可能最大风暴潮风险评估中各等级热带气旋设定方法

可能最大热带气旋的设定是可能最大风暴潮计算的基础,对风暴潮灾害应急疏散具有重要意义。利用1949~2011年中国气象局(CMA)西北太平洋热带气旋最佳路径数据集、美国联合台风预警中心(JTWC)以及美国国家海洋和大气管理局(NOAA)最大风速半径数据集,基于各等级热带气旋参数之间的定量关系,建立了各等级可能最大热带气旋最大风速、中心气压、最大风速半径、移动速度、移动方向等参数设定及路径合成的方法。以福建省连江县为例,按照台风、强台风及超强台风强度等级,分强度衰减和不衰减2种情况,设定3种移动方向,合成了共216场热带气旋作为可能最大风暴潮的计算输入。另外,对参数敏感性、风场参数设定、参数设定与计算量的关系、叠加天文潮以及溃堤等问题进行了讨论。     

再分析风场修正及其在渤海湾典型温带风暴潮模拟中的应用

选取渤海湾为研究区域,对塘沽站实测风场与再分析风场进行相关性分析,发现两者有一定的偏离。根据线性拟合关系对站点风速进行修正,并根据距离权重修正渤海湾区域再分析风场,采用修正后的风场驱动模型模拟温带风暴潮,其模拟结果在增水趋势、最大增水方面的准确度有明显的提升。研究结果表明温带风暴潮的数值模拟采用再分析风场驱动时需进行适当的修正和优化。     

中国东南沿海区域台风数值模拟与危险性分析

通过网格定点法对我国东南沿海区域性台风危险性进行了分析。利用对各网格点有影响的历史台风数据,建立了各网格点的台风关键参数的最优概率模型。利用Monte-Carlo方法产生每个网格点1000年间的虚拟台风事件。采用YanMeng(YM)风场模型模拟了100个历史台风的最大风速,通过使这些最大风速与观测的最大风速误差和最小,建立了一组新的计算最大风半径Rmax和Holland气压参数B的公式,结果表明新的台风参数计算方案效果良好。利用新的参数计算方案、YM风场模型、特定地点的台风衰减模型以及合适的极值分布模型,预测了各个网格点不同重现期的极值风速,进而绘制了台风多发区域的设计风速图。最后研究了不同B模型、Rmax模型和极值分布模型对预测的极值风速的影响。可以为结构抗风设计和台风防灾减灾提供新的参考。     

台风模型风场建立及其模式验证

对0814号台风进行了增水模拟,以及建立一个适合0814号台风类型的模型风场,用于将来的风暴潮模拟。文章使用香港天文台数据进行增水模拟验证,在模式未考虑气压、远程天气、径流等因素对增水作用下,模式将误差控制在20%以内,据已有研究结果表明,模式具有一定的准确性。在建立风场模型中,首先,通过对比已有圆对称风场模型,确认Dual模型更为合理;其次利用藤田公式对参数化流入角进行修正,对风场的流向与温度、强度建立联系,并讨论流入角度变化对增水影响;再次,通过叠加移动风场,获得右侧风速偏大的风场,以及讨论其对增水的影响;最后,尝试添加背景风场,并对比添加前后增水变化,发现最大增水点附近增水降低,而台风中心附近和外围区域增水增加。本文认为公式叠加背景风场更加合理,选取背景风场数据最好不包含台风信息。此风场的建立主要为研究南海风暴潮变化机理及后报做铺垫。     

热带气旋气压场和风场的后报模式

根据热带气旋影响范围内实测气压与风速资料，求解一组方程得到热带气旋气压场和风场计算的关键性参数。使热带气旋影响范围内实测气压和风速值与模式的计算值有很好的拟合。同时考虑了摩擦效应，构造了一个移动热带气旋气压场与风场的后报模式。     

热带气旋气压场和风场的后报模式

根据热带气旋影响范围内实测气压与风速资料，求解一组方程得到热带气旋气压场和风场计算的关键性参数。使热带气旋影响范围内实测气压和风速值与模式的计算值有很好的拟合。同时考虑了摩擦效应，构造了一个移动热带气旋气压场与风场的后报模式。     

基于多致灾因子相似的热带气旋检索方法研究:以风暴潮-海浪灾害预评估为例

热带气旋引起的风暴潮-海浪灾害成灾频率高、致灾强度大,对我国沿海地区造成的人员和经济损失惨重。预评估阶段需要在灾前对研究区可能造成的损失等进行快速的综合判定。从历史热带气旋中检索出与目标热带气旋位置及各种致灾因子强度相似的热带气旋是快速、准确地预评估风暴潮-海浪灾害的重要方法。面向风暴潮-海浪灾害预评估,提出了一种基于多致灾因子的相似热带气旋检索方法。用于相似检索的致灾因子数据包括:从中国气象局西北太平洋热带气旋最佳路径数据集中提取并经处理得到的1949~2013年影响湛江市的112场热带气旋的路径中心点位置、中心气压、最大风速、最大风速半径及移动速度数据,112场热带气旋的模拟风场、风暴潮及海浪数据。首先,利用相似离度方法对热带气旋进行路径相似性检索;其次,利用最优相似系数方法计算中心气压、最大风速半径、最大风速、移动速度、风场、风暴潮及海浪强度指标的相似系数进行一次检索;然后,根据风场、风暴潮及海浪模拟数据的获取情况,分别基于路径-强度及风场-风暴潮-海浪综合相似性指标进行二次检索;最终给出历史热带气旋的综合相似排序。以2013年尤特热带气旋为例,利用上述方法检索了与其最为相似的5场历史热带气旋。该方法综合考虑了热带气旋路径及多种致灾因子的相似,兼顾了检索的速度及质量,是进行快速、准确的风暴潮-海浪灾害预评估的重要基础。     

四象限非对称风场对风暴潮的改进研究

分析了Holland 模型风场和四象限非对称模型风场的差异和适用性,基于ADCIRC 模型建立了适合华南沿海的高分 辨率风暴潮模式,将上述两种模型风场作为强迫场分别模拟1117 号台风“纳沙”风暴潮过程,结果表明：在珠江口、琼州 海峡岸段的风暴潮模拟有了较大的改进,究其原因是四象限模型相比Holland 模型更灵活、能够更好刻画“纳沙”台风非对 称风场结构,说明该风场模型可用于改进风暴潮数值模拟。     

非对称风场对台风浪模拟效果的比较研究

分析四象限非对称风场模型与叠加风场模型的优缺点,将模型结果与实测风速进行对比验证;利用上述两种风场模型分别驱动第三代海浪模式SWAN,对发生在南海海域的三场台风浪进行了数值模拟计算。结果显示:四象限非对称模型关于风速的计算值与实测值吻合度更高,尤其是当台风中心距离测站较近时;四象限非对称模型驱动SWAN模拟的台风浪精度优于叠加风场模型,适用于南海台风浪的数值模拟。     

不同台风合成风场方案在南海的适用性研究

我国南海地区常受台风侵扰,台风场是研究台风浪灾害以及风暴增水灾害的必要条件之一。因遥感风场存在台风大风圈附近风速明显偏小的问题,所以在台风场相关研究中,多采用台风模型风场和背景风场相结合的方式——即合成风场。本文选取南海相关研究中常用的3种台风场模型,对比其特点,并采用NECP CFSR作为背景风场,将合成风场和实际观测风速进行对比,结果显示在南海地区采用Jelesnianski模型得出的风场和实际风场吻合度最好,建议在该风场基础上考虑南海的地理特殊性,进行台风场模型的改进。     

台风移行速度与登陆角度对风暴潮的影响:一个理想模型数值实验

The effects of hurricane forward speed(V) and approach angle(θ) on storm surge are important and a systematic investigation covering possible and continuous ranges of these parameters has not been done before. Here we present such a study with a numerical experiment using the Finite Volume Community Ocean Model(FVCOM).The hurricane track is simplified as a straight line, such that V and θ fully define the motion of the hurricane. The maximum surge is contributed by both free waves and a forced storm surge wave moving with the hurricane.Among the free waves, Kelvin-type waves can only propagate in the down-coast direction. Simulations show that those waves can only have a significant positive storm surge when the hurricane velocity has a down-coast component. The optimal values of V and θ that maximize the storm surge in an idealized semi-circular ocean basin are functions of the bathymetry. For a constant bathymetry, the maximum surge occurs when the hurricane approaches the coast from the normal direction when the free wave generation is minimal; for a stepped bathymetry, the maximum surge occurs at a certain acute approach angle which maximizes the duration of persistent wind forcing; a step-like bathymetry with a sloped shelf is similar to the stepped bathymetry, with the added possibility of landfall resonance when the free and forced waves are moving at about the same velocity. For other cases, the storm surge is smaller, given other parameters(hurricane size, maximum wind speed, etc.)unchanged.     

A numerical study of the effect of hurricane wind asymmetry on storm surge and inundation

The influence of the asymmetric structure of hurricane wind field on storm surge is studied with five types of numerical experiments using a three-dimensional storm surge model. The results from the case of Hurricane Floyd (1999) show that Floyd-induced peak surge would have been much higher had the region of maximum wind rotated 30–90° counterclockwise. The idealized cases (the hypothetical hurricanes) with a wind speed asymmetry of 20 m s^?1 show that the peak (negative) surge varied from 4.7 to 6.0 m (?5 to ?5.7 m) or equivalent to ?8.8% and 16.3% (2.8% and ?10.4%) differences as compared to the control experiment. The area of flooding varied from 3552 to 3660 km². The results from two other idealized cases of varying degree of wind speed asymmetry further show that with decreasing (increasing) asymmetry of wind fields, the variations of peak surge and peak negative surge caused by the rotation of wind fields decrease (increase) accordingly. The results suggest that in storm surge simulations forced by winds derived from balanced models, considerable uncertainty in storm surge and inundation can result from wind asymmetries. This is true even if all other storm parameters, including maximum wind speed, the radius of maximum winds (storm size), minimum central pressure, storm translation speed, drag coefficient, and model settings (domain size and resolution) are identical. Thus, when constructing ensemble and probabilistic storm surge forecasts, uncertainty in wind asymmetry should be considered in conjunction with variations in storm track, storm intensity and size.     

1003号台风“灿都”风暴潮特征分析与模拟

根据粤西沿海4个海洋站潮位资料分析、讨论了“灿都”台风风暴潮特征:利用改进的Jelesnianski风场,并采用耦合天文潮模拟与非耦合天文潮两种方案,对1003号台风“灿都”进行模拟、分析,模拟结果显示:在改进的杰氏风场驱动下,两种预报结果误差都比较小,但耦合天文潮预报结果优于非耦合天文潮预报结果.     

深圳近海风暴潮影响因素分析

风暴潮可能给沿海城市造成巨大破坏, 而深圳位于易受台风影响的南海北部沿岸, 经济和人口总量巨大, 但有关深圳近海风暴潮的研究工作却十分匮乏。本文基于区域海洋模式系统(regional ocean model system, ROMS)建立了一个以深圳近海为中心的三层嵌套模型, 用于研究深圳近海台风所致风暴潮的影响因素。首先对2018年台风“山竹”过境深圳导致的风暴潮进行模拟, 模拟结果与观测结果较为一致。在此基础上, 进行一系列参数调整试验, 研究台风登陆地点、登陆角度、台风尺度、台风强度以及移动速度的改变对风暴潮及其分布的影响。结果表明, 在深圳西边登陆的台风, 比在深圳东边登陆的台风产生的最大增水高1.5m左右。由东往西移动并登陆深圳的台风, 比由南向北移动的台风产生的最大增水高1.0m左右。台风最大风速半径增加15%, 最大增水上升0.2m左右。台风强度增强15%, 最大增水上升0.4m左右。台风移动速度总体上对风暴潮影响不大, 但不同登陆地点存在明显差异。当台风在深圳西边或者东边登陆时, 台风移动速度增加30%, 深圳沿海各海湾的最大增水反而上升0.2~0.6m。当台风从深圳中部登陆时, 台风移动速度增加30%, 珠江口的最大增水降低0.1m左右, 大鹏湾和大亚湾的最大增水却相反地上升0.2m左右, 不同海湾对台风移动速度呈现不同的变化特征, 与各海湾水体重新分布到稳定状态时间和台风作用时间有关。     

一种台风暴潮数值模拟方法

本文提出一种简便的交替方向隐式差分格式求解沿水深平均的二维风暴潮模型。这种差分格式比常用的ＡＤＩ法具有更简单的形式和更高的计算效率。文中的精度分析和稳定性分析表明该差分格式在等步长条件下具有二阶精度、无条件稳定。在采用理想模型验证之后，本文给出了一次台风暴潮过程的计算实例，其中台风气压场和风场的模拟采用藤田气压模式和梯度风公式，并考虑台风移行产生的风场以及梯度风到海面风的订正。数值摸拟结果和实测值符合良好，其精度达到工程应用要求。     

Derivation of Parametric Tropical Cyclone Models for Storm Surge Modeling

In this paper, the parametric tropical cyclone models for storm surge modeling are further developed. Instead of tangential wind speed via cyclostrophic balance and radial wind speed using a simple formulation of defection angle, the analytical expressions of tangential and radial wind speed distribution are derived from the governing momentum equations based on the general symmetric pressure distribution of Holland and Fujita. The radius of the maximum wind is estimated by tropical cyclone wind structure which is characterized by the radial extent of special wind speed. The shape parameter in the pressure model is estimated by the data of several tropical cyclones that occurred in the East China Sea. Finally, the Fred cyclone (typhoon 199417) is calculated, and comparisons of the measured and calculated air pressures and wind speed are presented.     

Cyclone induced storm surge and flood forecasting in the northern Bay of Bengal

A cyclone induced storm surge and flood forecasting system that has been developed for the northern Bay of Bengal is presented. The developed system includes a cyclone forecasting model that uses statistical models for forecasting of the cyclone track and maximum wind speed, and an analytical cyclone model for generation of cyclone wind and pressure fields. A data assimilation system has been developed that allows updating of the cyclone parameters based on air pressure and wind speed observations from surface meteorological stations. The forecasted air pressure and wind fields are used as input in a 2D hydrodynamic model for forecasting storm surge levels and associated flooding. An efficient uncertainty prediction procedure based on Harr's point estimation method has been implemented as part of the forecasting system for prediction of the uncertainties of the forecasted storm surge levels and inundation areas caused by the uncertainties in the cyclone track and wind speed forecasts. The developed system is applied on a severe cyclone that hit Bangladesh in April 1991. The simulated storm surge and associated flooding are highly sensitive to the cyclone data. The cyclone data assimilation system provides a more accurate cyclone track when the cyclone approaches the coastline, which results in a significant improvement of the storm surge and flood predictions. Application of the uncertainty prediction procedure shows that the large uncertainties of the cyclone track and intensity forecasts result in large uncertainties of the forecasted storm surge levels and flood extend. The forecasting system shows very good forecasting capabilities up to 24 h before the actual landfall.     

黄、东海天气系统对渤海风暴潮影响

渤海沿岸是风暴潮多发区域。研究者多关心渤海局地风引起风暴潮变化,而忽略黄、东海天气系统对渤海风暴潮的影响。为研究外围天气系统对局地风暴潮的影响,本文采用实测资料对比和设计理想数值试验等方法,对黄、东海天气系统影响的渤海风暴潮进行了研究。结果表明:1、TY1814"摩羯"和TY1818"温比亚"台风风暴潮的实测资料呈现当黄、东海风力较大,而渤海风力较小时,渤海沿岸也会出现较大风暴潮现象; 2、从FVCOM(Finite-Volume Coastal Ocean Model)模拟的理想数值试验中发现,黄、东海风向是东南风时,引起渤海沿岸风暴增水极值最大;3、以入海气旋和登陆北上台风两种类型天气系统风向变化设计理想数值试验,发现黄、东海的东南风持续时间对渤海沿岸风暴潮极值大小和出现时间影响较大。理想试验获得的结论不仅能为渤海风暴潮预测和防灾减灾提供理论依据,还能够有效减少预警应急中漏报的现象,降低沿海经济损失。     

洋山港海域一次冷锋型温带风暴潮特征及各影响因子贡献的对比分析

本文研究了由2020年12月29日至31日强冷锋引起的影响洋山港海域的温带风暴潮过程。通过气象观测数据分析了其天气过程, 并利用FVCOM-SWAVE波浪-风暴潮耦合模式对该过程进行了高分辨率的数值模拟, 同时结合潮位站及浮标站观测数据对模拟结果进行了验证, 分析模拟了波浪、潮流、风暴增减水特征。结果发现, 该次冷锋型温带风暴潮过程主要表现为先短时风暴增水后出现长时间风暴减水的特征, 最大风暴减水可达65~70cm, 其主要诱因包括研究海域气压的快速升高并维持、长时间持续的偏北大风及波流相互作用。相关敏感试验研究了3种因子对风暴增减水位的贡献大小, 发现风暴增水峰值期间风场贡献占比约为90%, 海平面气压场约为5%; 风暴减水峰值期间, 海平面气压场的贡献度约占55%, 风场约占40%, 而波浪的贡献均不足10%。洋山港航道内风暴期间潮流流速最大可达到2.6~2.8m•s^-1, 落潮时为东南向离岸潮流, 涨潮时为西至西北方向的外海潮波传入潮流; 洋山港航道潮流始终是东南或西北向, 此处流速辐合, 是洋山海域流速最高的区域。