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。

1822号台风“山竹”引起的南海北部热异常

1822号台风“山竹”是2018年登陆华南沿海的最强台风,给华南地区带来了强风暴雨等严重灾害。本文采用了欧洲中期天气预报中心海表温度(Sea Surface Temperature,SST)日值产品和中国风云系列卫星的热红外亮温数据,对数据进行均值残差处理、小波分析和相对功率谱(Relative Power Spectrum,RPS)估计,得到台风发展过程的SST变化以及亮温RPS信息。对SST和亮温RSP的综合分析结果表明:台风生成前和活动期间在南海北部引起了SST增温异常和过境后的冷迹,也出现了21 d和16 d特征周期的热辐射异常;异常过程反映了台风与海洋的热交换过程,即热交换开始于台风生成之前,促使台风向南海北部移动,台风过境后大幅度降温;台风产生的热异常集中在南海北部,但主要分布在台风路径南侧的海面范围,这可能与台风过程中的海-陆、海-气热交换密切相关。

超强台风“山竹”风浪过程数值模拟研究

[目的]探究台风浪传播过程,提升风暴潮防御能力。[方法]提出了基于中心节点优化算法的叠加风场优化方法和基于非结构网格的浪潮耦合模型,以华南1822号超强台风“山竹”为例,模拟其台风场及波浪场。[结果]将模拟值与珠江河口浮标实测值进行对比,发现风速、风向、有效波高等关键参数的误差总体较小。这表明该模型可以准确模拟台风过程中台风浪的传播过程,同时计算发现台风“山竹”过菲律宾后有效波高增大,至16日凌晨达到较大值(约14.0 m),之后传播至珠江河口及外部海域,受台风强度减弱、岛群遮蔽和水深减小的影响有效波高降低。[结论]本研究提出的中心节点优化算法可有效降低叠加风场过渡区风场误差,相较于单纯风浪模型,浪潮耦合模型波浪模拟精度提高了约15%。超强台风“山竹”右半圆波高明显大于左半圆波高,符合台风“危险半圆”规律,故位于“山竹”右半圆的香港地区的波高(约4.5 m)大于与台风路径更近的澳门地区的波高(约3.6 m)、珠海及台山一带的波高(约2.3 m)。本研究相关成果可为华南沿海风暴潮研究提供参考。

超强台风“山竹”(1822)的闪电活动特征

为了进一步认识热带气旋(TC)全生命期中闪电的活动特征,本文利用全球闪电定位网(WWLLN)资料、中央气象台的TC路径数据、风云四号A星(FY-4A)的相当黑体温度(TBB)数据和ERA5再分析资料,研究了2018年登陆中国的最强台风“山竹”从生成到消亡全生命期中闪电活动的时空分布和随强度的变化特征,探讨了闪电活动与风圈半径及下垫面的关系。结果表明:(1)“山竹”中的闪电活动有明显的三圈结构,内核闪电密度最大,内雨带几乎没有闪电,外雨带闪电数量最多。内核闪电与外雨带闪电的主要发生时间不同,外雨带在远海也能产生大量闪电。(2)闪电活动的方位分布与TC强度、所处地理位置及环境密切相关,不同时期闪电方位分布不同。(3)闪电活动与风圈半径没有明确的关系,闪电活动多发于风圈半径较小的东南和西南方位。(4)TC快速增强期间及前后,内核闪电活动对TC强度增强具有一定的指示作用。此外,内核闪电活动与对流强度呈现较好的相关性。(5)岛屿和陆地的存在对于强对流的发展有着极重要的作用。气流遇到较高地形被迫抬升,形成闪电。TC西南方位距岛屿东南侧约300 km的海面,水汽、热量充足且人为气溶胶较多,有利于上升气流的发展,进而产生闪电。这些认识有助于闪电资料在TC中小尺度强对流监测和预警中的应用。

基于区域灾害系统论的广东省台风灾害风险评估——以“山竹”台风为例

本研究的主要目的是构建一种适用于广东省的台风灾害风险评估模型,从而能有针对性地对广东省发生台风灾害后的抗灾救灾、应急决策提供参考意见.本文在区域灾害系统论的指导下,综合了致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体脆弱性3方面,构建了一套新的评估指标体系,并以加权综合法、层次分析法、自然间断点分级法构建了广东省台风灾害风险评估模型.最后以2018年第22号超强台风“山竹”为例,对广东省进行了台风灾害风险评估,并形成了1 km×1 km的综合风险区划图和评估分析结果.结果表明:1)该模型评估出的广东省“山竹”台风灾害中高风险地区与灾情报告相符合,具有较高的可靠性;2)广东省“山竹”台风灾害致灾因子危险性呈现出中东部沿海和中西部地区高,并逐渐向周围递减的分布;3)广东省台风灾害高孕灾环境敏感性地区主要集中在珠江三角洲地区以及粤东潮汕地区,这些地区地势平坦、河网密集、植被覆盖度低;4)广东省台风灾害高承灾体脆弱性地区主要集中在珠江三角洲地区、粤东潮汕地区、粤西茂湛地区,这些地区人口稠密、经济发达、耕地众多、城市化程度高;5)广东省“山竹”台风灾害综合风险呈现出中东部沿海和中西部地区高,并逐渐向周围递减的分布,其中高风险区主要包括阳江市、江门市、珠海市、深圳市、惠州市、汕尾市等.

基于海气耦合模式的超强台风“山竹”数值模拟

基于中尺度大气模式WRF和区域海洋模式ROMS,构建WRF-ROMS海气双向耦合模式,针对2018年超强台风“山竹”进行模拟。利用观测数据对台风路径和强度进行验证,结果表明海气耦合模式对台风“山竹”的模拟相对单一模式有更高的精度,耦合模式得到的台风路径与最佳路径吻合良好,误差控制在60 km以内;获取的风速和海平面气压结果也较单一模式更为准确。基于海气耦合模拟结果,进一步分析台风作用下风场、气压场、海表流场和风暴增水的时空分布特征,结果表明:1)空间分布方面,台风进入南海后,七级风圈半径在台风沿路径右后方较大;气旋式流场与台风风场呈现出显著的埃克曼效应,流向与风向呈45°;风场、气压场、风生流场和增水分布均存在明显的不对称性,台风路径右侧的台风强度、流速和增水均大于左侧。2)时间分布方面,风场与气压场分布特征相似且与台风中心保持同步,流场和近岸风暴增水相对台风路径存在3 h左右的滞后。

不同类型台风气象场对深圳近海海域风暴潮模拟的比较研究——以台风“山竹”为例

台风引起的风暴增水严重影响沿海地区的生产生活,是造成经济损失最严重的海洋灾害之一。深圳市位于中国南海北部沿岸,是易受风暴潮灾害影响的区域,对深圳近海海域风暴潮开展研究不仅能够提升对风暴潮物理机制的认识,同时对沿海城市有效防灾减灾预警有重要意义。在风暴潮模拟研究过程中,台风气象场是风暴潮模拟准确与否的关键因素。本文针对深圳近海区域海洋环境,以海流模型FVCOM(finite volume community ocean model)和海浪模型SWAN(simulation wave nearshore)为基础,建立了区域风暴潮–波浪耦合模型,分别用再分析气象数据(European center for medium weather forecasting,ECMWF)、理想台风模型(Holland)及大气模型台风模拟结果(weather research and forecast,WRF)作为驱动场条件,对台风“山竹”期间的风暴潮过程进行模拟。结果表明:分辨率较低的ECMWF再分析气象数据难以准确体现台风水平结构,从而导致模拟误差;Holland气象场在整体上能够对台风“山竹”进行准确模拟,但无法再现台风在近岸区域的结构形变,从而导致在蛇口及附近(深圳湾,珠江口内侧)区域的风暴潮模拟水位偏高;WRF对风速、气压、水位、波浪都有较好的模拟效果,且WRF很好的改善了Holland在靠近台风登陆点的区域风暴潮水位偏高的问题,对珠江口、深圳湾区域定量改进约20%~30%。在未来的风暴潮预报中,如果采用类似于Holland这样的理想台风场,需注意上述区域的模拟结果。此外,Holland理想台风场和WRF模型结果驱动下的波浪场模拟效果都较好。

一种基于分析增量更新技术的台风初始化方案

台风初始化方案最大的困难在于其只能根据有限的观测资料(台风中心位置、最低气压、最大风速和大风半径等)来构造一个与模式动力-物理过程协调的涡旋模型。首先根据实际观测资料对背景场中的涡旋扰动进行重定位和风速调整,然后将分析增量更新(Incremental Analysis Update,IAU)技术应用于台风初始化方案中,将调整后的涡旋当作一个强迫项逐渐加入到模式预报过程中,通过模式自身调整来得到一个协调性较好的台风初始结构,从而改善模式对台风的预报性能。对"山竹"台风的多次预报结果表明:(1)台风初始化对于台风路径误差影响较小,对于强度预报改进则比较明显。特别是在台风生成初期,台风初始化技术能够有效地增强全球模式分析场中的涡旋强度,并解决预报过程中强度较弱的问题。(2)根据预先给定的三维风场,IAU技术能通过模式自身预报过程对其他变量进行调整,从而得到一个热力和动力协调的初始涡旋结构。相对于仅对初始风场的调整,它对24 h之后的路径和强度预报误差会有更进一步的改善。(3)对IAU中的松弛时间进行参数敏感性试验,发现该变量取3-6 h效果较好。

自然灾害中政府和媒体的议程互动关系——以台风“山竹”为例

在自然灾害应对中,政府利用媒体力量将事件信息传递给公众,研究媒体上事件信息的议题讨论与政府建构的事件议题是否一致有助于了解政府危机沟通效果。以2018年台风“山竹”为例,基于网络议程设置理论分析自然灾害中政府和媒体的议程网络及其互动关系。研究发现,政府和媒体的议程网络存在显著的正相关性,且呈现出“合”与“离”的两种交互状态。宏观层面看,政策议程和媒体议程均聚焦于政府行为、事件陈述、实用信息属性上;微观层面看,政策议程建构逻辑偏感性色彩,议程网络结构呈现议题集中化和核心化特征;而媒体议程建构逻辑偏理性口吻,议程网络结构呈现议题均匀分布特征。据此得出:政府要主动建构议题,掌握危机沟通话语权;积极发挥新媒体特性,提高政策议程传播效能;合理组合议题要素,通过输出逻辑引导社会舆论。

海南高校应对台风“山竹”举措——以海南经贸职业技术学院为例

海南高校在应对台风的举措中包括过境前的准备和预防、登陆时的天气和应对、过境后的恢复及整理。海南经贸职业技术学院在台风“山竹”中能迅速反应、上下联动,一切以学生为本,确保师生人身安全及财产安全,积极做好防台风措施。

珠江河口风暴潮对径流的敏感性研究:以台风“山竹”为例

径流-风暴潮相互作用可增大河口区风暴潮增水,增加风暴潮灾害风险。基于SCHISM模式建立了珠江河口风暴潮数值模型,以台风“山竹”为例,采用实测资料对模型计算结果进行验证,最高潮位相对误差在9%以内。设计了台风“山竹”实测径流与5年一遇洪水的对比试验,讨论了径流变化对河口风暴潮增水的影响,结果表明:河口口门站位风暴潮增水随径流量的增大而增大。径流增加对泗盛围、南沙等站位的风暴潮影响较大,在风暴潮增水达到最大值时影响最为显著。以径流动力作用为主的区域,当上游径流量增大时,对风暴潮增水起到负影响作用:如磨刀门水道,随着径流的增加,沿河道上溯的风暴潮增水逐渐减小,由灯笼山站3.22 m减小至马口站1.12 m。以潮汐动力作用为主的区域,当上游径流量增大时,对风暴潮增水起到正影响作用:如珠江干流,随着径流的增加,沿河道上溯的风暴潮增水逐渐增大,大虎站的最大增水值为3.44 m,中大站为4.24m,从口门至后航道区域增大了0.8 m。

典型厄尔尼诺期间台风降水δ18O变化分析:以2018年22号台风“山竹”为例

台风因其特殊的物理结构,带来的降雨有别于一般的暴雨事件,其降水稳定同位素组成与一般的大气降水事件也有较大的差异。本文根据2018年第22号台风"山竹"登陆前后广州、东莞两地气象资料和每小时间隔的降水样品收集,分析了此次台风在两地的降水稳定同位素变化特征及其影响因素。台风"山竹"影响期间,广州降水δ18O值变化范围为–5.7‰~–19.2‰,变化幅度达13.5‰,其平均值为–15.5‰;东莞降水δ18O值变化范围为–7.3‰~–20.0‰,变化幅度达12.7‰,平均值为–14.8‰;两地降水δ18O值均呈现为3个阶段倒U型的变化特征。受到蒸发作用的影响,两地台风前端和尾端的降水氧同位素值相对偏正,其中广州为–5.7‰~–9.3‰,东莞为–7.3‰~–8.1‰。两地台风中端的降水稳定同位素值极端偏负,δ18O值变化范围分别为–16.0‰~–19.2‰(广州)和–13.0‰~–20.0‰(东莞),是该地区迄今为止已报道的最为偏负的降水δ18O值。分析认为,在厄尔尼诺状态下生成的远源台风"山竹"强度增强,其内部具有更强的对流和水汽循环过程,导致降水δ18O值极端偏负。

台风“山竹”期间深圳近地面水平风的垂直特征

基于深圳356 m气象梯度塔风速观测资料,采用统计分析的方法,以台风"山竹"为例分析了台风过程中深圳近地面水平风阵风因子、风廓线指数和湍流强度的垂直变化特征。结果表明:台风"山竹"影响期间,受城市下垫面影响近地面风湍流强度大于高层,阵风因子和湍流强度随高度变化符合指数规律,风速大于6级后逐渐趋于稳定;风廓线指数随高度增加、风速增大逐渐减小。此外,利用全部样本计算得到风廓线指数平均值约为0.23,符合《建筑结构荷载规范》的推荐范围,但利用该值推算近地面不同高度的风速值略大于实测值。

WRF大气模式与台风经验模型在超强台风“山竹”过程重构中的比较分析

通过中尺度气象研究与预报模式WRF(weather research and forecasting)和两种台风经验模型重构了2018年影响我国珠江口地区的超强台风“山竹”过程中的气压和风矢量场,在台风最佳路径数据的基础上开展了方法间的比较,并与香港、澳门和深圳三个国际机场的实测数据进行了对比分析,验证了三种模拟方案模拟台风“山竹”的可靠性。利用非结构网格半隐式跨尺度海洋模式SCHISM(semi⁃implicit cross⁃scale hydroscience integrated system model),将三种模拟气压和风场作为驱动场输入风暴潮模式中进行增水模拟试验,比较了它们在赤湾、三灶、横门和黄埔四个测站风暴潮增水中各自的效果,并进一步验证了WRF模式和两种经验模型模拟台风“山竹”的有效性。综合来看,WRF大气模式对气压、风速、风向及风暴增水模拟效果最佳,如果进一步优化该模式的各种参数化方案,可能还能提高其精度。如果不具备使用WRF大气模式的条件,台风经验1模型也是一个完全可以接受的、简单快捷的方案。

台风“山竹”期间GPM卫星降水产品的误差评估

利用CMORPHGC数据作为基准数据,采用7种统计指数对比分析了V6B IMERG多种产品基于台风“山竹”期间在中国大陆、华南和华东雨区的降水情况。结果表明:(1)IMERG对华南台风强降雨有一定的辨识能力而对华东地区强降雨的估测能力较差;(2)IMERG_FRCal在4个产品中表现最好且能很好反映台风降雨评估,在准实时产品中,IMERG_ERUnCal的空间降水估测能力较优,而IMERG_LRUnCal的时序分布特征及估测华东由台风带来的降雨量表现较好;(3)IMERG降水探测主要集中在降水率小于5mm·h^-1时,而在降水率大于30mm·h^-1时,中国大陆和华东雨区中仅有IMERG_ERUnCal和IMERG_FRCal评估能力较强而华南雨区的各IMERG产品均表现不足的探测能力。V6B IMERG在台风期间的降水误差中仍然存在有限的估测能力。

“山竹”台风影响地区的小时降雨动态变化及危险性动态评估

台风暴雨对台风登陆地区有着很大的影响。为探究台风暴雨事件的具体变化过程,以2018年的超强台风'山竹'为例,分析了该台风登陆我国东南沿海地区前后73 h的逐小时降雨变化过程,并评估了暴雨灾害危险性和其动态变化。主要内容和结论包括:①计算该事件的总降雨量与最大小时降雨强度探究事件的整体特征,总降雨量达到389 mm,最大小时降雨强度达到74 mm,且均发生在广东省境内;②计算小时降雨面积分析此次事件的动态变化过程,同时探究台风登陆前、中、后的平均小时降雨面积比例的变化,发现降雨强度在台风登陆前与中最大,随着台风消退而减小,降雨范围随着台风路径移动并逐渐扩大,在台风消退后逐渐缩小;③评估此次事件的暴雨灾害危险性,高危险区出现在广东与海南部分地区,分析台风登陆前后的危险性变化发现台风登陆后12 h内是暴雨灾害危险性最高的时期。分析此次事件的降雨变化过程及评估其暴雨灾害危险性主要目的是为台风暴雨灾害预测研究提供案例与研究经验。

1822号“山竹”台风龙卷过程观测与预警分析

2018年9月17日09:37—10:00,在登陆台风“山竹”外围螺旋雨带中,广东省佛山市三水区到肇庆市四会区发生了EF2级强龙卷,龙卷路径长度18km,持续时间23min,平均时速47km/h,导致不少建筑物损毁。本次过程佛山市进行了龙卷预警试验,提前37min发布了龙卷预警,龙卷没有造成人员伤亡。利用观测资料对产生强龙卷的环境场特征、地面自动站和雷达观测的中小尺度特征以及龙卷预警试验进行了分析,结果表明:产生龙卷的微型超级单体出现在台风外围和副高边缘之间的强东南急流中,具有低层辐合、高层辐散、水汽充足等典型台风外围龙卷环流形势特征;强的低空0~1km垂直风切变、大的风暴相对螺旋度和低的抬升凝结高度等环境条件利于龙卷的生成;龙卷影响时,邻近地面自动气象站观测要素表现出明显的信号,瞬时大风和最低气压的极值区呈东南至西北向带状分布,与龙卷路径一致,龙卷过境前后,单站气压“漏斗”明显,5min降压/升压幅度达-2.5hPa/+2.1hPa;广州多普勒天气雷达探测到龙卷母体风暴的低层钩状回波和入流缺口特征,以及低层强中气旋和类TVS特征。预警试验初步表明,对台风龙卷高发区,在环境场有利情况下,若低层出现中等或以上强度中气旋,其底高在1km以下,可以考虑发布龙卷预警。

1822号台风“山竹”演变特征分析

为了解2018年第22号台风“山竹”的环流等特征,利用H本气象厅热带气旋最佳路径数据集、中国气象局提供的测站降水资料和欧洲气象中心环流海温数据,对其路径、强度变化、海温背景、环流特征、水汽输送特征以及动热力物理量场进行分析。结果表明:“山竹”生成后先西行,后转为西北行并依次登陆菲律宾广东台山市海晏镇;台风发展演变过程中,中心气压和中心最大风速变化呈负相关。“山竹”移动路径主要受西太平洋副热带高压(简称副高)南侧偏东气流影响;台风发展至强盛过程中,环境风垂直切变跳跃式变低,最低值可达1.51762m/s,有利于维持“山竹”的暖心结构,促使其强度一直维持较高数值;下垫面较高海温的维持也为“山竹”的强盛发展提供了有力支撑。“山竹”在海晏镇登陆前后形成强降水过程,其水汽主要来自孟加拉湾和南海;同时台风中心附近有很强的辐合上升运动,广东地区上空的上升区与广西西部和台湾南部海域上空的下沉区构成垂直环流圈,充足的水汽供应和强烈的辐合抬升运动,致使台风登陆前后暴雨持续发生。

1822号台风“山竹”引起浙江东北部大暴雨成因分析

利用自动站资料、卫星云图以及NCEP再分析资料等,分析了1822号台风“山竹”登陆广东期间浙江东北部出现大暴雨的成因。结果表明:强降水发生在台风“山竹”登陆广东后减弱过程期间,伴有中尺度对流系统的发展,是由副热带高压、台风倒槽以及弱冷空气先后影响共同造成的;当对流不稳定时,与暖湿气流相关的湿位涡水平分量发展可触发垂直涡度的增长,使暴雨过程加强;强降水常发生在能量锋区附近,能量场的位置和梯度大小对此次强降水预报有12 h左右的提前量;来自台风东侧低层强的水汽输入和水汽辐合提供了本次强降水的水汽条件,水汽通量分布和水汽通量散度的增减相比雨量的增减有6 h左右的提前。

基于现场调查的台风“天鸽”(1713)和台风“山竹”(1822)风暴潮灾害影响和致灾对比分析

基于现场调查,科学识别1713号台风“天鸽”和1822号台风“山竹”两次风暴潮灾害对珠海造成的海水淹没和承灾体受损情况,并对致灾差异和受影响情况进行对比分析。结果表明:两次台风的路径、登陆点和强度高度相似,因此珠海市出现大面积海水淹没和灾害损失的区域也高度相似,但由于台风“天鸽”路径更偏北、登陆时间恰逢珠江口天文大潮期以及台风结构更紧实、冲击力更强等原因,导致台风“天鸽”风暴潮灾害造成的海水淹没区域范围和深度大于台风“山竹”。此外,由于群众防灾减灾意识进一步加强,海岸工程设施进一步加固等原因,也使台风“山竹”风暴潮灾害损失远小于台风“天鸽”。