基于统计动力学-全路径合成的台风危险性分析方法研究

发布时间：2020-09-09 11:19

　　西北太平洋是全球热带气旋发生频率最高的地区。中国处于西北太平洋的西岸,是世界上受台风影响最为严重的国家之一。由于台风引起的强风、暴雨、风暴潮和洪涝等灾害会对台风途经的地区造成严重的损失,因此抗风设计、区域防灾规划、保险及再保险业都需要对台风灾害风险进行量化分析。然而台风发生的时间和空间都具有很大的不确定性,台风的路径、强度及其影响都不能被准确地预测。因此,台风的危险性和风险分析必须以概率理论为基础。此外,越来越多的研究表明台风活动会受到气候变化的影响,如何在台风危险性分析中考虑气候变化的影响也是当前应对全球气候变暖的重要课题。为了增强人类应对台风灾害的能力、科学地制定抗风减灾政策,本文结合大气动力学、气候变化以及灾害危险性研究的最新发展成果,系统地开展了台风危险性分析方法研究,发展了具有大气物理学基础的热带气旋合成模型,并进一步发展了全球气候变暖和厄尔尼诺-南方涛动影响下的台风危险性分析方法。以中国沿海和东亚地区为目标区域,进行了台风危险性评估。研究成果可望为台风影响区域的重大工程设施的抗灾设计、灾害风险的管理和预防提供理论基础和应用工具。本文的主要研究内容如下:(1)以影响东亚地区的西北太平洋热带气旋作为研究对象,发展了一种基于热带气旋与大气环境变量关系的统计动力学全路径合成热带气旋模型。该模型继承了传统的经验全路径合成热带气旋的思想,在热带气旋的生成、路径和强度模拟方面均有所改进,具备坚实的气象学基础。通过对比历史热带气旋样本及其统计特征,验证了该模型能够较好地模拟西北太平洋热带气旋活动。(2)将统计动力学全路径合成模型与全球气候模式相结合,进一步发展了考虑气候变化的台风危险性分析方法,并用以模拟RCP8.5气候变暖情景下的西北太平洋热带气旋活动。通过定量分析温室气体最不利排放情景下气候变暖对热带气旋生成、路径以及强度的影响,发现气候变暖会导致未来西北太平洋热带气旋发生数量增多、路径整体东移,造成西北太平洋中部海域的热带气旋通过率增大,而西南海域的通过率减少,较弱和中等强度台风频率会轻微下降,超强台风频率则会显著增加。(3)利用本文发展的方法对西北太平洋热带气旋活动进行了大规模模拟,用以分析中国沿海地区和东亚地区的台风危险性,得到了中国沿海10个主要城市的热带气旋通过率和不同重现期的极值风速,并绘制了不同重现期的台风极值风速图。考虑到全球气候变暖,本文定量评估了气候变暖对本世纪末30年(2071~2100年)东亚地区台风危险性的影响,发现东亚沿海地区50年和100年回归期风速将会增大,其中中国东部和北部沿海地区是受气候变暖影响最大的地区。(4)利用发展的统计动力学全路径合成模型分别模拟了厄尔尼诺-南方涛动三个阶段的西北太平洋热带气旋活动,发现从厄尔尼诺年、中性年到拉尼娜年,热带气旋的生成位置和路径会逐渐向西北移动。通过定量分析厄尔尼诺-南方涛动三个阶段下中国沿海地区的热带气旋通过率和极值风速的差异,发现拉尼娜年的热带气旋通过率和极值风速比厄尔尼诺年高。此外,厄尔尼诺-南方涛动的扰动会增加年际台风危险性结果的不确定性,而对多年代际的结果则影响较小。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P444;P429
【部分图文】：

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.2.2 全路径合成模型为了克服分区圆模型的上述缺点，Vickery 等[20]利用全海域的热带气旋历样本首先发展出工程应用上可行的台风经验路径合成模型（Empirical Trackodel）。在该模型中，整个大西洋区域被划分为无重叠单元，然后对每个单内的历史台风路径片段进行回归统计，从而构建包括台风移动速度，移动方和强度的台风经验路径模型。这种路径模型随后被多位学者改进，并应用在风危险性分析中[21-30]。与分区圆模型相比，经验路径模型可以合成出台风生成到消亡的路径和强度，因此可对大范围区域进行台风危险性分析。虽然路径合成模型的具体建模方法各异，但是基本思想是一致的：即先对路径分模拟，再组合成完整的路径和强度。全路径合成模型模拟热带气旋的示意过如图 1-1 所示，首先模拟热带气旋的初始生成位置；其次模拟热带气旋的移速度和方向，估算出热带气旋的下一时刻位置，同时模拟各个位置上的强度；此反复，当热带气旋移动到目标点一定范围内，与风场模型结合便可以估算热带气旋对目标点产生的风速。50°N

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Li 和Hong[29,43]也分别考察了该模型对中国大陆台风风灾危险性分析的适用性。图1-2 a)和 b)分别给出了台风“约克”（York）和台风“黑格比”（Hagupit）在两个不同站点的风速和风向时程的模拟值与实测值的对比结果[43]。从图 1-2 中可以看出，这种台风风场模型能较好地模拟历史台风风速记录，但在部分阶段模拟精度还有待进一步提高。这些参数化的台风风场模型大部分都属于二维风场模型，这类模型只能模拟边界层内的垂直平均风速，然后通过风速折减关系得到边界层内的风速垂直结构，对比较规则的成熟台风具有较好的描述能力。但是这种方法过分依赖于风速折减关系对台风的匹配程度，所以不能反映台风边界层内风场的垂直变化特征。如果想更加精细地模拟台风风场结构，还需要对参数化二维台风风场模型进行扩展，将大气边界层模型与自由大气层模型结合，进一步发展参数化的三维简化台风风场模型。实际上，在台风数值天气预报领域，气象学界已经发展了若干数值台风预报模式（Numerical Weather Prediction），这些模式主要包括 MM5 模式（Mesoscale Model 5）[37]和飓风 WRF 模式（Weather Research & Forecasting）[38]。前者由美国国家气象研究中心和宾夕法尼亚大学共同开发，后者由美国国家气象研究中心开发，二者皆可用于中尺度天气研究和预报。这类中尺度天气模式可以比较好地模拟复杂不规则的三维台风风场，在天气预报上已经得到了广泛地应用。然而这类模式的计算量巨大，即便是目前巨型机的计算力也很难满足台风危险性分析所需的百万至千万次随机模拟的要求，所以直接将这类模式应用于工程上的台风危险性分析仍然存在困难。

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第 1 章绪论Webster 等[55]对 1970~2004 年全球热带气旋的数量和强度进行了统计，发现 35年间热带气旋总数没有显著变化，但萨菲尔-辛普森飓风等级（Saffir-SimpsonHurricane Wind Scale，SSHWS）4-5 级的台风（飓风）数量和比例会明显增加，其中北太平洋、印度洋、西南太平洋的增幅最大，北大西洋增幅最小。Emanuel[8]发现从二十世纪七十年代中期至今北大西洋飓风的功耗指标显著增加，这反映了飓风的持时和强度都有明显的增大，气候变暖可能会导致热带气旋破坏潜力上升。不过也有其他研究针对热带气旋强度变强趋势这一结论提出质疑，他们认为欠佳的历史记录质量和过短的历史记录长度是不足以反映热带气旋强度的增长趋势，目前的变化趋势很可能只是一个更大尺度循环中的一部分[56-58]。正如 IPCC 第五次报告所指出，全球热带气旋活动长期变化保持稳定的可信度是非常低的，但是将全球热带气旋活动的变化归因于某种特定原因也没有足够的可信度[54]。

【参考文献】