西北太平洋是全球熱帶氣旋發(fā)生頻率最高的地區(qū)。中國(guó)處于西北太平洋的西岸,是世界上受臺(tái)風(fēng)影響最為嚴(yán)重的國(guó)家之一。由于臺(tái)風(fēng)引起的強(qiáng)風(fēng)、暴雨、風(fēng)暴潮和洪澇等災(zāi)害會(huì)對(duì)臺(tái)風(fēng)途經(jīng)的地區(qū)造成嚴(yán)重的損失,因此抗風(fēng)設(shè)計(jì)、區(qū)域防災(zāi)規(guī)劃、保險(xiǎn)及再保險(xiǎn)業(yè)都需要對(duì)臺(tái)風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化分析。然而臺(tái)風(fēng)發(fā)生的時(shí)間和空間都具有很大的不確定性,臺(tái)風(fēng)的路徑、強(qiáng)度及其影響都不能被準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)。因此,臺(tái)風(fēng)的危險(xiǎn)性和風(fēng)險(xiǎn)分析必須以概率理論為基礎(chǔ)。此外,越來(lái)越多的研究表明臺(tái)風(fēng)活動(dòng)會(huì)受到氣候變化的影響,如何在臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性分析中考慮氣候變化的影響也是當(dāng)前應(yīng)對(duì)全球氣候變暖的重要課題。為了增強(qiáng)人類(lèi)應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)災(zāi)害的能力、科學(xué)地制定抗風(fēng)減災(zāi)政策,本文結(jié)合大氣動(dòng)力學(xué)、氣候變化以及災(zāi)害危險(xiǎn)性研究的最新發(fā)展成果,系統(tǒng)地開(kāi)展了臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性分析方法研究,發(fā)展了具有大氣物理學(xué)基礎(chǔ)的熱帶氣旋合成模型,并進(jìn)一步發(fā)展了全球氣候變暖和厄爾尼諾-南方濤動(dòng)影響下的臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性分析方法。以中國(guó)沿海和東亞地區(qū)為目標(biāo)區(qū)域,進(jìn)行了臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性評(píng)估。研究成果可望為臺(tái)風(fēng)影響區(qū)域的重大工程設(shè)施的抗災(zāi)設(shè)計(jì)、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的管理和預(yù)防提供理論基礎(chǔ)和應(yīng)用工具。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)以影響東亞地區(qū)的西北太平洋熱帶氣旋作為研究對(duì)象,發(fā)展了一種基于熱帶氣旋與大氣環(huán)境變量關(guān)系的統(tǒng)計(jì)動(dòng)力學(xué)全路徑合成熱帶氣旋模型。該模型繼承了傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)全路徑合成熱帶氣旋的思想,在熱帶氣旋的生成、路徑和強(qiáng)度模擬方面均有所改進(jìn),具備堅(jiān)實(shí)的氣象學(xué)基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)比歷史熱帶氣旋樣本及其統(tǒng)計(jì)特征,驗(yàn)證了該模型能夠較好地模擬西北太平洋熱帶氣旋活動(dòng)。(2)將統(tǒng)計(jì)動(dòng)力學(xué)全路徑合成模型與全球氣候模式相結(jié)合,進(jìn)一步發(fā)展了考慮氣候變化的臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性分析方法,并用以模擬RCP8.5氣候變暖情景下的西北太平洋熱帶氣旋活動(dòng)。通過(guò)定量分析溫室氣體最不利排放情景下氣候變暖對(duì)熱帶氣旋生成、路徑以及強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)氣候變暖會(huì)導(dǎo)致未來(lái)西北太平洋熱帶氣旋發(fā)生數(shù)量增多、路徑整體東移,造成西北太平洋中部海域的熱帶氣旋通過(guò)率增大,而西南海域的通過(guò)率減少,較弱和中等強(qiáng)度臺(tái)風(fēng)頻率會(huì)輕微下降,超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)頻率則會(huì)顯著增加。(3)利用本文發(fā)展的方法對(duì)西北太平洋熱帶氣旋活動(dòng)進(jìn)行了大規(guī)模模擬,用以分析中國(guó)沿海地區(qū)和東亞地區(qū)的臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性,得到了中國(guó)沿海10個(gè)主要城市的熱帶氣旋通過(guò)率和不同重現(xiàn)期的極值風(fēng)速,并繪制了不同重現(xiàn)期的臺(tái)風(fēng)極值風(fēng)速圖�？紤]到全球氣候變暖,本文定量評(píng)估了氣候變暖對(duì)本世紀(jì)末30年(2071~2100年)東亞地區(qū)臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性的影響,發(fā)現(xiàn)東亞沿海地區(qū)50年和100年回歸期風(fēng)速將會(huì)增大,其中中國(guó)東部和北部沿海地區(qū)是受氣候變暖影響最大的地區(qū)。(4)利用發(fā)展的統(tǒng)計(jì)動(dòng)力學(xué)全路徑合成模型分別模擬了厄爾尼諾-南方濤動(dòng)三個(gè)階段的西北太平洋熱帶氣旋活動(dòng),發(fā)現(xiàn)從厄爾尼諾年、中性年到拉尼娜年,熱帶氣旋的生成位置和路徑會(huì)逐漸向西北移動(dòng)。通過(guò)定量分析厄爾尼諾-南方濤動(dòng)三個(gè)階段下中國(guó)沿海地區(qū)的熱帶氣旋通過(guò)率和極值風(fēng)速的差異,發(fā)現(xiàn)拉尼娜年的熱帶氣旋通過(guò)率和極值風(fēng)速比厄爾尼諾年高。此外,厄爾尼諾-南方濤動(dòng)的擾動(dòng)會(huì)增加年際臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性結(jié)果的不確定性,而對(duì)多年代際的結(jié)果則影響較小。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：P444;P429
【部分圖文】：

.2.2 全路徑合成模型為了克服分區(qū)圓模型的上述缺點(diǎn)，Vickery 等[20]利用全海域的熱帶氣旋歷樣本首先發(fā)展出工程應(yīng)用上可行的臺(tái)風(fēng)經(jīng)驗(yàn)路徑合成模型（Empirical Trackodel）。在該模型中，整個(gè)大西洋區(qū)域被劃分為無(wú)重疊單元，然后對(duì)每個(gè)單內(nèi)的歷史臺(tái)風(fēng)路徑片段進(jìn)行回歸統(tǒng)計(jì)，從而構(gòu)建包括臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度，移動(dòng)方和強(qiáng)度的臺(tái)風(fēng)經(jīng)驗(yàn)路徑模型。這種路徑模型隨后被多位學(xué)者改進(jìn)，并應(yīng)用在風(fēng)危險(xiǎn)性分析中[21-30]。與分區(qū)圓模型相比，經(jīng)驗(yàn)路徑模型可以合成出臺(tái)風(fēng)生成到消亡的路徑和強(qiáng)度，因此可對(duì)大范圍區(qū)域進(jìn)行臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性分析。雖然路徑合成模型的具體建模方法各異，但是基本思想是一致的：即先對(duì)路徑分模擬，再組合成完整的路徑和強(qiáng)度。全路徑合成模型模擬熱帶氣旋的示意過(guò)如圖 1-1 所示，首先模擬熱帶氣旋的初始生成位置；其次模擬熱帶氣旋的移速度和方向，估算出熱帶氣旋的下一時(shí)刻位置，同時(shí)模擬各個(gè)位置上的強(qiáng)度；此反復(fù)，當(dāng)熱帶氣旋移動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)一定范圍內(nèi)，與風(fēng)場(chǎng)模型結(jié)合便可以估算熱帶氣旋對(duì)目標(biāo)點(diǎn)產(chǎn)生的風(fēng)速。50°N

Li 和Hong[29,43]也分別考察了該模型對(duì)中國(guó)大陸臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)危險(xiǎn)性分析的適用性。圖1-2 a)和 b)分別給出了臺(tái)風(fēng)“約克”（York）和臺(tái)風(fēng)“黑格比”（Hagupit）在兩個(gè)不同站點(diǎn)的風(fēng)速和風(fēng)向時(shí)程的模擬值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比結(jié)果[43]。從圖 1-2 中可以看出，這種臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型能較好地模擬歷史臺(tái)風(fēng)風(fēng)速記錄，但在部分階段模擬精度還有待進(jìn)一步提高。這些參數(shù)化的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型大部分都屬于二維風(fēng)場(chǎng)模型，這類(lèi)模型只能模擬邊界層內(nèi)的垂直平均風(fēng)速，然后通過(guò)風(fēng)速折減關(guān)系得到邊界層內(nèi)的風(fēng)速垂直結(jié)構(gòu)，對(duì)比較規(guī)則的成熟臺(tái)風(fēng)具有較好的描述能力。但是這種方法過(guò)分依賴(lài)于風(fēng)速折減關(guān)系對(duì)臺(tái)風(fēng)的匹配程度，所以不能反映臺(tái)風(fēng)邊界層內(nèi)風(fēng)場(chǎng)的垂直變化特征。如果想更加精細(xì)地模擬臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)，還需要對(duì)參數(shù)化二維臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型進(jìn)行擴(kuò)展，將大氣邊界層模型與自由大氣層模型結(jié)合，進(jìn)一步發(fā)展參數(shù)化的三維簡(jiǎn)化臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型。實(shí)際上，在臺(tái)風(fēng)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)領(lǐng)域，氣象學(xué)界已經(jīng)發(fā)展了若干數(shù)值臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)模式（Numerical Weather Prediction），這些模式主要包括 MM5 模式（Mesoscale Model 5）[37]和颶風(fēng) WRF 模式（Weather Research & Forecasting）[38]。前者由美國(guó)國(guó)家氣象研究中心和賓夕法尼亞大學(xué)共同開(kāi)發(fā)，后者由美國(guó)國(guó)家氣象研究中心開(kāi)發(fā)，二者皆可用于中尺度天氣研究和預(yù)報(bào)。這類(lèi)中尺度天氣模式可以比較好地模擬復(fù)雜不規(guī)則的三維臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)，在天氣預(yù)報(bào)上已經(jīng)得到了廣泛地應(yīng)用。然而這類(lèi)模式的計(jì)算量巨大，即便是目前巨型機(jī)的計(jì)算力也很難滿(mǎn)足臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性分析所需的百萬(wàn)至千萬(wàn)次隨機(jī)模擬的要求，所以直接將這類(lèi)模式應(yīng)用于工程上的臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性分析仍然存在困難。

第 1 章 緒 論Webster 等[55]對(duì) 1970~2004 年全球熱帶氣旋的數(shù)量和強(qiáng)度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn) 35年間熱帶氣旋總數(shù)沒(méi)有顯著變化，但薩菲爾-辛普森颶風(fēng)等級(jí)（Saffir-SimpsonHurricane Wind Scale，SSHWS）4-5 級(jí)的臺(tái)風(fēng)（颶風(fēng)）數(shù)量和比例會(huì)明顯增加，其中北太平洋、印度洋、西南太平洋的增幅最大，北大西洋增幅最小。Emanuel[8]發(fā)現(xiàn)從二十世紀(jì)七十年代中期至今北大西洋颶風(fēng)的功耗指標(biāo)顯著增加，這反映了颶風(fēng)的持時(shí)和強(qiáng)度都有明顯的增大，氣候變暖可能會(huì)導(dǎo)致熱帶氣旋破壞潛力上升。不過(guò)也有其他研究針對(duì)熱帶氣旋強(qiáng)度變強(qiáng)趨勢(shì)這一結(jié)論提出質(zhì)疑，他們認(rèn)為欠佳的歷史記錄質(zhì)量和過(guò)短的歷史記錄長(zhǎng)度是不足以反映熱帶氣旋強(qiáng)度的增長(zhǎng)趨勢(shì)，目前的變化趨勢(shì)很可能只是一個(gè)更大尺度循環(huán)中的一部分[56-58]。正如 IPCC 第五次報(bào)告所指出，全球熱帶氣旋活動(dòng)長(zhǎng)期變化保持穩(wěn)定的可信度是非常低的，但是將全球熱帶氣旋活動(dòng)的變化歸因于某種特定原因也沒(méi)有足夠的可信度[54]。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

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本文編號(hào)：2814912