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2024年6月22日发(作者:)

第21卷2期 

2010年4月 

应用气象学报 

J0URNAL OF APPI IED METEOROI OGICAI SCIENCE 

Vo1.21,No.2 

Apri1 2010 

GIS技术在台风预报服务产品制作系统中的应用 

郑卫江 吴焕萍¨ 罗 兵” 刘震坤¨ 吕终亮" 孙利华。 

(中国矿业大学(北京),jE京100083) ”(国家气象中心,北京100081) 

摘 要 

根据台风预报业务的实际需求,建立了基于GIS技术的台风预报服务产品制作系统。提出了采用地图表达技 

术的台风数据可视化方案,讨论了基于空间插值与动态缓冲的台风预报概率圆生成算法,利用叠加分析技术完成 

了台风路径影响范围分析功能,并提供了一键式材料快速制作功能。业务化运行结果表明:GIS技术能够实现功 

能建设,较好地满足了目前中央气象台台风预报服务产品制作需求。 

关键词:GIS;台风预报;动态缓冲;空间叠加分析 

技术、Office嵌入技术、C()M技术以及气象数据转 

引 言 

我国是世界上季风气候特征最为显著的国家之 

接人技术。其中,GIS可视化技术主要融合了地学 

与计算机可视化技术,完成台风相关数据显示;GIS 

空间分析技术为GIS的核心功能之一,利用该技术, 

通过对原始数据模型的运算,可以挖掘新的知识,并 

以此作为空间行为的决策依据;GIS空间数据库技 

术是指具有地理空间坐标信息的地图图形数据库, 

与通用数据库相比,空间数据库能够存储拓扑关系、 

建立网络关联。嵌人式0ffice是微软在2003版本 

以上采用的核心技术,提供了方便的应用程序接口, 

便于实现Office各子模块的通信与互操作。COM— 

GIS是基于微软COM技术的成熟的二次开发技 

r】]

台风灾害造成了严重的经济及人员损失。为 

了适应台风预报工作准确、及时、科学、高效等要求, 

进一步完善和规范台风预报服务产品类型与表现形 

式,国家气象中心组织研发了台风预报服务产品加 

工制作系统(Tropical Cyclone Product Generation 

system,简称TCPG),其中GIS技术作为集获取、处 

理、管理和分析空间数据的综合信息技术在系统建 

设中发挥了关键作用L2]。 

近年来,GIS技术在气象领域如天气预报、气候 

区戈Ⅱ、人工影响天气、地质灾害气象预报、气象灾害 

评估、气象资料管理与站点选址分析以及综合气象 

服务系统等方面得到初步应用_3。 ,在一定程度上 

提升了天气预报或决策服务水平。 

本文结合中央气象台台风决策气象与公众气象 

服务需求,尤其是台风服务产品的高质量分析与制 

作要求,重点研究了GIS支持下的台风预报服务产 

品制作技术,提出了层次化设计的系统框架,利用地 

图表达技术以及空间数据库技术,能够高质量、高效 

术,其基本思想是将GIS各大功能模块进行划分,每 

个组件完成不同的功能。为了解决台风原始数据转 

换的要求,系统还采用了气象数据转接人技术,为了 

兼容MICAPS格式数据并提高运行效率,该系统采 

用C++语言编写MICAPS数据格式转换函数,并 

封装为.Net组件供系统调用。 

系统运行于Windows 98以上操作系统,基于 

Microsoft.Net Framework 2.0,嵌入Microsoft Power— 

point视图,利用ArcGIS Engine 9.2二次开发组件,可 

率地制作台风预报产品,具有较强的业务化能力。 

运行于32位个人PC机或中小型服务器。其主要 

特点是地理信息丰富,制图与输出质量高,并基于空 

间分析技术对台风气象信息进行分析,而且较好地 

兼容了MICAPS系统产生的数据产品。 

1.2系统功能 

1系统简介 

1.1系统技术框架 

为了满足实际业务需求,TCPG分别采用GIS 

根据国家级台风预报与服务的业务需求, 

* 科技部项目(2006BAK01A29,2006BAK01A18,2006BAD04B10)和中国气象局基建项目([20071203)共同资助。 

2009 07—15收到,2010-02 10收到再改稿。 

2期 郑卫江等:GIS技术在台风预报服务产品制作系统中的应用 251 

TCPG的主要功能包括了台风数据可视化、编辑、分 

析、路径检索以及产品制作,该系统功能如图l所 

示。 

标准,分别制作了热带低压、热带风暴、强热带风暴、 

台风、强台风、超强台风6个级别的台风符号,可以 

依据台风强度的不同进行台风点位渲染;系统提供 

了最新0 h时效的台风点位七级、十级风圈显示与 

可视化:台风可视化方式包括了预报路径、历史 

移动路径、七级和十级风圈、风雨分布区,以及概率 

圆预报区域的显示。结合中国气象局热带气旋分级 

否的控制能力。 

系统将历史与实时的台风点位连接,构成台风 

七级、十级风『大风区数据 ll 属性编辑 拓扑编辑 

预警区域分析 登陆台风检索 打印输出 

空间查询 相似路径检索 Word产品制作 

台风路径 J J 路径平滑 

面积距离量算 台风源地检索 

PPT产品制作 

可视化 ll 编辑 l l综合分析 ll 路径检索 ll 产品制作 

台风预报服务产品制作系统 

历史台风数据库 社会人文数据库 实时台风空间库 

图1 台风预报服务产品制作功能框架 

Fig.1 The functional architecture of TCPG 

路径后进一步提供了多种路径平滑算法,如贝赛尔 种方式的距离分析,可测量台风点位到某区域的距 

平滑、样条函数平滑等;同时还提供了防御台风区域 离,并根据台风平均移动速度估算到达该区域的时 

示意,台风图例以及地图区域定制的能力,并实现了 

间;面积分析则可对台风可能影响的范围进行面积 

台风移动路径的动画显示效果与视频输出功能;针 量算,并输出为统计结果。空间查询则为用户提供 

对风雨分布区数据,系统还提供了是否按国界进行 了地图视图下的基础地理信息的点击查询,以及台 

裁剪(如保留国界内、国界外的区域、不对区域进行 

风综合信息查询,并能实现图形、属性相互定位。 

裁剪)的功能。 

路径检索:在台风路径历史空间数据库的支持 

编辑:提供了台风点位以及台风路径的空间位 

下,TCPG提供了基于时问、空间、强度的台风历史 

置和属性信息的编辑,结合GIS的空间拓扑分析能 

相似路径检索、登陆台风检索、台风发源地检索等功 

力,用户还可以通过调整某一点位来调整路径曲线, 

能;用户可以选择某一时间段,或通过用户界面交互 

并可直接编辑台风点位的风速、中心气压、七级和十 

式绘制台风通过的任意形状的关键区域,或根据台 

级风圈半径等属性信息。根据服务产品的需要,用 

风强度等多种输入条件进行空问与属性信息的检 

户可以进一步增加如等值线、等值面等图形符号信 

索。 

息。 

产品制作:除了地图视图外,系统还增加了微软 

分析:根据台风实时移动路径或者预报路径可 的PowerPoint页面视图,用户可以一键式自动生成 

以分析出其可能影响的地理范围(即台风预警区), 台风服务PowerPoint产品,其产品制作界面如图2 

结合电子地图还能够进一步统计出预警区内所属行 所示。服务产品中包括了标题、台风路径、概率圆区 

政区域(省、市、县)的面积大小、社会经济信息以及 

域、预报点位的时效、压强、风速以及图例等必要信 

人口信息,形成Word表格与图形文档,从而给防汛 息,较好地提高了产品生成效率。 

等决策部门提供必要的基础信息。系统还提供了多 

252 应用气象学报 

台风l I r平滑路径l风圈l 

大疯区l 忽略国界 国界内 国界外 

生成婀事圆I 地图复制到Ppt 

第11 -_j号l热带低压 浣熊 未来l24d、时 

生成摭题l 生成点位标注l生成预报圈标注{ 全自动操作i 

l洋事区域 兰矍 竺… ; 

图2 台风服务产品制作一键式操作面板 

Fig.2 The one—touch operation panel of TCPG 

2 GIS应用分析 

2.1 台风实时与历史数据存储 

地理空问数据库是ArcGIS一种最新的空间数 

据模型L1 ,是建立在关系数据库管理系统之上的统 

智能化的空间数据库,它完善了对空间数据的管 

理,并支持拓扑特征集_j 。结合台风服务产品对基 

础地理信息数据以及台风数据集的要求,设计采用 

了ORACLE 10G为数据库平台,以ESRI ArcSDE 

9.2为中间件的历史台风空间数据库,同时提供了 

台风数据录入、更新等功能。 

台风实时数据主要用于台风的可视化显示以及 

在此基础上的属性编辑,因此,利用MICAPS转换 

组件,将台风数据转换为文件型空间数据库格式。 

为了实现高效的台风路径检索以及准确性和效率需 

求,系统建立了自1955年以来西北太平洋的台风路 

径历史空间数据库,分别建立了基于空间数据库的 

台风点和线路径要素集。建立了按“时间”字段来存 

储台风点位的时间信息,进一步提高用户检索效率; 

建立了按“顺序”字段来标识相同台风路径上点的先 

后顺序,便于校验检索结果。 

2.2台风产品显示 

GIS的地图可视化能力很强,其主要采用专题 

图技术(如密度图、分级渲染图等)以及丰富的地图 

符号支持能力来形象地完成地图显示。ArcGIS的 

地图表达(representation)就是一种较为先进的图 

层渲染技术,它可以利用灵活的、存储于地理空间数 

据库中的基于规则的结构来对数据进行符号化动态 

显示。空间要素类可以同时支持多种地图表达,并 

且单个要素的地图表达方式可以进行编辑修改[1 。 

以上特点可以实现一种数据的多种地图表现。对于 

数据量较大的历史台风数据来说,该技术可以大大 

提高台风的可视化表现效果和加载显示效率。 

为满足公共气象服务要求,台风预报服务产品 

需要打印质量高且图像美观,因此结合台风预报服 

务产品的业务规范要求实现了以下台风数据可视化 

效果:历史实况路径以实心红线表示,预报路径数据 

以红虚线表示,台风点位的符号方案按强度的不同 

而确定,大风区的七级风区以深棕色表示,十级风区 

以黄色斜线表示,并完成多种图形填充模式的风雨 

分布区显示。利用地图表达技术,可快速、直观、形 

象地完成台风数据的显示,并生成显示模板。系统 

可生成的4种图形产品如图3所示。 

2.3台风概率圆预报 

以历史上最近年份各预报时次的统计误差为基 

础,根据相应算法绘制未来时间段台风可能通过的 

区域,该区域称之为概率圆。概率圆作为一种重要 

的台风预报服务产品,近年来在国际上也得到了广 

泛应用。 

GIS缓冲区分析是指对一组或一类地图要素按 

设定的距离条件,形成具有一定范围的多边形实体, 

从这个多边形里查找具有某种特征的地理空间要 

素,从而实现数据在二维空间扩展的信息分析方 

法[1引。当空间物体对临近对象随距离变化而呈不 

同程度的扩散或衰减,则称之为动态缓冲区分析。 

本文结合GIS缓冲区分析技术,并考虑到业务需求 

的时效性、实用性,提出了两种概率圆算法。 

空间插值算法:加密台风预报点位,取该点加权 

预报误差半径,做台风预报路径的垂线并沿台风预 

报路径左右方向分别延伸,求得台风概率圆控制点, 

分别连接这些控制点,得到台风概率圆曲线,最后对 

该曲线进行贝赛尔光滑,即可得到台风概率圆: 

r—W×(r72一r48)/(叫+1)+r48。 (1) 

式(1)中,r为加权误差半径;砌为自定义权值,本系 

统采用5.r7 ,r48分别为72,48 h点位的最近年份预 

报平均统计误差。 

动态缓冲区算法:基于积分思想,结合概率圆半 

径,将台风预报路径拆分为以公里为单位的片段,并 

根据式(2)结果对该片段进行缓冲计算,并将计算得 

到的缓冲区进行合并计算,由此得到台风概率圆: 

d— 8+(i+1)×(r72一r48)/(c一1)。(2) 

式(2)中,d为缓冲区半径;i为片段的计数;r ,r48 

分别为72,48 h点位预报平均误差;f为片段总数。 

2期 郑卫江等:GIS技术在台风预报服务产品制作系统中的应用 255 

Application of GIS to Tropical Cyclone Product Generation System 

Zheng Weijiang ’ Wu Huanping Luo Bing Liu Zhenkun Li】Zhongliang Sun Lihua。 

(National Meteorological Center,Beijing 100081) 

(China University of Mining&Technology.Beijing 100083) 

Abstract 

China is one of the most typhoon influenced countries in the world,so it is urgent to strengthen the 

capacity of typhoon forecast services,in which Geographic Information System(GIS)plays a more impor— 

tant role increasingly. 

On analyzing the operational requirement of typhoon forecast,the workflow of tropical cyclone prod— 

uct generation is designed with the support of historical and real—time typhoon spatial database.First,vis— 

ualize typhoon track and wind data.Second,smooth typhoon track,edit feature property and validate to— 

pology for spatial analysis.Then analyze the data to obtain landing area,real—time and future affected are— 

a,and similar track search results.Finally,service product is generated using Microsoft Office develop— 

ment technology. 

Four key issues of GIS application on production system are discussed in details.GIS spatial analysis 

aims at extracting and transporting spatial information based on geospatial object location and geometry 

character.Using Geodatabaseand Spatial Data Engine,historical and real time typhoon database can be 

built and provide the ability of data record and update.ESR1 representation symbolizes data using a flexi— 

ble and rule_based structure that is stored inside the geodatabase along with data,supporting multiple rep— 

resentations simultaneously.Constructing feature filling modes and color representation styles by standard 

ru1es can efficiently implement the visualization of large volume of typhoon data. In order to precaution 

which administrative region would be affected in the near future,the spatial overlay analysis is carried out 

to extract and transport spatial information.Two probability ellipse methods of typhoon track forecasting 

are also proposed to predict potentially infected districts ahead of schedule.With spatial interpolation 

method intensive typhoon forecasts are made for multiple points,and for each point a weight error radius is 

calculated。then the vertical line throughout the points are determined,finally the control points are linked 

to construct a polygon and smoothed with Bezier Curve.Dynamic buffer method is based on integral splits 

the typhoon tracks by kilometer unit,by the ratio of the length of typhoon track the buffer radius can be 

calcu1ated,after then do dynamic buffer based on a series of radiuses and combine the buffer area to a prob— 

ability ellipse. 

GIS Drovides a reliable scientific basis for typhoon forecast,and with its aid more applicable and effi— 

clent typhoon forecast models can be achieved in the near future. 

Key words:GIS;typhoon forecast;dynamic buffer;spatial overlay 

本文标签: 台风预报产品服务空间