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用分级类似核算黄冲站台风暴潮

发布时间:2019-05-07



  甘雨鸣 沈灿燊

  1 前语

  飓风暴潮预告问题在国民经济的重要性和迫切性,在许多文章中均有述及。现在,在飓风暴潮的预告中,各站台常用的办法之一爲类似法,它首要使用了前史上各次飓风反常增水的材料,并认爲:此种水文要素的长时刻的、前史的改变及记録刚好反映了这个要素全面的改变,虽然咱们对影响飓风暴潮各种外部要素和内部要素还不能逐一辨认并加以断定,但它们的归纳影响,都毫无例外地可以反映在这个要素自身的前史改变之中。正因爲如此,加上此法简略、便利,不用进行繁複的核算,在滨海的各个台站中都得到广泛的使用。不过,这种办法是存在着必定的缺点的,首要问题在于现在所用的类似法中,考虑的类似要素仅爲单个类似要素——飓风途径类似,在作业中,只需翻出前史上某场飓风与眼下要来的飓风在途径上类似时,就找出了前史上那次飓风所形成本站的增水记録作爲预告的依据,加以必定的人爲的修订并以予发布。固然,飓风途径也许是影响飓风暴潮的首要对立,不过在飓风暴潮预告所牵连要素衆多的景象下,无异这是一种非常限制的处理办法,这个问题,咱们已在《使用相关剖析办法,对黄冲站飓风增水进行分类》一文中已提及。本文,正是针对这个缺点由中山大学数学系数学专业73级的部分学员及教师与地舆系水文专业飓风暴潮研讨组一起努力下,参照了美国迈阿密国家飓风中心所提出的HURRAN预告办法作了一些改善并引进于水文预告中而拟定的,然后使类似法进一步进步了其精度,更好地爲飓风暴潮预告做好作业。

  2 根本思路与处理办法

  多级或分级类似,是在单一要素类似的根底上发展起来的,它们挑选作预告的类似要素有几个之多,但它们均要从前史材猜中依据引起飓风暴潮的参数而找出。因为咱们对引发飓风暴潮的机制缺少清楚的了解,因而往往会使咱们所挑出来的、作爲预告台潮的预告要素并不非常抱负,但咱们力求可以做好这点,以便使该法能得出一个较爲杰出的预告作用。

  所谓相关类似办法,可作这样的一种考虑,从图形上来説,它实践上是由两个因子所搆成的相关图(点聚图)中的一个指定区域内去找寻类似个例,那麽可以推想,假如要使用几个因子作多级类似的话,堆叠地使用多张点距图就可以得到多级类似个例。

  从数学视点来叙说就会变得更简单清楚。因为在相关类似中考虑到,从天气预告视点(水文预告也相同)剖析两个因子有必定联系,需求联合起来一同运用,实践上这就起了一个新因子的作用。所以实质上就变成了只限一个因子一个因子地来断定类似个例。例如,咱们关于类似法定出一个准则,只能对每一个因子给出必定的类似範围而不允许超越它(不然失掉类似的资历),那麽,此刻在数学上就不会是一起考虑一切的因子,而是逐一地来加以考虑。以预告飓风爲例,假如被预告飓风相应的那些因子的观测值和前史材猜中的飓风个例中相应因子的观测值的差不超越给定的类似範围的话,就认爲这飓风个例爲一个类似个例,可用来参与核算。事实上,关于飓风所引起的暴潮增水来説,这种多级类似也仍然建立。爲显着起见,咱们以两个因子爲例,用图来説明一下。

  假如被预告的飓风或其引起的增水由X1,X1两个因子所断定,那麽,在上述景象下用来断定类似个例的区域就必定是两对虚綫(见图)所围成带状区域,这两个带状区域的公共部分是一个矩形区域 。那麽,关于几个因子,即多级类似的状况,咱们相同可以使用高维空间给出一个直观的几许解析。

  关于类似法来説,假如某一个例,仅仅是一个因子X1(1≤i≤k)所承认的类似个例,而对其它因子来説不是类似个例,此刻咱们称这种个例爲一级类似个例。相反,假如某个个例是一起由S个因子Xi1,Xi2……Xij(1≤ij≤k   j=1,2,……s)所承认的类似个例,而对其他来説不是,那就称爲S级类似个例,很简单了解,当级数愈大时,这种类似个例的类似含义愈显着,对预告来説也愈爲重要,这裏的权数显着随级数的增大而增大。因而,咱们便可以使用级数来表明类似个例的权数,所谓不类似,实践上就是一种零级类似个例。

  按这种思路想象,咱们搜集呈现于某一特定时刻,特定区域的前史飓风及飓风暴潮个例,对每一个飓风个例,沿其途径每隔6小时取一点,便可以得到那对应点上飓风的途径改变。範围巨细、移速快慢及台潮增水诸要素等的改变特徵值a1,a1,a3……a ,然后搆成了预告的根底。例如,在某时刻,某区域呈现了一个新飓风,针对其当时的方位,得到一系列的飓风及飓风暴潮增水要素a1,a2 ,a3……an。然后在前史材猜中找出能满意以下不等式的点:

  这裏的e1,e2,e3,……en是一些通过必定运算恰当取定的常数,爲了便利,咱们称之爲“框”,那麽这些“框”就起了对预告核算处以权数的依据。显着,这个框实践上就是在某一特定範围内从数学上给予的定量描绘,当咱们找出这些框与新飓风及飓风增水要素之间的联系,预告就可按类似法进行。在这裏,爲了使分级类似既考虑到它的类似性及相关性,对每一个作爲预告飓风反常增水的飓风要素都定了一大一小的两个“框”。在实践的核算中,先在小框裏找类似个例,假如找到,就加权一级加以核算,小框找不到但在大框中存在时,相同认爲归于类似个例,可参与核算,但没有权数。至于框外的,就认爲不类似而不需求引进核算了。

  3 核算及成果剖析

  用这个办法,咱们核算了珠江口黄冲站48场(454个点)的飓风增水,关于每场飓风选了10个预告要素,最大权数是10,这些预告要素别离爲:

  (1)飓风中心所在的纬度、经度(包含前6小时)。飓风所在的方位对某一固定点受飓风增水的影响是显着的。

  (2)飓风中心最大风速。按飓风增水,实践上是由气压下降而形成的增水及河口被冲突所挟制的水量在岸边堆积而形成增水两部分搆成。这两部分可以从飓风中心气压的值或中心最大风速体现出来。

  (3)飓风走向 视点。这是前史上飓风与新来飓风走向类似的一个定量目标。

  (4)飓风呈现的日期。从核算可知,在某一经纬度呈现飓风,因为呈现的日期不同其移动途径会随时节不同而异,增水天然也不相同。

  (5)本站风向风力(包含冬风重量与春风重量)。冬风重量与春风重量的引进理由,参看《黄冲站36小时飓风暴潮预告计划》一文,一起,本站风向及其巨细也体现了飓风的範围。

  (6)本站与飓风中心气压的气压梯度。它预示着飓风到来的或许性及飓风的强度,显着,它与形成本站的飓风增水联系密切。

  咱们认爲,这些因子对飓风引起的增水所起的作用是显着的。除此之外,咱们还选了16°~24°N,110°~120°E作爲预告区,因爲本站的地舆方位坐落22°18N,113°03E,预告区範围内的飓风对本站均有影响。

  通过电子核算机核算并加以恰当的挑选,咱们对“大框”及“小框”作这样的择取:

  看来,此法在作12小时和48小时预见期的预告作用较好;而24小时和36小时预见期预告的絶对平均差错则比较大。

  4 手艺预告核算举例

  (1)凡进入16°~24°N,110°~120°E的飓风均进行飓风暴潮预告核算,并认爲飓风进入这个範围后就可以对它的逐一因子找类似个例。

  (2)依据咱们拟定的“大框”及“小框”对新飓风的各因子与前史材猜中的飓风个例的相应因子进行比照,落入“小框”者加权核算,落入“大框”者参与核算,但没权数,在“大框”外的,则不进行核算。

  (3)[例]以7406号飓风爲例,预告该飓风6月11日(2000时)黄冲站12、24、36、48小时后的增水,此刻(即6月11日2000时)飓风方位爲116°E,16.6°N(其它各因子按实测材料核算如表1之所列)。

  ①首先按大、小框找出它们应该类似的範围:

  ②从日期範围内即5.1~7.21在“目録”(附后)内找类似的飓风个例数,计爲:

  6111 6402 6403 6508 6605 6606 7003 7106 7108 7109  7112 7113 7202 7304  7405

  ③在上述16场飓风中对各场飓风各因子找类似及按已述的准则核算其权数。

  16场飓风中,6111  6402  7106  7304 四场飓风契合核算要求,按表2钞録正文部分并作权数核算如下:

  实测值爲6月11日2000时后12小时增水33cm,24小时增水61cm,36小时增水83cm,48小时增水36cm。显着12小时及48小时后的预告值较好,前者差值爲0,后者差值爲5cm,这与谈到的差错散布成果相符,但24小时及36小时的预告值相差较大。

  5 几点领会

  (1)这个办法是妄图通过多级类似的办法来改善一级类似也就是咱们所通用的类似法所具有的缺乏而进行的,但所挑选的各个“级”,即预告因子是否合理,这是一个急待研讨的问题,只要这个根本问题处理后,即找出了影响飓风增水的首要对立后,办法的改善才具有真实的含义,因而,这方面还有待改善以使预告作用更好。但即使如此,这个办法也显着地改善了单一类似法的缺乏,它既使类似法有了一个多级的概念,然后进步了预告的精度,一起也使类似法在预告中具有了新的含义,然后削减人爲片面的臆测,增加了客观的判别理由,整个预告建立在更爲科学的根底上。

  (2)此法在整个预告中,都可进行飓风处于某点时本站12小时、24小时、36小时、48小时后的飓风暴潮增水预告,显着,关于单站预告来説,不只延伸了预告的预见期,还使四种不一起效的预见期都得以运用,假如可以用其他单站预告办法加以弥补或彼此对照然后把预告值调整取舍的话,无异会大大进步飓风暴潮水位的预告精度。

  (3)从数学上可以看到,当咱们在预告中需求多考虑几个其他因子时,那麽它能找到的类似个例必定会相应地削减,就如咱们所举7406飓风这个例子来説,它的一级类似有16个个例,但是真实契合咱们这个核算条件的,仅有4个。在HURRAN办法功能剖析陈述中指出,对24小时的预告中已有1/3的飓风找不到有5个以上的类似个例,因而,难于考虑其它因子,更何况我国的西北太平洋、南海飓风材料较少,滨海台潮水位观测站建站所具有的水位材料年限也不长。因而,选用此法,在挑选因子时,要契合“少而精”的准则,预告飓风暴潮的牢靠因子要尽或许多地包含进去,但又不能过多,要恰当地处理好这对对立。

  (4)“黄冲站36小时飓风暴潮预告计划”一文中,已对长浪引起水位改变对飓风暴潮预告延伸预见期的或许性作了必定的定量描绘,但在这个办法中并没有可以体现出这个定论来。水位,在这裏仅作爲被预告的成果来加以使用而没有作爲预告目标来加以使用,信任,假如加上这一水文要素作爲预告因子的话,必将会进步预告作用。现在的这个办法,根本上是移用气候的预告办法到水文预告中去,但从这点来看,进一步的变革仍是有或许的。事实上,不管HURRAN还使其它变革的预告飓风的办法,都很注重惯性因子的作用,并使其体现在速度絶对值和移动方向上,作爲水文要素改变,所具有的保存性更甚,因而,从这点来説,引进长浪,即潮形在“直接大波”到来之前的细小改变来预告台潮最大水位,应该是必要的。

  (5)这裏所选用的“框”是通过重复的核算调整得到的,现在所选用的框,关于预告12小时及48小时的飓风增水作用较好,加以调整后,也可使其对24及36小时预告具有好作用,不过那时,12小时及48小时所预告出来的精度就会下降,因而,怎么合理地造“框”这相同是进步预告精度的一个非常重要的方面。

  (6)爲了做好预告因子的挑选作业,除了从核算这个视点进行之外,从物理成因方面加以挑选显着是一个最重要的方面。现在,形成飓风反常增水的机制远非清楚,这包含单站及大方面的飓风增水机制都如此。爲此主张各协作部分,应加以展开这方面的作业,并加强协作一起进行。

  (原载:海洋科技,国家海洋局海洋出版社。)

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