面向可能最大洪水-风暴潮复合情景的热带气旋强度-降水参数设定方法研究.pdf

32859(2）Journal of BeijNormalUniversity(Natural Science)2023-04北京师范大自然科学版）面向可能最大洪水-风暴潮复合情景的热带气旋强度-降水参数设定方法研究*张海霞1.2.3)程 锰 1.2.3)方伟华1,2.3)童行伟4)（1)北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室，地理科学学部灾害风险科学研究院，10 0 8 7 5，北京；2）南方海洋科学与工程广东省实验室（广州），511458，广东广州；3）北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室，10 0 8 7 5，北京；4)北京师范大学统计学院，10 0 8 7 5，北京）摘要光为开展可能最大洪水（PMF)-风暴潮灾害情景设定，在已有可能最大热带气旋（PMTC)参数设定研究的基础上，引人热带气旋降水气象参数，并探索了热带气旋强度-降水参数设定的方法框架.基于中国气象局的热带气旋最佳路径-强度、美国联合台风预警中心的最大风速半径，以及中国自动站与CMORPH融合降水等数据，统计分析了热带气旋最大风速、中心最低气压、最大风速半径、每小时降水量等参数间的定量关系，并构建了PMTC关键参数设定的方法.结果表明：1）基于已有PMTC参数设定方法，引人降水参数后，能够设定不同等级热带气旋登陆时的关键参数，为PMF-风暴潮复合情景模拟提供输人数据；2）通过线性拟合以及多倍标准差，能够确定参数可能的最大上限，MSW与最低气压、最大风速半径呈负相关关系，与每小时降水的最大值、第99百分位值，以及总和存在明显的负相关外包络线；3）若样本分布较分散，可通过分段研究与极值函数拟合相结合的方法，探索数据分布的不确定性及参数间相关关系，在此基础上，探索不同概率水平的每小时降水总量以及外包络线。研究结果可为沿海地区热带气旋防灾减灾救灾和风险管理提供决策依据.关键词热带气旋；可能最大洪水-风暴潮；可能最大降水；参数设定；Gumbel函数拟合中图分类号号P954D01:10.12202/j.0476-0301.20223150引言中国沿海地区热带气旋发生的频率高、影响范围广，其所引发的风暴潮增水与洪水灾害可造成严重的人员伤亡及经济损失 1-2.影响热带气旋风暴潮模型模拟与洪水模型的要素是其风场与降水，开展针对热带气旋强度和降水不同情景的设定，可为模拟多种情景下热带气旋风暴潮增水与洪水淹没情况提供相关数据。可能最大情景是极其不利的一种情景，关注的是致灾因子强度上限，因此，开展面向可能最大热带气旋(probable maximum tropical cyclone,PMTC)洪水-风暴潮复合情景设定的研究，可为热带气旋灾害风险管理以及防范提供支撑。可能最大风暴潮（probablemaximumstormsurge，PMSS)是指PMTC沿着最不利路径接近海岸这一情景下引发的PMTC增水及造成的洪水淹没 3.PMTC是一种假想的、各气象参数相互约束以及适应彼此状态的热带气旋，可根据特定海岸地区发生最大持续风速时所选择的气象参数值的组合，导出PMTC4.可能最大暴雨（probablemaximumprecipitation，PM P）主要指通过研究某一流域或区域的降水特征，经估算可获得发生暴雨的物理上限，在此基础上，借助产汇流计算法或流域模型法将其转化为洪水，即为可能最大洪水(probable maximum flood,PMF)5-6.目前，针对如何设定PMTC计算PMSS的研究较多.2 0 世纪50 年代，美国开始研究可能最大飓风(probable maximum hurricane,PMH)及其引起的PMSS的理论方法和区域应用 3;197 9年，美国国家海洋和大气管理局（NOAA提出了PMH评估中关键参数的范围，并通过组合飓风参数来设定多种情景，在此基础上开展PMSS评估 7-8；2 0 0 9年，美国国家飓风中心(national hurricane center，NH C)开发了综合考虑飓风*国家重点研发计划资助项目（2 0 17 YFA0604903，2 0 18 YFC150 8 8 0 3）；国家自然科学基金资助项目（1197 10 6 4，12 17 137 4)；南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）人才团队引进重大专项资助项目（GML2019ZD0601）十通信作者：方伟华（197 3），男，博士，教授.研究方向：自然灾害风险评估.E-mail:收稿日期：2 0 2 2-0 4-30329张海霞等：面向可能最大洪水-风暴潮复气旋强度-降水参数设定方法研究时斑带第2 期路径预报以及天文潮叠加不确定性的最坏情景下的PMSS增水产品 9;1991年，中国国家核安全局在批准发布的核电厂设计基准热带气旋中提供了PMTC参数的设定方法 4;中国自然资源部发布的HY/T0273一2 0 19海洋灾害风险评估和区划技术导则第1部分：风暴潮，给出了PMTC设定方法及不同等级强度风暴潮淹没范围和水深计算方法 1.随着研究的不断深人，PMTC设定方法也逐步完善，考虑的参数量逐渐增多.对PMTC初期研究的设定主要考虑中心气压这一要素，后续研究从参数选定及其相关性 3等方面探索了PMTC设定的理论基础，如运用随机抽样或概率方法 1-12、历史典型路径平移 13、MonteCarlo方法生成台风样本 14等设定PMTC.目前PMTC设定仅考虑了PMSS模拟所需参数，如MSW及半径、中心最低气压、移动速度和方向等，未考虑热带气旋的其他气象参数（如降水）.学者们在PMP的估算过程中积累了一些较好的工程经验，研究成果也相当丰富 5.已有的PMP估算方法主要包括统计，当地暴雨放大、移置、模式、组合、概化、数值模拟和多重分形等 15-16.PMP估算包括物理水汽极大化和暴雨移置2 部分：前者指使暴雨量逐渐增加，以反映可能最大的水汽效应；后者指设计区域以外的、已发生的暴雨是否可移置至本区域.由PMP推求PMF的前提是假设PMF由PMP经产汇流推算得到的洪水流量过程线，常用方法包括产汇流计算和流域模型 17.已有的PMP估算方法物理概念明确，计算简便,适用于雨量资料比较充分的中小流域 16.但由于缺乏对物理概念的分析，且没有考虑水汽输送的影响；此外，受计算参数的不确定性以及历史暴雨观测资料不足的限制，很难推求PMP,或估算结果偏差较大，无法用实际资料加以验证，因而，应用范围与时段受到极大限制17。尽管学者们分别对PMSS和PMF的情景设定开展了大量研究，但鲜有针对热带气旋洪水-风暴潮复合灾害这一情景进行参数设定.热带气旋属于典型的多致灾因子共同作用的自然灾害，最直接的致灾因子是大风和降水，大风是风暴潮和海浪的主要驱动因素，降水则会增加区域洪水风险 18-19.当暴雨洪水、风暴潮增水和天文潮叠加时，涨潮沿河流上溯，洪水下泄不畅，极易引发极端复合灾害 2 0.故沿海地区尤其是人海口处由热带气旋引发的洪水-风暴潮复合灾害问题突出，组合情景较为复杂 2 1.其中，风暴潮增水与热带气旋强度、作用范围以及登陆方向等密切相关，洪水则与热带气旋降水量、降水范围等相关，因此，PMSS-洪水复合情景设定实际相当于PMTC与PMP的关键参数设定.为了开展PMF-风暴潮复合灾害情景设定，本文在已有的PMTC参数设定研究的基础上 3,引人热带气旋降水这一气象参数，构建不同等级PMTC降水指标与最大风速间的关联性，从而探索合理的PMTC强度-降水参数设定方法。针对降水量指标的设定，拟将基于观测样本的线性拟合与分区极值函数拟合结果相结合的方法，分析参数间的相关关系和区间样本概率密度分布，探索不同概率水平下的降水量，并重新构建更适用的外包络线。本文利用热带气旋路径-强度数据、最大风速半径和网格降水数据等，通过构建参数间定量关系探索面向PMF-风暴潮复合情景的热带气旋强度-降水设定方法框架，并以海南省南渡江人海口处的三角洲岛屿一一海甸岛为例，设定不同等级热带气旋登陆时的强度与降水参数，验证本文构建的参数设定方法的可行性。1数据及预处理本文共使用以下3类数据。1）西北太平洋历史热带气旋最佳路径数据.该数据来源于中国气象局（Chinameteorologicaladmini-stration，CM A)热带气旋资料中心 2 2-2 3,时间范围为1949一2 0 18 年；详细记录了历史热带气旋每6 h路径点的经纬度、时间（年、月、日、时，世界标准时间UTC）、中心最低气压（hPa）、2 m i n 平均近中心最大风速（maximum sustained wind,MSW,所对应的量符号用vmax表示，单位ms)等2）热带气旋最大风速半径数据.该数据来源于美国联合台风警报中心（jointtyphoonwarningcenter，JTWC发布的热带气旋最佳路径数据集 2 4,时间范围为1998 2 0 18 年；记录了所观测热带气旋路径点的最大风速半径（radius ofmaximumwind,RMW,所对应的量符号用Rmax表示，单位nmile)，时间间隔为6 h.3）热带气旋逐时网格降水数据.该数据来源于国家气象信息中心的中国自动观测站与CMORPH降水产品融合的逐时降水量网格数据集（http:/ 10%2 5-2 6,时间范围为19982018年，空间分辨率为0.1x0.1，单位mmh-l为了进行后续分析，本文的数据预处理过程包括如下4个：1）通过热带气旋路径点的CMA编号、时间、经330第59 卷北京师范大自然科学版）度和纬度等字段进行匹配，将JTWC热带气旋RMW数据连接至CMA热带气旋最佳路径数据集中对应的热带气旋路径点，并将单位由nmile换算为km.2）以10 min为时间步长，对历史热带气旋路径-强度数据进行线性插值，插值参数包括路径点时间、经纬度位置、中心最低气压、最大风速、RMW等 2 7.3）基于插值后的热带气旋路径-强度数据和平滑处理后的中国海岸线，运用GIS空间分析，提取历史热带气旋在中国大陆的登陆点及其对应的参数信息。4)参考已有研究 2 8-2 9,将热带气旋路径点50 0 km缓冲区范围内的降水界定为热带气旋降水。基于热带气旋最佳路径点位置和时间等属性，以路径点为圆心，以50 0 km为半径，提取路径点当前时刻及其前2h、后3h对应的缓冲圆内降水数据，计算该时段内每小时所有网格降水量的总和、最大值及第99百分位值，基于此，计算这6 h内所有指标的平均值，并将其作为该路径点的每小时降水总量（total precipitationper hour,TPPH）、每小时降水最大值（maximum precipi-tationperhour，M PPH）、每小时降水第99百分位值(99th percentile of precipitation per hour,99th PPPH).2热带气旋强度-降水设定方法为了构建PMF-风暴潮复合情景，热带气旋强度-降水设定按如下3步骤：1）根据热带气旋等级划分标准，确定不同等级PMTC的vmax；2）基于历史热带气旋路径点样本，统计最大风速与中心最低气压、Rmax间的关系，当指定最大风速时，在约束条件下尽量增加中心气压差、最大风速半径的设定值；3）引人热带气旋降水量这一参数，统计不同等级最大风速与各降水指标之间的关系，并分析最大风速不同区间内总降水量这一指标的变化幅度和二级不确定性，基于此，设定不同等级PMTC下各降水指标的上限。2.1Vmax设定风暴潮是由强烈大气扰动（如强风和气压骤变）引起的海面异常升高现象，当热带气旋其他参数保持不变时，Vma越大，引发的风暴潮增水高度也越大 30,因此，PMTC参数设定中，最大风速的设定主要考虑各情景下极其不利的情况，即不同情景下可能发生的最大值.本文参照GB/T192012006热带气旋等级 31,将不同等级热带气旋的底层中心附近最大平均风速的上限作为各等级PMTC设定的最大风速(表1).由于热带气旋等级划分时，超强台风这一等级的底层中心附近最大平均风速没有给定上限，故该等级PMT