[發(fā)明專利]一種基于均值聚類與線性判別的熱帶氣旋等級劃分方法

在審

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• 申請日: 2021-09-26
• 公開（公告）號: CN113837283A
• 公開（公告）日: 2021-12-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 林夏婧;黃國和;宋唐女;張重;王絲雨;田初引;魯晨
• 申請（專利權(quán)）人: 華北電力大學
• 主分類號: G06K9/62
• 分類號: G06K9/62
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 張文寶

本發(fā)明提出一種基于均值聚類與線性判別的熱帶氣旋等級劃分方法，選取多套CMIP6HighResMIP氣候數(shù)據(jù)集，并依據(jù)tracking algorithm追蹤法則在氣候格點數(shù)據(jù)集中追蹤所有TC軌跡，提取每一時間尺度下每個追蹤點所攜帶的氣候信息，利用暖核探測方法識別出非TC類別與TC類別，利用Kmeans聚類方法，并依據(jù)所有TC類別追蹤點所攜帶的氣候信息，劃分出7類TC事件；將非TC類別與已劃分出的7類TC事件共8個類別作為預測的初始判據(jù)，并通過Fisher線性判別法建立熱帶氣旋強度和所述氣候信息之間的關(guān)系。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于氣候預測領(lǐng)域，具體涉及一種基于均值聚類與線性判別的熱帶氣旋等級劃分方法。

背景技術(shù)

熱帶氣旋(TC)在內(nèi)陸沿海地區(qū)造成了嚴重的自然災害，包括毀滅性的風暴潮、季節(jié)性降雨、城市洪水和持續(xù)的大風。它們被認為是經(jīng)濟損失的最大驅(qū)動力，是極端氣候的主要貢獻者。已命名風暴的分類對于現(xiàn)階段TC事件的風險評估，以及對在氣候變化條件下TC頻率變化的探究至關(guān)重要。Saffir-Simpson分類法是在1970年代早期一場名為“卡米爾”的強風暴之后被創(chuàng)建的，并已被應急管理人員、公眾和氣象學家廣泛使用。該分類法主要依據(jù)觀測獲取的近地表最大持續(xù)風速對颶風/TC事件進行分類，包括了最大持續(xù)風速超過17m/s(34kt)的熱帶風暴，以及超過10.8m/s(21kt)的熱帶低壓。然而，近年來，北大西洋盆地出現(xiàn)了多個定義為較弱級別的TC事件并被發(fā)現(xiàn)與其真實破壞性不相匹配的情況。例如，Sandy被定義為3類颶風(50～58m/s；Saffir-Simpson強度等級的96～112節(jié))，卻造成了近750億美元的損失。盡管Saffir-Simpson分類法已被廣泛用于評估歷史、當前和未來TC的強度等級，但那些被低估了實際強度的TC事件已導致多位學者對僅使用最大風速作為分類標準產(chǎn)生了質(zhì)疑。

近年來，無論是在歷史颶風數(shù)據(jù)集(HURDAT)還是在全球氣候耦合模式(CMIP3、5和6)中，研究者不斷提出了一系列新指標來表征熱帶氣旋的強度。部分科學家，包括KerryEmanuel和Lakshmi Kantha，評價Saffir-Simpson分類標準過于簡單，表明該尺度既沒有考慮到風暴的物理大小，也沒有考慮到它所攜帶的大氣信息。Kantha提出了三種颶風分類指數(shù)：颶風強度指數(shù)(HII)、颶風危害指數(shù)(HHI)和颶風涌浪指數(shù)(HSI)。HII使用連續(xù)性方程對颶風強度進行分類，指出流體施加的力與高雷諾數(shù)下的動壓力成比例。HHI通過一個指數(shù)以獲得颶風登陸時的損失估計，而HSI則根據(jù)颶風產(chǎn)生的風暴潮對颶風進行分類。此外，Powell和Reinhold首次提出了熱帶氣旋綜合動能(IKE)概念，以描述風暴的破壞潛力。IKE是通過將10米持續(xù)風速逐象限積分計算得出的熱帶強度。評估TC的活性的指標，如ACE和PDI，也很大程度上依賴于定量方法，因為前者是通過每6小時間隔的最大持續(xù)風力的平方來估計，而后者是則是通過其立方來估計。然而，與IKE相比，ACE和PDI高估了TC的累積能量，因為它沒有考慮氣旋結(jié)構(gòu)。

在上述指標中，TC事件的強度大多定義為近地表風速的函數(shù)。然而，該強度的變化實際上與控制熱帶氣旋空間分布和運動特征的許多其他大氣變量強相關(guān)，而不是僅與近地表風速有關(guān)。例如，由于TC是一種渦旋運動，相對渦度(以下簡稱渦度)和中心壓力有助于表征其中心的位置和強度；這在網(wǎng)格化氣候數(shù)據(jù)中尤其突出。此外，全球氣候模型模擬數(shù)據(jù)通常會低估真實的大氣風速，而利用同一時刻的氣壓與垂直渦度差等氣象資料將更有助于獲取較為準確的TC強度；因此，在近地表風速之外考慮這些參數(shù)將有助于提供更可靠的TC等級分類依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于均值聚類與線性判別的熱帶氣旋等級劃分方法，通過建立TC事件強度與近地面風速、氣壓和垂直渦度的函數(shù)關(guān)系，對全球氣候模式中的熱帶氣旋進行等級劃分。

一種基于均值聚類與線性判別的熱帶氣旋等級劃分方法，包括如下步驟：