甘雨鸣　沈灿燊

　　1　前言

　　台风暴潮预报问题在国民经济的重要性和迫切性，在很多文章中均有述及。目前，在台风暴潮的预报中，各站台常用的方法之一为相似法，它主要利用了历史上各次台风异常增水的资料，并认为：此种水文要素的长期的、历史的变化及记録恰好反映了这个要素全面的变化，尽管我们对影响台风暴潮各种外部因素和内部因素还不能一一辨认并加以确定，但它们的综合影响，都毫无例外地可以反映在这个要素本身的历史变化之中。正因为如此，加上此法简单、方便，不必进行繁复的计算，在沿海的各个台站中都得到广泛的应用。不过，这种方法是存在着一定的缺点的，主要问题在于目前所用的相似法中，考虑的相似因素仅为单个相似因素——台风路径相似，在作业中，只要翻出历史上某场台风与眼下要来的台风在路径上相似时，就找出了历史上那次台风所造成本站的增水记録作为预报的根据，加以一定的人为的修订并以予发布。诚然，台风路径也许是影响台风暴潮的主要矛盾，不过在台风暴潮预报所牵连因素众多的情形下，无异这是一种十分局限的处理方法，这个问题，我们已在《应用相关分析方法，对黄冲站台风增水进行分类》一文中已提及。本文，正是针对这个缺陷由中山大学数学系数学专业73级的部分学员及教师与地理系水文专业台风暴潮研究组共同努力下，参照了美国迈阿密国家飓风中心所提出的HURRAN预报方法作了一些改进并引入于水文预报中而制定的，从而使相似法进一步提高了其精度，更好地为台风暴潮预报做好工作。

　　2　基本思路与处理方法

　　多级或分级相似，是在单一要素相似的基础上发展起来的，它们选择作预报的相似要素有几个之多，但它们均要从历史资料中根据引起台风暴潮的参数而找出。由于我们对引发台风暴潮的机制缺乏清楚的瞭解，因此往往会使我们所挑出来的、作为预报台潮的预报因素并不十分理想，但我们力求能够做好这点，以便使该法能得出一个较为良好的预报效果。

　　所谓相关相似方法，可作这样的一种考虑，从图形上来说，它实际上是由两个因子所构成的相关图（点聚图）中的一个指定区域内去找寻相似个例，那么可以推想，如果要利用几个因子作多级相似的话，重叠地利用多张点距图就可以得到多级相似个例。

　　从数学角度来叙述就会变得更容易清楚。由于在相关相似中考虑到，从天气预报角度（水文预报也一样）分析两个因子有一定关系，需要联合起来一起运用，实际上这就起了一个新因子的作用。所以实质上就变成了只限一个因子一个因子地来确定相似个例。例如，我们对于相似法定出一个原则，只能对每一个因子给出一定的相似范围而不允许超过它（否则失去相似的资格），那么，此时在数学上就不会是同时考虑所有的因子，而是逐个地来加以考虑。以预报台风为例，如果被预报台风相应的那些因子的观测值和历史资料中的台风个例中相应因子的观测值的差不超过给定的相似范围的话，就认为这台风个例为一个相似个例，可用来参加计算。事实上，对于台风所引起的暴潮增水来说，这种多级相似也依然成立。为明显起见，我们以两个因子为例，用图来说明一下。

　　假如被预报的台风或其引起的增水由X1，X1两个因子所确定，那么，在上述情形下用来确定相似个例的区域就必然是两对虚线（见图）所围成带状区域，这两个带状区域的公共部分是一个矩形区域 。那么，对于几个因子，即多级相似的情况，我们一样可以利用高维空间给出一个直观的几何解析。

　　对于相似法来说，如果某一个例，仅仅是一个因子X1（1≤i≤k）所确认的相似个例，而对其它因子来说不是相似个例，此时我们称这种个例为一级相似个例。相反，如果某个个例是同时由S个因子Xi1，Xi2……Xij（1≤ij≤k   j=1,2,……s）所确认的相似个例，而对其余来说不是，那就称为S级相似个例，很容易理解，当级数愈大时，这种相似个例的相似意义愈明显，对预报来说也愈为重要，这里的权数显然随级数的增大而增大。因此，我们便可以应用级数来表示相似个例的权数，所谓不相似，实际上就是一种零级相似个例。

　　按这种思路设想，我们收集出现于某一特定时间，特定地区的历史台风及台风暴潮个例，对每一个台风个例，沿其路径每隔6小时取一点，便可以得到那对应点上台风的路径变化。范围大小、移速快慢及台潮增水诸因素等的变化特征值a1，a1，a3……a ，从而构成了预报的基础。例如，在某时间，某地区出现了一个新台风，针对其当前的位置，得到一系列的台风及台风暴潮增水要素a1,a2 ,a3……an。然后在历史资料中找出能满足以下不等式的点：

　　这里的e1，e2，e3，……en是一些经过一定运算适当取定的常数，为了方便，我们称之为“框”，那么这些“框”就起了对预报计算给以权数的根据。显然，这个框实际上就是在某一特定范围内从数学上给予的定量描述，当我们找出这些框与新台风及台风增水要素之间的关系，预报就可按相似法进行。在这里，为了使分级相似既考虑到它的相似性及相关性，对每一个作为预报台风异常增水的台风要素都定了一大一小的两个“框”。在实际的计算中，先在小框里找相似个例，如果找到，就加权一级加以计算，小框找不到但在大框中存在时，同样认为属于相似个例，可参加计算，但没有权数。至于框外的，就认为不相似而不需要引进计算了。

　　3　计算及结果分析

　　用这个方法，我们计算了珠江口黄冲站48场（454个点）的台风增水，对于每场台风选了10个预报要素，最大权数是10，这些预报要素分别为：

　　（1）台风中心所处的纬度、经度（包括前6小时）。台风所处的位置对某一固定点受台风增水的影响是明显的。

　　（2）台风中心最大风速。按台风增水，实际上是由气压降低而造成的增水及河口被摩擦所挟持的水量在岸边堆积而造成增水两部分构成。这两部分可以从台风中心气压的值或中心最大风速表现出来。

　　（3）台风走向 角度。这是历史上台风与新来台风走向相似的一个定量指标。

　　（4）台风出现的日期。从统计可知，在某一经纬度出现台风，由于出现的日期不同其移动路径会随季节不同而异，增水自然也不相同。

　　（5）本站风向风力（包括北风分量与东风分量）。北风分量与东风分量的引进理由，参看《黄冲站36小时台风暴潮预报方案》一文，同时，本站风向及其大小也表现了台风的范围。

　　（6）本站与台风中心气压的气压梯度。它预示着台风到来的可能性及台风的强度，显然，它与造成本站的台风增水关系密切。

　　我们认为，这些因子对台风引起的增水所起的作用是明显的。除此之外，我们还选了16°～24°N,110°～120°E作为预报区，因为本站的地理位置位于22°18N,113°03E,预报区范围内的台风对本站均有影响。

　　通过电子计算机统计并加以适当的选择，我们对“大框”及“小框”作这样的择取：

　　看来，此法在作12小时和48小时预见期的预报效果较好；而24小时和36小时预见期预报的絶对平均误差则比较大。

　　4　手工预报计算举例

　　（1）凡进入16°～24°N，110°～120°E的台风均进行台风暴潮预报计算，并认为台风进入这个范围后就可以对它的逐个因子找相似个例。

　　（2）根据我们拟定的“大框”及“小框”对新台风的各因子与历史资料中的台风个例的相应因子进行对比，落入“小框”者加权计算，落入“大框”者参加计算，但没权数，在“大框”外的，则不进行计算。

　　（3）[例]以7406号台风为例，预报该台风6月11日（2000时）黄冲站12、24、36、48小时后的增水，此时（即6月11日2000时）台风位置为116°E，16.6°N（其它各因子按实测资料计算如表1之所列）。

　　①首先按大、小框找出它们应该相似的范围：

　　②从日期范围内即5.1～7.21在“目録”（附后）内找相似的台风个例数，计为：

　　6111　6402　6403　6508　6605　6606　7003　7106　7108　7109 　7112　7113　7202　7304 　7405

　　③在上述16场台风中对各场台风各因子找相似及按已述的原则统计其权数。

　　16场台风中，6111  6402  7106  7304 四场台风合乎计算要求，按表2钞録正文部分并作权数统计如下：

　　实测值为6月11日2000时后12小时增水33cm，24小时增水61cm，36小时增水83cm，48小时增水36cm。显然12小时及48小时后的预报值较好，前者差值为0，后者差值为5cm，这与谈到的误差分布结果相符，但24小时及36小时的预报值相差较大。

　　5　几点体会

　　（1）这个方法是企图通过多级相似的办法来改进一级相似也就是我们所通用的相似法所具有的不足而进行的，但所选择的各个“级”，即预报因子是否合理，这是一个急待研究的问题，只有这个基本问题解决后，即找出了影响台风增水的主要矛盾后，方法的改进才具有真正的意义，因此，这方面还有待改进以使预报效果更好。但即使如此，这个方法也明显地改进了单一相似法的不足，它既使相似法有了一个多级的概念，从而提高了预报的精度，同时也使相似法在预报中具有了新的意义，从而减少人为主观的臆测，增加了客观的判断理由，整个预报建立在更为科学的基础上。

　　（2）此法在整个预报中，都可进行台风处于某点时本站12小时、24小时、36小时、48小时后的台风暴潮增水预报，显然，对于单站预报来说，不仅延长了预报的预见期，还使四种不同时效的预见期都得以运用，假如能够用别的单站预报方法加以补充或相互对照从而把预报值调整取舍的话，无异会大大提高台风暴潮水位的预报精度。

　　（3）从数学上可以看到，当我们在预报中需要多考虑几个其他因子时，那么它能找到的相似个例必然会相应地减少，就如我们所举7406台风这个例子来说，它的一级相似有16个个例，可是真正符合我们这个计算条件的，仅有4个。在HURRAN方法性能分析报告中指出，对24小时的预报中已有1/3的台风找不到有5个以上的相似个例，因而，难于考虑其它因子，更何况我国的西北太平洋、南海台风资料较少，沿海台潮水位观测站建站所具有的水位资料年限也不长。因此，选用此法，在选择因子时，要符合“少而精”的原则，预报台风暴潮的可靠因子要尽可能多地包括进去，但又不能过多，要恰当地解决好这对矛盾。

　　（4）“黄冲站36小时台风暴潮预报方案”一文中，已对长浪引起水位变化对台风暴潮预报延长预见期的可能性作了一定的定量描述，但在这个方法中并没有能够体现出这个结论来。水位，在这里仅作为被预报的结果来加以应用而没有作为预报指标来加以应用，相信，如果加上这一水文要素作为预报因子的话，必将会提高预报效果。目前的这个方法，基本上是移用气象的预报方法到水文预报中去，但从这点来看，进一步的改革还是有可能的。事实上，无论HURRAN还使其它改革的预报台风的方法，都很重视惯性因子的作用，并使其表现在速度絶对值和移动方向上，作为水文因素变化，所具有的保守性更甚，因此，从这点来说，引入长浪，即潮形在“直接大波”到来之前的微小变化来预报台潮最大水位，应该是必要的。

　　（5）这里所选用的“框”是经过反复的计算调整得到的，目前所选用的框，对于预报12小时及48小时的台风增水效果较好，加以调整后，也可使其对24及36小时预报具有好效果，不过那时，12小时及48小时所预报出来的精度就会下降，因此，如何合理地造“框”这同样是提高预报精度的一个十分重要的方面。

　　（6）为了做好预报因子的选择工作，除了从统计这个角度进行之外，从物理成因方面加以选择显然是一个最重要的方面。目前，造成台风异常增水的机制远非清楚，这包括单站及大方面的台风增水机制都如此。为此建议各协作部门，应加以开展这方面的工作，并加强协作共同进行。

　　（原载：海洋科技，国家海洋局海洋出版社。）