基于路径与环境场最优赋权的致灾相似台风检索方法研究.pdf

水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 7 期Water Resources and Hydropower Engineering Vol.54 No.7李颖,金茹,许娈,等.基于路径与环境场最优赋权的致灾相似台风检索方法研究J.水利水电技术(中英文),2023,54(7):14-26.LI Ying,JIN Ru,XU Luan,et al.Study on the optimal weighting impact of typhoon track and environmental field in similar typhoon retrieval model for similar disastersJ.Water Resources and Hydropower Engineering,2023,54(7):14-26.基于路径与环境场最优赋权的致灾相似台风检索方法研究李 颖1,2,金 茹1,2,许 娈1,2,林 青3,4,姜瑜君5(1.浙江省气象科学研究所,浙江 杭州 310008;2.中国气象科学研究院浙江分院,浙江 杭州 310017;3.福建省气象台,福建 福州 350000;4.福建省灾害天气重点实验室,福建 福州 350000;5.中国气象科学研究院,北京 100081)收稿日期:2023-02-14;修回日期:2023-03-03;录用日期:2023-03-06;网络出版日期:2023-03-16基金项目:国家自然科学基金项目(42205006);浙江省基础公益研究计划项目(LGF21D010001,LY21D050001);福建省灾害天气重点实验室开放课题(2020KFKT05);浙江省气象局科技计划项目(2021YB10,2021QN09)作者简介:李 颖(1986),女,副高级工程师,博士,主要从事气象灾害损失与风险评估。E-mail:liyingsdzb 通信作者:金 茹(1992),女,工程师,硕士,主要从事台风灾害学、台风结构与强度变化研究。E-mail:jinru_ zjqks 姜瑜君(1979),男,正高级工程师,博士,主要从事应用气象与专业服务。E-mail:6368292 Editorial Department of Water Resources and Hydropower Engineering.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license.摘 要:【目的】通过检索相似台风来获取历史灾情是灾害综合研判和损失评估中的重要手段,而台风致灾不仅与路径有关,亦与致灾强度、持续时间等环境场决定的要素密切相关。为了发展一套面向灾害应对的致灾相似台风解决方案,【方法】首先,以 611 月为台风季节、以 20142015 年、19812015 年台风为目标和历史样本、以 500 hPa 高度场为环境场指标,选取相似离度表征路径相似度、最优相似系数表征环境场相似度并将两者进行标准化及加权设计,建立了一套致灾相似台风检索模型;其次,基于上述模型,通过赋权试验,考察了台风海陆位置差异、强度差异对环境场权重赋值的影响;最后,基于 19492021 年数据,选取典型案例蔷琵(1525)、桑美(0608)、利奇马(1909)进行方法释用。【结果】结果显示:(1)对西北太平洋台风而言,当环境场权重区间在0.3,0.8时距离偏差相对较小,权重区间在0.2,0.7时方向偏差相对较小,两者的最优权重均在 0.5 前后取得;(2)对影响我国的台风而言,当环境场赋值区间在0.5,0.9时,距离偏差和方向偏差相对较小,最优权重赋值在 0.6 前后;(3)对影响我国的不同强度台风而言,当环境场取最优权重时,台风、强台风改善敏感度最高。【结论】结果表明:引入环境场对判定致灾相似台风有重要作用,环境场最优权重的选取与台风所处位置、台风强度有关;引入环境场的致灾相似台风检索模型对转折路径有一定的预判作用,对台风灾情的分布、量级等预判工作具有指导意义。关键词:相似台风;环境场;最优权重;致灾危险性;灾害评估;降水;影响因素;气候变化DOI:10.13928/ki.wrahe.2023.07.002开放科学(资源服务)标志码(OSID):中图分类号:P444;P954文献标志码:A文章编号:1000-0860(2023)07-0014-1341李 颖,等/基于路径与环境场最优赋权的致灾相似台风检索方法研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 7 期Study on the optimal weighting impact of typhoon track and environmental field in similar typhoon retrieval model for similar disastersLI Ying1,2,JIN Ru1,2,XU Luan1,2,LIN Qing3,4,JIANG Yujun5(1.Zhejiang Institute of Meteorological Sciences,Hangzhou 310008,Zhejiang,China;2.Zhejiang Branch,Chinese Academy of Meteorological Sciences,Hangzhou 311300,Zhejiang,China;3.Fujian Provincial Meteorological Observatory,Fuzhou 350000,Fujian,China;4.Fujian Key Laboratory of Severe Weather,Fuzhou 350000,Fujian,China;5.Chinese Academy of Meteorological Sciences,Beijing 100081,China)Abstract:Objective Similar typhoon retrieval method can provide important support for disaster risk loss assessment and emer-gency decision.The typhoon-induced disaster is closely related not only to the track,but also to the factors determined by the environmental field such as the intensity and the duration of the typhoon.In order to develop a set of similar typhoon model for similar disasters,Methodsfirstly,the typhoon season is defined as June to November,the typhoons from 2014 to 2015 and 1981 to 2015 are selected as the target samples and the retrieval samples respectively.The 500-hPa geopotential height field is selected to represent the environmental field.The similarity deviation and the optimal similarity coefficient is selected to represent the track and environmental field similarity,respectively.The two indexes are standardized and weighted to establish the similar typhoon retrieval model.Secondly,based on the retrieval model,the influence of regional and intensity differences on the weight of environmental field is investigated through the weighting test.Finally,typical case analysis and disaster pre-judgment and interpretation are carried out for typhoon Champi(1525),Saomai(0608)and Lekima(1909)based on the data from 1949 to 2021.Results The results show that:(1)For typhoons in the Northwest Pacific,the distance deviation is relatively small when the weight range of the environmental field is 0.3,0.8,and the direction deviation is relatively small when the weight range is 0.2,0.7.The optimal weights of both are around 0.5.(2)For typhoons affecting China,when the weight range of the environmental field is 0.5,0.9,the distance deviation and direction deviation are relatively small,and the optimal weight is around 0.6.(3)For typhoons of different intensities that affecting China,when the environmental field takes the optimal weight,the improvement of TYs(Typhoons),STYs(Severe Typhoons)is the highest.Conclusion The introduction of the en-vironmental field plays an important role in determining the similar typhoon-induced disasters.The selection of the optimal weight of the environmental field is related to the location and intensity of the typhoon.This similar typhoon retrieval model has a certain role in the prediction of the turning track,and has a guiding significance for the prediction of the distribution and magnitude of typhoon-induced disasters.Keywords:similar typhoon;environmental field;optimal weight;hazard;disaster assessment;precipitation;influencing factors;climate change0 0 引引 言言 台风灾害是发生频繁且可造成巨大损失的自然灾害之一。世界气象组织通过对 19702019 年来灾害损失数据调查发现1,干旱、洪水、风暴是导致人员伤亡严重的三大灾害。据估计,到 2050 年全球受台风灾害威胁的城市人口将翻一番,到 2100 年因气候变化而造成的台风加剧所带来的经济损失将达280680 亿美元2。对我国而言,据中国气象灾害年鉴320102019 年数据统计,平均每年因台风灾害受灾人口约为 2 491 万人,转移安置人口 304 万人,受灾面积达 199 万 hm2,直接经济损失达 649 亿元。近年来我国沿海地区高影响台风频发,而人口经济脆弱性依然较大4-5,因此,尽管监测预报预警技术不断发展,台风灾害防御仍刻不容缓。相似台风检索是台风灾害应对的重要手段。台风灾害的应对包括实况监测、模型模拟、现场勘查、历史案例比对等部分6-7。其中,在不同灾害应对阶段,历史案例比对都具有重要意义,而相似台风检索是历史案例比对的前提8。灾前和灾中阶段,相似台风检索研究对于台风路径、强度、降水落区的预报预测9-12,以及台风灾害的预警、风险预估具有重要意义6,8,13-14。灾后阶段,相似台风研究亦可为诊断分析、灾害综合损失评估等提供参考15-18。最初,相似台风检索技术主要用于台风路径预报服务,因而技术方法主要以路径的“形”相似为目标发展起来。判定相似台风的方法,从基于气象需求的图形学、统计学、系统科学等多学科角度出发,逐步发展到利用气象学与地理信息系统技术、人工智能技术等多学科融合研究19-22。例如,刘勇等23利用51李 颖,等/基于路径与环境场最优赋权的致灾相似台风检索方法研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 7 期相似离度原理,建立了一种通过确定两条台风路径曲线上的对应控制点,最终只需在一个方向计算相似离度就能判断两条台风路径曲线相似程度的计算方法。REN 等24通过计算两条台风路径围成的封闭区域的面积所对应的径相似区域指标,并基于此结合登陆中国的台风降水集合预报模型提高了预报效果。黄冬梅等25设计了一种基于主成分分析和动态时间弯曲距离的相似性度量方法。赵丹枫等26基于聚类思想提出了一种基于相似阈值学习的台风路径分类方法。宋文彬等22基于空间位置、特征要素、时间规律三个关键指标要素形成了相似台风路径的判定标准。近年来,随着数值模式对台风路径预报能力的不断提高,台风路径短期预报的误差已经较小且将趋近极限27,台风路径预报对相似台风路径检索技术的依赖性逐渐变小。然而,从灾害应对角度而言,相似台风检索技术仍有较大的提升空间,一方面,灾害应对需特别考虑非临近时段(例如 72 h 之外)相似台风路径检索方法的稳健性问题,而单纯基于路径形相似的统计方法或数值模式对转折、拐点异常台风路径的预判能力仍然有限,另一方面,除台风路径外,灾害应对需了解各致灾因子的强度、致灾持续时间等要素。考虑到异常路径与台风自身与环境场要素的相互配置有关,且致灾关键要素多与环流背景影响密切相关,不少学者以环境场为切入点开展了许多有益研究10,14,28,如姚健等14通过计算关键区域物理场特征值,通过逐步过滤筛选方法提出一种台风相似预报系统。鲁小琴等28比较了多种相似环境场检索指标的特点及其对台风预报效果,发现对路径预报而言相似离度方法的效果稍好于其他方法,而移向预报中最优系数法最好;钟元等10提出了一个综合评估环境场影响的台风路径客观相似预报模式,但是,如何将环境场与路径进行有机配置来更好表征致灾相似性仍有待研究。综上,面向台风灾害应对需求,路径与环境场对台风致灾相似性判定至关重要,而路径与环境场两者不同配置关系对台风相似性判定的影响尚不清晰。为此,本文旨在发展一套致灾相似台风检索模型框架,并进一步通过赋权试验设计,探讨路径与环境场不同配置下对目标函数的影响,以期为相似致灾台风的研究提供借鉴,为台风灾害评估及综合研判提供技术支持。1 1 数数据据来来源源 本文所用数据主要包含台风路径数据及环境场数据。其中,本文所述台风为西北太平洋对热带气旋的统称,包含热带低压(TD)、热带风暴(TS)、强热带风暴(STS)、台风(TY)、强台风(STY)和超强台风(Super TY)六个等级。1.1 台风路径数据 台风路径数据采用了中国气象局热带气旋资料中心()提供的热带气旋最佳路径数据集,该数据集包含了 19492021 年西北太平洋(含南海,赤道以北,东经 180以西)海域热带气旋每 6 h/3 h 的中心经度、纬度和强度29-30,共含2 389 个(因路径数据集中1971 年编号为40 号的台风对应中央气象台编号的 7127 号和 7128 号两个台风,故也可算为共 2 390 个)台风、71 008 个路径点。本文选取了该数据集 6 h 和 3 h 两种时间精度的台风主路径点数据,并通过对其插值加密后进行建模应用,从台风环流中分离出来的副路径点29不在本文的讨论范围内。1.2 台风环境场数据 环境场数据采用欧洲中期天气预报中心 ERA-In-terim 再分析资料,该资料在 ERA-40 再分析资料基础上进行了一些改进,数据同化中使用了 ECMWF 积分预报系统模式和四维变分资料同化技术,并结合改进的湿度分析、卫星数据偏差校正等技术,实现了再分析资料质量的提升,为第三代覆盖全球大气的再分析资料20。由于西北太平洋台风的引导气流主要来自于对流层中层的副热带高压和西风带环流10,31,文中以 500 hPa 位势高度场作为环境场代表指标引入相似台风检索,其空间范围为 10 S60 N,90180E(见图 1),再分析资料的时间分辨率为 6 h,空间水平分辨率为 0.250.25。1.3 台风灾害损失数据 灾害损失数据采用中国气象局国家气候中心编制的全国气候影响评价32中国气象灾害年鉴3中19852019 年台风灾害记录表(其中缺 1993 年),该表记载了对我国产生较大灾害且有记录的所有台风损失,按分台风、分省条目记录,根据年份不同灾情类型略有差异,较为统一的指标有受灾面积、绝收面积、受灾人口、死亡人口、直接经济损失等。2 2 研研究究方方法法2.1 基本定义与目标选定2.1.1 目标季节选取研究中将距离中国大陆及近海岛屿 3 度范围内的台风定义为影响台风。通过对 19492021 年西北太61李 颖,等/基于路径与环境场最优赋权的致灾相似台风检索方法研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 7 期平洋台风及影响台风起始点的季节分布和 19852019 年台风灾害损失记录统计(见表 1),可以看出,611 月为台风发生频率较高的时期,在该时段生成的台风数目约占台风总数的 84.7%(西北太平洋台风)/94.3%(影响台风),且该时段生成台风所导致灾害损失记录条数占总记录条数的 98.8%。为了着重把握我国致灾台风的总体规律,尽量排除小概率非主导因素对建模的影响,本文将 611 月选定为目标“台风季节”。2.1.2 目标台风选取已有研究认为,西北太平洋的台风路径分布大致可以分为三种:西行、西北行和转向路径33-34,台风致灾强度在全球变暖气候背景下可能增加35。因此在相似性检索试验设计阶段,目标台风应尽量包含以上各类路径样本、各类致灾强度样本,全面、客观反映研究区样本在空间密度、时间密度、强度分布等维度的气候特性。致灾相似台风检索模型建立过程中(2.2 节),本文选取了 20142015 年台风季节生成的所有台风作为检索对象,即“目标台风”。经考察,目标台风共包含台风 39 个,从空间分布上看(见图 1),20142015 年的路径分布含西行、西北、转向路径,基本能反映西北太平洋台风的路径分布特征。从强度分布上来看,图 2 统计了台风各路径点处的强度等级分布,20142015 年台风季节除去强度低于热带低压及变性路径点外,路径点强度分布型与 19492021年台风季节路径点强度分布型较为一致,两者相关性可达 0.79,因此,可以认为所选取的样本可以作为检索的“目标台风”。模型应用中(3.4 节),19492021 年台风季节任意样本均可作为目标台风。2.1.3 历史台风选取理想情况下用于被检索的台风应为历史上发生的台风样本全集,而受限于观测手段和记录方式等原因,我国较完整的台风路径资料集始于 1949 年,而台风灾害损失数据集自1980 s 中期才逐步具有统一的记录标准。1980 s 以前,灾情数据较为缺乏,且因年代久远导致承灾体与现在差异较大。图 1 历史台风(蓝色,19492021 年 611 月)与目标台风(黄色,20142015 年 611 月)的路径分布Fig.1 Track distribution of history typhoons for retrieval(blue lines,June to November,19492021)and target typhoons(yellow lines,June to November,20142015)图 2 目标台风(20142015 年 611 月)与台风样本总体(19492021 年 611 月)路径点强度分布比较Fig.2 Comparison of intensity distribution between target typhoons(June to November,20142015)and full sample typhoons(June to November,19492021)故从灾害应对实用角度出发,在建模过程中(2.2 节),针对 20142015 年目标台风,选取其所对应的 2015 年之前的有灾情资料时段(19812015年)样本作为历史台风。模型应用中(3.4 节),针对19492021 年目标台风,选取有可靠灾情资料时段 表 1 19492021 年西北太平台风生成月份及 19852019 年台风灾情记录分布Table 1 Seasonal distribution of typhoons in the Northwest Pacific from 1949 to 2021 and typhoon disaster records from 1985 to 2019月 份123456789101112总 计西北太平洋台风生成个数(19492021)43263956951753685234343231971112 390影响台风生成个数(19492021)10311421312383072401084781 136分省台风损失记录条数(19852019,除 1993)0002777246256149316077471李 颖,等/基于路径与环境场最优赋权的致灾相似台风检索方法研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 7 期(19852019 年)样本作为时历史台风。2.1.4 样本路径定义为了增加检索和被检索样本,本文从将每场台风自起始点至任一路径点的一段路径,定义为该时刻的“样本路径”。故除台风起始点外,每个路径点均对应一条样本路径。尽管样本路径对应的灾情并非历史整场台风所产生的灾情,但实际应用中,可根据样本路径所对应的台风灾害发生发展的阶段间接借鉴历史灾情。2.2 致灾相似台风检索方案设定 为了讨论路径与环境场相互配置对相似台风检索的影响,本文设定兼顾线相似与场相似的相似台风检索方案。如图 3 所示,针对目标台风的任一目标时刻t,寻找历史台风中所有满足条件(与 t 时刻的位置相距5、时间相差2 个月)的时刻 t,计算两个时刻的样本路径之间的相似度指标 1,以及环境场的之间的相似度指标 2,并根据指标 1 和指标 2 构建组合指标,以该指标最大值对应时刻的样本路径所对应的台风即为最优相似台风。其中,基于已有研究28,36,本文拟选取相似离度作为相似度指标 1,最优相似系数作为指标 2。图 3 致灾相似台风检索模型流程Fig.3 Flow chart of the similar typhoon retrieval model2.2.1 路径相似离度相似离度 C 表征了两条曲线的数值差异 D 和形状差异 S。具体地,计算目标台风的样本路径 i 与历史台风的样本路径 j 的相似离度 Cij的方法如下。(1)将路径 i 和 j 的 6 h 路径点进行加密。本文暂定利用通过线性插值方法加密为 10 min,近似认为所得路径点可足够表征路径线段的细节。(2)计算路径 i 上的第 k 个点 M 与路径 j 上任意点之间的距离,将与 M 距离最近的路径 j 上的点记为N,最近距离记为 MN。(3)将路径 i 上第 k 个点 M 指向第 k+1 个点 M(如 M 为路径终点,则为第 m-1 个点 M指向 M 点)的方向,记为以 M 为原点的正方向。若 N 落在 MM(或 MM)右侧,则 MN 为正,反之则为负。(4)将带符号的 MN 代入下述公式,计算相似离度。公式如下Dij=1mmk=1MN(1)Eij=1mmk=1MN(2)Sij=1mmk=1MN-E(3)Cij=12(Dij+Sij)(4)式中,m 表示加密后的路径点数。如果 Cij的值越小,则两条路径的相似程度越高。2.2.2 环境场最优相似系数最优相似系数 B 对场相似具有较高的分辨能力,与人为主观判断的结果一致性较高,由“形”系数F 和“值”系数 V 构成。具体地,计算目标台风的环境场 i 与历史台风的环境场 j(范围见图 1)之间的最优相似系数 Bij的方法如下Fij=1-mk=1(xik-xi)-(xjk-xj)mk=1(xik-xi+xjk-xj)(5)Dij=mxi-xjmk=1(xik-xi+xjk-xj)(6)Vij=e-Dij(7)Bij=Fij Vij(8)式中,x 为环境场所取范围内每个格点的变量值;x为环境场所取范围内 x 的平均值;m 为环境场所取范围的格点数;理论上,Bij的值域为(0,1,当其为 1时两样本完全重合。2.2.3 环境场和路径相似性指标的标准化为了消除不同指标之间的量纲差异,将相似离度C 和最优相似系数 B 两个指标进行标准化处理。针对某一目标台风路径点 i 与历史台风路径点 j 之间的相似指标的标准化公式如下81李 颖,等/基于路径与环境场最优赋权的致灾相似台风检索方法研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 7 期B0ij=Bij-BiminBimax-Bimin(9)C0ij=Cimax-CijCimax-Cimin(10)式中,上标为 0 表示标准化后的变量值;下标 imax表示路径点 i 与所有历史台风被检索的路径点之间的指标最大值,imin则为最小值。2.2.4 组合指标及排序以0.1 为固定窗宽间隔,对相似离度 C 和最优相似系数 B 进行权重赋值,计算组合指标如下Ii(w)=wB0ij+(1-w)C0ij(11)Iimax(w)=max(Ii(w)(12)式中,w 为环境场相似指标的权重赋值;Ii为组合指标,针对某一目标台风路径点 i,当 Ii取最大值 Iimax时,对应历史台风被检索时刻的样本路径 i 所对应的台风即为最优相似台风。2.3 赋权试验设计2.3.1 设计思路由式(12)可见,最优相似台风是权重 w 的函数,本试验目的即寻找最优权重。理想地,致灾相似台风最优目标为灾情差异性最小,而寻求高时空分辨率的灾情数据建模并不现实。根据区域灾害理论框架37,灾情是致灾因子危险性、承灾体脆弱性与暴露性以及孕灾环境稳定性综合作用的结果。假设环境场映射致灾因子的强度和持续时间,路径的走向与位置映射了灾害触发的位置,进而映射到承灾体及孕灾环境,因此,给定任一 w 值,只需固定环境场、路径两者之一,观察另者变化的差异性即可间接反映灾情差异性变化。2.3.2 目标函数根据设计思路,考虑到“场”偏差较“线”偏差计算复杂度高,本文拟定固定环境场来计算路径偏差的方案,即,给定 w,利用 2.2 节方案选定最优相似台风,选取目标时刻 t+24 h 的实际位置 A 与预判位置之间 A之间的矢量偏差 AA,即为目标函数,具体地,用距离偏差和方向偏差表征。其中,本文中预判位置拟定为基于目标台风当前位置 O 加最优路径24 h 之后位置 N 与当前位置 M 的矢量差 MN。统计参数选取中位数(median)、平均值(mean)、第一四分位数(q1)和第三四分位数(q3)。2.3.3 试验样本分类试验样本设定为目标台风的所有“样本路径”。为了考察权重设置与地域差异的关系,进一步将样本分为西北太平洋台风和影响台风两类(见图 4)。为了考察权重设置与不同强度等级之间的关系,设置分强度等级赋权试验。表 2 试验设计Table 2 Experimental design试验目的试验样本权重 w考察权重与海陆位置差异样本全体:西北太平洋台风01,间隔 0.1部分样本:影响台风01,间隔 0.1考察权重与台风强度关系部分全体:将影响台风进一步分六个强度等级0,固定 w(基于上述两类试验后设定)图 4 目标台风不同强度路径点分布(黑色实线左侧为距离中国大陆及近海岛屿 3 度以内区域)Fig.4 Track point distribution of target typhoons with different intensities(The left side of the black line represents the area of 3 degrees away from mainland China and offshore islands)3 3 结结果果分分析析 根据本文赋权试验设计,得到如下试验结果。值得注意的是,本文所设相似台风预判位置区别于气象预报中的预报位置,台风距离偏差、方向偏差为在特定试验条件下得到的参考值,其分布型对致灾相似台风中路径与环境场赋权研究具有借鉴意义,不直接指导台风路径预报。3.1 西北太平洋台风赋权试验结果 图 5 给出了西北太平洋台风不同环境场权重下的距离偏差见图 5(a)和方向偏差见图 5(b)的中位数和平均值,可见距离偏差和方向偏差的统计量均随权重大致呈 U 型分布,目标函数在 w 取中间区域时取最优。具体地,对于距离偏差而言,当环境场权重区间在0.3,0.5时,q1值较小(180 km);在0.5,0.8时,median 值较小(300 km),mean也较小(360 km);在0.5,0.7 时,q3值较小91李 颖,等/基于路径与环境场最优赋权的致灾相似台风检索方法研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 7 期 图 5 西北太平洋台风不同环境场权重下距离偏差的统计参数(实线:中位数,虚线:平均值)的变化趋势Fig.5 Variation trend of statistical parameters(solid line:median,dotted line:mean)of track distance deviation under different environmental field weight of typhoons in the Northwest Pacific图 6 同图 5,但为影响台风Fig.6 The same as Fig 5,but for influential typhoons(460 km)。对于方向偏差而言,当环境场权重区间在0.3,0.6时,q1值较小(10);在0.3,0.7时,median 值较小(23);在0.2,0.7时,mean值较小(32),q3值也较小(44)。综上,当环境场权重区间在0.3,0.8时,距离偏差相对较小,在0.2,0.7时,方向偏差相对较小,两者的最优权重赋值均在 0.5 前后。3.2 影响台风赋权试验结果 进一步对影响台风做不同环境场权重下路径偏差的统计分析。如图 6 所示,环境场权重在一定区间内时,影响台风的路径偏差同样存在低值区。但相对于西北太平洋全域台风的统计结果,影响台风路径偏差的最优低值区间相对更接近 1,低值区间大约分布在0.5,0.9左右,表明影响台风的最优相似台风的选取受环境场影响更大。结合统计分析,对于距离偏差而言,当环境场权重区间在0.5,0.9时,q1值较小(220 km);在0.6,0.9 时,median 值 较 小(330 km);在0.5,0.7时,mean值 较 小(390 km);在0.6,0.7时,q3值较小(500 km)。对于方向偏差而言,当环境场权重区间在0.7,0.9时,q1值较小(12);在0.5,0.6时,median 值较小(24),mean 值也较小(32);在0.4,0.7时,q3值较小(42)。综上,当环境场权重区间在0.5,0.9时,距离偏差和方向偏差相对较小,最优权重赋值在 0.6前后。3.3 不同强度影响台风赋权试验结果 进一步将影响台风按强度进行分类,并对比了不02李 颖,等/基于路径与环境场最优赋权的致灾相似台风检索方法研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 7 期 图 7 不同强度的影响台风在环境场权重 w=0 和 w=0.6 时路径距离偏差和方向偏差的统计参数Fig.7 Statistical parameters of track distance deviation and direction deviation for influential typhoons with different intensities under environmental field weight w=0 and w=0.6考虑环境场相似(w=0)时和影响台风的最优环境场权重(w=0.6)时各类影响台风的路径偏差(见图7)。对于距离偏差见图 7(a)和(b)而言,在 w=0时,超强台风(Super TY)的距离偏差最小;在 w=0.6 时,强台风(STY)的距离偏差最小。对于方向偏差见图 7(c)和(d)而言,在 w=0 时,仍是 Super TY 的偏差最小;在 w=0.6 时,台风(TY)的偏差最小。可见,在引入环境场相似后,相似台风检索方法对 STY 的距离偏差和 TY 的方向偏差有最明显的改善效果。表 3 给出了每一类强度下影响台风在环境场权重w=0.6 时相对于 w=0 时距离偏差和方向偏差各统计参数的优化率。具体地,STY 的偏差优化率均为正值;TD、STS、TY 的偏差除了仅有一个统计参数为负值外,其余均为正值;TS 仅有距离偏差的 median为正值,其余为负值;Super TY 的各统计参数均为负值。可见,对于 TD、STS、TY、STY 这四类台风来说,在 w=0.6 时相对于 w=0 时目标函数有明显改善,而对 TS 的改善效果不明显,对 Super TY 无明显改善作用。其中,STY 距离偏差、TY 方向偏差的各统计参数优化率为六类中最高,表明对于 STY 和 TY而言,引入环境场相似分别对距离偏差和方向偏差的改善效果最好。考虑引入环境场相似后对 Super TY 的路径预报未改善的原因有两点:一是 Super TY 在仅考虑路径相似时的预判效果已经较好,为六类中最优见图 7(a)和(c);二是 Super TY 因自身强度较强,在移动过程中受自身结构影响较大,环境场对其的引导作用相对较弱。3.4 典型案例分析3.4.1 转折路径案例分析以 1525 号台风蔷琵(Champi)为例,观察其在不同环境场权重下的不同检索结果,可以较为直观的看出相似台风检索方法在引入环境场相似后的检索效果(见图 8)。该案例选取的目标时刻为 2015 年 10 月 18日 00 时(世 界 时,下 同),仅 考 虑 路 径 相 似 即12李 颖,等/基于路径与环境场最优赋权的致灾相似台风检索方法研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 7 期 表 3 不同强度的影响台风在权重 w=0.6 时相对于 w=0 时路径距离偏差和方向偏差各统计参数的优化率%Tab