一种台风非对称最大降水落区半径的分析系统和分析方法与流程

1.本发明涉及台风降水结构的分析系统和分析方法，尤其涉及一种台风非对称最大降水落区半径的分析系统和分析方法。
2.

背景技术：

3.台风（tc）作为暴雨的载体，往往会给它经过的地方带来大面积的内涝、洪水、泥石流等灾害。台风降水可分为两部分降水：轴对称降水和非对称降水。其中，轴对称降水可以理解为台风的平均降水分布；非对称降水可以刻画和理解台风的最大降水落区特征。以往的有关登陆台风降水轴对称和非对称分布的研究，侧重于外部大尺度环境、海陆差异、台风移动和强度等对降水分布的影响，有关最大降水落区分析的代表性研究工作包括：1）lonfat等（2004，见参考文献1）研究了海上台风降雨分布与tc强度、地理位置和运动的关系，发现全球平均上看，最大降雨量位于的tc前象限，但随tc强度的变化而变化。
4.2）chen等（2006，见参考文献2）分析了海上tc降雨相对于环境垂直风切变的非对称性，发现环境垂直风切变（vws）大于5m s-1时，降雨的非对称性受到vws的显著影响。
5.3）yu等（2015，见参考文献3；2017，见参考文献4）研究了登陆台风的降水非对称性，发现登陆台风降水非对称分布结构主要受环境垂直风切变强弱的控制，并对海陆差异影响ltc降水分布机制提出概念模型。
6.由于侧重于考虑环境场、下垫面、台风强度及移动对台风降水分布的影响，因此在台风非对称最大降水落区的分析方法上，以往的研究和分析技术主要是傅里叶分解得到1波的低波数非对称降水分量，一方面未考虑台风本身结构，另一方面也并未给出1波及其更高波数的非对称降水总量分布。
7.参考文献：参考文献1：lonfat, m., f. d. marks jr., and s. s. chen, 2004: precipitation distribution in tropical cyclones using the tropical rainfall measuring mission (trmm) microwave imager: a global perspective. monthly weather review, 132, 1645
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1660, https://doi.org/10.1175/1520-0493(2004)132<1645:pditcu>2.0.co;2。
8.参考文献2：chen, s., j. a. knaff, and f. d. marks, 2006: effects of vertical wind shear and storm motion on tropical cyclone rainfall asymmetries deduced from trmm. monthly weather review, 134, 3190
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3208, https://doi.org/10.1175/mwr3245.1.参考文献3：yu, z., y. wang, and h. xu, 2015: observed rainfall asymmetry in tropical cyclones making landfall over china. journal of applied meteorology and climatology, 54, 117
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136, https://doi.org/10.1175/jamc-d-13-0359.1.
参考文献4：yu, z., y. wang, h. xu, n. e. davidson, y. chen, y. chen, and h. yu, 2017: on the relationship between intensity and rainfall distribution in tropical cyclones making landfall over china. journal of applied meteorology and climatology, 56, 2883
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2901, https://doi.org/10.1175/jamc-d-16-0334.1.


技术实现要素：

9.为了克服过去研究关于台风降水结构监测分析技术的不适应性，本发明提出一种基于最大风速半径的台风非对称最大降水落区半径的分析技术。tc最大风速半径是描述tc分布结构的重要物理参数。本发明针对于已有的分析系统和方法没有结合台风本身结构的问题，将结合台风最大风速半径，来计算1-4波非对称降水分量，并去除不同波数的最大降水落区方位角位相差之后求和，进而作出了方法上的修改和改进，实现相对于最大风速半径的台风非对称最大降水落区半径分析。
10.具体而言，本发明提供了一种台风非对称最大降水落区半径的分析系统，其特征在于，其包括：台风基础数据获取模块，该模块依据时间确定台风中心位置和最大风速半径；降水数据资料获取模块，该模块用于获得卫星降水数据资料，并根据所述台风基础数据获取模块提供的时间和台风中心位置，从该卫星降水数据资料来获取台风中心附近的降水数据资料；降水数据资料处理模块，该模块对在所述降水数据资料获取模块提供的降水数据资料展开傅里叶分解，计算相对台风中心距离的1-4波非对称降水分量；坐标转换模块，该模块基于所述降水数据资料处理模块提供的数据，开展坐标转换，计算基于最大风速半径的1-4波非对称降水分量；5）方位角确定模块，该模块确定在所述坐标转换模块获得的数据中，相对于最大风速半径的台风1-4波非对称降水最大值的落区方位角；旋转模块，该模块在所述坐标转换模块获得的数据基础上，根据所述方位角确定模块找到的方位角，分别旋转处理使得1-4波非对称降水最大值的落区方位至正东方向；结果计算模块，该模块利用所述旋转模块处理过的数据，计算旋转了的基于最大风速半径的1-4波非对称降水分量之和，最终获得基于最大风速半径的台风非对称最大降水落区半径。该半径是指距离tc中心所在位置的距离。
11.优选的是，本发明的台风非对称最大降水落区半径的分析系统的特征在于，所述台风中心位置和最大风速半径从现行国际气象业务标准的台风最佳路径数据插值确定，或者通过卫星、雷达直接获得所述台风中心位置、最大风速半径。
12.优选的是，本发明的台风非对称最大降水落区半径的分析系统的特征在于，所述台风中心位置和最大风速半径的资料时间分辨率为6小时。
13.优选的是，本发明的台风非对称最大降水落区半径的分析系统的特征在于，所述卫星降水数据资料通过中国气象局获得相关数据，并且采用的卫星降水数据资料数据的内容为逐小时卫星反演降水产品。
14.优选的是，本发明的台风非对称最大降水落区半径的分析系统的特征在于，所述
降水数据资料处理模块在获得卫星降水数据资料后，对获得的降水数据资料采取质控手段进行判断，在判断数据出现缺测或错误的情况下对这些数据样本进行错误剔除使其合格，在不合格的情况下结束分析。
15.本发明还提供了一种台风非对称最大降水落区半径的分析方法，其特征在于，其包括下述步骤：1）依据时间确定台风中心位置和最大风速半径，从而获取台风基础数据；2）获得卫星降水数据资料，根据步骤1）的时间和获得的台风中心位置，从该卫星降水数据资料来获取台风中心附近的降水数据资料；3）对在步骤2）获得的降水数据资料展开傅里叶分解，计算相对台风中心距离的1-4波非对称降水分量；4）基于步骤3）获得的数据开展坐标转换，计算基于最大风速半径的1-4波非对称降水分量；5）确定步骤4）获得的数据中，相对于最大风速半径的台风1-4波非对称降水最大值的落区方位角；6）在步骤4）获得的数据基础上，根据步骤5）找到的方位角，分别旋转使处理得1-4波非对称降水最大值的落区方位至正东方向；7）利用步骤6）得到的数据，计算旋转了的基于最大风速半径的1-4波非对称降水分量之和，最终获得基于最大风速半径的台风非对称最大降水落区半径分布。
16.优选的是，本发明的台风非对称最大降水落区半径的分析方法的特征在于，在步骤1）中，所述台风中心位置和最大风速半径从现行国际气象业务标准的台风最佳路径数据插值确定，或者通过卫星、雷达直接获得所述台风中心位置、最大风速半径。
17.优选的是，本发明的台风非对称最大降水落区半径的分析方法的特征在于，所述台风中心位置和最大风速半径的资料时间分辨率为6小时。
18.优选的是，本发明的台风非对称最大降水落区半径的分析方法的特征在于，所述卫星降水数据资料通过中国气象局获得相关数据，并且采用的卫星降水数据资料数据的内容为逐小时卫星反演降水产品。
19.优选的是，本发明的台风非对称最大降水落区半径的分析方法的特征在于，步骤2）进一步包括：在获得卫星降水数据资料后，对获得的降水数据资料采取质控手段进行判断，在判断数据出现缺测或错误的情况下对这些数据样本进行错误剔除使其合格，在不合格的情况下结束分析。
20.与现有的技术相比，本发明的技术增加了坐标转换模块、方位角确定模块、旋转模块、和结果计算模块，和步骤4-7。本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明充分考虑了台风最大风速半径的不同导致台风非对称最大降水落区的分布不同，本发明基于最大风速半径分析台风非对称最大降水落区半径的方法，相比于以往的方法，具有对不同最大风速半径台风的非对称最大降水落区半径分布的判别优势，可为台风降水结构诊断分析提供有效手段。并且，本发明考虑了不同波数的台风最大降水落区在方位角上的位相不同，台风降水结构的诊断结果更清楚准确，更便于实际应用。另外，本发明的系统和方法采用的算法可以实现自动高效运行。
21.附图说明
22.为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。
23.图1为本发明台风非对称最大降水落区的分析系统的流程图。
24.图2为本发明实施例的相对台风中心距离的1波台风最大降水分布示意图。
25.图3为本发明实施例的基于最大风速半径得到的1波台风最大降水分布示意图。
26.图4为本发明实施例的旋转后的基于最大风速半径得到的1波台风最大降水分布示意图。
27.图5为本发明的实施例得到的基于最大风速半径的台风最大降水落区半径分布示意图。
28.具体实施方式
29.下面结合附图对本发明的内容进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。居于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.图1是本发明的台风非对称最大降水落区半径的分析系统的流程图。如图1所示，本发明提供了一种台风非对称最大降水落区半径的分析系统，其特征在于，其包括：台风基础数据获取模块，该模块依据时间确定台风中心位置和最大风速半径；台风中心位置和最大风速半径可以依据现行国际气象业务标准的台风最佳路径数据插值得到，也可以通过卫星、雷达等方法直接获得台风中心位置（经纬度）、最大风速半径（km）等信息。这些资料的时间分辨率由采用的观测手段或原始数据本身确定，通常为6小时，但是在实际分析方法中，资料时间分辨率为6小时并非是必须的。
31.降水数据资料获取模块，该模块用于获得卫星降水数据资料，并根据所述台风基础数据获取模块提供的时间和台风中心位置，从该卫星降水数据资料来获取台风中心附近的降水数据资料；卫星降水数据资料可以通过例如中国气象局获得相关数据。并且在一个实施方式当中，采用的降水数据资料数据的内容为逐小时卫星反演降水产品。
32.必要时，在获得卫星降水数据资料后，对获得的降水数据资料采取质控手段进行判断，在判断数据出现缺测或错误的情况下，结束分析或者对这些数据样本进行错误剔除。
33.降水数据资料处理模块，该模块对在所述降水数据资料获取模块提供的降水数据资料展开傅里叶分解，计算相对台风中心距离的1-4波非对称降水分量；在一个实施方式当中，根据所述台风基础数据获取模块获得的台风中心位置，对距离台风中心1500km半径范围的降水开展傅里叶分解，获得相对台风中心距离1500km内的1-4波非对称降水分量；其中，所述1500km是考虑了最大风速半径可能的范围，计算10倍最大风
速半径后再确定的1500km的半径范围。
34.坐标转换模块，该模块基于所述降水数据资料处理模块提供的数据，开展坐标转换，计算基于最大风速半径的1-4波非对称降水分量；考虑台风最大风速半径后，进行坐标转换，将相对台风中心距离1500km内的1-4波非对称降水分量转换为相对0-10倍最大风速半径的1-4波非对称降水分量。
35.考虑台风最大风速半径后，进行坐标转换，将相对台风中心距离（即经纬度坐标下）的1-4波非对称降水分量转换为相对0-10倍最大风速半径的1-4波非对称降水分量。
36.5）方位角确定模块，该模块确定在所述坐标转换模块获得的数据中，相对于最大风速半径的台风1-4波非对称降水最大值的落区方位角；为了方便确定最大降水落区的半径，并去除不同波数分解的最大降水落区所在方位角差异，需要进行下一模块的方位角相位的去除工作。因此，先寻找相对于0-10倍最大风速半径的1波非对称降水分量最大值的落区，找到它所在的方位角；相应地，再分别找到2-4波的非对称降水分量最大值的落区方位角。
37.旋转模块，该模块在所述坐标转换模块获得的数据基础上，根据所述方位角确定模块找到的方位角，分别旋转处理使得1-4波非对称降水最大值的落区方位至正东方向；根据所述方位角确定模块找到的1波非对称降水分量最大值的落区方位角，旋转使得1波非对称降水最大值的落区方位至正东方向；相应地，依据2、3、4波降水量最大值的落区方位角，也作相应旋转处理。
38.结果计算模块，该模块利用所述旋转模块处理过的数据，计算旋转了的基于最大风速半径的1-4波非对称降水分量之和，最终获得基于最大风速半径的台风非对称最大降水落区半径分布本发明的还提供了一种台风非对称最大降水落区半径的分析方法，其包括下述步骤：1）依据时间确定台风中心位置和最大风速半径，从而获取台风基础数据；台风中心位置和最大风速半径可以依据现行国际气象业务标准的台风最佳路径数据插值得到，也可以通过卫星、雷达等方法直接获得台风中心位置（经纬度）、最大风速半径（km）等信息。这些资料的时间分辨率由采用的观测手段或原始数据本身确定，通常为6小时，但是在实际分析方法中，资料时间分辨率为6小时并非是必须的。
39.2）获得卫星降水数据资料，根据步骤1）的时间和获得的台风中心位置，从该卫星降水数据资料来获取台风中心附近的降水数据资料；卫星降水资料可以通过中国气象局获得相关数据，在获得卫星降水资料后，开展步骤3）之前，对获得的卫星降水资料采取最基本的质控手段，主要包括判断是否缺测或错误，对这些数据样本进行剔除；卫星降水数据资料可以通过例如中国气象局获得相关数据。并且在一个实施方式当中，采用的降水数据资料数据的内容为逐小时卫星反演降水产品。
40.必要时，在获得卫星降水数据资料后，对获得的降水数据资料采取质控手段进行判断，在判断数据出现缺测或错误的情况下，结束分析或者对这些数据样本进行错误剔除。
41.3）对在步骤2）获得的降水数据资料展开傅里叶分解，计算相对台风中心距离的1-4波非对称降水分量；在一个实施方式当中，根据步骤1）获得的台风中心位置，对距离台风中心1500km半径
范围的降水开展傅里叶分解，获得相对台风中心距离1500km内的1-4波非对称降水分量；4）基于步骤3）获得的数据开展坐标转换，计算基于最大风速半径的1-4波非对称降水分量；考虑台风最大风速半径后，进行坐标转换，将相对台风中心距离1500km内的1-4波非对称降水分量转换为相对0-10倍最大风速半径的1-4波非对称降水分量。
42.考虑台风最大风速半径后，进行坐标转换，将相对台风中心距离经纬度坐标的1-4波非对称降水分量转换为相对0-10倍最大风速半径的1-4波非对称降水分量。
43.5）确定步骤4）获得的数据中，相对于最大风速半径的台风1-4波非对称降水最大值的落区方位角；为了方便确定最大降水落区的半径，并去除不同波数分解的最大降水落区所在方位角差异，需要进行步骤6）的方位角相位的去除工作。因此，先寻找相对于0-10倍最大风速半径的1波非对称降水分量最大值的落区，找到它所在的方位角；相应地，再分别找到2-4波的非对称降水分量最大值的落区方位角。
44.6）在步骤4）获得的数据基础上，根据步骤5）找到的方位角，分别旋转使处理得1-4波非对称降水最大值的落区方位至正东方向；根据步骤5）找到的1波非对称降水分量最大值的落区方位角，旋转使得1波非对称降水最大值的落区方位至正东方向；相应地，依据2、3、4波降水量最大值的落区方位角，也作相应旋转处理。
45.7）利用步骤6）得到的数据，计算旋转了的基于最大风速半径的1-4波非对称降水分量之和，最终获得基于最大风速半径的台风非对称最大降水落区半径分布。
46.有上述可知，本发明提出了一种基于最大风速半径的台风非对称最大降水落区半径的分析技术，包括：利用傅里叶分解方法，依据台风最大风速半径，获取距离台风中心0-10倍最大风速半径范围内的1-4波非对称降水分布；分析1-4波的最大降水落区方位；根据获得的1-4波最大降水落区方位，计算与正东方向的方位角偏差；将1-4波最大降水落区旋转至正东方位，实现不同波数的台风最大降水落区方位角偏差全部清除，获得基于最大风速半径的台风非对称最大降水落区半径分布。本发明充分考虑了台风内部结构不同，导致1-4波的非对称最大降水落区半径分布不同，在分析的降水结果中得到体现。
实施例
47.具体地，以2014年第15号（1415号）台风降水为例，具体介绍本发明实施例的基于最大风速半径的台风非对称最大降水落区半径分析技术的实现过程：1）获取1415号台风活动记录的路径数据，该路径数据包括经度、纬度、最大风速半径等。该台风历史数据来源于中国气象局上海台风研究所热带气旋资料中心（tcdata.typhoon.org.cn）提供的1949年至2019年西北太平洋海域热带气旋最佳路径数据集、以及美国jtwc最佳路径数据集；2）获取1415号台风历史降水数据，其中卫星降水资料来源于中国气象局国家信息中心提供的格点降水估计数据，并剔除缺测或者错误的相关样本数据；3）对1415号台风降水资料展开傅里叶分解，计算相对台风中心距离的1-4波非对称降水分量。具体操作上，根据1415号台风中心位置的经度和纬度，对距离台风中心1500km半径
范围内的降水展开傅里叶分解，获得相对台风中心距离1500km内的1波非对称降水分量（见图2），再分别获取2、3、4波非对称降水分量（图略）。图2为本发明实施例的相对台风中心距离的1波台风最大降水分布示意图。该图也是yu等在以往分析方法中得到的1波台风最大降水分布示意图。其中，色标表示相对经纬度物理坐标的1波非对称降水分布（最深色表示最大降水落区）。x，y轴表示距离台风中心的经纬度数，（0,0）表示台风中心。
48.4）对步骤3）的结果进行坐标转换，将相对台风中心距离的经纬度坐标的1-4波非对称降水分量分别转换为相对0-10倍最大风速半径的1-4波非对称降水分量。图3为本发明实施例的基于最大风速半径得到的1波台风最大降水分布示意图。其中，色标为相对最大风速半径的1波非对称降水分布（最深色表示最大降水落区）。x，y轴表示距离台风中心的最大风速半径倍数，（0，0）表示台风中心。
49.5）寻找相对于0-10倍最大风速半径的1波非对称降水分量最大值，找到它所在的方位角；相应地，再分别找到2-4波的非对称降水分量最大值的方位角。
50.6）分别旋转1-4波非对称降水最大值的落区方位至正东方向。具体地，通过步骤5）找到的1波非对称降水分量最大值方位角，将它们进行方位角上的旋转至正东方位（见图4）。图4为本发明实施例的旋转后的基于最大风速半径得到的1波台风最大降水分布示意图。其中，色标为相对最大风速半径的1波非对称降水分布（最深色表示最大降水落区）。x，y轴表示距离台风中心的最大风速半径倍数，（0，0）表示台风中心。图4示出了本步骤实现的效果。类似地，再对2、3、4波降水量最大值方位角也作此旋转处理（图略）。
51.7）获得基于最大风速半径的台风非对称最大降水落区半径分布。
52.依据步骤6）之后，计算旋转了的基于最大风速半径的1-4波非对称降水分量之和，最终得到基于最大风速半径的台风最大降水落区半径分布（见图5）。图5为本发明的实施例得到的基于最大风速半径的台风最大降水落区半径分布示意图。图5示出了旋转后的基于最大风速半径得到的1-4波台风非对称降水之和。其中色标为相对最大风速半径的1-4波总非对称降水分布（最深色表示最大降水落区）。x，y轴表示距离台风中心的最大风速半径倍数，（0，0）表示台风中心。
53.通过本发明涉及的基于最大风速半径的台风非对称最大降水落区半径的分析技术，可为台风降水结构分析提供有效手段。
54.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。