技术领域
[0001] 本
发明气象预报技术，特别是一种判别热带气旋路径相似的系统。
背景技术
[0002] 目前热带气旋(Tropical Cyclone，简称TC)数值预报尽管取得了很大的进展，相似预报作为重要的补充手段仍有其不可替代的价值。相似预报的一个重要话题是路径相似性。针对如何表征TC路径的相似性，现有研究有较多的分析。
[0003] 一条TC路径，是各种影响TC移动的物理因子综合作用的结果；相似的TC路径，在一定程度上反映了影响TC移动的诸因子，其综合作用等效。基于上述考虑，陈联寿等(1979)总结了TC路径相似应该满足的三个标准：季节相似、地理相似和移向移速相似；Zhong (2002)和钟元等(2007)定义了一个基于登陆时间、气旋初始
位置、热带气旋中心气压和环境场相似性等多元判据的非线性的热带气旋路径相似指数；王远飞等(2006)基于GIS技术提出了路径相似的空间相似指数(spatial similarity index,SSI)，该指数为特定区域内两条路径构成的多边形面积与该区域的面积之比值；Xu等(2013)从单点的距离相似出发，对路径的所有关键点求平均，从而给出TC路径的相似判据；刘勇等(2006)针对台
风路径相似问题给出了台风路径相似离度的具体
算法；实际工作中也使用是否通过某一固定区域作为判别TC路径相似的标准。
[0004] 可见，上述TC路径相似指数或标准要么比较复杂，在计算上不够简便；要么过于简单，仅以是否通过某一固定区域作为标准。在相似指数设计上还存在改进的空间。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种判别热带气旋路径相似的系统，用于解决上述
现有技术的问题。
[0006] 本发明一种判别热带气旋路径相似的系统，其中，包括：路径预处理模
块、路径形态判识模块、纬向类路径理想化模块、经向类路径理想化模块、相似指数确定模块以及相似指数计算模块；路径预处理模块，用于接收输入的原始TC路径信息，并对TC路径进行预处理；路径形态判识模块，接收路径预处理模块简化后和
指定区域内路径的信息，分别计算任选的两条TC路径的极值点分割度以及在东西方向上的总体移向和重叠度；径向类路径理想化模块，用于接收路径形态判识模块的两条TC路径，判断两条TC路径是否满足经向类相似条件以及纬向类相似条件，并进行路径移向一致化以及路径二次简化，将得到的经向类的理想化路径发送给相似指数计算模块；纬向类路径理想化模块，用于接收路径形态判识模块的路径形态判识模块的两条 TC路径，沿极值点和端点所在经线切割，得到多个普通三
角形和四边形，一个四边形可变换为两三角形，将三角形转化为两条径向类理想化路径；每个三角形其所代表的径向类理想化路径，发送给相似指数计算模块；相似指数计算模块，接收经向类的理想化路径，相似指数计算模块计算经向类的理想化路径的相似面积指数；相似指数计算模块计算得到所有三角形的面积之和，为纬向类的相似面积指数；进而求得纬向类TSAI指数，将求得的纬向类TSAI指数发送给相似指数确定模块；相似指数确定模块根据两条路径满足纬度极值点不靠近末端的条数来确定相似指数，并输出。
[0007] 根据本发明的判别热带气旋路径相似的系统的一
实施例，其中，包括：路径预处理模块，用于接收输入的原始TC路径信息，并对TC 路径进行预处理，TC路径可能存在打转、波浪式移动的情形，为此需要对原始路径进行预处理，使之方便对指数S进行近似计算。路径预处理是针对任意两条原始路径，进行复杂路径简化和指定区域内路径确定，使之方便对指数S进行近似计算。路径预处理是针对任意两条原始路径，进行复杂路径简化和指定区域内路径确定.
[0008] 根据本发明的判别热带气旋路径相似的系统的一实施例，其中，路径预处理模块对TC路径进行预处理具体包括：路径预处理模块对于给定的由多个TC中心
定位点所构成的TC路径，路径简化过程包括：首先确定奇异点，针对路径中的每一点j计算出该点与其两个相邻点之间的最大距离dj，如果路径中至少存在另外一个点使得点j与它之间的距离小于或等于dj，则点j称为奇异点；然后，将所有奇异点舍去，使路径简化；第三步，为减少路径的弯曲程度，对于路径中间存在的被奇异点分断而形成的较短线段，也一并舍去；第四步，将余下所有正常路径按照原来的时间顺序重新连接，最终得到简化路径。
[0009] 根据本发明的判别热带气旋路径相似的系统的一实施例，其中，路径预处理模块确定得出该区域内的TC路径的方法包括：首先，找出简化后的TC路径位于指定区域内的所有TC中心定位点；第二步，计算得出该TC路径与指定区域边框的所有交点；第三步，舍去该TC 路径位于指定区域外的所有TC中心定位点；第四步，将余下的所有点按照TC路径原来的时间顺序重新连接，从而得到指定区域内的TC 路径。
[0010] 根据本发明的判别热带气旋路径相似的系统的一实施例，其中，路径形态判识模块判断两条TC路径，当两条TC路径同时满足以下三个条件将两条TC路径发送给纬向类路径理想化模块：(1)至少一条 TC路径存在不靠近末端的纬度极值点；(2)在东西方向上两者路径总体移向一致；(3)在东西方向上两条TC路径重叠度达到或超过某一临界值即c≥c0。
[0011] 根据本发明的判别热带气旋路径相似的系统的一实施例，其中，路径形态判识模块判断两条TC路径是否满足经向类相似条件包括：分别计算两条TC路径在南北方向上的总体移向和重叠度；当两条TC 路径同时满足以下条件：(1)在南北方向上两者路径总体移向一致； (2)在南北方向上两条TC路径重叠度；选择将两条TC路径发送给经向类路径理想化模块。
[0012] 根据本发明的判别热带气旋路径相似的系统的一实施例，其中，径向类路径理想化模块的处理过程具体包括：(1)路径移向一致化：将两条TC路径各自的所有点按照纬度的大小重新统一调整为升序或降序，使调整后的路径中任意两点之间所反映出来的移动方向均与各自的原TC路径总体移向保持一致；(2)路径二次简化：由线段取代中部的几个奇异点，从而得到可用于相似指数计算模块进行面积指数计算的经向类理想化路径；将经向类的理想化路径发送给相似指数计算模块。
[0013] 根据本发明的判别热带气旋路径相似的系统的一实施例，其中，纬向类路径理想化模块的路径理想化包括：(1)沿极值点和端点所在经线切割，从两条TC路径的所有极值点和端点出发，分别沿经线对路径进行切割；(2)得到多个普通三角形和四边形，两条相邻
切割线分别与两条路径的交点形成了多个普通三角形和四边形；(3)一个四边形变换为两三角形；(4)三角形转化为两条径向类理想化路径；过上述近似和变换，纬向类TSAI指数计算变为多个三角形面积求和。
[0014] 根据本发明的判别热带气旋路径相似的系统的一实施例，其中，纬向类路径理想化模块将三角形的切片结果信息，每个三角形其所代表的径向类理想化路径，发送给相似指数计算模块，相似指数计算模块计算得到所有三角形的面积之和，所有三角形的面积之和，为纬向类的相似面积指数；
[0015] 根据本发明的判别热带气旋路径相似的系统的一实施例，其中，相似指数确定模块的计算方式包括：在得到两条径向类路径理想化 TC路径后，其所围成范围的面积可以通过先将整个范围分割成若干个规则的几何图形，分别计算这些规则的几何图形面积，然后再累加得到。
[0016] 本发明的判别热带气旋路径相似的系统，提出供一个判别热带气旋路径相似的新的指数，该指数以两条热带气旋路径所包围的面积作为度量相似的标准，思路清晰、计算简洁。
附图说明
[0017] 图1所示为本发明判别热带气旋路径相似的系统的模块图；
[0018] 图2a和图2b所示为两条热带气旋路径及其首尾
连接线所围成的范围示意图；
[0019] 图3所示为复杂路径进行简化的示意图；
[0020] 图4a所示为指定区域内热带气旋路径确定的原始TC路径和指定区域分布示意图；
[0021] 图4b所示为指定区域内热带气旋路径确定的指定区域内所确定的TC路径的示意图；
[0022] 图5a-c所示为纬向类相似之TC路径理想化示意图；
[0023] 图6a所示为纬向类相似之TC路径理想化的沿极值点和端点所在经线切割示意图；
[0024] 图6b所示为纬向类相似之TC路径理想化的切割线与路径围成多个三角形和四边形的示意图；
[0025] 图6c所示为纬向类相似之TC路径理想化的一个四边形可变换为两个三角形的示意图；
[0026] 图6d所示为纬向类相似之TC路径理想化的三角形可视为两条径向类理想化路径所包围的范围示意图；
[0027] 图7所示为面积切片示意图；
[0028] 图8a所示为面积切片所形成的三角形示意图；
[0029] 图8b所示为面积切片所形成的梯形示意图；
[0030] 图8c所示为面积切片所形成的双三角形示意图；
[0031] 图9所示为两条理想化路径的线段交点示意图。
具体实施方式
[0032] 为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
[0033] 图1所示为本发明判别热带气旋路径相似的系统的模块图，如图1 所示，本发明判别热带气旋路径相似的系统包括：路径预处理模块1、路径形态判识模块2、纬向类路径理想化模块3、经向类路径理想化模块4、相似指数确定模块5以及相似指数计算模块6。
[0034] 如图1所示，路径预处理模块1用于接收输入的原始TC路径信息，并对TC路径进行预处理。TC路径可能存在打转、波浪式移动的情形，为此需要对原始路径进行预处理，使之方便对指数S进行近似计算。路径预处理是针对任意两条原始路径，进行复杂路径简化和指定区域内路径确定。
[0035] 如图1所示，路径形态判识模块2，接收路径预处理模块1简化后和指定区域内路径的信息，首先，分别计算任选的两条TC路径的极值点分割度以及在东西方向上的总体移向和重叠度。
[0036] 如图1所示，径向类路径理想化模块4，用于接收路径形态判识模块2的两条TC路径，进行路径移向一致化以及路径二次简化，并将得到的经向类的理想化路径发送给相似指数计算模块6。
[0037] 如图1所示，纬向类路径理想化模块3，用于接收路径形态判识模块2的路径形态判识模块2的两条TC路径，沿极值点和端点所在经线切割，得到多个普通三角形和四边形，一个四边形可变换为两三角形，将三角形转化为两条径向类理想化路径。即可将它转化为两条径向类相似之理想化路径。纬向类路径理想化模块3三角形的切片结果信息，每个三角形其所代表的径向类理想化路径，发送给相似指数计算模块 6。从而使得纬向类路径理想化问题最终转变为径向类路径理想化问题。
[0038] 如图1所示，相似指数计算模块6接收经向类的理想化路径，相似指数计算模块计算经向类的理想化路径的相似面积指数；相似指数计算模块6计算纬向类路径理想化模块3得到所有三角形的面积之和，所有三角形的面积之和即为纬向类的相似面积指数。
[0039] 如图1所示，相似指数计算模块6将三角形转化为两条径向类理想化路径，进而求得纬向类TSAI指数，将求得的纬向类TSAI指数发送给相似指数确定模块5；相似指数确定模块5根据两条路径满足纬度极值点不靠近末端的条数来确定相似指数，并输出。
[0040] 图2a和图2b所示为两条热带气旋路径及其首尾连接线所围成的范围示意图，图3所示为复杂路径进行简化的示意图，如图2以及图3 所示，路径预处理模块1对于给定的由多个TC中心定位点所构成的TC 路径，路径简化过程可通过以下四步来完成。首先确定奇异点，针对路径中的每一点j(点j从起点起算，依次排列)计算出该点与其两个相邻点(首、尾只有一个相邻点)之间的最大距离dj，如果路径中至少存在另外一个点使得点j与它之间的距离小于或等于dj，则点j称为奇异点(图3中实心点)；然后，将所有奇异点舍去，使路径简化；第三步，为减少路径的弯曲程度，对于路径中间存在的被奇异点分断而形成的较短线段(连续点少于3个且不包含原路径首、尾点，如图2 中线段CD)，也一并舍去；第四步，将余下所有正常路径按照原来的时间顺序重新连接，最终得到简化路径。
[0041] 图4a所示为指定区域内热带气旋路径确定的原始TC路径和指定区域分布示意图，图4b所示为指定区域内热带气旋路径确定的指定区域内所确定的TC路径的示意图，如图4所示，路径预处理模块1根据所关注的相似性问题，有时需要选择合适的区域进行相似性判别。当关注整个生命期路径相似性时，可不加区域限制。通常，如图4a所示，当关注TC路径在指定区域ABCD内的相似问题时，路径预处理模块1 采用如下步骤确定得出该区域内的TC路径。
[0042] 首先，找出简化后的TC路径位于指定区域内的所有TC中心定位点(图4a中空心点)；第二步，计算得出该TC路径与指定区域边框的所有交点(图4a中实心点)；第三步，舍去该TC路径位于指定区域外的所有TC中心定位点(图4a中叉心点)；第四步，将余下的所有点按照TC路径原来的时间顺序重新连接，从而得到指定区域内的 TC路径(图4b)。
[0043] 如图1所示，路径预处理模块1将得到制定区域内的TC路径发送给路径形态判识模块2，路径形态判识模块2用于判断两条TC路径是否满足经向类相似条件以及纬向类相似条件。
[0044] 如图1所示，路径形态判识模块2的判断方法包括：判断两条TC 路径是否满足纬向类相似条件包括：
[0045] 路径形态判识模块2判断两条TC路径，当两条TC路径同时满足以下三个条件：
[0046] (1)至少一条TC路径存在不靠近末端的纬度极值点；
[0047] (2)在东西方向上两者路径总体移向一致；
[0048] (3)在东西方向上两条TC路径重叠度达到或超过某一临界值即 c≥c0(c0一般取0.5左右)时，将两条TC路径发送给纬向类路径理想化模块3；
[0049] 路径形态判识模块2判断两条TC路径是否满足经向类相似条件包括：
[0050] 路径形态判识模块2分别计算两条TC路径在南北方向上的总体移向和重叠度。
[0051] 当两条TC路径同时满足以下条件：
[0052] (1)在南北方向上两者路径总体移向一致；
[0053] (2)在南北方向上两条TC路径重叠度(一般取0.5左右)；
[0054] 选择将两条TC路径发送给经向类路径理想化模块4。
[0055] 其中，路径形态包括单一TC路径形态以及两条TC路径之间的位置关系。路径总体移向：某一TC路径的末点纬度(经度)与首点纬度(经度)之差大于等于零时，则定义在南北(东西)方向上该TC 路径总体移向为向北(向东)运动，否则，当差小于零时，则定义在南北(东西)方向上该TC路径总体移向为向南(向西)运动。
[0056] 纬度极值点分割度：对于一条TC路径AB(A、B两点分别为两个端点)，假设其纬度极值点C将该路径分割为两段AC和BC。“纬度极值点”指TC路径纬度之最大值或最小值一步。假定AB的路径长度为 LAB，且AC和BC中路径长度较短的一段长度为Lc，则定义该极值点分割度：
[0057] r＝LC/LAB (1)
[0058] 不难理解，r的值域为[0，0.5]，其中“0”意味着极值点位于TC 路径端点(首点或末点)，“0.5”则表明极值点位于TC路径的正中间。
[0059] 如果存在这样一个适当的临界值r0(一般取0.05～0.30)，使得某一TC路径不存在满足r≥r0的极值点分割度，则称该TC路径的纬度极值点均靠近末端。
[0060] 重叠度：对于任意两条TC路径，假设路径长度较较长的那条路径的长度为L0，根据路径总体移向(南北向或东西向)，设该路径在该移向上与另一条路径相重叠的部分路径长度为Loverlap，则定义这两条TC路径在该移向上的重叠度。
[0061] c＝Loverlap/L0 (2)；
[0062] 显然，c的值域为[0，1.0]，其中“0”表示两条TC路径在该移向上不存在重叠，“1.0”则表示两条TC路径在该移向上完全重叠。
[0063] 图5a-图5c所示为径向类相似之TC路径理想化示意图，如图5所示，径向类路径理想化模块4的处理过程具体包括：径向类路径理想化模块4接收两条TC路径。径向类路径理想化模块4的径向类路径理想化分为两个子步骤：
[0064] (1)路径移向一致化。具体做法是，将两条TC路径各自的所有点按照纬度的大小重新统一调整为升序(向北运动)或降序(向南运动)，使调整后的路径中任意两点之间所反映出来的移动方向均与各自的原TC路径总体移向保持一致。
[0065] (2)路径二次简化。经过路径移向一致化处理后的路径在局部可能受到明显的歪曲。TC路径(图5a)经过移向一致化处理后得到的新路径(图5b)在中部出现了多次折返的情况。为了便于面积指数计算，需要采用路径预处理中“复杂路径简化”方法对该路径进行再次简化近似，即由线段AB取代中部的几个奇异点，从而得到可用于相似指数计算模块进行面积指数计算的经向类理想化路径(图5c)；
[0066] 将经向类的理想化路径发送给相似指数计算模块5。
[0067] 图5a-c所示为纬向类相似之TC路径理想化示意图，图6a所示为纬向类相似之TC路径理想化的沿极值点和端点所在经线切割示意图，图6b所示为纬向类相似之TC路径理想化的切割线与路径围成多个三角形和四边形的示意图，图6c所示为纬向类相似之TC路径理想化的一个四边形可变换为两个三角形的示意图，图6d所示为纬向类相似之 TC路径理想化的三角形可视为两条径向类理想化路径所包围的范围示意图，如图1、图5以及图6所示，纬向类路径理想化模块3的路径理想化分为四个子步骤：
[0068] (1)沿极值点和端点所在经线切割。从两条TC路径的所有极值点和端点出发，分别沿经线对路径进行切割，最多时可有8条切割线，如图5a所示。
[0069] (2)得到多个普通三角形和四边形。从图5b可见，两条相邻切割线分别与两条路径的交点形成了多个普通三角形(Δ)和四边形 不难理解，TSAI指数可由这些Δ和 的面积之和近似表征。
[0070] (3)一个四边形可变换为两三角形。图5c为图5b中的一个 连接其中一条对角线(图6c中细虚线)，Δ即变成了两个
[0071] (4)三角形转化为两条径向类理想化路径。对于任一普通三角ΔΔ形(图6d左)，容易理解，当找到该的纬度最大值点和最小值点后，即可将它转化为两条径向类相似之理想化路径(图6d右)。
[0072] 经过上述近似和变换，纬向类TSAI指数计算变为多个Δ面积求和问题，[0073] 如图1所示，纬向类路径理想化模块3将三角形的切片结果信息，每个三角形其所代表的径向类理想化路径，发送给相似指数计算模块 6，相似指数计算模块6计算得到所有三角形的面积之和，所有三角形的面积之和即为纬向类的相似面积指数；
[0074] 如图1所示，相似指数计算模块6接收经向类的理想化路径，相似指数计算模块6计算经向类的理想化路径的相似面积指数，而三角形又可转化为两条径向类理想化路径，进而求得纬向类TSAI指数，将求得的纬向类TSAI指数发送给相似指数确定模块5；从而使得纬向类路径理想化问题最终转变为径向类路径理想化问题。
[0075] 图7所示为面积切片示意图，如图1以及图7所示，相似指数确定模块5的计算方式包括：在得到两条径向类路径理想化TC路径后，其所围成范围的面积可以通过先将整个范围分割成若干个规则的几何图形，分别计算这些规则的几何图形面积，然后再累加得到。
[0076] 图8a所示为面积切片所形成的三角形示意图，图8b所示为面积切片所形成的梯形示意图，图8c所示为面积切片所形成的双三角形示意图，如图7以及图8所示，相似指数计算模块6在对整个面积进行分割时，可以从理想化经向路径的每一点出发，画一条
纬线，通过两条直线的交点求法(参照单片面积计算部分)可计算得到该纬线与另一条 TC路径的交点。进而可将原范围分割成若干个规则的几何图形。这些几何图形包括三角形、梯形和双三角形(图8)。假设经过面积切片后得到L层切片。
[0077] 如图7以及图8所示，对于某层切片i，其面积
[0078]
[0079] 三个公式分别对应图8所示的三类几何图形的面积计算。其中，前两类三角形和梯形的面积很容易算出，在此不做赘述，这里主要针对第三类双三角形(图8c)的面积计算给出详细介绍。
[0080] 图9所示为两条理想化路径的线段交点示意图，图9中AB为一条理想化TC路径的线段，PQ为另一条理想化TC路径的线段。容易理解，在平面上由线段AB和PQ分别所在的两条不平行直线(延伸虚线)之间总存在一个交点M。假设x和y分别代表经度和纬度，A、B、 P和Q四点的位置分别为(xa,ya)、(xb,yb)、(xp,yp)和(xq,yq)，则M的位置(xm,ym)可按两步求出：
[0081] 第一步，按两点式公式得出直线AB和直线PQ的方程
[0082] y＝ya+kab(x-xa) (4)
[0083] y＝yp+kpq(x-xp) (5)
[0084] 其中
[0085] 第二步，求两条直线(4)和(5)的交点M的位置(xm,ym)
[0086]
[0087]
[0088] M即两条直线的交点，亦即图8c所示的双三角形中线段AB和 PQ的交点。由此，可以很方便求出双三角形的面积。
[0089] 在计算得到单片面积后，将所有切片面积累加，就得到两条TC 路径所围成范围的面积S0
[0090] 对于经向类理想化路径，经向类位置指数：
[0091]
[0092] 对于纬向类理想化路径，经向类位置指数：
[0093] S维向类
[0094] 可见，对于纬向类路径相似指数，不难理解，可通过对所有转化为径向类路径理想化的三角形面积求和而得到。
[0095] 将S纬向类和S经向类发送给相似指数确定模块5，相似指数确定模块5 根据两条路径满足纬度极值点不靠近末端的条数来确定相似指数。假设满足纬度极值点不靠近末端的路径条数为n，纬向类路径相似指数和经向类路径相似指数分别为S纬向类和S经向类，则相似指数TSAI的取值取决于n，且分为以下三种情形：
[0096] (1)n＝2,TSAI＝S纬向类
[0097] (2)n＝1,TSAI＝Max(S纬向类,S经向类)，即取两者中之大值者
[0098] (3)n＝0,TSAI＝S经向类
[0099] 极少数情况下，当两条TC路径既不满足纬向类相似判据，同时也不满足径向类相似判据，则说明两条TC路径之间不存在相似性，此时无法进行相似指数计算。
[0100] 本发明判别热带气旋路径相似的系统，初步发展了一种热带气旋路径相似的面积指数(TSAI)。TSAI指数具有清晰的物理含义，代表了两条TC路径及它们的首、尾连接线所围成的面积。TSAI指数数值越小，表明两条TC路径的相似程度越高。TSAI指数的计算过程分为五个步骤：路径预处理、路径形态判识、路径理想化、相似指数计算和相似指数确定。其中，路径形态判识、路径理想化和相似指数计算是该指数的三个关键技术；通过路径形态判识将相似问题划分为纬向类相似和径向类相似；该指数计算过程中涉及到的三个可调参数是相似区域、极值点分割度临界值和重叠度临界值。效果检验表明， TSAI指数具有良好的表征TC路径相似的能
力。对于某一条TC路径的相似问题，可以通过调整三个可调参数来计算得出与该TC路径之间的TSAI指数最小的那些TC路径。解决了如何表征TC路径的问题。
[0101] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和
变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
