船用西北太平洋熱帶氣旋顯示和標繪系統軟件的開發和應用

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(1.集美大學 航海學院，福建 廈門 361021；2.中國科學院 東北地理與農業生態研究所，長春 130012)

熱帶氣旋是對流層中最強大的風暴系統，對航海安全威脅最大。當船舶航行的海區有熱帶氣旋出現時，船舶駕駛員要隨時根據最新氣象報告在海圖上對熱帶氣旋的位置和移動進行標繪和量算，為避抗臺風提供依據。這種傳統的標繪在海圖上只能標出熱帶氣旋的位置和移動路徑，航行在海上的船舶，要隨時掌握本船和熱帶氣旋的距離、方位以及臺風大風范圍等信息，這些信息在小比例尺海圖上進行標繪和量算比較麻煩，也有一定的誤差；用公式進行計算既麻煩又費時。針對船上避抗臺風的實際需要，筆者應用地理信息系統(GIS)技術開發和設計西北太平洋熱帶氣旋顯示系統和標繪軟件[1]。

1 軟件的開發

1.1 開發環境

系統選用Browser/Server結構，后臺數據庫采用SQL Server2000，客戶端以Windows 2000/XP操作系統作為西北太平洋熱帶氣旋顯示系統開發的基礎，GIS控件MapObjects作為系統開發平臺，Microsoft Visual Basic 6.0作為系統開發工具。利用MapObjects支持的空間數據引擎ADO引擎，將MapObjects作為一個對象使用，將其嵌入到應用系統，通過調用對象的方法和設置其屬性實現系統的各種功能[2-3]。

1.2 開發過程

軟件開發主要分為2個部分：制作西北太平洋簡易電子海圖和開發功能模塊，流程見圖1。

圖1 船用西北太平洋熱帶氣旋顯示和標繪系統開發框

1.2.1 簡易電子海圖的制作

用于熱帶氣旋顯示的西北太平洋簡易電子海圖只需要海岸線和港口信息，主要側重于我國近海。筆者選擇海軍航保部MVCF標準電子海圖C101(中國海區及相鄰海區)和C102(中國海區)2幅；應用ArcMap軟件提取的海岸線和主要港口地理坐標；使用Arcview軟件將海岸線和主要港口地理數據進行處理；選用墨卡托投影，形成簡易電子海圖[4]；將它作為系統的背景海圖，再加注港口標注(地名)、10°經緯網、5°經緯網和1°經緯網等圖層數據。

1.2.2 開發功能模塊

選擇VB6.0作為開發工具，開發顯示模塊、測量模塊和推算模塊3個功能模塊。

1) 顯示模塊。該模塊是整個系統的基本模塊，具有以下功能：

(1) 顯示鼠標在電子海圖上的地理坐標。

(2) 根據天氣報告輸入熱帶氣旋的相關參數后，在電子海圖上顯示出來。顯示內容包括時間、熱帶氣旋中心位置、定位誤差圓、移動路徑和30、50 kn大風圈。

(3) 在輸入船舶的相關參數后顯示時間、船位和航跡。

(4) 輸入轉向點位置后顯示計劃航線。

(5) 顯示測量模塊和推算模塊的結果。

2) 測量模塊。該模塊具有2個量算功能：

(1)在電子海圖上量算兩點之間恒向線的距離和方位。這是該模塊的基本功能，主要用于量算熱帶氣旋和船舶之間的距離，為進行回避臺風決策提供依據，也可以用于西北太平洋航線的輔助計算和設計。

(2)在電子海圖上量算多點間的總距離。這是該軟件的輔助功能，可用于航線的輔助計算和設計。

3) 推算模塊。是本系統的輔助模塊，它的功能是在給出推算時間后，根據最近時間的移速和移向用恒向線公式計算未來熱帶氣旋和船舶的位置。

最后以MapObject作為控件，將西北太平洋簡易電子海圖和3個功能模塊加入其中進行組裝，就完成了西北太平洋熱帶氣旋顯示和標繪系統軟件。

1.3 系統主要功能實現

1.3.1 熱帶氣旋顯示及預測

系統根據熱帶氣旋的天氣報文內容在系統數據庫中建立熱帶氣旋數據表，每個熱帶氣旋對應一個數據表，其參數項包括：

編號，名字，定位時間，強度(從熱帶低壓TD、熱帶風暴TS、強熱帶風暴STS、臺風T和消亡5項中選1)，中心位置(緯度、經度)，移向，移速，近中心最大風速，定位誤差(選擇20或40 n mile)，50 kn大風圈半徑(西北半圓、東北半圓、西南半圓和東南半圓)，30 kn大風圈半徑(西北半圓、東北半圓、西南半圓和東南半圓)。

使用者可根據顯示內容的需要有選擇地輸入參數。參數錄入完畢后，系統自動建立相應的矢量圖層[5]。

根據熱帶氣旋中心位置及強度，在熱帶氣旋圖層上顯示熱帶氣旋的位置與移動路徑，在熱帶氣旋起始位置旁邊標注熱帶氣旋的編號，其他位置旁邊標注定位時間。系統可以在熱帶氣旋中心位置處繪制以定位誤差為半徑的定位誤差圓[6]。

根據熱帶氣旋的50 kn大風圈半徑與30 kn大風圈半徑屬性值，以該時刻熱帶氣旋地理位置為中心，分別繪制西北半圓、東北半圓、西南半圓和東南半圓大風圈。

熱帶氣旋的預測實現是根據最近時間熱帶氣旋位置、移向、移速和輸入的預測時間，用恒向線公式計算預測的位置，預測位置用圓形符號標注，預測路徑用虛線顯示[7]。

1.3.2 船舶顯示及預測

系統根據船舶的相關信息在系統數據庫中建立船舶數據表，每艘船每個航次對應一個數據表，其參數項包括船名，時間，船舶位置(緯度、經度)，航向，航速。

使用者可根據顯示內容的需要有選擇地輸入船舶參數。1、2、2 1)中的(1)、(2)和(3)必須輸入，用于顯示船舶的位置和航跡。(4)和(5)用于推算船舶的移動。

根據船舶的位置及定位時間，在船舶圖層上顯示船舶位置與航線。系統在第一個船位點旁標注船名，其他船位點旁標注時間。

根據最近時間船舶位置、航向和航速，系統用恒向線公式計算預測時刻船舶的位置，預測位置用紅色三角形符號標注，預測航線用虛線顯示。

計劃航線顯示的實現是通過利用轉向點編號和轉向點位置(緯度、經度)參數實施控制，順次連接轉向點進行顯示并標注轉向點編號，計劃航線用虛線顯示[8]。

1.3.3 距離與方位的測量

根據恒向線公式，利用系統獲取的起始點和到達點的經緯度地理坐標，獲取2點間的距離和方位，以及多點間的總距離。

2 應用

在2006年9月7日～10月23日，筆者在廣海華光輪帶學生海上實習，實習航線為我國沿海南北線。實習期間，西北太平洋出現過0613SHANSHAN(珊珊)、0614YAGI(摩羯)、0615XANGSHEN(象神)、0616BEBINCA(貝碧嘉)、0617RUMBIA(溫比亞)和0618 SOULIK(蘇力)共6個熱帶氣旋。這些熱帶氣旋與華光輪距離很遠，未造成任何影響，距離最近的一次是在9月12日與0613“珊珊”距離約650 n mile。對于每一個熱帶氣旋都使用本軟件進行了標繪和測量，取得了很好的效果，最有實際意義的是對0613“珊珊”的標繪和測量。

華光輪2006年9月9日上午0830從廣州黃埔新港起航，目的港錦州。9月10日進入臺灣海峽后，因受冷高壓影響，風浪很大。9月11日在臺灣海峽北部，風浪進一步加大，在牛山島附近海域白天船舶幾乎不動，船舶橫搖15°，縱傾嚴重，螺旋槳時常打飛車造成船舶劇烈振動。傍晚船長決定調頭，到興華灣錨地避風。在日本東京臺9月11日0600Z(北京時間14：00)地面分析圖上，0613號強熱帶風暴(STS)“珊珊”出現，預計第2天會加強成為臺風，當時“珊珊”的位置在18.5°N、133.7°E，距離興華灣錨地近900 n mile。從當時天氣圖判斷，大陸冷高壓和海上的副熱帶高壓會合并，未來兩三天“珊珊”會西移，影響到臺灣以東地區。收到傳真圖后，立即用本軟件對0613“珊珊”和華光輪進行標繪。船長和駕駛員會商后，根據0613“珊珊”未來移動判斷和標繪的結果，決定第2天早立即北上。

9月12日早上華光輪離開興華灣錨地北上，于9月16日早上5點靠錦州港。筆者不斷根據最新的天氣報告對0613“珊珊”和華光輪航線進行標繪，掌握0613“珊珊”和華光輪的動態。0613“珊珊”在9月14日1200Z前一直西行，隨后開始在臺灣以東轉向，至16日0000Z轉向東北，以后移向不變，移到日本海并最終變性為溫帶氣旋。華光輪在9月12日1800Z與0613“珊珊”的距離最近，大約650n mile。在14日1200Z華光輪已經到達黃海中部，與臺風距離900多n mile。16日0613“珊珊”在臺北以東完成轉向時，華光輪已經靠錦州港。19日華光輪在錦州裝貨后啟航，0613“珊珊”已經進入日本海。

3 結束語

船用西北太平洋熱帶氣旋顯示和標繪系統是針對船舶海上回避臺風的實際需要開發的，在進行熱帶氣旋標繪和量算時極為方便和快捷，可以為船舶防抗臺風提供準確的參考數據，替代駕駛員人工標繪和量算，具有很強的實用性。GIS技術在各個方面都得到了廣泛的應用，但在航海氣象領域應用不多。本軟件的開發是在這方面做一個初步的嘗試，還需要在以后的實踐中不斷改進和完善。

[1] 陳述彭,魯學軍,周成虎.地理信息系統導論[M].北京:科學出版社,1999.

[2] 張 釗.基于MapObjects 的臺風風暴潮相似型預報系統[J].海洋預報,2004,21(2):70-73.

[3] 韓 鵬.地理信息系統開發——MapObjects方法[M].武漢:武漢大學出版社,2004.

[4] 李 穎,田蔚風,金志華,等.一種新型的電子海圖顯示系統開發方案[J].船舶工程,2002,24(1):47-50.

[5] 江春發,王仁謙.用GIS技術建立臺風跟蹤預警系統[J].華僑大學學報：自然科學版,2003,24(1):60-63.

[6] 李洪才,王永信,林少奕.廣東沿海臺風風暴潮可視化預報系統[J].海洋預報,2004,21(4):81-87.

[7] 冀春曉,葉子祥,杜友強.溫州市臺風預報決策服務系統[J].浙江氣象,2004,24(2):7-10.

[8] 郝燕玲,上官偉,唐艷紅, 等.基于電子海圖顯示與信息系統的海洋環境信息處理系統設計[J].船海工程,2007,36(1):129-133.