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。

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。

台风“艾克”(2008)的海面风场模型研究

台风风场模拟的准确性对台风风场后报工作具有重要意义,目前通过参数模型构建台风边界层的海面风场是较快速且常用的方法之一。以2008年侵入墨西哥湾的大西洋第8号台风“艾克”为例,选取多种参数模型对比研究台风风场模拟的效果。实验结果表明,台风风场模型的选择对台风风场模拟效果具有显著影响。采用Jelesnianski-1风廓线模型即可较好地再现“艾克”台风风场的时空特征;此外,具有可变系数的Holland等气压模型风场和Miller等风廓线模型风场则具有较好的适用性,通过调整可变系数使得参数风场的风廓线贴合实际台风案例。整体而言,基于理想模型的参数风场能基本反映台风核心区域的海面风场特征,但对外围背景风场模拟效果不甚理想,而分析及再分析风场数据则能较好地反映台风外围的背景风场,因此采用参数风场与分析及再分析风场融合的方式构建台风风场,可显著提高台风“艾克”风场的数值模拟效果。

基于核密度估计的经验路径模型在西北太平洋虚拟台风构建中的应用

合理评估台风对沿海区域的影响程度与风险对于科学抵御台风灾害而言十分重要,而我国具有详细的台风观测记录至今也仅有60多年的历史,这使得在推算具有一定重现期的极值风速及相应的极值波高和潮位等特征参数时存在局限性,同时台风观测样本量的不足也限制了如深度学习等数据驱动型模型在台风灾害预报中的应用。因此,有必要基于实际台风行进规律构建虚拟台风以克服历史数据量不足的问题。故本文采用基于核密度估计的经验路径模型,在西北太平洋海域构建了18 671场虚拟台风,将虚拟台风的起始与终止位置、发生频数、行进速度和行进方向等参数与实际发生的台风进行统计意义上的对比分析。结果表明,基于本文方法构建的虚拟台风总体上符合西北太平洋历史台风的行进规律。通过这些虚拟台风的构建,可为中国沿海极值波浪和风暴增水研究提供数据量足够且性能可靠的虚拟台风样本数据库。

基于TCR模型的台风极值降雨强度预测

近些年台风带来的强降雨与洪水灾害给沿海城市造成严重的经济损失和人员伤亡,极端降雨环境多数是在台风作用下产生的,且极值降雨强度是城市防洪排涝、排水规划和工程设计的雨量计算依据。为更加合理准确地预测极值降雨,文章引入热带气旋降雨(tropical cyclone rainfall,TCR)模型,利用蒙特卡罗(Monte Carlo)技术模拟香港地区的极值降雨强度。对比相关规范与历史数据,该方法能较好地预测极值降雨强度,为后续台风降雨灾害危险性分析和排水工程建设研究提供一定的参考。

台风和台风模型研究综述

我国东南沿海及近海区域风能资源丰富,但也是受台风严重影响的区域。认识台风结构,并探究和预测台风高发区域的风场特征,对海上风电场的运行安全至关重要。首先详细阐述了台风的成因以及结构特征,在此基础上,总结参数台风风场模型的原理以及关键参数,并对风场模型中各关键参数进行了详细阐释。台风风场模型应用范围广,但仍需要进一步完善和验证以提高预测准确性,便于更好地服务工程实际。

西北太平洋台风风场模型中Holland B系数区域特征研究

Holland B系数是台风风场关键的形状参数,间接表征台风影响范围及强度。基于JTWC最佳路径数据集以及台风中心探测记录数据,构建了最大风速半径以及飞行层最大风速的统计模型;利用典型台风期间地面气象站点观测数据,采用误差分析方法,比较了7种Holland B系数计算方法对于风场模拟结果的影响,确定了最优HollandB参数模型;以"卡努"台风为例对Holland B系数进行敏感性分析,结果表明Holland B系数越大,极值风速越大,台风风场风速高值区范围越集中;利用CMA-STI热带气旋最佳路径数据集,计算了西北太平洋海域历史台风中心的Holland B系数,并对其空间分布特征进行统计分析,结果表明:1)西北太平洋海域低纬度地区比高纬度地区更易出现高Holland B值的台风;2)我国登陆台风中心Holland B系数从南到北逐渐减小,高值省份依次为海南省、广东省、广西壮族自治区、福建省以及浙江省。

考虑台风空间位置的桥址区风特性模型实测研究

风特性是桥梁结构抗风设计的前提条件。为准确表征台风移动对桥址区风特性的影响,利用桥梁结构健康监测系统测得的多次台风实测数据,研究了考虑台风空间位置的桥址区风特性模型。基于已有台风解析模型和台风路径数据,模拟了台风过境期间桥址区平均风速时程,并利用实测结果验证了解析模型的有效性。在此基础上,分析了湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度等脉动风特性参数随桥址区和台风中心距离的变化规律,据此研究了脉动风特性参数的空间分布模型。结果表明,已有台风解析模型可实现桥址区平均风速的模拟;台风空间位置变化对桥址区脉动风特性影响显著,空间分布模型能有效反映台风移动过程中桥址区脉动风特性的基本变化特征,可为大跨度桥梁等工程结构设计与运维提供有益参考。

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.

台风过境期间辽河口滨海湿地水动力特征的数值模拟研究

本研究基于FVCOM环流模型,耦合ECMWF背景风场和Jelesnianski台风经验模型形成合成风场,对9711台风“温妮”过境辽河口区域的水动力进行模拟研究。模型通过在动量方程、湍流方程中加入附加源项来表达盐沼植被对水动力的阻碍作用。使用研究区域实测的潮位、流速、流向等数据对水动力模型进行验证,模拟结果与实测数据吻合较好。结果表明:潮滩盐沼植被对台风过境期间的潮位变化无明显影响,但对流速具有显著的衰减作用,且芦苇对潮流的衰减作用大于盐地碱蓬植被,芦苇区的速度最大衰减率达81.43%。此外,台风路径变化对辽河口湿地海域的增减水及流速影响较大,台风强度越强,局部区域造成的风暴潮增水和流速也相应越大。

考虑Copula-LM-HMS耦联的台风情境下大坝洪水漫顶风险率计算

气候变化下台风风暴潮出现频次增加,形成的暴雨洪水对水库大坝安全产生极大威胁。由于部分地区实测流量资料缺少,基于雨量资料的随机模型与水文模型耦合模拟洪水过程线的研究亟待发展。针对现有小流域流量资料缺少问题,研究了基于降雨随机模型与水文模型的Copula-LM-HMS耦联模型,来模拟入库洪水并计算水库大坝洪水漫顶风险率。该模型通过Copula函数与拉丁超立方-蒙特卡罗抽样(Latin Hypercube-Monte Carlo Simulation)生成流域多组7日降雨数据,并通过变倍比放大法缩放处理得到相应降雨序列,利用HEC-HMS水文模型模拟洪水过程线并结合调洪演算得到坝前最高水位,同时考虑风浪作用来模拟台风情景下的库水位变化情况,计算大坝洪水漫顶风险率,并分析不同组合条件对洪水漫顶风险率的影响。余姚市四明湖水库实例分析表明,构建的Copula-LM-HMS耦合模型计算得到的拦河坝在未来台风情境下无漫顶风险,自溃坝最小漫顶风险为0.22%,最大漫顶风险达到2.68%;洪水漫顶风险与降雨分布及起调水位有关,同时风浪作用对洪水漫顶风险影响较大。基于耦合模型进行中小流域洪水漫顶风险率计算,不仅能考虑降雨系列之间的相关性、流域地形特征与实际调洪规则,还可延长无流量资料地区水库大坝应对台风情境下洪水风险的预报期,为保证水库大坝应对未来气候变化影响下的运行安全提供参考。

基于CatBoost-SHAP模型的滑坡易发性建模及可解释性

文章致力于深入探索滑坡易发性建模中集成学习模型的不确定性和可解释性。以浙江省东部沿海山区为研究对象,利用谷歌历史影像与Sentinel-2A影像,记录了2016年超级台风“鲇鱼”触发的552起浅层滑坡事件。研究首先对连续型因子进行了不分级、等间距法和自然断点法的工况设计,进一步划分为4,6,8,12,16,20级。随后,引入了类别增强提升树模型(CatBoost)以评估不同工况下的滑坡易发性值,再结合受试者曲线与沙普利加性解释法分析,对建模过程中的不确定性和可解释性进行了深入研究,目的在于确定最优建模策略。结果表明:(1)在CatBoost模型计算中,河流距离成为最关键的影响因子,其次是与地质条件、人类活动相关的因子;(2)不分级工况下,模型能够获得最高的AUC值,达到0.866;(3)相较于等间距法,自然断点法的划分策略展现出更佳的泛化能力,且模型预测性能随着分级数量的增加而增加;(4)沙普利加性解释法模型揭示了主要影响因子道路距离、河流距离、DEM和坡向对台风诱发滑坡的控制机制。研究成果能够加深对滑坡易发性的理解,提高滑坡预测的准确性和可靠性,为相关地区的防灾减灾工作提供科学依据。

基于SARIMA时间序列模型的台风频次预测

台风是一种破坏力极大的灾害性天气,因此预测和预报台风,历来是气象工作的一项重要任务。对台风进行精准预测,并制定相应的预防和应急措施,是减轻台风造成灾难的重要手段。本文基于季节性差分自回归滑动平均模型(Seasonal Autoregressive Integrated Moving Average, SARIMA)研究台风频次的预测方法。该模型通过考虑时间序列的季节性和趋势性变化研究台风频次,旨在对未来台风频次提供准确预测方法。通过预处理台风发生频次相关数据,对时间序列进行平稳性检验以及白噪声测试,采用AIC遍历对模型定阶,计算模型的均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)并绘制模型的残差分布和自相关图,分析比较后认为该模型的拟合效果较好。最后对2024年1月至2024年12月的台风频次进行预测,为提高自然灾害应对和相关政策制定提供了有力支持。

浙江沿海风暴潮增水对台风移速的响应研究

基于MIKE21建立东中国海-浙江沿海嵌套潮流模型,采用修正的Holland风场对1509号台风“Chanhom”产生的风暴潮进行模拟,通过与实测数据对比验证表明该模型模拟结果合理可靠。基于验证模型,对1949—2020年间2个极端移速台风(低移速台风“Mary”和高移速台风“Kai-tak”)进行模拟分析,为剥离单一移速变量对增水的影响,以1509号台风“Chan-hom”为基础,设置3种台风移速(2倍移速、实际移速及50%移速)对风暴潮增水影响进行研究,得到如下结论:(1)低移速台风尽管登陆时强度低于高移速台风,但对浙江沿海海域的增水影响时间更长,台风“Kai-tak”增水0.5 m及以上的持续时间仅4 h,而“Mary”却长达12 h;(2)台风移速越慢,向岸风影响时间越长,舟山群岛以西至钱塘江海域的增水随着移速的减小呈上升趋势,杭州湾南岸具有较大洪水及内涝隐患;(3)在台风登陆点朱家尖,3种移速下的增水及风速相差不大,最大增水出现在台风登陆前风速最大时刻,而在舟山外海,增水大小受潮位波动影响呈现周期变化,低潮位时增水较大,高潮位时增水较小。

台风灾害下电网多维韧性评估研究

近年来台风灾害频发导致电网多次发生大规模停电事故,当前电力系统韧性具有较大的不确定性和主观性问题,准确评估台风灾害下电网韧性有助于精准应对电网故障,降低电网事故经济损失。提出台风灾害下电网多维韧性评估指标体系,采用云模型(cloud modeling,CM)和模糊综合评价(fuzzy comprehensive evaluation,FCE)相结合,提出了台风灾害下电网韧性评价方法,将台风预防、过境和离境阶段相结合进行综合评估。最后针对某地实际台风灾害下电网事故进行算例分析,验证本文所述电网韧性评估指标体系的有效性和合理性。

“21·7”河南特大暴雨成因分析及三维概念模型的构建

通过对“21·7”河南特大暴雨在地形效应、不同高度的大气环流和水汽输送通道的分析,结论如下:(1)台风“烟花”与副高形成的东南气流在底层灌入河南喇叭口地形,在地形热力抬升和动力阻挡抬升的共同作用下,有利于山前降水的形成。(2)在500 hPa中层,郑州涡旋处于两个高压的“鞍型场”内,该环流配置导致台风“烟花”、“查帕卡”和热带低压相互作用形成三股气流直达河南;在200 hPa高层,河南暴雨区辐散气流向东下沉到同一纬度的东海高层冷涡内,其次级环流进一步加强了河南云团的强度。(3)台风“烟花”和“查帕卡”输送丰沛水汽至河南中西部,受太行山和伏牛山地形阻挡,在山前形成强烈水汽辐合。(4)构建的河南极端暴雨概念模型通过水汽输送通道和次级环流,将环流、台风、低压系统和喇叭口地形等降水成因有机联系,并放入同一个构架之中,从宏观上了解这些成因的运行机理及其相互作用,可加深对该特大暴雨成因的理解。

台风“莫兰蒂”对厦门岛植被覆盖度的影响

选取厦门岛2016年台风“莫兰蒂”登陆前、后及2022年共3期的Landsat遥感影像数据,运用ENVI5.3与ArcGIS10.2,在对影像预处理后提取归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI),并采用像元二分模型得出植被覆盖度,结合差值法、均值法等方法分析“莫兰蒂”台风对厦门岛植被破坏和恢复情况。结果表明:(1)厦门岛总体植被覆盖水平较高,城市森林公园及高崎机场附近植被覆盖度相对较高,居民区与公共区的植被覆盖情况较差:(2)“莫兰蒂”对厦门岛植被环境的影响较大,植被覆盖度由40.3%降到27.7%,经过6年的恢复,2022年植被覆盖度达到35.1%;(3)“莫兰蒂”对厦门岛植被破坏存在沿街道分布的规律。

人工智能技术在台风强度预报中的运用

文章主要研究的是气象单位台风强度预报中的人工智能技术应用。包括台风强度预报中的人工智能技术应用现状及其具体应用。经研究发现,基于智能化技术的深度学习模型是目前台风强度预测中的有效方法。具体应用中,通过提取台风强度变化特征、预测台风强度变化趋势以及监测台风强度突变情况等步骤,便可实现台风强度的及时、准确预报。希望通过本次的分析,可以为人工智能技术的应用与台风强度预测效果的提升提供一定参考。

基于Holland风场的台风浪数值计算

在海岸工程中,台风浪的影响较大。为了提高台风风场模拟精度,基于Holland台风风场模型,选取不同的最大风速半径参数和B参数进行组合,将模型构造风场与实测浮标风速资料进行比较分析,误差统计表明,Willoughby风速半径公式和Vickery的Holland B参数公式组合之后的计算误差最小,对风场的模拟效果最好。然后采用SWAN近岸波浪模型,选取最优风场参数,模拟了1323号"菲特"台风过境期间浙南地区的台风浪。模拟结果表明,最优组合参数生成的台风风场,对台风浪的模拟结果较好。当台风登陆时,温州地区的有效波高超过了10 m,明显高于其他区域,近岸波高等值线分布较为密集,台风移动方向右侧有效波高相对较大。台风进入内陆以后,波高迅速减小至4 m左右。

基于GIS的台风灾害损失评估模型研究

由于台风灾害所造成的损失有些是无法用精确的数学模型来描述,其损失可能是一个区间值。为准确及时地了解台风灾害过程中可能造成灾害损失等级的大小,选择了降水量、降水强度、最大风速、经济易损性作为评价的指标。采用可拓分析方法,将评价指标及其特征值作为物元,通过计算综合关联度判断灾害损失的等级;建立基于GIS的台风灾害损失评估模型,以实现台风灾害的动态评估。