台风风灾模型以及台风风速重现期的估计 | JOL论文推荐

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首次定量分析了采用经验路径模型预测的极值风速对不同影响因素的敏感性。

提出了基于经验路径模型估计台风极值风速重现期的研究思路。

热带气旋是发生在热带洋面上的一种强致灾性天气系统，发生在西北太平洋的热带气旋俗称为台风，其引发的狂风、暴雨、巨浪、风暴潮等灾害在沿海地区造成了严重的社会经济损失和人员伤亡。我国东南沿海区域是世界上遭受台风灾害最严重的地区之一。根据《中国海洋灾害公报》的数据显示，近十年我国海洋灾害每年平均直接经济损失达100亿元，平均死亡人数超过60人。因此利用台风风灾模型与模拟方法分析台风灾害风险具有十分重要的意义。

为了解决历史样本不足、传统概率统计方法失效的问题，热带气旋随机模拟方法应用而生，并逐步成为当前热带气旋风险评估的一个重要研究领域。目前普遍采用的方法是通过历史数据提取热带气旋特征构建台风随机模型，然后模拟出大量台风样本以扩大其统计资料，最后通过扩展的样本完成区域危险性分析。应用最广泛的两种台风随机模型是分区圆模型和经验全路径合成模型。其中经验路径模型可以合成出台风从生成到消亡的完整路径和强度，它不需要依赖于子区域气候一致性的假设，因此可对大范围区域进行台风危险性分析。

中国科学院海洋研究所侯一筠研究员课题组利用经验路径模型，生成了西北太平洋海域1000年的虚拟热带气旋事件集，并对该事件集进行了验证。研究了台风经验路径模型对不同影响因素的敏感性，包括不同的台风衰减模型、不同的台风路径模型以及不同的极值分布模型，定量探讨了这些因素对我国东南沿海区域50年一遇和100年一遇极端风速预测的影响。研究论文“Typhoon wind hazard model and estimation on return period of typhoon wind speed”发表于Journal of Oceanology and Limnology 2021年第2期，文章第一作者为郭云霞博士，通讯作者为侯一筠研究员。

研究结果

研究发现Vickery and Twisdale (1995)和 Vickery (2005)两种台风衰减模型对预测极值风速的影响最小，这主要是由于两种衰减模型模拟的台风登陆后中心压强的差异很小，如图1所示。

图1 对于在区域3登陆的台风，分别采用Vickry and Twisdale (1995) 和 Vickry (2005) 衰减模型计算得到的台风衰减压差的散点图

在我国东南沿海大部分地区，用非简化的经验路径模型预测的极值风速比用简化的路径模型预测的风速要大。这主要是由两种模型构造的虚拟台风的路径和强度差异造成的。研究表明，预测的大多数站点极值风速的差异可以由台风路径距站点的最小距离和此时的中心压强的差异来解释，如图2所示。

图2 用台风路径最小距离或中心压差的差异可以解释(红点)和不可以解释(蓝点)简化和非简化路径模型预测的极值风速差异的站点

分别采用经验分布、Weibull分布、Gumbel分布和广义Pareto分布对极值风速进行预测，发现预测结果存在较大的差异。对于相同的重现期，预测的极值风速的大小次序为：Weibull分布 < 经验分布 < Gumbel分布。这主要是由各分布函数本身的特点决定的，一般来说若概率密度函数具有“长尾”特征，其预测的极值风速偏大，如图3所示。

图3 某个站点不同极值分布模型的累积概率曲线(a)和概率密度曲线(b)

利用西北太平洋海域1000年的虚拟台风事件集，可以预测不同重现期的极值风速，为台风防灾减灾提供参考。反之，也可以计算给定台风在某地引起的最大风速的重现期，以评估其危险性。为此作者选取了近四年来对中国影响最强的4个超强台风：Meranti (2016)、Hato (2017)、Mangkhut (2018)、Lekima (2019)，并对他们在我国东南沿海不同地区引起的台风极值风速的重现期进行了估计。结果表明，重现期会随着距台风登陆点距离的增加而迅速减小，如图4所示。

图4 Meranti、Hato、Mangkhut和Lekima台风在19-44号沿海站点引起的最大风速的重现期

本研究的相关结论可以为采用经验路径模型预测台风极值风速以及估计台风风速的重现期提供有益的参考。

Citation:

Yunxia GUO, Yijun HOU, Peng QI. 2021. Typhoon wind hazard model and estimation on return period of typhoon wind speed. Journal of Oceanology and Limnology, 39(2): 420-436. https://doi.org/10.1007/s00343-020-9306-3

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