一种台风综合信息业务系统的制作方法

本发明涉及一种信息业务系统，特别是涉及一种台风综合信息业务系统，属于气象技术领域。

背景技术：

一些沿海城市每年都会遭受台风灾害影响，台风是一种破坏力很强的灾害性天气系统，登陆台风特别是登陆后长时间维持的台风对防城港市经济、社会及环境均会产生严重的破坏，每年台风登陆都会引发社会的高度关注。

但是，不同的登陆台风却会造成不同的灾害。有的台风登陆后，迅速减弱，带来的降水对水利和农业生产是有利的。但是，有的台风登陆后却移速缓慢甚至停滞、维持不消，产生严重的灾害，台风大风摧毁房屋等建筑物，吹倒树木农作物，造成人员伤亡和财产损失，台风引发的持续特大暴雨，会引发洪水灾害和泥石流、山体滑坡、道路坍塌等地质灾害。登陆台风所造成的致灾天气(降水、大风)是天气预报的难点问题。

从近年的业务实践来看，路径相似的台风历史个例对预报服务起到很好的参考作用，但根据相似台风预报致灾天气，不仅要从台风路径上判断，更要从台风所处的天气系统、环境场物理量等多方面做比较、分析及判断，即使是路径相似的台风，由于所处的环境场和影响天气系统的不同，也会产生十分不同的天气，一些学者对台风有很多研究，但却没有平台可以方便地计算及显示相似台风个例的路径及历史相似台风的环境及物理量场等因素。

因此需要建立一个综合计算分析相似台风的业务系统。

技术实现要素：

本发明的主要目的是为了提供一种台风综合信息业务系统，通过通过计算和显示相似台风个例的路径以及历史相似台风的环境和物理量场以对台风进行综合计算分析，从而达到图形化显示结果以及快速分析总结台风危害程度及预报的目的。

本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：

一种台风综合信息业务系统，通过计算和显示相似台风个例的路径以及历史相似台风的环境和物理量场以对台风进行综合计算分析，包括数据库、查询显示历史相似台风个例的台风路径的查询模块、显示历史台风的天气系统的计算及自动绘图模块、筛选有利判断相似台风的环境场物理量因子并计算和图形显示物理量场的物理量场模块、判断相似台风灾害程度和指标的权重模块以及分析和归纳模块。

在上述任一方案中优选的是，所述数据库包括台风的编号、名称、强度、源地、台风进入区域以及季节。

在上述任一方案中优选的是，所述计算及自动绘图模块通过自动计算以及图形显示相似台风的数据图，包括台风路径图、地面及高空各层的天气形势图以及垂直剖面图。

在上述任一方案中优选的是，所述高空各层包括200hpa、500hpa、700hpa、850hpa和1000hpa。

在上述任一方案中优选的是，所述物理量场包括涡度、垂直速度、假相当位温、螺旋度、q矢量、散度、垂直速度、水汽通量、水汽通量散度、整层水汽累积、相对湿度和k指数，所述物理量场模块用于计算和图形显示地面及高空各层的涡度、垂直速度、假相当位温、螺旋度、q矢量、散度、螺旋度、位涡、风切边、水汽通量、水汽通量散度、整层水汽以及垂直剖面图。垂直速度、假相当位温、螺旋度、q矢量。

在上述任一方案中优选的是，所述权重模块通过高空各层台风主要的影响系统高压、副高和季风系统的叠加分析，判断判断相似台风灾害程度和指标的因素。

在上述任一方案中优选的是，所述分析和归纳模块利用相似台风的路径和天气形势、环境物理量场分析灾害个例以及归纳共性。

在上述任一方案中优选的是，所述分析灾害个例以及归纳共性的方法为利用数据库和ncep再分析资料分析台风的气候特征、天气系统和物理量场，得出其气候、环流形势差异、物理结构的特征，对比相似台风得出了初步的结论，在共同的特征中筛选特殊的个例，总结出共性。

本发明的有益技术效果：按照本发明的台风综合信息业务系统，本发明提供的台风综合信息业务系统，建立综合计算分析相似台风的业务系统，可以查询显示历史相似台风个例的台风路径；计算及自动绘图显示历史台风的天气系统；筛选有利判断相似台风的环境场物理量因子，并计算、图形显示这些物理量场，在此基础上，利用该业务系统的资料及方法，对历史灾害个例进行分析，归纳总结形成预报着眼点，可辅助预报员对相似台风个例的快速查询，增加判断相似台风的指标，分析灾害个例，加强实际业务应用，能提高预报员对历史相似台风天气过程的掌握，从而提高预报员对台风灾害的预报分析能力、提升沿海城市对台风的预报服务水平。

附图说明

图1为按照本发明的台风综合信息业务系统的一优选实施例的查询模块展示示意图；

图2为按照本发明的台风综合信息业务系统的一优选实施例的台风路径示意图；

图3为按照本发明的台风综合信息业务系统的一优选实施例的天气数据示意图；

图4为按照本发明的台风综合信息业务系统的一优选实施例的涡度的垂直剖面图；

图5为按照本发明的台风综合信息业务系统的一优选实施例的台风登陆后的气压等值线图；

图6为按照本发明的台风综合信息业务系统的一优选实施例的台风穿过热带气旋中心的南北向散度垂直剖面图；

图7为按照本发明的台风综合信息业务系统的一优选实施例的台风穿过热带气旋中心的南北向涡度垂直剖面图；

图8为按照本发明的台风综合信息业务系统的一优选实施例的台风穿过热带气旋中心的南北向垂直速度垂直剖面图；

图9为按照本发明的台风综合信息业务系统的一优选实施例的台风穿过热带气旋中心的整层水汽通量图；

图10为按照本发明的台风综合信息业务系统的一优选实施例的台风穿过热带气旋中心的南北向水汽通量散度垂直剖面图；

图11为按照本发明的台风综合信息业务系统的一优选实施例的台风穿过热带气旋中心的南北向假相当位温垂直剖面图；

图12为按照本发明的台风综合信息业务系统的一优选实施例的台风穿过热带气旋中心的南北向螺旋度垂直剖面图；

图13为按照本发明的台风综合信息业务系统的一优选实施例的台风穿过热带气旋中心的q矢量散度。

具体实施方式

为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1-图13所示，本实施例提供的台风综合信息业务系统通过计算和显示相似台风个例的路径以及历史相似台风的环境和物理量场以对台风进行综合计算分析，包括数据库、查询显示历史相似台风个例的台风路径的查询模块、显示历史台风的天气系统的计算及自动绘图模块、筛选有利判断相似台风的环境场物理量因子并计算和图形显示物理量场的物理量场模块、判断相似台风灾害程度和指标的权重模块以及分析和归纳模块。

进一步的，在本实施例中，如图1所示，数据库包括台风的编号、名称、强度、源地、台风进入区域以及季节，查询模块可以即时分类筛选查询录入数据库的台风的信息，也便于计算及自动绘图模块根据数据进行计算和绘图。

进一步的，在本实施例中，如图2-图5所示，所述计算及自动绘图模块通过自动计算以及图形显示相似台风的数据图，包括台风路径图、气压线图、地面及高空各层的天气形势图以及其垂直剖面图，本实施例中的高空各层包括200hpa、500hpa、700hpa、850hpa和1000hpa。

进一步的，在本实施例中，如图6-图13所示，物理量场包括涡度、垂直速度、假相当位温、螺旋度、q矢量、散度、垂直速度、水汽通量、水汽通量散度、整层水汽累积、相对湿度和k指数，所述物理量场模块用于计算和图形显示地面及高空各层的涡度、垂直速度、假相当位温、螺旋度、q矢量、散度、螺旋度、位涡、风切边、水汽通量、水汽通量散度、整层水汽以及垂直剖面图。

进一步的，在本实施例中，如图1-图13所示，为了解影响台风天气形势特点，根据台风数据库气候特征按累加频率相当和路径相似原则，将台风按照长时间维持和迅速减弱的特征进行分类：分为长时间维持的台风(ltc)和维持时间短的台风(stc)，以便对物理量场进行对比分析。

进一步的，在本实施例中，如图6所示，该图为ltc和stc穿过热带气旋中心的南北向散度垂直剖面图，横坐标为相对于热带气旋中心的纬度，纵坐标为高度，单位：10^-7s^-1，从热带气旋的散度垂直剖面图可以看出，在热带气旋中心附近，两类热带气旋散度场均在低层形成辐合，高层形成辐散，但从ltc和stc各个个例的高空辐散中心强度可以看出(查询模块可以查询分析)，ltc平均高空辐散中心强度明显比stc强，ltc多数个例的高空辐散中心强度也比stc的大，ltc在热带气旋登陆时和登陆后24h(查询模块可以查询分析)，热带气旋中心上空高层辐散平均维持在15～20×10^-7s^-1，而stc登陆时，热带气旋上空的辐散较弱，并且减弱迅速。对比ltc的高空形势场知道，ltc登陆后华南上空为强的南亚高压控制或处于高空西风深槽前，热带气旋移入一个高空辐散区中，在高空辐散的抽吸作用下，低层辐合上升运动得到加强和维持，对热带气旋环流的长时间维持提供了有利的条件，而有些stc个例高空辐散较弱，不利于热带气旋登陆后的维持。

进一步的，在本实施例中，如图7所示，该图为ltc穿过热带气旋中心的南北向涡度垂直剖面图，从穿过热带气旋中心的涡度垂直剖面可以看出，两类热带气旋在登陆时正涡度均一直伸展到150hpa附近，热带气旋为一深厚的柱状正涡度区，涡度的大值中心在700hpa附近，150hpa以上才出现负涡度，转为反气旋辐散气流。从查询模块和物理量场模块可以看出，两类热带气旋涡度垂直剖面图的差异也很明显，ltc登陆时平均正涡度中心比stc强，700hpa附近的正涡度中心，ltc达到90×10-7s-1，stc只有60×10-7s-1左右，ltc形成了低层为正、高层为负的涡度中心强度比stc更强，即形成剧烈的低层气旋辐合、高层气旋辐散，这种形势有利热带气旋环流的维持。而且ltc正涡度中心减弱较慢，到72h，lct涡度大值中心平均减弱为20×10^-7s^-1，正涡度区的高度降低到250hpa以下，但仍维持低层为正、高层为负的形势，说明尽管在ltc登陆48h后，地面气压及大风已经明显地减弱了，但其气旋性的环流仍较完整，而stc的涡度中心强度减弱较快。

进一步的，在本实施例中，如图8所示，该图为穿过热带气旋中心的南北向垂直速度垂直剖面图，横坐标为相对于热带气旋中心的纬度，纵坐标为高度，单位：10^-3hpa·s^-1，从ltc和stc登陆后穿过台风中心的垂直速度剖面图可看出，垂直速度的垂直分布与散度的垂直分布是相对应的。由于在热带气旋区高层辐散、低层辐合，所以到100hpa均是上升运动，上升速度大值中心在850～700hpa附近，从两类热带气旋的平均情况来看，ltc登陆时垂直速度大值中心强度比stc大，ltc上升速度大值中心为-30×10^-3s^-1，stc为-20×10^-3s^-1左右，强烈的上升运动有利积云对流的发展和暴雨的发生，降水释放的凝结潜热反过来又有利于热带气旋暖心结构的维持。垂直速度的变化还有一个特点是，stc登陆24h后，垂直速度大值区的高度很快就降低，而ltc登陆后，其垂直速度的垂直分布结构基本不变，特别是高层垂直速度的数值变化相对较小，ltc登陆24h后，150hpa以上垂直速度的数值基本没有变化，登陆后48h和72h对比，150hpa以上垂直速度数值变化也很小，说明在有利的环境系统配置下，热带气旋中高层的环流和结构并不会很快趋于减弱。

进一步的，在本实施例中，如图9所示，该图为ltc穿过热带气旋中心的整层水汽通量图，横坐标为相对于热带气旋中心的经度，纵坐标为相对于热带气旋中心的纬度，大量研究表明，登陆后热带气旋的衰减主要是热量和水汽供应减少，从而导致对流活动的减弱。为显示登陆热带气旋的水汽环境变化，计算了整层水汽积分，即水汽通量从地面到300hpa的积分。水汽图通量图上有两个中心，表明登陆华南热带气旋的水汽来源主要是来自西南季风和登陆后热带气旋东南侧的海上水汽的输送，图9表明，ltc登陆期间，印缅季风槽强，形成西南风急流，水汽输送强盛，ltc在登陆后0～72h在季风区平均维持了20g·cm^-1hpa^-1s^-1以上大的水汽通量中心。此外，副高和ltc的位置配置，使得热带气旋后部和副高之间形成较大的气压梯度，因此ltc后部的东南风急流，在ltc东南部形成水汽通量强中心，将水汽从海面源源不断输送到热带气旋中。热带气旋的热量主要来源于水汽凝结潜热的释放，充足、持续的水汽输送使登陆热带气旋获得水汽凝结潜热的补充，有利于ltc气旋环流在陆地上维持，减缓热带气旋登陆后的强度衰减。平均而言，stc的两个水汽通量中心强度明显偏弱，水汽环境对热带气旋陆上的维持不利。

进一步的，在本实施例中，如图10所示，该图为ltc穿过热带气旋中心的南北向水汽通量散度垂直剖面图，横坐标为相对于热带气旋中心的纬度，纵坐标为高度，单位：10^-8gcm^-2hpa^-1s^-1，ltc和stc登陆后的水汽通量散度垂直剖面图表明，热带气旋登陆后的水汽来源主要集中在中低层，在700hpa以下热带气旋中心附近是水汽通量的辐合中心，ltc的水汽辐合中心强度减弱较慢，ltc登陆后水汽辐合中心强度较强，直到72h后才减弱，水汽在热带气旋中心附近剧烈地堆积和累加，使得热带气旋中心附近水汽充沛，减缓了ltc的衰减。对比前章所述天气形势可以看出，低空西南季风输送了充足的水汽，热带气旋东侧的东南气流也将海上的水汽输送到热带气旋环流中，并在热带气旋中心附近产生强烈辐合。

进一步的，在本实施例中，如图11所示，该图为ltc穿过热带气旋中心的南北向假相当位温垂直剖面图，横坐标为相对于tc中心的纬度，纵坐标为高度，单位：k，从ltc和stc登陆后的位温垂直剖面图可看出，热带气旋中心是暖心结构，热带气旋内部是一个假相当位温qse的高值区，热带气旋两侧为qse低值区，热带气旋外围低层气层是对流性不稳定的。平均而言，ltc的中心更暖，两侧的qse梯度更强，使ltc附近地区低层的位势不稳定度增大，所以ltc的中心暖心结构更强，维持的时间也更长。分析登陆热带气旋暖心结构的变化，表明热带气旋登陆后减弱时，暖心结构发生变化，图形结构呈不规则，暖中心高度下降。ltc到72h暖中心高度才下降，两侧的qse梯度减弱，维持的时间比stc要长。

进一步的，在本实施例中，如图12所示，该图为ltc和stc穿过热带气旋中心的南北向螺旋度垂直剖面图，横坐标为相对于热带气旋中心的纬度，纵坐标为高度，热带气旋是大气中具有较强螺旋性的系统，成熟的热带气旋系统其螺旋度相当大，螺旋度可以视为一个反映热带气旋强度的物理量。热带气旋较长的生命期是与其螺旋性流动对能量耗散和扩散所起的抑制作用分不开的，螺旋度对热带气旋的维持及其长久的生命期具有重要的作用。

在本实施例中，螺旋度是表征流体边旋转边沿旋转方向运动的动力特性的物理量，最早用来研究流体力学中的湍流问题，在等墒流体中具有守恒性质。其严格定义为：

通常人们所说的螺旋度是局地螺旋度h，定义为

螺旋度的重要性还在于它比涡度包含了更多辐散风效应，更能体现大气的运动状况，其值的正负情况反映了涡度和速度的配合程度。将螺旋度应用到对风暴的旋转发展维持机制和其他相关的大气现象研究中。

根据向量分析的定义，螺旋度属于假标量:

上式右端项各有不同的意义，它们分别与x,y,z方向的风速和涡度的分量联系在一起，其值相同时也可能会有不同的运动形式。称之为x-螺旋度：hx＝uξ，y-螺旋度(合称为水平螺旋度)：hy＝vη，z-螺旋度：hz＝wζ,其中z-螺旋度又称垂直螺旋度，由垂直速度和垂直涡度决定，它能反映出大气在垂直空间上的旋转上升和运动特征。

由于大气中许多流动具有螺旋性特征，而螺旋度是表征流体边旋转边沿旋转方向运动的动力性质的物理量，螺旋度既考虑了大气旋转、扭曲的特性，同时又考虑了水平和垂直方向的输送作用，它能较好地反映大气的三维物理结构特征，比单一地用涡度或散度描述大气物理结构，意义更加清晰。

从图12可看出，ltc和stc螺旋度主要集中在热带气旋中心附近，螺旋度绝对值向两侧迅速递减，热带气旋中心附近螺旋度在200hpa以下为正，即为具有正涡度的辐合上升区。平均而言，登陆ltc的螺旋度中心较stc强，ltc中心强度平均有20×pas^-2，而stc平均中心强度仅有8×pas^-2，并且ltc的螺旋度减弱相对较慢。螺旋度削弱了能量的耗散和扩散，ltc较大的螺旋度、螺旋度减弱缓慢有利于热带气旋的维持。

进一步的，在本实施例中，如图13所示，该图为ltc和stc穿过热带气旋中心的850hpaq矢量散度图，横坐标为相对于tc中心的经度，纵坐标为相对于tc中心的纬度，单位：10^-12s^-3hpa^-1，q矢量是天气诊断分析的一种重要的方法，以q矢量散度为强迫项的非地转ω方程为：

q矢量表示作用在位温梯度上的地转速度水平形变的大小，非地转q矢量散度表示的是产生垂直运动的强迫机制的强弱。从公式可以看出，当ω具有波状特征时，公式左边与-ω成正比，从而与ω成正比。因此，当即q矢量辐合时，则ω<0，非地转上升运动会在一定时间尺度内得以维持，持续一定强度的上升运动，有利于热带气旋环流的维持；反之ω>0，垂直方向上为下沉运动。所以可以通过诊断q矢量的辐合与辐散来判断垂直运动。

q矢量公式表明：当q矢量场辐合时，垂直运动向上；当q矢量场辐散时，垂直运动向下。这种方法称为q矢量方法，它包括了变形项，适用于整个对流层。

q矢量还可以写成：

如果天气系统很深厚，伸展到整个对流层，那么q矢量表示了对流层低层的非地转运动的方向，并指向上升区，在对流层高层非地转运动的方向与q矢量反向。

从图13中可以看出850hpa的q矢量散度场中，闭合的q矢量正负中心呈相间分布，即辐合和辐散区相间，ltc登陆后0～24h，热带气旋中心附近有一对正负q矢量散度中心，热带气旋中心位于为鞍形结构中，登陆后48h，正负速度中心移动到热带气旋中心的西北侧，且正负中心的强度梯度减弱。stc登陆时，在热带气旋中心附近也有一正负强度中心，但其梯度比ltc的小，且在登陆24h后就迅速减弱。这表明q矢量辐合辐散中心的强度变化在一定程度上反映出热带气旋衰减的过程。

进一步的，在本实施例中，如图1-图13所示，权重模块通过高空各层台风主要的影响系统高压、副高和季风系统的叠加分析，判断判断相似台风灾害程度和指标的因素，分析和归纳模块利用相似台风的路径和天气形势、环境物理量场分析灾害个例以及归纳共性。

综上，对ltc和stc两类热带气旋的物理量场进行了对比分析，结果表明，两类热带气旋的物理量场存在明显的差异：

(1)ltc登陆后高空为强大的南亚高压控制或较深的高空槽前，其上空存在较强的高空辐散，高空辐散的抽吸作用有利于维持低层辐合，从而有利于热带气旋的维持；而stc的高空辐散明显偏弱。

(2)和stc相比，ltc形成了低层为正、高层为负的涡度中心强度比stc更强烈，即形成剧烈的低层气旋辐合、高层气旋辐散，这种形势有利热带气旋的维持，且ltc正涡度中心减弱较慢。

(3)ltc登陆时垂直速度大值中心强度比stc大，强烈的上升运动有利于积云对流的发展和暴雨的发生，降水释放的凝结潜热反过来又有利于ltc暖心结构的维持。stc登陆后，垂直速度大值区的高度很快就降低，而ltc登陆后，其垂直速度的垂直分布结构基本不变，特别是高层垂直速度的数值变化相对较小，说明在有利的环境系统配置下，热带气旋中高层的环流和结构并不会很快趋于减弱。

(4)从水汽条件分析来看，热带气旋登陆后水汽的辐合主要在700hpa以下，登陆热带气旋有两个水汽通道，其中之一是西南季风输送的水汽，另一个是副高和热带气旋之间强气压梯度形成的南风急流对水汽的输送。西南季风和热带气旋东南侧的急流形成源源不断的水汽输送，使得损耗的能量得到补充，减缓了ltc登陆后的强度衰减。stc的影响期间，西南季风偏弱，副高和热带气旋的位置配置，也不利于水汽的输送，两个水汽通道均明显偏弱，不利于热带气旋环流的维持。

(5)从热带气旋的热力结构来看，ltc中心的暖心结构更强，暖中心高度的维持时间也比stc要长。

(6)螺旋度的分析表明ltc较大的螺旋度、螺旋度减弱缓慢有利于热带气旋的维持。

(7)q矢量分析表明，q矢量辐合辐散中心的强度变化在一定程度上反映出热带气旋衰减的过程。

(8)影响登陆华南热带气旋陆上衰减的天气系统和物理量场是相互联系的。高空影响ltc的天气系统——强南压高压和高空槽前，会导致ltc高空的辐散明显偏强；强的季风槽输送热带海洋上强盛的水汽，ltc水汽通道的水汽通量就会明显偏强。物理量场是天气系统是否有利及其有利程度的佐证，并反映了其物理本质。

进一步的，在本实施例中，如图1-图13所示，分析灾害个例以及归纳共性的方法为利用数据库和ncep再分析资料分析台风的气候特征、天气系统和物理量场，得出其气候、环流形势差异、物理结构的特征，对比相似台风得出了初步的结论，在共同的特征中筛选特殊的个例，总结出共性。

综上所述，在本实施例中，按照本实施例的台风综合信息业务系统，本实施例提供的台风综合信息业务系统，可以查询显示历史相似台风个例的台风路径；计算及自动绘图显示历史台风的天气系统；筛选有利判断相似台风的环境场物理量因子，并计算、图形显示这些物理量场，在此基础上，利用该业务系统的资料及方法，对历史灾害个例进行分析，归纳总结形成预报着眼点，可辅助预报员对相似台风个例的快速查询，增加判断相似台风的指标，分析灾害个例，加强实际业务应用，能提高预报员对历史相似台风天气过程的掌握，从而提高预报员对台风灾害的预报分析能力、提升沿海城市对台风的预报服务水平。

以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。