基于数值模拟的台风危险性分析综述(Ⅰ)——台风风场模型

台风风场是基于数值模拟的台风危险性分析的重要组成部分。基于现有文献资料,以台风风场内空气微团的运动平衡方程为出发点,对现有的基于平衡运动方程的参数化风场模型进行了评述,并建议选用CE风场;回顾了对风场预测结果有重要影响的两个输入参数的信息获得途径,重点就国内台风区城市应该如何处理这两个参数提出了建议;然后从台风边界层的物理意义出发,评述了现有的边界层模型,建议采用Thompson和Cardone所提的具有物理意义的边界层模型;最后对今后工程风场的发展方向提出了一些看法。尽管从气象学角度来看,三维风场是精度很高的模型,但是其工程实用性还有待考证;在满足工程精度的前提下,简单易行的模型是目前进行台风危险性分析的风场数值模拟的较好选择。

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.

基于强风圈半径的台风风场模型

首先用Jelesnianski台风风场模型及美国联合台风警报中心(JTWC)整编的台风资料,计算10级和7级风圈半径,并与气象部门的发布值相比,发现两者存在较大误差.进而,在Jelesnianski台风风场模型的基础上,提出一种基于最大风速半径、10级和7级风圈半径的台风风场模型,并比较两种台风风场模型的风速剖面.结果表明:该模型比包括被广泛应用的Jelesnianski台风风场模型在内的前人提出的台风风场模型都更接近台风风场实况,其中10级和7级风圈半径与气象部门的发布值是一致的.

应用台风风场经验模型的台风极值风速预测

为准确、高效地进行台风多发地区建筑结构设计风速的预测,利用中国东南沿海1949—2012年的台风历史数据进行了香港地区台风关键参数概率分布的研究,提出了基于新的Holland径向气压分布参数B表达式的台风风场经验模型.在此基础上结合Monte Carlo数值模拟技术,利用台风极值风速分析方法完成了不同重现期下香港地区台风极值风速的预测,并与观测数据、香港风荷载规范计算结果进行对比分析,验证了利用此台风风场经验模型进行台风极值风速预测的有效性.

台风风场研究及其数值模拟

对近年来台风风场研究及其数值模拟方法作了论述.阐述了浮标和地面台站观测、飞机侦察、雷达卫星高空观测等台风观测手段;阐明了简易参数分析模型、定常动力学模型、非定常动力学模型、运动学模型等台风风场模型;分析了既有风场模型对我国东南、华南沿海海域台风风场模拟的适用性,又论述了基于台风内各站点、基于台风影响区域、台风全路径等极值风速预测研究手段.最后,展望了台风风场数值模拟的发展趋势和需解决的问题.

基于HY-2A微波散射计海面风场资料的台风风剖面信息提取研究

台风风剖面信息是直观反映与台风中心不同距离的各点与平均风速关系的曲线,它是确定各级台风风圈范围的重要基础。本文利用HY-2A微波散射计海面风场资料,结合Holland风场模型提出了一种新的台风风剖面信息提取方法,并选取2012–2017年期间16期典型台风进行应用。结果表明:34 kt与50 kt风圈半径的平均均方根误差为37.6 km与18.3 km,该方法具有较好的适用性和精度。本研究对于描述台风结构特征及潜在的破坏力和台风可能的影响范围具有一定的现实意义。

拖曳系数参数化方案对工程台风模拟风场的影响研究

基于台风边界层的最新观测和研究成果,提出了最大风速半径、边界层风速比、拖曳系数等关键参数的经验方案,并依据垂直平均水平运动方程,建立适用于西北太平洋的工程台风风场模型,最高分辨率为2 km。通过理想试验,验证了所建模型的合理性,并重点关注模拟风场对拖曳系数参数化方案的敏感性。结果表明,不同拖曳系数参数化方案(增长型、饱和型、下降型)对强台风内核区的风场模拟有显著影响,但对最大风速的模拟影响不大。为验证所建模型对实际西北太平洋台风的适用性,选取台风"海葵"(1211)进行个例试验,得到最大风速的平均误差为-0.36 m/s,均方根误差为2.22 m/s。进一步选取我国沿海6个受"海葵"影响的测站,进行模拟风向、风速与观测的对比分析,发现所建台风风场模型能很好地模拟出台风影响过程中的风向转变,但各测站的风速均方根误差在1.61~6.92 m/s之间。较大的风速误差主要出现在位于台风中心附近的测站,意味着我国沿海复杂地形对台风的衰减作用在模型中考虑不足,是未来的改进方向。

中国近海海域台风浪模拟试验

以经验台风公式和NCEP再分析风场资料为基础,通过一个权重系数构造了西北太平洋海域台风风场,并以此作为一个第三代海浪模式WAVEWATCHⅢ的输入风场,模拟了2005年的麦沙(Matsa)台风浪场。由于风场的改善,模拟结果显著地提高了海浪模式的后报精度。

15°-35°N、105°-130°E海域台风极值风速分析

采用非对称台风风场模型，对1961～2007年进入（15°～35°N，105°～130°E）的每个热带气旋（TC）风场进行计算，得到0．5°×0．5°网格上的TC风速。使用近岸自动气象站实测资料对计算结果进行对比分析，结果表明计算风速与实测风速较吻合，计算风速基本合理。采用Poisson—Gumbel联合概率分布模型，计算每个网格TC影响下不同重现期10m高度的极值风速；使用海上、小岛共10座测风塔14个台风影响过程的大风观测数据计算得到10—90m切变系数为0．0791，使用该关系式将各网格点TC影响下不同重现期10m高度的极值风速推算到90m高度，可作为中国近海风资源开发和其他海洋工程开发及安全运行的科学依据。

基隆港台风浪特征分布数值模拟分析

基于修正的Holland台风模型风场,在同化QuikScat/NCEP混合风场基础上,结合高分辨率水深和高精度岸线资料,采用第三代近岸海浪模式SWAN,对影响基隆港邻近海域的两类典型台风过程引起的台风浪进行了数值模拟分析。模拟的两次台风过程中,西北型台风0715号和转向型台风0424号的有效波高与同一时段T/P卫星高度计资料波高的平均相对误差分别为6.5%和5.6%,相关系数分别达到0.972和0.902,台风浪个例模拟精度较高,可为基隆港及其邻近海域台风浪模拟与预报提供一种有效的方法。

一种基于联合风场的海洋工程环境设计波要素方法

介绍一种基于联合风场的海洋工程环境设计波要素计算方法,该方法可以解决海洋工程区域缺少风速和波浪实测的问题。该方法提出使用NCEP/NCAR再分析风场与Jelesnianski台风模型风场结合的联合风场,避免了再分析风场对台风期间风速的低估和细节刻画不准确问题。该方法采用SWAN海浪模式,成功计算了福建东洛岛一深海养殖平台的设计波要素,得到了该养殖平台50年一遇的最大波高为7.14m,并提出该平台最危险的位置是其西南角。

台风区建筑结构风荷载数值模拟分析

超高层建筑和大跨结构对风荷载非常敏感,通常在结构设计中会成为主控荷载。我国沿海地区的年最大风速是由台风引起,基本风速是结构抗风设计的最主要设计参量,它的推断依赖于长期的准确近地风观测资料。过去台风观测资料较少,现采用Monte-Carlo模拟台风,可以弥补这一缺陷。文章应用Yan Meng风场模型并结合台风危险性分析方法,推算得到沿海重点城市上海地区在重现期为50 a1、00 a和200 a的最大极值风速。

使用多普勒速度进行台风拟合定位的试验

通过合理的假设,构建一个由8个参数控制的简单台风风场模型。通过计算得到或直接给定参数初值,并以初值为中心双向变化一个步长,8个控制参数的变化组合,形成数千个拟合风场方案。再将这些拟合风场投影到雷达径向上,并在距台风中心的一定范围内与实际多普勒风场进行比较,寻找均方差最小的拟合方案。再将该方案中的参数作为下一次的搜索迭代的中心值,如此反复多次,直至参数中心值不再变化,从而最终确定台风中心坐标。该方法具有较高的"抗干扰性",定位成功率高,定位精度高。

基于Monte Carlo模拟的台风极值风速估算方法

本文对基于Monte Carlo模拟方法及Batts台风风场模型的台风极值风速预测方法进行了介绍,阐述了该方法的原理、计算流程及在我国台风影响地区的适用性,论述了该方法存在的不确定性以及需进一步解决的问题。

基于台风风场模型的台风浪数值模拟

以CCMP风场资料为背景风场,结合藤田风场模型、Myers风场模型、Jelesnianski风场模型、Holland风场模型,分别构建全新的海面风场。基于非结构三角网格,采用第三代近岸海浪模式SWAN对2011年第5号强热带风暴"米雷"产生的台风浪进行数值模拟。比较SWAN模式模拟的结果和浮标实测数据,发现风场模型能够有效提高台风中心附近3至5倍台风最大风速半径范围内风场和台风浪有效波高的模拟精度。对比4种风场模型对应的台风浪模拟结果,发现Holland风场模型模拟的有效波高与浮标实测值最接近。

东海及其邻近海区热带气旋风灾风险

东海及其邻近海区是受热带气旋影响较为严重的区域,研究该海域的热带气旋风灾风险有助于防灾减灾。选取1980—2019年影响该海域的587个热带气旋资料,利用Holland经验风场模型获得该海域热带气旋风场数据集,参照Simpson风灾指数方法,构建联合风速及其累计时间的风灾指数。结果表明:①东海及其邻近海区大部分海域受热带气旋影响,都会出现最大风速超过30 m/s。②进入20世纪,东海热带气旋风速有增强的趋势,每10 a的平均增速约1.6 m/s。③近岸海域最大风速主要发生在7月中旬至9月中旬。④从宁德至温州近岸海域的风灾等级相对较高,且风灾等级向南北两侧呈递减趋势。

不同参数模型对南黄海典型台风的适用性研究

本文选取南黄海及其邻近海域作为研究区域,对1970—2016年经过此区域的台风进行了统计和分析。研究发现,南黄海区域的台风发生频率较高,但时间集中且路径类型复杂多样,常见路径为登陆转向型和近海北上型。基于上述两种常见路径,本文选择3个典型台风,对比多种台风气压分布模型和台风移行风场模型,进行了台风风场的构造,并将模拟结果与实测风速对比,讨论各模型组合对南黄海典型台风的适用性。误差表明,藤田高桥嵌套气压分布模型和Jelesnianski移行风场模型的组合方案对近海北上型路径的201109号台风梅花和201007号台风圆规的模拟效果最好;Myers气压分布模型和宫崎正卫移行风场模型的组合方案对登陆转向型路径的201509号台风灿鸿的模拟效果最好。

An Elliptical Wind Field Model of Typhoons

An elliptical wind field model of typhoons is put forward based on the characteristics of the typhoon wind fields occurring in the Yellow Sea and Bohai Sea. By contrasting it with the circular typhoon wind field model, it is found that the elliptical model can adequately represent the real wind field and trace the process of a typhoon storm surge. The numerically simulated results of storm surges by using the elliptical model are in good agreement with the observations and markedly better than those by using the circular model.

上海区域气象中心第3代海浪数值预报业务系统

建立了以WavewatchⅢ第3代海浪模式为基础的海浪数值预报业务系统,通过对大气环流模式数值预报风场的误差订正和建立台风模型风场,有效地提高了对海面大风以及灾害性海浪的预报准确率。该业务系统实现从资料采集、资料预处理、资料加工和计算到预报结果输出的全自动化,它提供1天2次168h以内的海面风和浪高、浪向、涌浪波高、波周期的预报,预报员可以通过MICAPS平台和国际互联网调阅预报结果。经过一年半的业务运行,表明该系统运行稳定可靠,能基本满足预报员制作责任海区实时风浪预报的需要。在应用相同海面风场条件下,对有效波高的预报准确率比已有的第2代新型混合型海浪预报模式提高了5%。