李 穎, 方偉華, 林 偉, 葉妍婷

(1. 北京師范大學(xué)環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875; 2. 北京師范大學(xué)地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875; 3. 北京師范大學(xué)民政部-教育部減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院, 北京 100875)

可能最大風(fēng)暴潮風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中各等級(jí)熱帶氣旋設(shè)定方法

李 穎1,2,3, 方偉華1,2,3, 林 偉1,2,3, 葉妍婷1,2,3

(1. 北京師范大學(xué)環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875; 2. 北京師范大學(xué)地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875; 3. 北京師范大學(xué)民政部-教育部減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院, 北京 100875)

可能最大熱帶氣旋的設(shè)定是可能最大風(fēng)暴潮計(jì)算的基礎(chǔ), 對(duì)風(fēng)暴潮災(zāi)害應(yīng)急疏散具有重要意義。利用1949～2011年中國(guó)氣象局(CMA)西北太平洋熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集、美國(guó)聯(lián)合臺(tái)風(fēng)預(yù)警中心(JTWC)以及美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)最大風(fēng)速半徑數(shù)據(jù)集, 基于各等級(jí)熱帶氣旋參數(shù)之間的定量關(guān)系, 建立了各等級(jí)可能最大熱帶氣旋最大風(fēng)速、中心氣壓、最大風(fēng)速半徑、移動(dòng)速度、移動(dòng)方向等參數(shù)設(shè)定及路徑合成的方法。以福建省連江縣為例, 按照臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)及超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度等級(jí),分強(qiáng)度衰減和不衰減2種情況, 設(shè)定3種移動(dòng)方向, 合成了共216場(chǎng)熱帶氣旋作為可能最大風(fēng)暴潮的計(jì)算輸入。另外, 對(duì)參數(shù)敏感性、風(fēng)場(chǎng)參數(shù)設(shè)定、參數(shù)設(shè)定與計(jì)算量的關(guān)系、疊加天文潮以及潰堤等問(wèn)題進(jìn)行了討論。

熱帶氣旋; 可能最大風(fēng)暴潮; 參數(shù)設(shè)定; 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是風(fēng)暴潮災(zāi)害管理的基礎(chǔ)。我國(guó)瀕臨西北太平洋, 登陸我國(guó)的熱帶氣旋頻率高、影響范圍廣、突發(fā)性強(qiáng), 其引發(fā)的熱帶風(fēng)暴潮災(zāi)害經(jīng)常造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[1-3]。根據(jù)評(píng)估對(duì)象、方法及結(jié)果的不同, 風(fēng)暴潮風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估包括[4]: (1)某點(diǎn)各多年一遇水平下風(fēng)暴潮增水或水深評(píng)估, (2)某區(qū)域各多年一遇水平下風(fēng)暴潮淹沒(méi)水深及范圍評(píng)估, (3)不同等級(jí)熱帶氣旋下可能最大風(fēng)暴潮淹沒(méi)范圍及水深評(píng)估, (4)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與區(qū)劃等。其中, 不同多年一遇水平評(píng)估產(chǎn)品可為工程設(shè)計(jì)、各類規(guī)劃及保險(xiǎn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)等服務(wù)[5], 而可能最大風(fēng)暴潮則主要面向于熱帶風(fēng)暴潮災(zāi)害的應(yīng)急指揮、疏散避難、社區(qū)綜合減災(zāi)等應(yīng)用[6]。

可能最大熱帶氣旋(Probable Maximum Tropical Cyclone, PMTC)是一種假想的平穩(wěn)狀態(tài)的熱帶氣旋,它是根據(jù)可以在特定海岸地區(qū)發(fā)生最大持續(xù)風(fēng)速所選擇的氣象參數(shù)值的組合[7]。其中, 平穩(wěn)狀態(tài)是指熱帶氣旋各氣象參數(shù)相互約束且相互適應(yīng)的狀態(tài)?？赡茏畲箫L(fēng)暴潮(Probable Maximum Storm Surge, PMSS)是 PMTC沿最不利途徑逼近海岸的情景下產(chǎn)生的沿海各點(diǎn)的最大風(fēng)暴潮增水及淹沒(méi)。目前, 對(duì)于如何設(shè)定PMTC以計(jì)算PMSS, 已開(kāi)展了一系列研究。

美國(guó)對(duì)可能最大颶風(fēng)(Probable Maximum Hurricane, PMH)及其引起的 PMSS的研究開(kāi)展早、理論強(qiáng)、應(yīng)用廣。1959年, 美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)(USACE)在美國(guó)納拉干海灣與新奧爾良地區(qū)開(kāi)展了 PMH研究[8],但僅重點(diǎn)考慮了中心氣壓; 隨后, 出現(xiàn)了越來(lái)越多的 PMH理論方法探索及區(qū)域應(yīng)用研究, 例如, Wall采用概率性方法設(shè)定可能最大颶風(fēng)參數(shù), 并依此評(píng)估了紐約杰弗森港口的PMSS增水[9]; 美國(guó)核安全導(dǎo)則規(guī)定, 設(shè)定 PMSS時(shí)應(yīng)在可能最大颶風(fēng)引起的增水基礎(chǔ)上疊加10%的超高潮位并考慮海平面異常[10];美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)技術(shù)報(bào)告NWS23中提供了可能最大颶風(fēng)的參數(shù)范圍, 通過(guò)設(shè)定多種情景來(lái)組合颶風(fēng)參數(shù), 從而評(píng)估PMSS[11]。

2007年, 美國(guó)國(guó)家颶風(fēng)中心(National Hurricane Center, NHC)在SLOSH Display Program(SDP)項(xiàng)目的支持下建立了最大可能增水產(chǎn)品(Maximum Envelope of Water, MEOW)[6]。目前NHC已經(jīng)在美國(guó)37個(gè)海區(qū)完成了 80多個(gè) MEOW 產(chǎn)品的計(jì)算及應(yīng)用, MEOW結(jié)果中某個(gè)點(diǎn)和其相鄰點(diǎn)的最大增水可能是由不同合成路徑的颶風(fēng)產(chǎn)生的。用戶雖然不知道是哪場(chǎng)颶風(fēng)計(jì)算的最大增水, 但是MEOW提供了1種在已知颶風(fēng)強(qiáng)度等級(jí)前提下, 綜合考慮颶風(fēng)路徑預(yù)報(bào)不確定性、天文潮位疊加不確定性的最壞情景下的最大可能增水。

2003年, 日本內(nèi)閣府聯(lián)合其他風(fēng)暴潮災(zāi)害管理部門(mén), 在多個(gè)研究機(jī)構(gòu)支持下, 編制發(fā)布了《海嘯-風(fēng)暴潮危險(xiǎn)制圖手冊(cè)》, 對(duì) PMTC參數(shù)的設(shè)定方法進(jìn)行了說(shuō)明[12]。具體方法可分為2類, 一是參照影響研究區(qū)的最嚴(yán)重風(fēng)暴潮災(zāi)害的歷史熱帶氣旋; 二是參照整個(gè)日本范圍內(nèi)造成過(guò)嚴(yán)重風(fēng)暴潮災(zāi)害的熱帶氣旋, 一般選定1959年的伊勢(shì)灣臺(tái)風(fēng)作為參照。另外, 對(duì)較嚴(yán)重風(fēng)暴潮的潰堤情景進(jìn)行了粗略規(guī)范。

1991年, 中國(guó)國(guó)家核安全局發(fā)布了《核安全導(dǎo)則匯編》, 在核電站設(shè)計(jì)基準(zhǔn)熱帶氣旋相關(guān)部分給出了PMTC參數(shù)的設(shè)定方法[6], 隨后, 其他研究針對(duì)廣東陽(yáng)江、江蘇連云港等核電站附近或其他熱帶風(fēng)暴潮易發(fā)地區(qū)PMTC相關(guān)水文氣象參數(shù)進(jìn)行了設(shè)定和計(jì)算[13-15]。

雖然美、日、中三國(guó)均有一些PMTC方面的研究, 但也存在著較大的差別: (1)美國(guó)在颶風(fēng)路徑參數(shù)設(shè)定上考慮的情景比較全面, 主要有三個(gè)特點(diǎn):一是考慮了不同颶風(fēng)等級(jí)分別設(shè)定; 二是考慮不同情景進(jìn)行參數(shù)組合, 并能計(jì)算出各種組合的概率;三是采用風(fēng)暴潮數(shù)值模式對(duì)颶風(fēng)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析, 提高了設(shè)定結(jié)果的可靠性。(2)日本的PMTC設(shè)定方法有2個(gè)特點(diǎn): 一是對(duì)于最大風(fēng)速、最低氣壓、最大風(fēng)速半徑、登陸方向、移動(dòng)速度等參數(shù)的具體設(shè)定方法沒(méi)有做出明確的規(guī)定, 而是由地方政府依據(jù)本地區(qū)情況進(jìn)行靈活設(shè)定; 二是沒(méi)有按照不同熱帶氣旋等級(jí)分別計(jì)算制圖, 只是選擇本地或者全國(guó)最壞的歷史情景進(jìn)行設(shè)定, 部分原因是日本地處太平洋地震帶, 在全國(guó)很多地區(qū)海嘯造成的淹沒(méi)范圍和水位要明顯高于熱帶風(fēng)暴潮。(3)中國(guó)的《核安全導(dǎo)則匯編》中的PMTC參數(shù)設(shè)定, 具有2大特點(diǎn): 一是不考慮不同熱帶氣旋等級(jí)分別進(jìn)行設(shè)定; 二是參數(shù)設(shè)定為最不利情況的組合, 出現(xiàn)這種極端組合的概率非常小。

可以看出, 我國(guó)以往的PMTC和PMSS研究, 目的是為了核工程的絕對(duì)安全, 其參數(shù)設(shè)定和計(jì)算沒(méi)有針對(duì)不同等級(jí)的熱帶氣旋。目前, 我國(guó)地方政府越來(lái)越注重以人為本科學(xué)應(yīng)對(duì)災(zāi)害, 需要大范圍地疏散轉(zhuǎn)移沿岸居民并強(qiáng)制漁船進(jìn)港、漁民上岸, 但在確定疏散規(guī)模時(shí)一些地區(qū)存在過(guò)度疏散情況, 易導(dǎo)致災(zāi)害應(yīng)對(duì)社會(huì)成本過(guò)高和行政資源浪費(fèi)。2011年“3.11”日本地震海嘯后, 國(guó)家海洋局開(kāi)始組織開(kāi)展國(guó)家、省、市、縣等尺度的風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和區(qū)劃工作, 現(xiàn)已編制了《風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與區(qū)劃技術(shù)導(dǎo)則(試行)》[5], 其中提出要對(duì)我國(guó)沿海各縣進(jìn)行不同熱帶氣旋等級(jí)的 PMSS淹沒(méi)范圍和水深評(píng)估,為地方科學(xué)合理進(jìn)行風(fēng)暴潮災(zāi)害應(yīng)急避難、轉(zhuǎn)移疏散提供依據(jù)。

風(fēng)暴潮增水大小通常與熱帶氣旋強(qiáng)度、范圍、移速、移向及下墊面情況有關(guān)。一般而言, 最大風(fēng)速越大、最大風(fēng)速半徑越廣、登陸時(shí)移動(dòng)方向越垂直于海岸, 則風(fēng)暴潮增水越大; 中心最低氣壓對(duì)增水的直接影響則較小, 氣壓越低增水越大; 通常移動(dòng)速度越小, 海灣和河口地區(qū)增水越高、淹沒(méi)范圍越廣,而移動(dòng)速度越大則會(huì)使開(kāi)闊海岸地區(qū)增水越高[16-17]。另外, 局地的岸線形狀、海灣、河流、海岬及島嶼等地形作用、天文潮位、風(fēng)場(chǎng)計(jì)算中的Holland B系數(shù)[18]、潰堤情景等也會(huì)影響PMSS的計(jì)算。

據(jù)此, 本文將結(jié)合中國(guó)沿海熱帶氣旋及熱帶風(fēng)暴潮的特點(diǎn), 綜合考慮縣尺度熱帶風(fēng)暴潮風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估所需的數(shù)據(jù)及技術(shù)要求, 以福建省連江縣為例, 探索適合中國(guó)沿海縣尺度可能最大熱帶風(fēng)暴潮風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的熱帶氣旋熱帶參數(shù)設(shè)定方法, 并給出具體的設(shè)定結(jié)果, 為開(kāi)展不同熱帶氣旋等級(jí)的可能最大風(fēng)暴潮淹沒(méi)范圍和水深評(píng)估工作提供參考。

1 資料處理

本文主要采用了中國(guó)氣象局(CMA)熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集(1949～2011年), 其記錄了西北太平洋熱帶氣旋每6 h的時(shí)間(T)、中心經(jīng)度(Dlon)、中心緯度(Dlat)、中心最低氣壓(Pmin)以及平均近中心最大風(fēng)速(Vmax)等指標(biāo)[19], 但是該數(shù)據(jù)集中未包含對(duì)熱帶氣旋設(shè)定具有重要作用的登陸點(diǎn)相關(guān)參數(shù)。為此, 本文利用登陸前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了插值。首先, 建立亞歐大陸較為光滑的海岸線作為熱帶氣旋是否登陸的分界線, 避免計(jì)算過(guò)程中由于實(shí)際海岸線過(guò)于復(fù)雜造成短時(shí)間內(nèi)多次登陸的問(wèn)題;其次, 利用登陸前后的參數(shù), 從線性、拋物線、樣條、三次樣條及分形等函數(shù)形式中優(yōu)選出不同參數(shù)的最佳插值方法, 建立了自適應(yīng)插值方法, 對(duì)登陸點(diǎn)參數(shù)T、Dlon、Dlat、Pmin、Vmax等進(jìn)行插值, 并計(jì)算了移動(dòng)速度(Vt)和移動(dòng)方向(θ), 詳見(jiàn)文獻(xiàn)[20]。

由于最大風(fēng)速半徑Rm實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較少, 本文還使用了兩組包含Rm的數(shù)據(jù)集。一是美國(guó)聯(lián)合臺(tái)風(fēng)預(yù)警中心(JTWC)最佳路徑數(shù)據(jù)集(2001～2011年)[21], 二是NOAA西北太平洋飛機(jī)探測(cè)臺(tái)風(fēng)資料(1960～1974年), 記錄了173個(gè)熱帶氣旋的Pmin及Rm數(shù)據(jù)[11]。所有數(shù)據(jù)集在使用前均將單位轉(zhuǎn)換為與CMA一致。其中, 由于CMA數(shù)據(jù)集中Vmax為2 min最大平均風(fēng)速, 而JTWC中為1 min最大平均風(fēng)速。為此, 參照世界氣象組織標(biāo)準(zhǔn)及已有研究[22-23], 對(duì)2 min與1 min的平均風(fēng)速進(jìn)行了轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換關(guān)系為2 min最大平均風(fēng)速等于1 min最大平均風(fēng)速減去 0.91 m/s。除特別指出外, 下文Vmax均指2 min最大平均風(fēng)速。

CMA、JTWC和NOAA是西北太平洋熱帶氣旋歷史數(shù)據(jù)收集最為權(quán)威的機(jī)構(gòu), 在整編上述數(shù)據(jù)集中均進(jìn)行了數(shù)據(jù)質(zhì)量及一致性檢驗(yàn)。

2 參數(shù)設(shè)定方法

根據(jù)PMSS與PMTC參數(shù)之間的關(guān)系, 為了達(dá)到PMSS要求, 確定PMTC參數(shù)設(shè)計(jì)步驟如下: (1)基于熱帶氣旋等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)確定各等級(jí)PMTC的最大風(fēng)速; (2)根據(jù)中心氣壓、最大風(fēng)速半徑與最大風(fēng)速的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)關(guān)系, 結(jié)合已設(shè)定的最大風(fēng)速, 在約束條件下盡可能提高中心氣壓差、最大風(fēng)速半徑的設(shè)定值; (3)鑒于移動(dòng)速度對(duì) PMSS的影響與熱帶氣旋路徑所經(jīng)歷的局地地形有很大關(guān)系, 分情況給出參考建議; (4)設(shè)定與計(jì)算量關(guān)系較為密切的指標(biāo)大小,包括移動(dòng)方向多少、路徑間距的大小、是否考慮衰減等, 在計(jì)算能力滿足的情況下, 盡量增加多種移動(dòng)方向、縮小路徑間距及考慮衰減情況?；跉v史觀測(cè)數(shù)據(jù), 分析熱帶氣旋主要參數(shù)(Dlon、Dlat、Vmax、Pmin、Rm、Vt、θ)(圖 1)之間的定量關(guān)系, 結(jié)合其對(duì)風(fēng)暴潮增水的影響[16-17], 進(jìn)行PMTC參數(shù)組合設(shè)定。

2.1 登陸參考點(diǎn)

為了對(duì)研究區(qū)內(nèi)及附近的歷史熱帶氣旋參數(shù)進(jìn)行特征統(tǒng)計(jì), 或者對(duì)合成路徑的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定, 需要確定一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)作為熱帶氣旋登陸參考點(diǎn)(Central Reference Point, CREF)。CREF一般選擇位于研究區(qū)光滑后的海岸線的中間位置, 并根據(jù)沿海海岸線及島嶼分布情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。圖 1給出了中國(guó)沿海光滑處理后的海岸線、沿海240個(gè)市(縣)行政邊界以及各市(縣)CREF分布。其中, 大陸沿海203個(gè)市(縣), CREF共209個(gè); 海南省沿海13個(gè)市(縣), CREF共13個(gè); 臺(tái)灣省沿海24個(gè)市(縣), CREF共24個(gè)。

圖 1 中國(guó)沿海各市(縣)CREF分布、福建連江縣位置及PMTC參數(shù)示意圖Fig. 1 CREF for China's coastal cities (counties), location of Lianjiang County, Fujian Province and schematic diagram of PMTC parameters

2.2 最大風(fēng)速

熱帶氣旋其他參數(shù)不變時(shí),Vmax越大引起的風(fēng)暴潮增水越大, 因而, 可以將各等級(jí) PMTC的Vmax設(shè)為該等級(jí)Vmax的上限值, 即熱帶低壓17.1 m/s, 熱帶風(fēng)暴24.4 m/s, 強(qiáng)熱帶風(fēng)暴32.6 m/s, 臺(tái)風(fēng)41.4 m/s,強(qiáng)臺(tái)風(fēng)50.9 m/s[24]。

由于超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)Vmax沒(méi)有上限, 其設(shè)定應(yīng)考慮PMSS風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估成果的應(yīng)用特點(diǎn), 并結(jié)合研究區(qū)及附近歷史熱帶氣旋的Vmax來(lái)綜合判定。例如, 一是考慮西北太平洋所有歷史熱帶氣旋登陸點(diǎn)的Vmax的最大值(1949～2011年為54.03 m/s); 二是考慮研究區(qū)CREF附近范圍內(nèi)歷史熱帶氣旋登陸點(diǎn)的Vmax的最大值; 三是考慮CREF附近不同重現(xiàn)期(如200 a一遇)下的Vmax。

2.3 中心氣壓差

首先, 找出Vmax與Pmin之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。熱帶氣旋中心壓差PD是外圍氣壓Pn與Pmin的差值。PD與Vmax有著很強(qiáng)的相關(guān)性, Atkinson和Holliday[25]于1977年對(duì)西北太平洋熱帶氣旋的風(fēng)壓關(guān)系進(jìn)行了擬合(公式(1)), 其中A、B為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。另外, 在探討風(fēng)壓關(guān)系時(shí)也有研究考慮了緯度、Vt等因素的影響[23,26]。

本文利用 CMA數(shù)據(jù)集所有樣本對(duì)風(fēng)壓關(guān)系進(jìn)行了擬合, 如公式(2)所示, 其中,R為相關(guān)系數(shù), 通過(guò)Vmax推算出PD(圖2)。

其次, 比較登陸點(diǎn)PD的歷史觀測(cè)值與平均經(jīng)驗(yàn)值之間的關(guān)系。分析1949～2011年登陸點(diǎn)風(fēng)壓資料,可以看出, 平均經(jīng)驗(yàn)值加上歷史觀測(cè)值的 1倍標(biāo)準(zhǔn)差(20.77)后, 結(jié)果不僅一般均大于歷史登陸點(diǎn)觀測(cè)值的最高值, 而且正好位于其附近(圖2)。

圖2 西北太平洋熱帶氣旋PD與Vmax關(guān)系圖Fig. 2 Relationship betweenPD and Vmax for cyclones in the Western North Pacific

最后, 利用歷史觀測(cè)值與平均經(jīng)驗(yàn)值之間的關(guān)系, 設(shè)定Pmin, 如公式(3)所示, 其中SD為 1倍方差,Pn取為1 008 hPa。

2.4 最大風(fēng)速半徑

首先, 繪制Rm與Vmax之間的散點(diǎn)圖。通常采用經(jīng)驗(yàn)擬合法利用Vmax估算Rm, 也有一些研究采用逐步回歸法利用PD及緯度等參數(shù)估算Rm[27-28]。本文對(duì)Vmax和Rm之間的關(guān)系進(jìn)行了探索, 總的規(guī)律為Vmax越大時(shí)Rm越小(圖3), 但同時(shí)可以看出相關(guān)性非常弱。

其次, 找出Rm的最大值與Vmax之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。設(shè)定PMTC的Rm時(shí), 重點(diǎn)研究最大值而非平均值。由圖4可以看出, 熱帶氣旋Rm的最大值與Vmax具有較好的線性關(guān)系(公式(4)):

然后, 比較Rm最大值的歷史觀測(cè)值與平均經(jīng)驗(yàn)值之間的關(guān)系。利用擬合曲線加1倍標(biāo)準(zhǔn)差(21.37 km),同DP類似, 其值也均高于歷史觀測(cè)值且位于其附近(圖4)。

最后, 利用公式(5)設(shè)定PMTC登陸點(diǎn)的Rm。

圖3 西北太平洋熱帶氣旋Rm與Vmax散點(diǎn)圖Fig. 3 Relationship between Rm and Vmax for tropical cyclones in the Western North Pacific

圖4 西北太平洋熱帶氣旋Rm的最大值與Vmax關(guān)系圖Fig. 4 Relationship between maximum Rm and Vmax for tropical cyclones in the Western North Pacific

2.5 移動(dòng)速度

首先, 探索Vt與強(qiáng)度、緯度等參數(shù)的關(guān)系。根據(jù)CMA資料統(tǒng)計(jì),Vt與Vmax、Pmin等強(qiáng)度變量關(guān)系不大?？紤]到Vt受地轉(zhuǎn)偏向力和大氣環(huán)流影響較大,與其本身所處緯度關(guān)系密切[29-30]。由此, 本文對(duì)以5°為間隔的各緯度帶內(nèi)登陸點(diǎn)的平均移速進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(表1)。

表1 西北太平洋熱帶氣旋登陸點(diǎn)Vt分緯度統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab. 1 Statistical results of translating velocity Vt of landing tropical cyclones in the Western North Pacific indifferent latitudes

其次, 參考各緯度帶內(nèi)Vt的統(tǒng)計(jì)結(jié)果, 設(shè)定登陸點(diǎn)。移動(dòng)速度大, 可造成較大的風(fēng)暴增水極值, 而移動(dòng)速度小持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的熱帶氣旋, 也可能導(dǎo)致較大的淹沒(méi)范圍?？紤]到Vt本身波動(dòng)較大, 為減少PMSS估算的不確定性, 特定區(qū)域PMTC的Vt應(yīng)通過(guò)敏感性分析來(lái)確定。但為便于實(shí)際應(yīng)用, 一些研究根據(jù)PD設(shè)定了Vt上下限[7,11], 或?qū)t設(shè)為區(qū)域樣本最大值[13]或者平均值[15,31]。本文案例中將PMTC的Vt設(shè)為研究區(qū)歷史記錄的平均值。

2.6 移動(dòng)方向

首先, 探索登陸時(shí)θ與強(qiáng)度等參數(shù)間的關(guān)系。θ與Vmax、Rm等參數(shù)沒(méi)有顯著相關(guān)關(guān)系, 而更多受引導(dǎo)氣流的影響[32]。因此設(shè)定θ時(shí), 不考慮其與熱帶氣旋其他參數(shù)之間的關(guān)系。

其次, 對(duì)熱帶氣旋登陸θ進(jìn)行頻率分析。由于歷史觀測(cè)樣本較少, 本文采用 Chouinard方法分析[33],實(shí)質(zhì)為以高斯核函數(shù)對(duì)在距 CREF點(diǎn)一定空間范圍內(nèi)的歷史樣本進(jìn)行插值, 從而得到各方向熱帶氣旋登陸頻次(公式(6)、(7)、(8))。其中,λ為熱帶氣旋頻次, 表示一定方向(如1°)、一定距離(如1 km)、一定時(shí)間(如圖1 a)范圍內(nèi)熱帶氣旋登陸的次數(shù)。w為權(quán)重, 是距離熱帶氣旋中心的距離和角度的函數(shù)。θi為第i個(gè)樣本點(diǎn)的移動(dòng)方向,hd為最優(yōu)距離窗寬,hθ為最優(yōu)角度窗寬。

然后, 分析最有利于造成研究區(qū)內(nèi)風(fēng)暴潮增水的θ。根據(jù)歷史風(fēng)暴潮資料, 或者采用數(shù)值模式計(jì)算,對(duì)熱帶風(fēng)暴潮增水對(duì)登陸時(shí)θ的敏感性進(jìn)行分析,確定最有利于風(fēng)暴潮增水的θ。

最后, 確定θ間隔并設(shè)定登陸θ列表。綜合考慮登陸θ頻率分布、最有利風(fēng)暴潮增水的θ后, 既可以采用等間距設(shè)定θ, 也可以在增水對(duì)登陸θ比較敏感的角度多設(shè)定一些方向。

2.7 路徑間距

為保證最大風(fēng)暴潮淹沒(méi)水深空間分布的合理性,首先, 所設(shè)定的路徑間距要足夠小, 才能保證熱帶氣旋路徑對(duì)模擬區(qū)域的的平滑覆蓋, 若路徑間隔太遠(yuǎn), 則可能導(dǎo)致風(fēng)暴潮增水估算結(jié)果波動(dòng)較大, 從而低估模擬風(fēng)暴潮的峰值增水出現(xiàn)的可能性。其次,若路徑間距設(shè)定過(guò)小則會(huì)導(dǎo)致模擬次數(shù)過(guò)多, 帶來(lái)較大的計(jì)算成本, 影響PMSS風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估效率。已有研究表明, 當(dāng)路徑間距設(shè)定為Rm時(shí), 已能得到較好的評(píng)估結(jié)果[32]。另外, 由于熱帶氣旋的右側(cè)風(fēng)速更大,所引起的風(fēng)暴潮更強(qiáng), 因而主路徑方向左側(cè)設(shè)定的路徑數(shù)量一般應(yīng)略多于右側(cè), 若研究區(qū)附近熱帶氣旋不對(duì)稱性越高, 則兩側(cè)路徑數(shù)量差異越大。

因此, 應(yīng)綜合考慮敏感性及計(jì)算能力進(jìn)行路徑間距設(shè)定, 路徑間距設(shè)定值應(yīng)不大于Rm, 在計(jì)算能力允許的條件下, 可適當(dāng)減小路徑間距設(shè)定值。

2.8 強(qiáng)度衰減

若假設(shè)熱帶氣旋登陸前后無(wú)衰減, 對(duì) PMTC各路徑點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)定, 則各路徑點(diǎn)Pmin、Vmax、Rm等特征參數(shù)可設(shè)定為與CREF一致。

實(shí)際熱帶氣旋登陸前后受陸地影響, 其強(qiáng)度會(huì)從登陸前一定距離開(kāi)始衰減。如果考慮衰減, 可根據(jù)研究區(qū)歷史熱帶氣旋實(shí)際情況, 分洋面衰減和陸地衰減兩部分進(jìn)行設(shè)定:

首先, 設(shè)定洋面強(qiáng)度衰減系數(shù)。熱帶氣旋在登陸前一個(gè)時(shí)段,PD、Rm均呈較明顯的線性變化趨勢(shì)[32]。例如, 美國(guó)墨西哥灣的研究表明, 距離海岸約為90 n mile時(shí)的Rm約為登陸時(shí)Rm的1/1.3倍, 而PD的衰減系數(shù)與登陸點(diǎn)Rm有關(guān)[32]。由于離岸較遠(yuǎn)的強(qiáng)度變化與當(dāng)時(shí)的環(huán)境有關(guān), 具有一定的隨機(jī)性,可設(shè)定為最多增強(qiáng)至某一強(qiáng)度(如Vmax約70 m/s)處即可。

其次, 設(shè)定登陸強(qiáng)度衰減系數(shù)。熱帶氣旋登陸后,PD隨時(shí)間呈指數(shù)衰減[34-35], 其衰減規(guī)律近似符合以下關(guān)系(公式(9)), 其中,PD0為登陸點(diǎn)中心氣壓差;T為登陸后時(shí)間;a、c為常參數(shù)。

最后, 設(shè)定各路徑點(diǎn)強(qiáng)度參數(shù)。根據(jù)洋面衰減系數(shù)及登陸后衰減系數(shù), 計(jì)算每個(gè)時(shí)間間隔的PD衰減量, 從登陸點(diǎn)開(kāi)始推算各路徑點(diǎn)的Pmin、Vmax、Rm等。

2.9 路徑合成

在熱帶氣旋參數(shù)確定后, 再通過(guò)設(shè)定起始點(diǎn)及終止點(diǎn)位置、時(shí)間分辨率等, 即可合成整條路徑。具體設(shè)定步驟如下:

首先, 設(shè)定起始點(diǎn)位置。起始點(diǎn)設(shè)定于登陸點(diǎn)前移路徑的相反方向, 其與登陸點(diǎn)的距離由選用的風(fēng)暴潮模式的計(jì)算能力決定, 通常應(yīng)不小于 90 n mile[32],且設(shè)定時(shí)要覆蓋風(fēng)暴潮數(shù)值模式計(jì)算的網(wǎng)格范圍。

其次, 設(shè)定終止點(diǎn)位置。熱帶氣旋登陸后對(duì)沿岸風(fēng)暴潮的影響逐漸減小, 終止點(diǎn)處的熱帶氣旋所引起的風(fēng)暴增水應(yīng)足夠小, 例如可以設(shè)定為登陸后300 km終止。

然后, 設(shè)定路徑點(diǎn)時(shí)間間隔。一般情況下, 可與最佳路徑集中一致設(shè)定為6 h, 也可以設(shè)定為更密的時(shí)間間隔。

最后, 組合所有參數(shù)。根據(jù)熱帶氣旋Vt和θ, 計(jì)算每個(gè)時(shí)間間隔的移動(dòng)距離, 根據(jù)各參數(shù)隨與登陸點(diǎn)距離的變化規(guī)律, 從登陸點(diǎn)組合參數(shù)推算出整條合成路徑的所有組合參數(shù)。

為了自動(dòng)組合參數(shù)形成合成路徑, 本文開(kāi)發(fā)了一個(gè)自動(dòng)化程序, 輸入CREF、登陸參數(shù)、路徑點(diǎn)時(shí)間間隔、起始點(diǎn)及終止點(diǎn)位置, 即可以GIS格式或者文本格式輸出所有合成路徑[36]。

3 參數(shù)設(shè)定示例

福建省受熱帶氣旋災(zāi)害嚴(yán)重, 2001～2010年間因熱帶氣旋災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)606.23億元[37]。福州市連江縣是福建東部沿海受熱帶氣旋及風(fēng)暴潮影響較大的縣(圖1)。本文將以連江縣為例, 給出PMTC的參考設(shè)定。

1) 確定設(shè)定強(qiáng)度等級(jí)及研究區(qū) CREF。由于連江縣熱帶低壓、熱帶風(fēng)暴和強(qiáng)熱帶風(fēng)暴所引起的風(fēng)暴潮增水相對(duì)較小, 本文僅以臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)三個(gè)等級(jí)為例設(shè)定參數(shù)。連江縣海岸線長(zhǎng)、島嶼眾多, 結(jié)合熱帶氣旋主要登陸方向, 近似取其東南部海岸線中點(diǎn)(119.7°E, 26.28°N)作為CREF。

2) 設(shè)定PMTC登陸時(shí)的參數(shù)。

臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的Vmax、Pmin、Rm可依據(jù)前文進(jìn)行設(shè)定, 另外, 綜合考慮西北太平洋登陸點(diǎn)Vmax歷史最大值、連江縣附近歷史最大值(50.13 m/s), 以及連江縣不同重現(xiàn)期下的Vmax(圖5), 連江縣超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的Vmax設(shè)定為60 m/s。由Vmax進(jìn)而設(shè)定Pmin及Rm(表2)。

圖5 連江縣熱帶氣旋不同重現(xiàn)期下Vmax曲線Fig. 5 Vmax of tropical cyclones at different return periods for Lianjiang County

考慮連江縣特殊的地理位置, 一方面由于熱帶氣旋主方向?yàn)?65°(圖 6), 南岸易受風(fēng)暴潮侵襲, 另一方面, 一旦熱帶氣旋從東北方向來(lái)襲, 恰使潮水涌入羅源灣, 則會(huì)造成較大的增水和淹沒(méi)。綜合考慮, 設(shè)定PMTC的登陸θ為以歷史熱帶氣旋主方向?yàn)榛鶞?zhǔn), 以 60°為間隔, 即θ可取為–125°, –65°和–5°。另外, 參照25°～30°N緯度帶內(nèi)登陸熱帶氣旋的Vt歷史平均值, 設(shè)定Vt為21.29 km/h。

圖6 1949～2011年連江縣CREF附近140 km內(nèi)熱帶氣旋登陸θ頻次分布圖Fig. 6 Directional rate of translating direction θ for tropical cyclones landing near the CREF(with in 140 km) in Lianjiang County

3) 分別針對(duì)無(wú)強(qiáng)度衰減和強(qiáng)度衰減兩種情況,確定各路徑點(diǎn)Pmin、Vmax和Rm。

不考慮強(qiáng)度衰減情況下, 各路徑點(diǎn)參數(shù)設(shè)定與登陸時(shí)設(shè)定一致。

考慮強(qiáng)度衰減情況進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。首先, 設(shè)定Pmin。登陸前, 結(jié)合登陸點(diǎn)Rm, 各等級(jí)下Pmin變化速率(即登陸前靠近CREF1 km所增加的氣壓值)分別為:臺(tái)風(fēng)0.2603 hPa/km, 強(qiáng)臺(tái)風(fēng)0.2688 hPa/km, 超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)0.2769 hPa/km, 設(shè)定由CREF向海上路徑點(diǎn)按此速率線性增強(qiáng)至884.56 hPa(相當(dāng)于Vmax達(dá)70 m/s), 然后強(qiáng)度保持不變。登陸后, 假設(shè)強(qiáng)度依照歷史平均衰減速率衰減, 具體地, 基于連江縣附近歷史登陸點(diǎn)樣本,利用公式(9)擬合每場(chǎng)熱帶氣旋參數(shù), 進(jìn)而計(jì)算a、c平均值, 分別為0.022 172 8和0.689 49。其次, 結(jié)合公式(3), 根據(jù)Pmin反算Vmax。最后, 設(shè)定Rm。各等級(jí)下Rm線性變化速率表示登陸前靠近或登陸后遠(yuǎn)離登陸點(diǎn)1 km時(shí), 熱帶氣旋最大風(fēng)速半徑所減小的量值(km)的結(jié)果分別為臺(tái)風(fēng)為0.548 7, 強(qiáng)臺(tái)風(fēng)為0.564 4, 超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)為0.579 5。

4) 設(shè)定合成路徑的時(shí)間精度和空間密度, 合成路徑。設(shè)定沿移動(dòng)方向的反方向距CREF約600 km處為起始點(diǎn), 登陸后約300 km處路徑終止; 考慮強(qiáng)度無(wú)衰減情況和強(qiáng)度衰減兩種情況; 設(shè)定時(shí)間間隔為1 h、路徑間距為23 km(約為平均Rm一半); 對(duì)每一種參數(shù)組合, 設(shè)定路徑12條, 其中主路徑1條、主路徑左側(cè)6條、右側(cè)5條。對(duì)臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)及超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)等級(jí)下共216條PMTC路徑進(jìn)行合成(圖7)。以臺(tái)風(fēng)等級(jí)為例, 在不考慮衰減的情況下, 計(jì)算圖 7中無(wú)衰減情況下的 36場(chǎng)熱帶氣旋的風(fēng)暴潮淹沒(méi)范圍及水深, 則PMSS淹沒(méi)范圍取值為36場(chǎng)風(fēng)暴潮的所有淹沒(méi)范圍, 水深取值為36場(chǎng)風(fēng)暴潮中的最大水深。

4 結(jié)論及討論

4.1 結(jié)論

PMTC的設(shè)定是PMSS計(jì)算的基礎(chǔ), 但目前國(guó)內(nèi)不同等級(jí)PMTC設(shè)定方法研究較少。基于1949～2011年間影響中國(guó)的熱帶氣旋關(guān)鍵參數(shù)統(tǒng)計(jì), 探討了可能最大熱帶氣旋參數(shù)設(shè)定方法, 主要結(jié)論如下:

1) 基于各等級(jí)熱帶氣旋參數(shù)之間的定量關(guān)系,建立了各等級(jí)可能最大熱帶氣旋的最大風(fēng)速、中心氣壓、最大風(fēng)速半徑、移動(dòng)速度、移動(dòng)方向等參數(shù)設(shè)定及路徑合成方法。

2) 設(shè)定方法在福建省連江縣臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)及超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)等級(jí)下合成路徑結(jié)果表明, 該方法可行有效。

4.2 討論

PMSS的計(jì)算還需要考慮一些其他問(wèn)題, 討論如下:

1) 主要熱帶氣旋參數(shù)敏感性分析。在各等級(jí)PMTC給定Vmax、Pmin等強(qiáng)度變量下, 不同熱帶氣旋的Vt及θ對(duì)風(fēng)暴潮增水影響差異較大[17], 同時(shí), 不同研究區(qū)風(fēng)暴潮增水也會(huì)受當(dāng)?shù)睾０毒€分布、地形等因素影響而呈現(xiàn)異質(zhì)性。因此, 采用風(fēng)暴潮數(shù)值模式, 針對(duì)研究區(qū)開(kāi)展風(fēng)暴潮增水對(duì) PMTC的參數(shù)敏感性試驗(yàn), 確定區(qū)域最適參數(shù)是下一步 PMSS研究重點(diǎn)。

2) 參數(shù)設(shè)定與計(jì)算量關(guān)系。對(duì)熱帶氣旋強(qiáng)度等級(jí)及各種相關(guān)參數(shù)設(shè)定時(shí)應(yīng)考慮計(jì)算量, 例如, 減小路徑間隔及θ間隔、設(shè)定更遠(yuǎn)的起算和終止距離會(huì)有助于 PMSS的計(jì)算結(jié)果精度的提高, 但是一方面會(huì)增加熱帶氣旋場(chǎng)次, 另一方面會(huì)增加熱帶氣旋持續(xù)時(shí)間, 從而增加風(fēng)暴潮數(shù)值模式的總計(jì)算量,可綜合衡量評(píng)估精度需求及計(jì)算能力設(shè)定參數(shù)。

3) 熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)參數(shù)設(shè)定。表征風(fēng)速?gòu)较蚍植夹螤畹腍olland B系數(shù)等對(duì)熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)以及風(fēng)暴潮增水的計(jì)算有重要影響, 在計(jì)算 PMSS時(shí)盡量選擇能反映Holland B系數(shù)特點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)模型。

4) PMSS計(jì)算中的其他參數(shù)設(shè)定。實(shí)際潮位不僅與 PMTC引起的增水有關(guān), 還與天文潮位相關(guān), 在實(shí)際計(jì)算時(shí)需考慮天文潮, 另外還應(yīng)考慮沿海防御能力并進(jìn)行潰堤情景設(shè)定等。

致謝: 國(guó)志興、譚駿、吳維登、陳延盛等參加了可能最大風(fēng)暴潮計(jì)算的相關(guān)討論, 王喜年提供了部分最大風(fēng)速半徑數(shù)據(jù), 吳小寧協(xié)助了部分制圖工作, 兩位匿名評(píng)審人給出了有益的修改建議, 特表感謝。

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(本文編輯: 劉珊珊 李曉燕)

Parameterization of synthetic tropical cyclones at various scales for probable maximum storm surge risk modeling

LI Ying1,2,3, FANG Wei-hua1,2,3, LIN Wei1,2,3, YE Yan-ting1,2,3
(1. Key Laboratory of Environmental Change and Natural Disaster, Ministry of Education of China, Beijing Normal University, Beijing 100875, China; 2. State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resources Ecology, Beijing Normal University, Beijing 100875, China; 3. Academy of Disaster Reduction and Emergency Management, Ministry of Civil Affairs & Ministry of Education, the People’s Republic of China, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)

Aug., 29, 2012

Tropical Cyclone; Probable Maximum Storm Surge; Parameterization; Risk Assessment

The parameterization of Probable Maximum Tropical Cyclones (PMTC) is of great importance to the computation of Probable Maximum Storm Surge (PMSS) for emergency evacuation planning at different scales of tropical cyclones. Based on the Best Track Dataset (1949-2011) of the western north pacific from CMA and other two databases, the radius of maximum wind from JTWC and NOAA, the quantitative relationships between the maximum winds and other parameters of various scales wereanalyzed and modeled. A method wasdeveloped to set maximum sustained wind, central pressure, radius of maximum winds, forward velocity and direction, and then to synthetize the full track with the above parameters. Taking Liangjiang County, Fujian province as an example area, 216 tropical cyclones were synthetized for tropical cyclones scaled at typhoon, severe typhoon and super typhoon, with decay and no-decay at 3 major directions. At last, parameter sensitivity, Holland B parameter setting, wind field parameter setting and computation resource requirement, astronomical tide, and dam failure, etc. were discussed.

P463.1; P47

A

1000-3096(2014)04-0071-010

10.11759/hykx20120829002

2012-08-29;

2013-04-11

公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201305020); 國(guó)家科技支撐項(xiàng)目(2012 BAK10B03)

李穎(1986-), 女, 山東淄博人, 博士生, 主要從事臺(tái)風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究, E-mail: ying.li@mail.bnu.edu.cn; 方偉華, 通信作者,副教授, 主要從事自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究, E-mail: weihua.fang@ bnu.edu.cn