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2024年6月22日发(作者:)

第27卷第6期 

海 洋 通 报 

V.01.27,NO.6 

2008年12月 

MARINE SCIENCE BULLETIN Dec.2008 

基于GIS的南海台风风浪预报系统 

尹毅 一,王静。,毛庆文 ,齐义泉 

(1.中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境动力学实验室,广东广州510301;2.中国科学院研究生院,北京100049 

3.中山大学地理科学与规划学院,广东广州510275 1 

摘要:探索了以组件式GIS为平台集成风场与海浪数值模型的关键技术研究及其实现过程,成功构建了南海台风风浪预报系统。 

该系统实现了数值模型计算所有阶段,即模型前处理、模型计算、模型后处理以及模型计算结果与GIS的无缝集成,大大提高了模 

型应用的可操作性和决策效率。经半年以上时间的使用,取得了良好的运行效果。 

关键词:地理信息系统(GIS);Visual Basic Fortram COM;数值模型 

中图分类号:P732;P208 文献标识码:A 文章编号:1001—6932(2008)06—0076-0006 

台风f这里泛指热带气旋)是影响我国沿海地区的主要灾害性天气系统,台风的预警预报历来为沿 

海地区防灾减灾的重要任务之一。台风的移动路径以及风浪场的预报无论是经验模型还是数值模型目前都 

已取得了很大的发展,并且在业务预报中发挥了重要的作用。但不足之处是,应用过程中多数预报主要侧 

重于理论推导而忽视了数据的表达,数据输入往往是采用DOS系统时代的操作方式,而输出结果则大多 

是一些数据文件或由这些文件绘制成的静态图片。 

地理信息系统(GIS)是一门利用计算机技术管理空间地理数据及与之相关联的属性数据的技术,它 

是在计算机软件和硬件的支持下,以一定的格式输入、存储、检索、显示和综合分析应用的技术系统 】。 

它具有以下几个基本功能:数据的输入与预处理:数据的管理;空间查询与分析,以及可视化表达输出等。 

GIS的研究起始于20世纪60年代,作为传统学科(地理学、地图学和测量学等)与现代科学技术 

(遥感技术、全球定位系统、计算机科学等)相结合的一门综合应用系统,经过40多年的发展,其应用 

领域不断扩大,但应用于海洋方面的工作在我国还处于理论研究和摸索阶段。本文试图建立台风风场、海 

浪数值模型与GIS功能有机集成,使模型分析的所有阶段,包括计算网格的划分、模型参数的选择和设 

置、模型的计算以及最终计算结果的可视化等都集成到同一环境下完成,提高模型应用的可操作性和决策 

效率。 

1系统总体设计 

1.1 目标与原则 

系统建立的目标是将地理信息系统的优势与台风风浪的预报工作有效地结合起来,建立起一套面向业 

务部门的应用系统,以便更好地做好台风的预报管理工作。 

系统的建立依照以下几个原则: 

a)规范性:尽可能地按照软件工程建设的相关规范要求来构建系统。 

b)科学性:各模块的组织及接口设计的合理、科学,同时还要易于系统的扩展和升级。 

C)可靠性:保证程序数据的准确可靠,同时具有一定的容错性与健壮性。 

d)易操作性:界面简洁,流程清晰,易于操作。 

收稿日期:2007.12.17;收修改稿日期:2008—04—16 

基金项目:国家科技支撑项目(2006BAB19B01);中国科学院知识创新工程项目(kzcx2-yw一201);“863”计划(2006AA09A109)资助 

6期 尹毅等:基于GIS的南海台风风浪预报系统 77 

1-2总体框架 

系统除包括GIS的基本操作外,重点解决数值模型与GIS的集成问题。从结构上分为数据访问层、 

业务逻辑层和界面表示层。数据访问层直接作用于数据库,负责记录数据的存、取以及更改等操作。业务 

规则层是系统实现的重点,包括数值模型的计算及其前、后处理过程以及与计算结果相关的查询、分析和 

演示过程等。外观表示层负责与用户的交互,包括各输入参数的选取、输出结果的显示以及与GIS相关 

的可视化操作等。图1给出了系统的总体框架示意图。 

用户界面 

j口[ 

业务逻辑处理 

组件式GIS平台 

风 海 模型 数据 图 地 显 其 

场 浪 计算 源管 层 图 不 —— 它 

模 模 结果 理 管 操 设 功 

型 型 演示 理 作 置 能 

八 

数据访问(ADO/ODBC 1 空间数据引擎(SDB) 

\/ 

F==二 

元数据库 

一— , 

图1 系统总体结构框架示意图 

Fig.1 Overall framework ofthe system 

1.3软件的选用与介绍 

在Windows 2003操作系统下以北京超图公司的组件式GIS软件(SuperMap Objects)为平台,二次 

开发语言以Visual Basic 6.0与Fortran为主。 

SuperMap Objects是一套面向GIS应用系统开发者的新一代组件式GIS开发平台,它基于微软的 

COM(组件对象模型)组件技术标准,由若干ActiveX控件和数量众多的自动化对象构成,以ActiveX 

控件的方式提供强大的GIS功能,可以方便地嵌入到高级开发语言中进行二次开发。Visual Basic是应用 

最广泛的编程语言之一,也是效率最高的开发工具之一,可快速地创建高性能的企业级应用系统。 

1.4关键技术 

从总体上看,系统的构成包括组件式平台上的二次开发和已有程序模块的集成。主要借助GIS组件 

具有的空间图形表达与分析功能,及其空间数据与属性数据相关联的特点,因此,系统构建首先解决功能 

模块与GIS组件集成协作的问题,同时尽量保持各模块的独立性,避免模块间过多的耦合连接。为此将 

GIS各显示相关的操作及空间查询分析功能单独封装到VB中的module和class来集中处理,并在其 

他功能模块中以函数的形式调用,相对独立地构成功能模块与GIS图形显示方面的交互接口,从而做到 

方便有效地管理可视化功能,同时又把模块与GIS平台的耦合度降到最低。 

苏奋振等L2J曾提出:GIS与计算模型相连或链接,最为直接的集成是将传统的数值模型与GIS进行 

78 海 洋 通 报 27卷 

松散的集成,利用GIS可视化输入模型的初始场和边界数据,由GIS实现可视化输出模型运算结果,并 

按时间动态显示,其中参数和数据在GIS与模型中的传递采用文件的方式。本文使用的台风风场模型采 

用张志旭等}3]的方法,即利用背景风场和Holland经验台风模型【4J相结合计算台风风场。台风浪场模型是一 

个以第三代海浪模式WAM3为基础经改进后建立的模式 ,引。两个模型程序皆由Fortran语言编写,以 

COM的方式,将模式程序编译为独立的动态链接库文件【7J,然后在VB中通过公共接口加以调用。在此 

过程中,本文在前人提出的松散集成基础上加以改进,使包括输入参数与输出结果的数据都以函数参数的 

方式进行传递,并且把输出的结果按类型分类建模,存储到GIS的空间数据库与属性数据库中,以实现 

数值模型与GIS的无缝集成。 

2系统的实现 

2.1风场模型 

经验台风风场一般是通过台风的主要参数,如最大风速半径、中心最低气压、最大风速等,由经验或 

半经验公式计算得到。利用经验公式计算台风的旋转风可以比较好地模拟出台风中心附近的风场,但在距 

台风中心比较远的区域,由于气旋风场的影响减小,背景风场的影响逐渐增大,此时由经验公式计算得出 

的风场准确性就相对较差。 

为改善计算风场的准确性,本文使用欧洲气象预报中心提供的全球6 h一次的风场与Holland台风 

模型相结合来构造输入风场。新风场的构造公式为: 

=Vo (1一e)+eVb (1) 

式中: 为Holland经验台风公式计算的风场; 为背景风场,即欧洲气象预报中心提供的风场;系 

数P是权重系数,P= C 4 

c是一个考虑台风影响范围的变量,其公式为 

C:—_ (2) 

( ×R) 

式中: 为计算点距台风中心的距离;R,为最大风速半径;系数 通过使计算值与观测值的均方根误 

差(rills)达到最小的办法来确定。权重系数e随计算点距台风中心的远近而变化,这样通过e的变化, 

既保证了在台风中心附近区域使用台风经验模型计算的风场、在距台风中心远处区域使用背景风场,又保 

证了两个风场之间的平滑过渡。 

2.2海浪模型 

本文采用的海浪模型是在第三代海浪模式WAM基础上发展而来的,并加以改进以克服WAM模式 

本身所存在的计算不稳定性、需对计算的谱的高频部分进行特殊处理以及不能准确描述涌浪的传播等缺 

点。该模型除了考虑了风输入项、非线性项相互作用和耗散项外,还考虑了浅水效应。为提高计算效率, 

在模型中利用一种数字过滤技术来抑制计算不稳定性,其控制方程如下: 

等+杀( c。s )+ (cg sin )+ I詈(sin bc—c。 dOC )F l= + + + (3) 

式中:F( 0, ,Y,t)为t时刻(x,Y)点的谱密度;cg为群速度;C为相速度;右端是诸项输入源 

函数;S 为风输入源函数;Snl为非线性相互作用源函数;&。为白冠耗散源函数; f为底摩擦耗散源函 

6期 尹毅等:基于GIS的南海台风风浪预报系统 79 

数。 

2.3风场、海浪模型与GIS的集成 

系统采用亚洲区域部分作为背景底图。首先,结合组件式GIS提供的基本函数来编写通用的操作模 

块,提供有关GIS的常用操作。这些基本功能包括数据源处理、图层处理、地图操作、显示设置以及其 

它相关功能等。数据源处理功能由新建、打开、关闭数据源三个模块组成。图层处理由新建图层、复制图 

层、删除图层、图层改名、维护属性表结构和维护属性表内容等模块构成。地图操作则提供放大、缩小、 

漫游、拖放、选取区域、跟踪、闪烁、制图输出等地图相关操作,同时提供手工绘制各图形对象功能。显 

示设置用于设置图层中的点对象、线对象、面对象、文字对象和CAD对象等的显示风格。另外还提供测 

量距离、图像配准、跟踪参数设定等其他功能。 

在提供系统上述这些基本操作功能之后,将重点解决风场、海浪模型与GIS的无缝集成问题,图2 

给出了风浪模型的计算流程图。 

图2风浪场计算流程图 

Fig.2 Calculation lfow ofwind and wave field 

2I3.1模型的前处理 包括用户的输入参数及将这些参数处理为与模型接口相一致的过程。要求用户提 

供的参数包括:图形化选取计算区域、背景风场文件、台风中心资料、台风开始时问、计算结果目标数据 

源等。然后,对这些输入参数进行如下处理:将用于计算的矩形区域插值为空间分辨率为0.25。×0.25。 

网格数据;提取计算区域范围内的背景风场,并将其空间分辨率插值为与计算网格相一致的空间格点,时 

间分辨率插值为6 h间隔一次数据;依次读取台风中心相关参数,如中心位置、中心最低气压、大风半径 

等。 

2_3.2 风浪场模型的计算 前面介绍的风场与海浪模型需要较强的数值计算能力,因而由Fortran语言 

编写,源程序的输入与输出均为文件形式,运行过程的显示为传统的DOS界面。为将风浪模型程序集成 

到应用系统中,把源程序改写为函数,以动态链接库(DLL)的形式来调用。改写后的函数主要包括根据 

提取计算区域的地形数据构造Holland模型风场与背景风场的结合风场、计算浪场、进度条显示计算过程 

等功能。其中,前处理中提供的各参数以传值的方式传入,6 h一次的风浪场计算结果以传址参数的形式 

返回给调用过程。 

80 海 洋 通 报 27卷 

2-3-3模型的后处理 主要将模型的计算结果以GIS数据的存储方式予以表达。模型计算结果在空间 

上表现为风场矢量数据、风场标量数据和浪场标量数据,时间上表现为6 h一次的一组时间序列。同时需 

要保存的还有台风中心点数据与台风预报路径数据。由于数据类别和种类比较多,必须对数据进行分类和 

建模,将分类后的数据细分为元数据,按照元数据创建各数据表的结构,把相同类型的数据保存到数据结 

构一致的数据表中,实现数据的统一管理。经分析后,计算结果的存储在空间上归结为三类:点数据集、 

线数据集和栅格数据集;在时间上表现为一系列按时间顺序命名的数据集。 

2.3.4数据库的组织 数据库是地理信息系统的核心部分之一,数据库存储结构设计的合理与否直接影 

响着系统的运行效率,也决定着各功能模块的逻辑实现,因而是系统能否顺利构建的关键。在SuperMap 

Objects的SDB数据库引擎中,一个数据源对应着一个空间数据库和一个属性数据库,空间数据库以二 

进制形式存储空间信息,属性数据库为一个单机数据库文件,具有数据库的所有基本功能,支持事务处理。 

可由office系列中的Access软件打开进行查看。属性数据库由数据表组成,每一个数据表对应着相应的 

个数据集,数据集空间数据的展现形式即为图层。作为例子,表1给出了模型计算结果中的风场矢量 

数据表结构,其中以Sm开头的字段名称为系统字段,该表对应的是线型数据集。 

表1模型结果风场数据表结构 

Tab.1 Structure ofthe Wind ifeld data atble for mode1 results 

2-3.5计算结果的演示 对模型计算结果的时空变化过程以可视化的形式来展现。根据用户设置条件, 

从某次台风预报的起始时刻起,按时间顺序动态显示其风浪场的变化过程。在演示同时,实时显示台风的 

时间、中心气压、最大风速等属性信息。图3给出了某时刻风浪场演示情况,其中左图为台风风场矢量 

与风场标量叠加并覆盖背景底图的演示效果,右图为海浪标量未覆盖底图的演示效果。 

图3 台风风浪计算结果示意图 

Fig.3 Result ofwind and wave ifeld by modeling 

6期 尹毅等:基于GIS的南海台风风浪预报系统 81 

3 结语 

本文探索了以组件式GIS为开发平台,集成风场与海浪数值模型的关键技术研究及其实现过程。最 

终,成功构建了南海台风风浪预报分析系统,该系统将模型的前处理、模型计算、模型后处理以及模型计 

算结果与GIS有效结合于一体,大大提高了模型应用的可操作性和决策效率。 

应用系统经有关业务部门半年以上时间的测试使用,在南海区域台风风浪预报工作中取得了良好的运 

行效果。具有安装与移植方便、用户界面友好、操作简便以及结果展示直观便利等特点。同时,也为组件 

式GIS在海洋研究领域方面更广阔的应用做了一些有益的探索。 

参考文献: 

『11 邬伦,刘瑜,张晶,等.地理信息系统——原理、方法和应用[M].北京:科学出版社,2003. 

[2】 苏奋振,周成虎,杨晓梅,等.海洋地理信息系统理论基础及其关键技术研究[J].海洋学报,2004,26(6):22—28. 

[3 3]张志旭,齐义泉,施平,等.最优化插值同化方法在预报南海台风浪中的应用[J].热带海洋,2003,22(4):34—41. 

【4]Holland G J.An analytic model ofthe wind and pressure profiles in hurricanes[J】_Monthly Weather Review,1980,108:421-427. 

【5】Li C MAO M.Special modeling oftyphoon—generated waves in shallow waters[J].Journal ofHydraulic Research,1992,3O(5):611_622 

[6】Li C A split operator scheme for ocean wave simulation[J】.International Journal for Numerical Methods in Fluids,1992,15:579—593. 

[7] 彭国伦.FORTRAN 95程序设计[M】.北京:中国电力出版社,2002. 

作者简介:尹毅(1978--),男,硕士研究生,主要从事数值模拟研究。电子邮箱:yinyi@scsio.ac.ca 

Prediction System of Typhoon Wind and Wave in the South China Sea Based on GIS 

YIN Yi 一,WANG Jing ,MAO Qingwen ,QI Yiquan 

(1.KeyLaboratory ofTropicalMarineEnvironmentalDynamics,SouthChinaSeaInstitute ofOceanology,ChineseAcademyofSciences, 

Guangzhou 510301,Guangdong,China;2.Graduate University ofthe ChineseAcademy ofSciences,Beijing 100049 China; 

3.School ofGeography and Planning,Sun Yat—sen Universiyt,Guangzhou 510275,Gtmngdong,China) 

Abstract:Aiming at integrating the wind ifeld and ocean wave numerical model with the Com GIS,a prediction 

system of typhoon wind and ocean wave in the South China Sea was developed.The system implements seamless 

integration for GIS and all phases of numerical model,including model preprocessing,model computation, 

model post—processing,and result's visualization.It is easy to operate and improves the efifciency of 

decision—making.After operational application ofr more than half a yeaL the result shows that the system is good. 

Keywords:geographic information system(GIS);Visual Basic;Fortran;COM;numerical model 

本文标签: 模型台风数据