[发明专利]一种基于统计动力学的全路径台风危险性分析方法

摘要

本发明提供了一种基于统计动力学的全路径台风危险性分析方法。首先，使用生成模型生成台风的年发生数和发生位置，利用一维核概率密度函数和三维核概率密度函数分别估算出台风的年发生数和台风在海洋上生成位置的概率密度，通过蒙特卡罗方法模拟出台风的年发生数和生成位置；其次，将模拟的台风年发生数和发生位置代入基于统计动力学的移动模型中模拟台风生成之后每6小时的位置，同时利用强度模型对台风每6小时的强度进行估算。本发明的有益效果是：基于核密度概率函数的生成模型模拟的台风生成位置并不局限于历史生成位置，克服了经验全路径模型直接使用历史生成点造成台风生成点样本过少的缺点。

主权项

一种基于统计动力学的全路径台风危险性分析方法，其特征在于：首先，使用生成模型生成台风的年发生数和发生位置，利用一维核概率密度函数估算出台风的年发生数概率密度，如式(1)所示，f^(x)=1nhΣi=1n12πexp(-(x-xi)22h2)---(1)]]>式中，x表示台风年发生数；xi表示历史上各年的台风个数；n表示历史台风记录的总年数；h表示最佳带宽，采用一维有偏交叉验证方法估计，如式(2)所示，使式(2)最小的h即为最佳带宽；BCV(h)=12nhπ+164n2hπ·Σi<j(Δij4-12Δij2+12)exp(-Δij2/4)---(2)]]>式中，Δij＝(xi‑xj)/h，xi和xj表示历史上不同年的台风个数，然后通过蒙特卡罗方法模拟出台风的年发生数；利用三维核概率密度函数估算出台风在海洋上生成位置的概率密度，如式(3)所示，f^(x)=1(2π)32nhopt1hopt2hopt3σxxσyyσzzλ1λ2λ3·Σi=1nwiexp{-((γ1)TS-1(x-xi))22hopt12λ1-((γ2)TS-1(x-xi))22hopt22λ2-((γ3)TS-1(x-xi))22hopt32λ3}---(3)]]>式中，x表示台风生成位置向量；xi表示历史各台风的发生位置向量；S表示位置向量的标准差矩阵；n表示历史台风发生数；σxx、σyy、σzz分别表示三个维度各自的方差；wi表示每个核密度估算子的修正权值；γ1、γ2、γ3分别为标准化后三个维度之间相关系数的特征向量；λ1、λ2、λ3分别表示特征值；hopt1、hopt2、hopt3分别为三个变量的最佳带宽，采用三维有偏交叉验证方法估计，如式(4)所示，使式(4)最小即为最佳带宽；BCV(h1,h2,h3)=1(2π)3nh1h2h3+14n(n-1)h1h2h3·Σi=1nΣj≠i[(Δij12+Δij22+Δij32)2-10(Δij12+Δij22+Δij32)+15]·[12ππexp{-Δij12+Δij22+Δij322}]---(4)]]>式中，Δijk＝(xik‑xjk)/hk，xik和xjk表示历史生成位置的第k维变量,k＝1，2，3；然后通过蒙特卡罗方法模拟出台风的生成位置；接下来将上述模拟的台风年发生数和发生位置代入移动模型中模拟台风生成之后每6小时的位置，台风的移动速度如(5)所示；U=Usteer+BxV=Vsteer+ByUsteer=1550(50U300+100U400+100U500+100U600+125U700+75U850)Vsteer=1550(50V300+100V400+100V500+100V600+125V700+75V850)---(5)]]>式中，U和V分别表示台风的纬向和经向移动速度；Usteer和Vsteer分别表示台风的纬向和经向引导气流速度；U300，U400等分别表示300百帕，400百帕等气压层的环境风场纬向速度在台风中心的5°半径上的环向平均值；V300，V400等分别表示300百帕，400百帕等气压层的环境风场经向速度在台风中心的5°半径上的环向平均值；Bx和By分别为纬向和经向beta漂流速度，将历史台风的移动速度代入式(5)反求出历史台风的beta漂流速度，取模拟台风所在网格内的历史beta漂流平均值作为模拟台风的beta漂流速度；台风以模拟的移动速度沿着地球的最大圆弧行进6小时，得到台风6小时之后的位置，如此反复模拟，直至台风消亡，完成台风整个路径的模拟。