2001—2020年中国月尺度热带气旋灾害时空变化特征研究

在全球变暖背景下,西北太平洋和南海热带气旋(TC)移动路径发生了明显变化。中国社会经济迅速发展导致承灾体暴露度增加,中国TC灾害的时空分布呈现新的特征。利用2001—2020年中国省级TC灾害损失资料,对比分析了前后10年中国月尺度TC灾害的时空分布特征。结果表明:中国7—9月的TC灾害损失占全年总损失的84%以上,大部分省(区、市)TC灾害损失峰值出现在8月,但广西峰值出现在7月,海南、内蒙古和黑龙江出现在9月;中国致灾TC(DTC)中有15%未登陆中国,未登陆DTC在海南发生频次最高,在黑龙江造成的损失最重;与2001—2010年相比,2011—2020年中国DTC年频数增加,其中未登陆DTC年频数增加,登陆DTC年频数减少,但8月登陆和未登陆DTC频数均增加;受西北太平洋和南海TC活动路径变化的影响,2011—2020年中国8月DTC灾害损失更突出,未登陆DTC影响增大,DTC影响范围向北扩展,给中国TC灾害预报预警和防台减灾工作带来更严峻的挑战。

利用区域气候模式预估未来登陆中国热带气旋活动

鉴于热带气旋(TC)对我国沿海地区的影响,研究全球变暖背景下未来登陆我国TC活动的变化,对于我国沿海地区的防灾减灾具有重要意义。基于CMIP5中全球气候模式HadGEM2-ES数据,文中利用区域气候模式RegCM4开展了历史时期和3种情景(RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5)下未来东亚区域气候的动力降尺度模拟,检验了模式对历史登陆我国TC活动及其相关大尺度环境场的模拟能力,并预估了3种情景下2030—2039年、2050—2059年和2089—2098年,登陆我国TC的路径、强度和频率的变化特征。结果表明:模式能合理地再现东亚区域历史时期(1986—2005年)大气环流场的空间结构以及登陆我国TC的特征;在3种情景下未来登陆我国TC的平均强度和数量均有不同程度的增加,尤其是台风及以上级别TC的总数明显增加,其中RCP8.5情景最突出,到21世纪末期(2089—2098年)登陆我国TC的平均强度、台风及以上级别TC总数的年平均值较历史时期将分别增加7.56%和1.05个;不同情景下未来登陆我国TC的路径均有不同程度的北移趋势,且全球升温的幅度越大,北移趋势越明显,这可能与未来中国近海显著变暖和垂直风切变减弱有关。未来我国沿海地区尤其是中高纬度很可能将面临日益严峻的TC灾害风险,亟需尽快开展防灾减灾及对策研究。

近58年登陆我国热带气旋的气候特征分析

利用1949-2006年登陆我国热带气旋(TC)资料,采用统计方法对比分析了近58 a登陆我国TC的频数、强度、初(终)旋日、台风季长度等气候特征参数的总体和区域分布及其时间演变特征。分析得出各参数的主要演变特征为:(1)1949-2006年登陆我国TC频数呈下降趋势,台风季长度缩短、平均中心气压降低、登陆点区域分布也发生了改变;(2)登陆我国TC频数、中心气压、台风季长度等均在20世纪90年代中期(1995年前后)发生了显著突变;(3)相比于突变发生前(1949-1994年),突变后的12 a间,①登陆全国TC频数减少,并且沿海各省登陆TC频数大多减少或持平,只有浙江增加;②我国台风季长度缩短,并且除广西和浙江略增长外,其它沿海各省均一致缩短;③除登陆台湾TC的平均中心气压略上升外,登陆其它沿海各省TC的平均中心气压均下降。

夏季西北太平洋热带辐合带的强度变化特征及其对热带气旋的影响

利用卫星资料和再分析资料讨论夏季6—8月平均热带辐合带(Intertropical Convergence Zone,简称ITCZ)的强度变化特征及其对热带气旋的影响。首先利用120～150°E,5～20°N区域平均的对外长波辐射(Outgoing Long-wave Radiation,简称OLR)定义一个夏季ITCZ强度指数,再根据这个指数划分ITCZ强弱年并进行合成分析和相关分析。结果表明:ITCZ强弱的变化与高中低层大气环流和前冬海温场有显著的关系,ITCZ强年往往伴随有副热带高压的偏北、偏弱,对流层低层出现气旋性距平风场,高层出现反气旋性距平风场,同时整个太平洋前冬的SST的分布呈现类似La Ni a的海温分布,而弱年正好相反。另一方面,ITCZ的对流强弱对热带气旋(Tropical Cyclone,简称TC)的发生和路径均有重要影响,在ITCZ强年,相应区域上的TC个数增多,同时TC路径更易于打转;而ITCZ弱年,TC个数减少,TC路径更易于向西北行。

2000—2009年夏季东亚热带气旋远距离暴雨统计分析及个例的数值模拟

利用2000—2009年6—8月的NCEP 1°×1°FNL数据、TRMM降水数据及JMA提供的《TC最佳路径集》等资料,综合考虑低层水汽通道及TC与中纬度系统相互作用的两个因素,对0°以北150°E以西东亚地区的远距离暴雨进行统计分析,得出这一时期共有48例远距离暴雨产生,并将其分为5种类型。将各类型合成分析后得到远距离暴雨在850 hPa、500 hPa的主要影响系统有:TC、中纬度槽、副热带高压及水汽通道,其中水汽通道多与印度季风相连接对远距离降水的影响最显著,其次是中纬度槽。形成最多的是北槽、涡-南TC型远距离暴雨占总数的68.8%,而且远距离暴雨多发生在TC路径的右侧(占总数的71%)。200 hPa上多数远距离暴雨发生在高空急流的右后方,并在TC的东西部各有一反气旋性涡旋。当TC东部无反气旋性涡旋时TC较弱。当远距离暴雨发生在TC的西北方向,且西北方向有槽存在时TC较强。利用WRF中尺度数值模式对1104号TC Haima进行敏感性试验表明,TC在此次暴雨过程中起主要作用,通过影响降水区的水汽通道导致降水增强。

热带气旋登陆华南前后的强降水大尺度环境场特征

运用2001年和2002年7个热带气旋(TC)登陆华南前后的38个日降水量、NCEP/NCAR再分析资料以及卫星云图,经普查和分析将TC造成的降水区划分为纬向型、经向型、NE—SW向型3种;对各型高、中、低层中的主要气象因子作了详细分析,如高层流场、中层副热带高压、低层急流和切变线或辐合线、整层水汽通量散度以及季风云涌等,在此基础上归纳概括出了这些降水型各自前24 h的大尺度环境场特征概略模型图,并对其强降水形成机理尽可能地给出了解释,为TC登陆前后的超短期降水预报提供某种参考方法。

广东热带气旋气候变化的新特征和应对建议

根据1951年以来的资料分析表明,登陆或严重影响广东的热带气旋(TC)总体呈现出个数减少、强度增强的特点;但自2006年开始,太平洋年代际振荡(PDO)进入冷位相阶段,登陆或严重影响广东的TC出现了个数略增、登陆强度明显增强的新特点。针对因气候变暖导致TC活动异常、灾害加重的特点,需要完善TC防御机制,加强沿海基础设施建设,提高TC防御能力和公众防灾减灾意识。

基于PRECIS的西北太平洋热带气旋生成情景预估

利用全球气候模式ECHAM5的模拟数据驱动区域气候模拟系统PRECIS,产生西北太平洋SRES A1B气候情景数据。在模拟数据中分别采用三种热带气旋(TC)生成信息提取法,得出SRES A1B情景下1951—2050年的热带气旋生成模拟值,并分析不同热带气旋生成信息提取法对热带气旋生成的预估及其不确定性。结果表明:在气候基准时段(1971—2000年)下,对流年生成指数(CYGP)与热带气旋中心定位追踪识别法(TRACK)得出的TC生成气候平均态均接近观测值,而年生成指数(YGP)高于观测值;TRACK识别法得出的生成频数的年代际波动特征与实况相近;在未来2030 s预估时段(2021—2050年)下,CYGP指数与TRACK识别法的预估结果均显示未来TC生成数与基准时段相比呈减少趋势,而YGP指数的结果则显示未来逐年代的TC生成数与基准时段相比呈明显增加趋势。对各提取方法差异的初步分析结果表明,热力因子(包括海表温度、湿静力稳定度和对流降水等)是导致三种TC生成信息提取法预估不确定性的主要原因。

近58年西北太平洋热带气旋频数和强度的变化特征研究

文章利用1950-2007年西北太平洋热带气旋(TC)资料,对热带气旋发生频数、强度、登陆频数和地点在季节、年际、年代际时间尺度上的变化规律进行了分析。分析结果表明:近58年西北太平洋热带气旋的发生频数总趋势是下降的,且强度在年代际变化上呈现出逐渐减弱的趋势。登陆热带气旋的年际和年代际变化与西北太平洋生成频数密切相关,对我国的影响主要为华南沿海、台湾及浙江以南的华东沿海地区。

近60年西北太平洋热带气旋源地和路径的变化特征

为使远洋船舶驾驶员掌握热带气旋(TC)有关情况,保障船舶航行安全,利用最新西北太平洋热带气旋资料,对其源地、路径的变化规律进行分析。结果表明:近60年热带气旋高生成区分布在南海中北部偏东洋面、菲律宾以东至加罗林群岛之间洋面、加罗林群岛一带海域。热带气旋生成的平均纬度有逐渐向北、向西偏移的趋势。

NUIST地球系统模式模拟ENSO对西北太平洋热带气旋活动的影响

地球系统模式已经逐步成为研究热带气旋(TC)活动气候变化的重要工具之一,之前的研究发现南京信息工程大学地球系统模式(NESM)高分辨率版本可以较好地模拟全球海温分布及TC活动的气候特征。本研究进一步分析了NESM地球系统模式模拟西北太平洋TC活动的年际变化,并与1967~2016年观测的TC活动进行对比。NESM模式高分辨率版本能够较好地模拟西北太平洋平均海温及与ENSO事件联系的海温异常变化特点,对El Nino事件发生时西北太平洋TC的生成频数和路径分布的模拟较好,也能模拟El Nino年TC生成位置比La Nina年偏东的特征,但是未能模拟出TC平均生命周期和Nino3.4地区海温的相关性。并且模式模拟的La Nina年TC的生成位置偏东,主要原因是模拟La Nina年季风槽平均位置偏东。研究结果有助于进一步改进NESM模式和利用NESM模式研究TC活动。

海南东方热带气旋的极端降水特征及个例分析

利用2009—2020年海南省东方市的加密自动站资料、ERA5再分析数据以及CLDAS大气驱动场降水数据,将西行或西北行且影响东方市的热带气旋(TC)分为4类,并将其进行了极端降水特征分析,同时还通过典型TC个例分析了极端的降水的成因.结果发现,在I路TC过程,极端降水自西向东递增;在Ⅱ路TC过程,极端降水分布表现为北部小、南部大;在Ⅲ路TC过程,极端降水呈现自南向北递减趋势;在Ⅳ路TC过程,极端降水自西向东递减;在4类典型TC个例的强降水过程中东方市从低层到高层均伴有强盛的垂直上升速度(不小于-3 Pa·s^(-1));低层具有强烈的水汽通量辐合,不小于-25×10^(-5)g·cm^(-2)·s^(-1);均具有低层辐合高层辐散的动力配置,低层辐合强度不小于-20×10^(-5)s^(-1),高层辐散不小于25×10^(-5)s^(-1);非地转湿Q矢量散度可以较好地表征未来0~1小时强降水落区和移动趋势,强降水落区出现于湿Q矢量散度辐合区或湿Q矢量散度辐合区与辐散区的交界处.

融合定位信息的热带气旋强度估计

目的精确估计热带气旋的强度有助于提升天气预报和预警的准确性。随着深度学习技术的不断发展,基于卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)的方法已应用于强度估计任务中。然而,现有方法仍存在许多问题,例如无法充分利用不同波段的卫星图像信息、输入图像以热带气旋的定位为中心等限制,从而产生较大误差,影响实时估计的结果。针对以上问题,本文提出一种融合定位信息的强度估计网络IEFL(intensity estimation fusing location),提升强度估计的准确率。方法模型采用双分支结构,能有效融合不同波段的图像特征,同时可以同步优化两个任务,达到互相促进的效果。此外,模型对强度估计任务做了定位的特征融合,将得到的定位特征图与强度特征图进行拼接,共同输出最后的强度结果,通过利用定位信息达到提升强度估计精度的目的。结果本文在完成热带气旋强度估计的同时,可获取较好的热带气旋中心定位结果。收集了2015—2018年葵花-8卫星多通道图像用以训练模型,并在2019和2020年的数据上进行测试。结果表明,融合定位信息后模型的强度估计均方根误差为4.74 m/s,平均绝对误差为3.52 m/s。相比传统单一强度估计模型误差分别降低了7%和9%。结论IEFL模型在不依赖定位准确率的同时,能够有效提升强度估计的准确率。

登陆我国不同区域热带气旋气候特征的对比

利用1949—2006年登陆我国热带气旋(以下简称TC)资料,对登陆我国不同区域(华南、东南沿海和东北沿海)TC的频数、强度、初(终)旋日、台风季长度等气候特征进行了对比分析。研究结果显示:①近58年年均登陆我国的TC为9.09个,其中达到台风等级的3.17个,占TC的34.9%。②登陆我国TC和TY主要集中在华南(Ⅰ区)、东南沿海(Ⅱ区)和东北沿海(Ⅲ区),前者分布由多至少分别为广东、海南、台湾、福建和浙江,后者为台湾、广东、海南、福建和浙江。③近58年中TC和TY均以登陆Ⅰ区和Ⅱ区为主,登陆TC在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区均呈线性减少趋势,以Ⅰ区最为显著,而登陆TY频数在Ⅰ区和Ⅱ区均无明显的变化趋势。④登陆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区的TC平均中心气压和极端最低气压均呈现出下降趋势,以Ⅱ区为明显。Ⅰ区和Ⅱ区的风力等级均表现出增大趋势,而Ⅲ区变化不明显。⑤Ⅰ(Ⅲ)区的初旋最早(晚)、终旋最晚(早)、台风季最长(短)。Ⅰ区初旋推迟、终旋提前,台风季缩短,尤其是20世纪90年代中期以后,而Ⅱ区近几年有延长的趋势。

1949—2008年热带气旋对中国沿海商船航线的影响频次

为分析西北太平洋(含南中国海域)热带气旋对中国沿海商船航线影响频次的时间和空间分布规律,利用CMA提供的1949—2008年热带气旋最佳路径资料,采用统计和趋势分析等方法进行分析研究.结果表明,热带气旋对中国沿海商船航线的影响频次存在较明显的盛衰周期性波动,其中盛期持续时间(6年左右)只有衰期持续时间(12年左右)的一半左右;每年8月西北太平洋热带气旋对中国沿海商船航线的影响最为频繁,7月份所生成的热带气旋对中国沿海商船航线造成影响的可能性最大.热带气旋对中国沿海商船航线的影响主要集中在海南至台湾海峡一带沿海水域,其中影响次数最多的为海南省以东18°N—21°N沿海水域,影响频次最高区域有明显的向北漂移的趋势.

基态位涡径向分布对浅水涡旋系统动力稳定性的影响分析

本文基于正压浅水模型,分析基态位涡(Potential Vorticity:PV)结构对热带气旋(Tropical Cyclone:TC)类涡旋系统稳定性及其波动特征的影响.通过引入基态PV结构参数:宽度δ(眼墙内外边界涡度发生陡变的半径长度之比)和中空度γ(眼心相对涡度与内核区域平均相对涡度之比),设计具有相同基流最大切向风速和最大风速半径的170组不同基态PV环结构的敏感性试验,并讨论了不同基态PV结构下涡旋系统最不稳定波数(the most unstable wavenumber:MUWN)和系统最不稳定模态(the most unstable mode of System:MUMS)的特征频率及其不稳定增长率的大小.结果指出:当PV环较宽,系统表现为低波数最不稳定,相应的MUMS为低频波且增长率小;当PV环较窄,系统表现为高波数不稳定,且PV环越实最不稳定波数越高;当PV环窄且空时,MUMS均为中高频波动,且不稳定增长率随PV环的宽度变窄和中空度变空而明显增大.分析典型PV结构下系统演变特征可知,当PV环较宽,MUMS表现为具有平衡约束的低频波动的线性不稳定特征;当PV环趋向窄且空时,MUMS的平衡性约束趋向弱化,同时不稳定增长表现为明显的指数型增长.进一步讨论系统内部非对称结构的形成和传播机制发现,对于弱不稳定的PV环来说,低波数波最不稳定的特征波动具有典型涡旋Rossby波特征;而对于强不稳定的PV环来说,高波数不稳定的特征波动混合波性质明显.