一种提高准确性和高效性的台风灾害场景生成方法

本发明属于防灾减灾台风灾害模拟方法领域，具体涉及一种同时考虑准确值和高效性的台风灾害场景生成方法，适用于提高台风模拟的精准度。

背景技术：

1、台风作为一种频繁的自然灾害，对于基础设施系统如水网、电网等都会造成严重的结构破坏，带来了巨大的经济损失。基于此，对于台风灾害进行建模，再分析灾害下基础设施系统的破坏状态、功能损失从而进行韧性评估、考虑韧性提升已经称为研究热点，对于有效防范台风灾害具有重大意义。

2、现有的台风灾害下对于基础设施系统的损坏分析研究较少，且很多是基于单历史台风事件来进行分析，该方法并不能有效重现基础设施系统所在地区的台风灾害情况。灾害分析的准确性需要大量的台风模拟场景，但该方法又同时造成效率的降低。如何平衡台风灾害场景生成的准确性和高效性，是一个值得研究的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有的台风灾害模拟器的模拟精度不高的问题，而提供一种台风灾害场景的生成方法，以提高灾害模拟的效率以达到准确和高效的平衡。

2、本发明提高准确性和高效性的台风灾害场景生成方法按照以下步骤实现：

3、步骤一、选定目标区域(即基础设施系统所在的区域)，从模拟台风数据库中选取经过目标区域的所有台风样本，从选取出来的台风样本中抽取台风信息，台风信息包括经度、纬度、台风中心气压差、最大风速和平移速度；

4、步骤二、步骤2.1、计算梯度风场模型中的参数a和参数b；

5、参数a的计算公式如下：

6、

7、参数b的计算公式如下：

8、

9、其中，c和c0分别代表修正参数，f是科里奥利参数，r是计算风速点距离台风中心的距离，δp为台风中心气压差，e是自然常数，vm是最大风速，ρa是空气密度；

10、步骤2.2、计算最大风速半径rmax，通过xgboost模型计算最大风速半径rmax，最大风速半径rmax模型如下：

11、

12、其中，为台风的纬度，δp为台风中心气压差，εrmax为误差项；

13、步骤2.3、将参数a、参数b和最大风速半径rmax代入梯度风场模型中，计算得到梯度风速

14、

15、步骤2.4、叠加移行风场，在梯度风速的基础上，叠加台风的移行风场vt，得到叠加后的总风速场vs：

16、vs＝vg+vt

17、步骤2.5、将叠加后的总风速场vs转换为地面风速vh(t)，转换公式如下：

18、

19、其中，h表示目标高度，即距离地面的高度，z0表示地表粗糙度长度；

20、步骤三、将目标区域离散化为多个网格单元，记录每个网格单元中心点的经纬度坐标，基于步骤二中的改进风场模型，计算得到叠加后的总风速场vs，从而计算出(某条)台风样本经过时，不同时刻的台风中心点在每个网格单元中心点的地面风速值，对于每个网格单元中心点，筛选出每次台风样本经过时的最大地面风速，从而形成目标区域的最大风速强度测量图，每个台风样本得到一张最大风速强度测量图；

21、步骤四、对所有台风样本的最大风速强度测量图运用灾害量化方法缩减最大风速强度测量图的数目，缩减最大风速强度测量图数目的过程如下：

22、步骤4.1、将样本定义为所有台风样本得到的最大风速强度测量图，每个样本的最大风速强度测量图用vi(lon,lat)表示，样本总数为nevents，将量子定义为缩减后的最大风速强度测量图，设置量子数目为nhq；首先从样本中任意选取nhq个样本作为量子；

23、步骤4.2、计算第n个量子与所有样本vi(lon,lat)的风速场距离表示第i个样本和第n个量子在相应网格单元中心点位置(lon,lat)处最大风速差值的平方，风速场距离的计算公式如下：

24、

25、式中，lon表示位置经度，lat表示位置纬度，latmin和latmax分别表示风速场区域的纬度最小值和最大值，lonmin和lonmax分别表示风速场区域的纬度最小值和最大值；

26、步骤4.3、将样本中最大风速强度测量图vi(lon,lat)归入与它距离最近的第j个量子qj，即其中dij表示第i个样本与量子j的风速场距离，dik表示第i个样本与量子k的风速场距离，从而得到分配给量子j的最大风速强度测量图集合分配给量子j的最大风速强度测量图集合中的样本数为nj；

27、步骤4.4、对分配每个量子的样本求取平均值，从而得到更新后的量子

28、

29、步骤4.5、重复步骤4.2至步骤4.4对量子进行迭代直至收敛，得到nhq个优化后量子；

30、步骤4.6、计算优化后量子的权重pj，pj的计算公式为：

31、

32、其中，nj是分配给第j个优化后量子的样本数量，nevents是样本总数；

33、步骤五、由步骤四输出nhq个优化后量子和优化后量子的权重，即nhq个最大风速强度测量图及优化后量子的权重pj，从而生成得到台风灾害场景。

34、本发明运用灾害量化的方法缩减最大风速强度测量图的数目，提高台风灾害模拟的效率，将缩减后的最大风速强度测量图输入到待研究的基础设施系统里，以进行破坏分析、恢复分析、韧性评估等。

35、本发明实现了同时考虑准确值和高效性的台风灾害场景生成，能够更准确地评估台风灾害对于目标基础设施系统造成的破坏情况等的同时，又提高了分析效率，对于大量台风模拟情景下基础设施的破坏分析、功能分析、韧性评估和提升具有重要的意义。

36、本发明融合了机器学习方法和灾害量化方法两种方法，有效提高了台风灾害模拟的精度，并提高了台风灾害模拟的效率。

37、本发明提高准确性和高效性的台风灾害场景生成方法与现有技术相比，具有以下优势：

38、1、改进了风场模型，台风灾害模拟的准确性得以提高。

39、2、将灾害量化方法运用到台风灾害建模领域，在不影响准确性的同时，提高了台风灾害场景生成的效率。

40、3、提出了一种同时结合准确性和效率的台风灾害建模框架。

技术特征：

1.一种提高准确性和高效性的台风灾害场景生成方法，其特征在于所述的台风灾害场景生成方法按照以下步骤实现：

2.根据权利要求1所述的提高准确性和高效性的台风灾害场景生成方法，其特征在于步骤一中模拟台风数据库为cma数据库，台风样本的数量大于2000条。

3.根据权利要求1所述的提高准确性和高效性的台风灾害场景生成方法，其特征在于步骤2.1公式中修正参数c的计算公式如下：

4.根据权利要求1所述的提高准确性和高效性的台风灾害场景生成方法，其特征在于步骤2.2中通过xgboost模型计算最大风速半径rmax的过程是将所有台风样本中的台风纬度和台风中心气压差输入到xgboost模型中进行训练，然后将台风纬度和台风中心气压差代入训练好的xgboost模型预测得到最大风速半径rmax。

5.根据权利要求4所述的提高准确性和高效性的台风灾害场景生成方法，其特征在于将步骤2.2中通过xgboost模型计算最大风速半径rmax的方法替换成采用经验公式计算最大风速半径rmax，经验公式如下：

6.根据权利要求1所述的提高准确性和高效性的台风灾害场景生成方法，其特征在于将步骤2.4中移行风场vt的计算公式如下：

7.根据权利要求1所述的提高准确性和高效性的台风灾害场景生成方法，其特征在于步骤三中将目标区域离散化为多个网格单元，每个网格单元的经度和纬度的间隔为0.01度。

8.根据权利要求1所述的提高准确性和高效性的台风灾害场景生成方法，其特征在于步骤4.1中量子数目nhq为样本总数的4％～8％。

9.根据权利要求1所述的提高准确性和高效性的台风灾害场景生成方法，其特征在于步骤4.5中通过计算失真度量δn+1判断迭代是否收敛，失真度量的公式如下：

10.根据权利要求9所述的提高准确性和高效性的台风灾害场景生成方法，其特征在于失真度量满足预定义的收敛标准，即下一时刻的δn+1和上一时刻的δn之间的相对偏差(δn+1-δn)/δn小于0.001时，则算法收敛。

技术总结
一种提高准确性和高效性的台风灾害场景生成方法，本发明是要解决现有的台风灾害模拟器的模拟精度不高的问题。台风灾害场景生成方法：一、从数据库中选取经过目标区域的所有台风样本，从台风样本中抽取台风信息；二、计算梯度风速，叠加移行风场，将叠加后的总风速场转换为地面风速；三、将目标区域离散化为多个网格单元，筛选出每次台风样本经过时的最大地面风速，从而形成目标区域的最大风速强度测量图；四、对所有台风样本的最大风速强度测量图运用灾害量化方法缩减最大风速强度测量图的数目；五、输出N<subgt;HQ</subgt;个优化后量子和优化后量子的权重。本发明能够更准确地评估台风灾害对于目标基础设施系统造成的破坏情况等的同时，又提高了分析效率。

技术研发人员：马立扬,李一冉,翟长海
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2025/3/27