[发明专利]一种基于随机森林算法的热带气旋全路径模拟方法

说明书

本发明提供了一种新型的基于随机森林算法的热带气旋全路径模拟方法。采用基于机器学习的随机森林算法挖掘历史台风关键信息的非线性映射关系，能有效避免传统全路径模拟方法的线性回归分析拟合能力的不足。该方法对基于聚类分析生成的各类路径的整体信息建立模型，可以针对每个模型进行调试以保证学习效果，无需将计算海域划分成网格以进行大量的回归分析。随机森林算法技术手段的引进可一定程度上改进传统方法参数标定没有标准流程的缺陷。与传统模拟方法一致的是，该方法亦能对整个西北太平洋区域的热带气旋生成、行进路径、行进方向、洋面强度发展以及登陆强度衰减进行随机模拟，生成大量符合历史样本特征的热带气旋路径及强度随机事件样本集，据此进行中国沿海地区台风灾害风险的定量精细化评估，从而有效地解决局部区域历史样本不足的问题，为灾害风险的定量精细化评估奠定了基础。该方法能保证较好的准确性和普遍性，可推广到其他区域进行飓风灾害风险评估分析。

技术领域

本发明属于工程结构抗风性能设计领域，尤其涉及一种基于随机森林算法的热带气旋全路径模拟方法。

背景技术

台风过境常常带来狂风暴雨天气，引起海面巨浪并形成风暴潮危害，严重威胁沿海工程结构安全。据统计，每年平均登陆我国东南沿海的热带气旋包括台风及超强台风的数目约为 9个，虽然西北太平洋热带气旋总数近年有减少的趋势，但气旋强度呈现增大趋势。随着沿海地区经济的迅速发展，人口和建筑密度的迅速增大，随着愈来愈多的风敏感结构如超高层建筑、大跨体育场、大跨桥梁等的兴建，台风引起的工程事故屡见不鲜。因此，鉴于台风灾害可能造成的巨大损失，工程结构抗风性能设计有必要考虑台风作用。但是，目前国内结构设计规范关于风荷载的平均风和脉动风特性部分都是基于空旷场地良态风的统计成果，并未对台风风场作出明确规定。台风风场相对于良态风存在尺度小、频率低、数据采集难度大等特征，导致目前近地台风实测数据尚不充足，无法对台风气候模式作出准确标定。因此，针对沿海重大工程结构设计进行台风灾害风险评估以及重现期台风风荷载的合理估算须基于有限的气象资料，借助合理的数值模拟手段实现。

在工程设计领域，面向灾害风险评估的热带气旋数值模拟方法主要包括模拟圆法和全路径模拟法。模拟圆法基于单个站点或是局部区域范围的过境热带气旋实测数据，应用台风风场模型通过数值计算模拟台风风速。基于局部区域范围的模拟圆法操作步骤少，计算效率高，同时也存在着局限性，即需要统计得到模拟点处各个台风关键参数的概率模型，当高纬度地区台风数据较少时该方法建立的概率模型存在较大不确定性。为应对模拟圆法的不足， Vickery提出了一种全路径模拟方法，即对整个海域进行分区，针对每小块区域内的台风信息作线性回归分析，能够模拟整个洋面的热带气旋发展全过程。该方法在北大西洋和西北太平洋的热带气旋灾害评估中得到一定的应用，也被用于参与制定美国ASCE7设计规范的基本风速。但是Vickery的线性回归模型需要经过大量的模型系数调试以使模拟气旋的关键参数统计值与历史气旋的关键参数统计值相一致。参数调试的方法较为主观，无法形成统一的标准，难以广泛推行。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种能实现精细化评估、结果精确可靠、标准化程度高、适用范围广的面向灾害风险评估的基于随机森林算法的热带气旋全路径模拟方法。

为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

第一步，建立起始点模型，包括对历史热带气旋年发生率进行负二项分布拟合并随机生成模拟热带气旋的年发生次数，以及统计热带气旋历史数据样本信息并随机抽样生成起始点信息；

第二步，建立行进模型，基于历史热带气旋的行进特征将其分为四类，基于随机森林回归算法对各类历史气旋的经纬度信息进行学习训练，生成随机森林行进模型，模拟预测热带气旋的经度和纬度以形成热带气旋路径；

第三步，建立强度模型，基于随机森林回归算法针对历史热带气旋的强度影响因子和相对强度数据进行学习训练，生成随机森林洋面强度发展模型。陆地强度衰减模型采用指数衰减函数，并根据热带气旋路径中下一点的是否位于洋面选择相应的强度模型；