嵌套高分辨率网格对我国东南沿海登陆台风模拟的影响

嵌套高分辨率网格对台风模拟有十分重要的影响。基于COAWST(coupled ocean atmosphere wave sediment transport)模式,针对登陆广东、海南的11个台风,设计了2组模拟方案。一组是在9 km分辨率下嵌套3 km分辨率网格,另一组是采用单层9 km分辨率网格。将模拟结果与中国气象局热带气旋资料中心发布的最佳路径数据进行对比,以探讨嵌套高分辨率网格是否可以提高台风模拟的准确性。从台风路径的模拟结果来看,在9 km分辨率下嵌套3 km分辨率网格对台风路径模拟的误差较小,而单层9 km分辨率网格模拟的台风路径误差较大。通过对比两组方案模拟的台风路径、强度和结构,在模拟区域中使用嵌套高分辨率网格方案的模拟准确性有所提高。两种方案模拟的风场以及副热带高压十分接近。相比于单层网格,嵌套了高分辨率网格方案模拟的台风路径、强度误差更小,台风眼更小,位涡更强。

台风期间北部湾近岸观测海浪特征研究

极端天气下北部湾近岸海域海浪特性的精细研究有利于沿岸防灾减灾和工程建设。台风“马鞍”和台风“奥鹿”为2022年8~10月影响北部湾的两个具有典型路径的台风,其在北部湾近岸引起的海浪特征具有代表性。通过分析北部湾近岸海域观测数据发现,不同路径、不同距离的台风对北部湾近岸波浪场的影响在持续时间、波浪参数以及海浪谱变化上均呈现出不同的特征。距离较近的西北路径型台风“马鞍”经过测站时,强风浪的作用使得海浪谱在短时间内形成尖锐的单峰谱,台风过境11 h后,测站方向谱受外海涌浪影响出现双峰;在北部湾以南距离较远的西向路径型台风“奥鹿”引起的风速、波高增大幅度均弱于“马鞍”,但影响时间更久,其方向谱的双峰特征表明涌浪的影响更为显著。尽管台风“马鞍”、“奥鹿”过境前后北部湾内海浪变化剧烈、性质各异,但其均为宽谱且与标准化一维谱具有很强相似性;与平均频率相比,以谱峰频率进行标准化得到的无因次一维谱形状更为收敛一致,且均可用TMA谱来表示。

台风-浪-流耦合作用超大浮体水弹性响应分析方法

海上机场超大浮体结构在台风等极端海洋环境下的动态响应准确预测是保障其安全性能的关键前提,其难点在于准确构建中/小尺度复杂流场与浮体结构的流固耦合计算模型。本文提出了一种基于中/小尺度嵌套的海上机场超大浮体水弹性响应分析方法,二次开发实现了台风-浪-流耦合模拟,分析了超强台风“莫兰蒂”途经海上机场超大浮体全过程台风-浪-流时空演变规律;采用中/小尺度流场嵌套技术计算水动力和气动力,代入结构动力学方程进行双向迭代解耦求解;通过算例分析了台风-浪-流耦合作用下浮体结构水弹性响应及影响机制。研究表明:本文提出的方法能够有效地预测此类极端环境下超大浮体结构水弹性响应。

北上台风时空变化特征及其与ENSO的关系

基于中国气象局热带气旋最佳路径数据集,对1949—2022年北上台风的时空变化特征进行统计分析,并探讨了厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation,ENSO)对北上台风活动的影响。结果表明:1)74年间共有275个北上台风活动,频数的年际变化呈不显著上升趋势,但北上台风占西北太平洋生成台风总数的比例呈现显著的上升趋势;2)北上台风主要集中在7—9月生成,8月份进入定义区数量最多,生命期强度以超强台风、台风等高强度等级居多,且高强度等级北上台风出现的几率近些年有增加趋势;3)共有159个北上台风在中国登陆,未登陆转向路径台风大多在30°N、125°―130°E附近向东转向。北上台风生成位置大多集中在10°―20°N、130°―150°E,登陆类北上台风的生成位置更加偏西,消散类台风的生成位置纬度更高;4)Niño 3.4指数与北上台风频数和生命期强度分别呈显著的负相关和正相关关系,同时其对北上台风的生成位置也具有明显影响。与厄尔尼诺年相比,拉尼娜年生成的北上台风数量更多,生成位置更加偏西、偏北,但厄尔尼诺年发生的北上台风强度更高。

台风“苏迪罗”行进过程中沿海近地实测风场特性研究

基于厦门大嶝岛台风观测点阵列布置风速仪的现场实测,选取了1513号台风“苏迪罗”在四个不同时间段的风速风向数据,对台风行进过程中的沿海近地风场特性进行了详细分析,得到了台风中心距离观测点400 km、250 km、150 km和120 km时的沿海近地平均风速风向、风剖面、阵风因子、湍流度、湍流积分尺度和功率谱密度函数等参数,研究了各种参数同台风中心距和观测高度之间的关系,结果表明:在台风行进过程中,观测点所测风速的平均风速剖面满足对数律规律,粗糙长度z_0约为4.0 m。阵风因子和湍流度变化较为平缓,二者呈线性变化关系。三个方向上的湍流度比值约为1∶0.8∶0.45,湍流积分尺度离散性大,顺、横风向的功率谱密度函数符合von Karman谱的形式,但竖直方向不符合。该结果对深入了解台风在行进中对固定观测点的影响以及提高沿海工程结构的抗风安全性具有实际意义。

基于Holland台风模型及三重嵌套海浪模式的台风浪数值模拟研究

现有的风场资料存在台风中心附近风速偏低的问题。为改进台风期间风场数据,使用Holland经验台风模型结合多平台交叉校准数据(cross-calibrated multi-platform,CCMP)及欧洲中期天气预报中心的再分析数据(European Centre for Medium-range Weather Forecasts Reanalysis data,ERA5)风场资料,研究了不同台风最大风速半径(maximum wind radius of the typhoon,RMW)、Holland B参数对模拟效果的影响,确定了最优模拟参数,并以改进后的风场驱动三重嵌套海浪模型对台风“威马逊”发生期间的台风浪进行模拟。模拟结果与实测数据对比表明,(1)改进的风场资料与实测结果更为接近,作为海浪模式驱动项可更好地模拟台风期间波浪状况;(2)三重嵌套海浪模型的波浪模拟效果优于单独的海浪模型。

2008—2017年登陆海南岛台风引发陆地及其近海闪电特征分析

利用2008—2017年海南闪电定位监测网资料,统计登陆海南岛的台风,分析其引发的闪电活动特征,探讨海南岛岛上和近海台风闪电活动时空分布特征及其与台风强度和路径突变的关系,并对比台风登陆前后闪电活动变化。结果表明:南海夏季风与登陆海南台风闪电活动关系密切,冷空气活动越强闪电活动越弱,海温越强闪电活动越强。登陆台风闪电活动在夏季偏强,秋季逐渐减弱,春季最弱。闪电活动空间分布为台风中心的西北象限最多,东北象限其次,东南象限最少;台风中心北部多于南部,而北部中又以西北部多于东北部,东南部最少。闪电活动总体为台风移动方向左侧多于右侧,左侧中以左后方明显偏多。大部分台风中心在海上时的平均闪电频次大于陆地,少部分台风在登陆和出海阶段伴随闪电的爆发,部分台风登陆前后会产生闪电活动空间分布转换。登陆海南岛台风引发的在陆地及其近海的闪电活动强度与台风强度间无明显相关关系,闪电的爆发对台风登陆前的强度持续增强或维持有一定的指示作用。

台风结构与强度以及环境场对西北太平洋台风尺度估计的影响研究

台风风场径向廓线模型对台风灾害的评估以及台风尺度的研究具有重要的价值.利用西北太平洋2001-2020年的台风最佳路径观测数据,评估了目前国际上应用比较广泛的六个分别基于经验参数和物理过程的台风风场径向廓线模型对台风尺度(台风大风半径,R17)的估计精度,并探讨了台风结构、强度等内部因素以及垂直风切变和移动速度等环境因子对模型精度的影响.评估发现,所有模型均高估了R17较小的台风而低估了R17较大的台风,且R17越小,高估越明显,R17越大,低估越严重.总体而言,Willoughby et al发展的基于参数的模型具有最小的估计偏差且与观测记录之间最高的相关性.研究还发现,台风内核尺度(最大风速半径,RMW)和强度(最大地面风速,V_(max))对不同模型的影响具有显著的差异性.此外,在高环境风切变和高移速条件下,模型的估计偏差的量级会显著增加.以上研究为进一步完善适用于不同环境条件下,不同结构与强度台风的风场模型提供参考.

轴定台风和蒸发潜热能利用

海洋蓄积了巨大的水汽潜热能量(以下简称潜热能)。尽管这种能量早被人类认知,却迄今未能被充分利用。相反,这些能量聚集后会形成台风,给人类带来危害。本文提出了一种全新的治理设想,将台风治理与潜热能利用相融合,旨在将潜在的灾害转化为有益的资源。这一构想的具体实施方式是在海洋上选定一个远离陆地的区域,在其中心位置,人为地构建一个足够大的定位圈,以此为轴心牵制台风,即“轴定台风”。当台风位置固定且周围没有陆地摩擦干扰时,该台风就能持续存在。如此一来,台风场就成了发电厂。持续而稳定的风力使发电效率极高,年发电量可达千亿度之多,且由于风力集中,获取电能易如反掌。自然而然地,这个被圈养的台风会消耗大量海洋潜热,之后再形成自然台风的概率和级别将会大大降低。同时,水汽潜热这一巨大的绿色能源一旦得到有效利用,必然能够降低碳排放,从而实现治理台风与保护环境的双重目标。

诱发台风暴雨型滑坡的降雨阈值研究——以泰顺县为例

在我国东南沿海地区,台风暴雨诱发了大量山体滑坡。建立诱发台风暴雨型滑坡的降雨阈值模型,可为该地区的滑坡预警提供参考依据。基于浙江省泰顺县2007—2022年以来发生的滑坡信息和日降雨量数据,进行了诱发滑坡的台风暴雨事件编目,初步揭示了台风暴雨型滑坡的发育规律和触发降雨特征,通过降雨强度(I)、降雨历时(D)的幂律关系构建了滑坡临界降雨阈值模型,并开展了不同台风降雨雨型的阈值模型对比。结果表明:台风暴雨型滑坡大量发生在与台风登陆方向接近的迎风坡,坡表植被多为乔木和竹林;诱发滑坡的台风降雨一般持续2~3 d,且降雨过程集中,降雨雨型以单峰型为主,总降雨量一般在200 mm以上;台风暴雨诱发滑坡的降雨阈值显著高于一般性的降雨,这种差异与台风降雨模式及大尺度气候环境有关;雨型也会显著影响降雨阈值,随着降雨峰值的后移,阈值逐渐降低,表明台风暴雨型滑坡对长时间降雨后出现的强降雨事件更加敏感。通过降雨阈值模型对9次台风降雨事件是否诱发滑坡进行了预测,预测结果与实际情况比较吻合,证明该模型及研究思路对台汛期东南沿海的滑坡监测预警有较强的参考价值。

基于风雨综合指数的安徽省台风灾害房屋风险评估方法

台风致灾因子具有多重性,相对于其他灾种其风险评估更加复杂。采用安徽省81个国家气象站及1035个区域气象站台风过程逐日降水量、最大风速资料,构建台风风雨综合指数;利用台风风雨综合指数及孕灾环境影响系数,开展台风致灾危险性评估;基于自然灾害风险系统理论,综合致灾危险性、承灾体暴露度和脆弱性信息,评估安徽省台风灾害房屋风险。结果表明:影响安徽省台风年均个数为1.9个,持续天数以2~4 d居多;台风降水南部多于北部、山区多于平原。台风致灾高危险区位于皖南山区和大别山区,较高危险区位于江淮之间东部,低危险区位于沿淮淮北大部及江淮之间西北部。台风灾害房屋高及较高风险区主要分布在大别山区、江淮之间东部及皖南山区,这些区域海拔总体较高,台风过境易引发山洪地质灾害,加之房屋脆弱性较高,房屋倒塌及损毁风险高;中等风险区位于沿淮至江淮之间、江南部分地区,呈零星分布;较低和低风险区位于淮河以北中西部、沿江部分地区及城市主城区。利用全省各县区台风造成的房屋倒损数据,从空间一致性及散点相关对区划结果进行验证得到,区划结果与灾损具有高度的空间一致性,二者散点相关通过0.01的显著性水平检验,安徽省台风灾害房屋风险区划结果与实际情况基本吻合。

2022年8月南海典型空心台风“木兰”的诊断分析及高分辨率模拟

利用站点观测、FNL分析数据和融合降水等多源资料,对2022年8月南海空心台风“木兰”的特征及成因开展系统的诊断分析,结果表明“木兰”属于南海的季风低压发展而成的弱台风,具有季风低压的特征,整个台风过程无明显台风眼,前期气旋环流中有多个小环流。虽为弱台风,但其东北侧的低空东南急流配合南海充沛的水汽输送,以及陆地局部的强对流活动,造成了我国广东、广西和云南南部等地的大风和暴雨天气。使用中尺度模式WRF开展分辨率为9 km和3 km的嵌套模拟,结果显示模式能合理再现“木兰”的环流结构特征和演变过程,但模拟的副热带高压南侧季风槽偏强,风速偏大。模式模拟的台风路径与观测整体上较为吻合,与FNL分析资料的结果相比,WRF对降水量的模拟有显著改进,此外,WRF模式分辨率的提高可降低模拟降水的误差。

基于多变量灰色模型的台风强度模拟方法

随着台风全路径模拟技术的不断完善,全海域、大范围的台风危险性分析方法得到发展,然而强度模型的模拟精度不能满足需求。针对台风强度演变受多因素影响、动力关系复杂及强度变化随机性强的特点,基于多变量灰色模型对台风强度模拟方法进行研究,并建立起台风多变量灰色强度模型。利用该模型还原了台风“山竹”的强度演变过程,同时对西北太平洋地区整体台风强度进行模拟及检验分析。结果表明:垂直风切变及垂直速度与台风强度的灰色关联度分别为0.771 8、0.745 1,显著高于其他3个环境因素;台风“山竹”强度模拟的后验差比值及小概率误差分别为0.349 1、0.960 8,达到了最高模拟精度;模型模拟所得西北太平洋地区整体的强度变化趋势及分布特征均与地区实际情况保持一致。

南海台风模式对台风利奇马快速增强预报能力研究

针对台风利奇马(1909),分析中国气象局南海台风模式(CMA-TRAMS)和欧洲中期天气预报中心高分辨率模式(HRES)对台风快速增强的业务预报情况,并基于CMA-TRAMS,从水平分辨率、初始场和边界条件、物理参数化方案等角度设计并开展数值敏感性试验。CMA-TRAMS和HRES对“利奇马”增强具有一定预报能力,但对快速增强的速度预报明显低于实况,均不能满足24 h和12 h快速增强标准,可达到6 h快速增强标准。CMA-TRAMS采用3 km分辨率对“利奇马”移动路径和强度变化的预报效果优于9 km分辨率,但未改进快速增强预报效果;采用3 km嵌套9 km的方案,模式对台风快速增强的预报效果明显提升。采用MRF边界层参数化方案对台风路径、强度、快速增强的预报效果总体优于YSU方案。海温参数化结合32层垂直分辨率的初始场和边界条件的方案明显提高了快速增强预报效果,预报快速增强的频次、增强的最大速度更接近实况。分析表明,海温参数化方案使海气温差增大,在短时间内对大气、海洋之间的热量输送和交换有明显影响,海洋向大气输送的感热通量和台风内核区的潜热通量加强使内核更暖湿、气压负倾向增大,是预报效果改进的主要原因。

相似台风“纳沙”和“海鸥”在雷州半岛产生的降雨差异及其可能机制研究

利用常规气象站点观测资料、区域自动气象站观测数据、雷达数据和ERA5再分析资料,对两个相似路径台风“纳沙”(1117)和“海鸥”(1415)在广东雷州半岛(LP)产生的降雨特征差异及可能机制进行研究。结果表明:“纳沙”过程降雨量和最大降雨量分别是“海鸥”的1.5倍和2.4倍,其中“纳沙”过程降雨量分台风环流降雨和台风槽降雨两个阶段,而“海鸥”仅有台风环流降雨。这主要因为“纳沙”登陆后,南亚高压和副热带高压断裂为东、西两部分环流,LP地区高空维持强辐散,低空西南气流和东南气流汇合为偏南风急流,同时锋区引导冷空气从850 hPa以下入侵到“纳沙”台风槽内,斜压效应加剧对流发生,并且在其台风环流影响减弱后,LP地区低层辐合再次加强,进而形成降雨产生的有利条件,促使台风槽降雨增强。而“海鸥”台风登陆后,受南亚高压和副热带高压主体加强南压影响,且在台风环流减弱后,LP地区低层迅速由辐合转为辐散,下沉气流抑制对流发展,从而导致台风槽降雨难以形成。此外,还发现LP地形对台风降雨中心落区有一定影响,降雨中心易出现在LP三个高峰南侧迎风坡。结果对于影响LP的台风降雨预报与诊断具有一定参考意义。

台风期间盐沼消波效应的观测研究——以珠江口芒洲湿地为例

滨海盐沼可以减少风暴潮和台风浪的冲击,从而增强海岸抵御台风等自然灾害的能力,减少经济损失,在保护海岸和防灾减灾等方面起到重要作用。本研究利用2020年6月台风“鹦鹉”活动期间珠江口芒洲湿地的现场实测波浪数据来分析其消浪功能,以定量研究盐沼植被的消波效应。结果表明,台风“鹦鹉”期间,芒洲湿地测得风暴潮最大增水达0.43 m,漫滩时间大于6 h;实测波浪通过宽度100 m和230 m盐沼植被带的波高衰减率分别为90.5%和97.2%,植被减灾能力为优;根据波高衰减率经验公式的估算结果,波浪经过植被宽度100 m和200 m的波高衰减率分别为94.0%和97.0%,与实测结果基本一致。由于台风“鹦鹉”影响时间短、强度弱,现场测得水位均在1 m以下,而盐沼植被的平均株高约为2 m,植被冠顶未被淹没,因此可将植被看作透空式堤防,其茎叶的摩擦阻尼作用导致波能衰减;并且现场测得有效波高均在0.10 m以下,同时也未发生植被大量倒伏甚至茎秆断裂的情形,因此盐沼植被充分发挥了消波作用。综上,虽然芒洲盐沼面积仅为3.39 km 2,但是其消波效果仍然非常显著。

福州市2305“杜苏芮”台风灾害链致灾与成害过程分析

台风灾害是威胁东南沿海人民群众生命安全和社会经济发展的主要自然灾害之一。该文以福州市2305号“杜苏芮”台风为例,基于气象与灾情数据,分析了“杜苏芮”灾害链的致灾与成害过程。结果表明:①福州市主城区人口聚集经济密度高,承灾体暴露度大,是本次台风灾情最严重的区域;②受台风外围螺旋雨带的持续影响,福州市主城区出现超历史记录短时强降水。短时强降水是此次台风灾害的致灾主因,引发了严重的内涝和山洪等次生灾害;③地形是决定台风灾害链类型的主导因素之一。主城区受周围山地地形影响,形成台风-暴雨-内涝灾害链;福州市周边山区(闽侯、闽清、永泰等区县)地质稳定性差,小丘陵众多,易形成台风-暴雨-山洪/滑坡灾害链;台风登陆前,大风最先影响海岸带,形成台风-大风-风暴潮/海浪灾害链。

近海台风活动与陕西秋淋天气先兆性特征分析及试报

通过对1970年以来陕西偏强秋淋天气与我国东南沿海台风活动特征分析发现,两者之间有较好的相关性,且存在一定的先兆性,发现移过西太平洋125°E以西的目标台风活动对陕西秋淋天气的影响作用明显。结果表明:在陕西秋淋偏强的年份,台风活动为陕西秋淋天气提供了有利的气候背景,同期台风路径以西行或西北行路径为主,而台风登陆位置影响着陕西秋淋天气主要出现的地区。利用近海台风的先兆性特征,陕西秋淋的年代变化特征和不同周期等特征,对2017—2022年陕西秋淋降水进行预测、预判的试报,结果较为理想,该方法可为陕西预判秋淋偏强年份的预报提供一种客观的气候预测方法和依据。

高、低空急流耦合对山东“利奇马”台风暴雨增幅影响的诊断研究

受登陆北上台风“利奇马”等影响,2019年8月9~12日山东省出现连续暴雨,其中10日夜间出现降雨峰值。利用中国气象局上海台风研究所(Shanghai Typhoon Institute of China Meteorological Administration,简称CMA-STI)热带气旋最佳路径数据、山东省自动气象站逐时降雨量、常规观测资料、中国风云二号地球静止气象卫星(FY-2G)0.1°×0.1°逐小时云顶相当黑体亮温和美国环境预报中心(National Center of Environmental Prediction,简称NCEP)1°×1°逐6 h再分析等资料,主要运用纬向风局地变化方程与大气动能方程,诊断分析降雨明显增幅与高、低层风场变化的关系。结果表明:(1)暴雨主要影响系统有高低空急流、500 hPa西风槽、850 hPa台风倒槽及“利奇马”本体环流等。10日200 hPa中纬度大尺度西南风急流东南移影响鲁西北,当天08:00(北京时,下同)850 hPa因双台风活动而形成的大尺度东南风急流突然北伸越过山东省。台风倒槽对流云与本体环流对流云先、后北移经鲁中,累积效应造成该地区10日夜间雨量最大。(2)10日20:00850 hPa章丘站东北侧出现了过程最快东风增幅,纬向运动方程诊断结果表明,东风平流是东风增加最主要原因,地转偏向力项则不利于东风增加。(3)10日20:00章丘站200 hPa西南风风力明显加大形成急流,10日08:00至11日08:00青岛站850 hPa维持东南风低空急流。同时位于高空急流右后侧与低空急流左前方是鲁中附近10日夜间降雨增幅的重要原因。章丘200 hPa与青岛850 hPa都是在最大风力之前12 h动能增加最快。动能方程诊断表明,最有利于鲁西北高空急流形成的是位能平流项,最有利于鲁东南低空急流形成的是动能垂直通量散度项。(4)10日20:00至13日08:00“利奇马”本体环流一直在影响山东,暴雨期间山东中部地形的动力作用也一直存在,而降雨的峰值是出现在10日夜间,说明10日20:00前后高、低空急流的耦合可能是山东暴雨增幅的主要影响因子。其主要作用至少有加强山东中部的垂直运动、整层水汽输送与静力不稳定度等方面。

广东省台风巨灾指数保险的研发与应用

文章结合广东省巨灾保险的具体实践,详细介绍了台风巨灾指数保险的研发流程、数据和关键方法,回顾了2016—2023年期间广东省台风巨灾指数保险的应用情况,系统分析了现有保险方案的优势和特点,以及存在的问题和不足,并探讨了未来可能的改进方向。主要结论为:1)基于圆形巨灾框、采用台风强度等级作为赔付结构分层标准的台风巨灾指数保险具有方法简单、易于回算、数据易获取、结果客观透明等优点;2)台风巨灾指数保险具有理赔速度快、运营成本低、可有效规避道德风险等优势;3)现有台风巨灾指数保险方案在特定情形下基差风险较为明显,对气候变化背景下台风灾害事件的极端性以及单次台风事件影响多个地市等复杂情形考虑存在不足;4)未来可从更加深入全面分析台风灾害事件规律和特征、增加更多的物理参数、获取更为准确的台风强度等级概率分布等方向加以改进。