[发明专利]一种基于均值聚类与线性判别的热带气旋等级划分方法

说明书

本发明提出一种基于均值聚类与线性判别的热带气旋等级划分方法，选取多套CMIP6HighResMIP气候数据集，并依据tracking algorithm追踪法则在气候格点数据集中追踪所有TC轨迹，提取每一时间尺度下每个追踪点所携带的气候信息，利用暖核探测方法识别出非TC类别与TC类别，利用Kmeans聚类方法，并依据所有TC类别追踪点所携带的气候信息，划分出7类TC事件；将非TC类别与已划分出的7类TC事件共8个类别作为预测的初始判据，并通过Fisher线性判别法建立热带气旋强度和所述气候信息之间的关系。

技术领域

本发明属于气候预测领域，具体涉及一种基于均值聚类与线性判别的热带气旋等级划分方法。

背景技术

热带气旋(TC)在内陆沿海地区造成了严重的自然灾害，包括毁灭性的风暴潮、季节性降雨、城市洪水和持续的大风。它们被认为是经济损失的最大驱动力，是极端气候的主要贡献者。已命名风暴的分类对于现阶段TC事件的风险评估，以及对在气候变化条件下TC频率变化的探究至关重要。Saffir-Simpson分类法是在1970年代早期一场名为“卡米尔”的强风暴之后被创建的，并已被应急管理人员、公众和气象学家广泛使用。该分类法主要依据观测获取的近地表最大持续风速对飓风/TC事件进行分类，包括了最大持续风速超过17m/s(34kt)的热带风暴，以及超过10.8m/s(21kt)的热带低压。然而，近年来，北大西洋盆地出现了多个定义为较弱级别的TC事件并被发现与其真实破坏性不相匹配的情况。例如，Sandy被定义为3类飓风(50～58m/s；Saffir-Simpson强度等级的96～112节)，却造成了近750亿美元的损失。尽管Saffir-Simpson分类法已被广泛用于评估历史、当前和未来TC的强度等级，但那些被低估了实际强度的TC事件已导致多位学者对仅使用最大风速作为分类标准产生了质疑。

近年来，无论是在历史飓风数据集(HURDAT)还是在全球气候耦合模式(CMIP3、5和6)中，研究者不断提出了一系列新指标来表征热带气旋的强度。部分科学家，包括KerryEmanuel和Lakshmi Kantha，评价Saffir-Simpson分类标准过于简单，表明该尺度既没有考虑到风暴的物理大小，也没有考虑到它所携带的大气信息。Kantha提出了三种飓风分类指数：飓风强度指数(HII)、飓风危害指数(HHI)和飓风涌浪指数(HSI)。HII使用连续性方程对飓风强度进行分类，指出流体施加的力与高雷诺数下的动压力成比例。HHI通过一个指数以获得飓风登陆时的损失估计，而HSI则根据飓风产生的风暴潮对飓风进行分类。此外，Powell和Reinhold首次提出了热带气旋综合动能(IKE)概念，以描述风暴的破坏潜力。IKE是通过将10米持续风速逐象限积分计算得出的热带强度。评估TC的活性的指标，如ACE和PDI，也很大程度上依赖于定量方法，因为前者是通过每6小时间隔的最大持续风力的平方来估计，而后者是则是通过其立方来估计。然而，与IKE相比，ACE和PDI高估了TC的累积能量，因为它没有考虑气旋结构。

在上述指标中，TC事件的强度大多定义为近地表风速的函数。然而，该强度的变化实际上与控制热带气旋空间分布和运动特征的许多其他大气变量强相关，而不是仅与近地表风速有关。例如，由于TC是一种涡旋运动，相对涡度(以下简称涡度)和中心压力有助于表征其中心的位置和强度；这在网格化气候数据中尤其突出。此外，全球气候模型模拟数据通常会低估真实的大气风速，而利用同一时刻的气压与垂直涡度差等气象资料将更有助于获取较为准确的TC强度；因此，在近地表风速之外考虑这些参数将有助于提供更可靠的TC等级分类依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于均值聚类与线性判别的热带气旋等级划分方法，通过建立TC事件强度与近地面风速、气压和垂直涡度的函数关系，对全球气候模式中的热带气旋进行等级划分。

一种基于均值聚类与线性判别的热带气旋等级划分方法，包括如下步骤：