基于步骤s2划分的非均匀栅格，通过经验全路径模型模拟台风轨迹，其中，经验全路径模型采用如下公式：（1）（2）其中，和分别为台风中心所在位置的经度和纬度；和分别是公式（1）和公式（2）的残差；和分别是台风在时刻和时刻的行进角度，角度值按照顺时针方向从-180
°
到180
°
，设正北方向角度值为0
°
；为时刻到时刻台风行进角度的变化量；为台风在时刻的行进速度；为时刻到时刻行进速度自然对数的变化量；、、、、为公式（1）的系数；、、、、、为公式（2）的系数。
36.本实施例优选，步骤s3具体包括：步骤s3.1、针对步骤s2中划分的栅格，对每个栅格分别通过公式（1）和公式（2）对系数、、、、和、、、、、进行拟合，拟合方法采用稳健线性回归中的随机采样一致性算法ransac。本实施例中通过随机采样一致性算法ransac的计算具体如下：1）从栅格内所有样本点中随机选取若干个样本点，本实施例中以选取6~15个样本点为例，对选取的6~15个样本点进行线性回归；2）判断栅格内所有样本点中非步骤1）中的样本点是否为经验全路径模型内的点；3）如果经验全路径模型内的样本点比例达到设定的阈值，则采用最小二乘法重新对这些满足经验全路径模型的点进行线性拟合，否则，重复步骤1）和2）；其中，最小二乘法的计算公式如下：（3）式（3）中，、、均为矩阵，为矩阵的转置，为矩阵的逆矩
阵，为经验全路径模型公式系数的矩阵形式，为栅格内的所有样本点的自变量的矩阵形式，为栅格内的所有样本点的因变量的矩阵形式。以公式（1）为例，为、、、、的矩阵形式，为栅格内的所有样本点的、、、的矩阵形式，为栅格内的所有样本点的。
37.步骤s3.2、对公式（1）的残差和公式（2）的残差，采用分布进行拟合。
38.步骤s3.3、选取模拟台风的初始状态，初始状态包括台风的初始位置、台风初始行进角度和台风的初始行进速度，代入公式（1）和公式（2），获得模拟的台风轨迹，其中，台风的初始位置指初始时台风中心所在位置的经度和纬度。图4 显示了部分历史台风轨迹的示意图，图5显示了部分模拟的台风轨迹的示意图，从图4和图5的图示方向看，除了海岸线hax之外，其他非水平的线条和非垂直的线条均表示台风轨迹。通过图4和图5对比可以看出，本实施例模拟的台风轨迹和历史台风轨迹具有一致性，进而可以证明通过本实施例所述的方法模拟的台风轨迹路径的精度高。
39.以上仅描述了本发明的基本原理和优选实施方式，本领域人员可以根据上述描述做出许多变化和改进，这些变化和改进应该属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于非均匀栅格划分进行台风轨迹路径模拟的方法，其特征在于，包括步骤：步骤s1、获取热带气旋数据，并对热带气旋数据进行预处理；步骤s2、将研究区域划分成非均匀栅格，其中，非均匀栅格是指大小不完全相等的栅格；步骤s3、基于步骤s2划分的非均匀栅格，通过经验全路径模型模拟台风轨迹。2.根据权利要求1所述的基于非均匀栅格划分进行台风轨迹路径模拟的方法，其特征在于，步骤s1具体包括：步骤s1.1、从公共网站下载预设年份的热带气旋数据；步骤s1.2、删除步骤s1.1中下载的热带气旋数据中时段数小于等于10的气旋，其中，时段间隔为6小时。3.根据权利要求1所述的基于非均匀栅格划分进行台风轨迹路径模拟的方法，其特征在于，步骤s2具体包括：步骤s2.1、设研究区域为；步骤s2.2、假设将划分为个大小相等的区域、、，其中为整数且的取值范围为；步骤s2.3、判断、、内的数据数是否均小于预设阈值：若是，则不会被划分；若否，则被划分为个大小相等的区域、、；其中，预设阈值用于保证经验全路径模型模拟台风轨迹时有足够的数据对经验全路径模型公式中的参数进行拟合；步骤s2.4、针对、、中数据数小于预设阈值的区域，区域内的线性方程的参数将采用中的数据进行拟合；针对、、中数据数大于等于预设阈值的区域，对数据大于等于预设阈值的每个区域，分别重复步骤s2.2~步骤s2.3，直至不能继续划分或划分后的区域尺寸大小小于预设的最小尺寸。4.根据权利要求3所述的基于非均匀栅格划分进行台风轨迹路径模拟的方法，其特征在于，对于台风发生多受关注的区域，样本点多，栅格划分密集；对于台风发生少受关注少的区域，样本点少，栅格划分稀疏。5.根据权利要求1所述的基于非均匀栅格划分进行台风轨迹路径模拟的方法，其特征在于，步骤s3中，经验全路径模型采用如下公式：（1）（2）其中，和分别为台风中心所在位置的经度和纬度；和分别是公式（1）和公式（2）的残差；和分别是台风在时刻和时刻的行进角度，角度值按照顺时针方向从-180
°
到180
°
，设正北方向角度值为0
°
；为时刻到时刻台风行进角度的变化量；为台风在时刻的行进速度；为时刻到时刻行进速度自然对数的变化量；、、、、为公式（1）的系数；、、、、、为公式（2）的系数。6.根据权利要求5所述的基于非均匀栅格划分进行台风轨迹路径模拟的方法，其特征
在于，步骤s3具体包括：步骤s3.1、针对步骤s2中划分的栅格，对每个栅格分别通过公式（1）和公式（2）对系数、、、、和、、、、、进行拟合，拟合方法采用稳健线性回归中的随机采样一致性算法ransac；步骤s3.2、对公式（1）的残差和公式（2）的残差，采用分布进行拟合；步骤s3.3、选取模拟台风的初始状态，初始状态包括台风的初始位置、台风初始行进角度和台风的初始行进速度，代入公式（1）和公式（2），获得模拟的台风轨迹，其中，台风的初始位置指初始时台风中心所在位置的经度和纬度。7.根据权利要求6所述的基于非均匀栅格划分进行台风轨迹路径模拟的方法，其特征在于，步骤s3.1中的随机采样一致性算法ransac具体如下：1）从栅格内所有样本点中随机选取若干个样本点，对选取的若干个样本点进行线性回归；2）判断栅格内所有样本点中非步骤1）中的样本点是否为经验全路径模型内的点；3）如果经验全路径模型内的样本点比例达到设定的阈值，则采用最小二乘法重新对这些满足经验全路径模型的点进行线性拟合，否则，重复步骤1）和2）；其中，最小二乘法的计算公式如下：（3）式（3）中，、、均为矩阵，为矩阵的转置，为矩阵的逆矩阵，为经验全路径模型公式系数的矩阵形式，为栅格内的所有样本点的自变量的矩阵形式，为栅格内的所有样本点的因变量的矩阵形式。

技术总结
本发明公开了一种基于非均匀栅格划分进行台风轨迹路径模拟的方法，包括步骤：步骤S1、获取热带气旋数据，并对热带气旋数据进行预处理；步骤S2、将研究区域划分成非均匀栅格，其中，非均匀栅格是指大小不完全相等的栅格；步骤S3、基于步骤S2划分的非均匀栅格，通过经验全路径模型模拟台风轨迹。本发明采用了非均匀栅格划分方法，对台风密集的区域进行了精细化划分，提高了划分栅格的分辨率，同时能保证每个栅格有足够的历史数据用于参数拟合，以保证模拟的台风轨迹路径更加准确，接近实际的台风轨迹。轨迹。轨迹。


技术研发人员：王乃玉 黄秀兵
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/7/22