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[转载]借台风谈灾害论气候变化下灾害密集度之频次与强度协同性说挑战之科研滞后于科普

已有 245 次阅读 2019-8-14 09:41 |系统分类:科普集锦|文章来源:转载

梯度论  激发强迫  响应互馈  尺度调制 动态稳定 通道论  格局演变  互生演替  吸积耗散 能频过程形式 全息仿真

一、强度与频次

二、强度与路径

三、生发与路径

四、生发与强度

五、灾害:科学与科普的较量

六:全球变化:热带化与极地化、梯度论

七、挑战:全息、频移与调制

八、通道论:能量 激发 阈值 强迫  吸积  持续  互馈耗散


8 月 10 日,第 9 号台风“利奇马”登陆浙江温岭,这是今年登陆我国的最强台风。台风“踏足”之处不仅意味着大风天气,更带来多种灾害,浙江临海全市被淹,永嘉发生山体滑坡......


与以往台风不同,此次台风生成的纬度较高,登陆地点不再“偏爱”华南地区,而是选择华东地区,而后一路向北,是什么原因造成了这种现象呢?这是否会成为日后的常态?为此一探究竟。


八月海水不“太平”


台风是热带气旋的一种。因发生地理位置不同,热带气旋的名称不同,西北太平洋地区的热带气旋为“台风”,而大西洋和东北太平洋地区的热带气旋则依强度称为热带低气压、热带风暴或飓风。


与飓风类似,台风也在赤道附近的温暖海域上空产生,把大量的热带温热空气吹向两级。台风的强盛期一般出现在夏至或夏季开始后的两个月。在我国,8 月通常是生成台风最多的月份。仅 8 月上旬,第 7 号台风“韦帕”、第 9 号台风“利奇马”就相继登陆。


强热带气旋引人瞩目的一个重要原因是风力强劲,破坏力惊人。以飓风为例,美国国家海洋和大气局(NOAA)下属的大西洋海洋气象实验室(AOML)的统计显示,一次普通的飓风所产生的能量相当于一天世界总发电量的 200 倍。这样的能量足以给一座城市带来灾难。


及早预测台风成为人类减小灾害影响的重要方式。近年来,全球的气象专家通过计算机模型提高了预报水平,该模型包括各种物理过程和数据资料。此外,各种新型的、先进的数据收集方法也应用其中,包括数据收集浮标站、气象卫星、追踪器集中探测、沿海观测点和气象雷达等。


目前,预报中通常提示,台风将在某地到某地之间的海岸登陆。新技术多手段的融入大大提升了台风预测的准确率,但误差仍然存在。目前,中国预测预报台风的水平与国际大致相同,24 小时内台风路径的平均误差为 70 公里左右。“台风路径预测已经达到了一个比较精准的水平,进一步提高路径预报精度可能比较困难。


强度预测是难题


此次“利奇马”的登陆过程也受到外界关注,浙江省气象台早在 8 月 5 日就发布了“利奇马”的登陆信息,日本、菲律宾等周边国家也预测到“利奇马”的形成,但均未能预测到其强度如此之大。


预测台风“来不来”,在哪登陆,移动路径如何已经不是重要的难题,预测台风的登陆强度日益成为世界难题。


台风是如何变强和减弱的呢?通常,作为热带气旋,台风移动到较冷水域或陆地上空后会减弱,遭遇热带气流会加强。但是,如果台风持续在暖水区移动,由于遇热增温与水汽输入增加,对流系统强烈发展,台风强度会快速变强。这是台风预报的难点,也是未来台风预报的重大挑战之一。


台风强度首先受大气影响,大气中的温度、湿度、气压、风以及凝结过程中潜热的释放都与台风强度有重要关联。值得注意的是,上述大气诸要素的变化,均与海洋和陆地的变化密切相关。“台风强度并不是‘大气单方面说了算’,影响台风强度的因素很多,并且量化难度大,目前国际上还没有成熟的台风强度预测模型。”


台风“北上”或成常态


尽管人类还未能做好预测强台风的准备,但未来一段时期内,或将有更多强台风出现。


可以把台风想象成一台发动机,当全球变暖后,这台发动机的燃料增多效率增加,自然输出‘功率’就更大了。此外,2018 年为厄尔尼诺年。一般来说,受厄尔尼诺现象影响,西北太平洋台风生成位置偏东,台风发展为强台风的可能性也会增大。


除了强度,“利奇马”另一备受关注的原因是登陆地点。肆虐江浙地区后,8 月 11 日傍晚“利奇马”在山东省沿海地区再次登陆。这种“北上”的台风,与在广东、海南、台湾等地登陆的“南方台风”并不完全一样,发生概率较低。整体来看,气候变化会对台风登陆地点北移造成一定影响,但就一次台风过程,比如“利奇马”就得出这样的结论为时尚早。他强调,要判断台风强度的变化与气候变化是否有关,需要看数据质量、数据密度、数据来源和研究方法,并且需要长期观测。从气候变化对未来台风发生位置的趋势讲,“北上”台风的发生数量将会增加。



从全球来看,也呈现出台风、飓风等热带气旋向极地推进的趋势。具体表现为南半球的台风向南极推进,北半球的台风向北极推进。接下来,我国的北方沿海地区或将成为台风的“首选”登陆地。



2019年8月10日凌晨,第9号台风“利奇马”在浙江省温岭市城南镇登陆。据统计,台风“利奇马”造成浙江、上海、江苏3省市的400多万人受灾,100多万人紧急转移安置。

“利奇马”登陆时强度为超强台风,中心附近最大风力16级,相当于52米/秒,中心最低气压930百帕,是今年以来登陆我国强度最强的台风。同时,台风“罗莎”紧跟其后,雷达显示,“利奇马”和“罗莎”同时带来了强降雨。

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卫星云图显示台风“利奇马”和台风“罗莎”在西北太平洋“共舞”

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雷达显示台风“利奇马”和台风“罗莎”伴随强降雨(颜色越深代表降水越强)

受台风“利奇马”登陆影响,浙江永嘉县北部山区,在3个小时内降雨量达到160毫米。在岩坦镇山早村,特大暴雨引发山体滑坡,堵塞了河流。10分钟内,山洪的最高水位就涨到10米,约120人被洪水围困。因水势上涨太快,堰塞湖又突发决堤,导致部分村民来不及撤离,出现人员伤亡。

其实,西北太平洋和北大西洋经常出现多台风和多飓风现象,台风、飓风究竟怎么生成?而海洋和气候的变化,又对台风活动有什么特别影响呢?

一、台风的生成条件

台风是指热带或副热带大气低气压系统,它在北半球呈逆时针方向旋转,在南半球则呈顺时针方向旋转。在全球不同的海区,台风、飓风、热带风暴、气旋性风暴或气旋等都泛指热带气旋。在西北太平洋,被称为台风;在北大西洋、东北太平洋,称为飓风;在孟加拉湾地区称为气旋性风暴;而在南半球则称为气旋。

受地球自转和大气引导气流的影响,热带气旋不仅会绕自己的中心急速旋转,而且也会向前移动,在北半球和南半球分别会向西北和西南方向移动。一般来说,热带气旋可以在全球许多热带海洋地区生成,全球每年会生成90个左右。

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全球热带气旋生成地区和路径

一般而言,热带气旋的生成和发展需要四个条件:

1、广阔的高温海洋、高湿大气。热带洋面上的底层大气的温度和湿度主要决定于海面水温,因此热带气旋只能形成于海温高于26-27℃的暖洋面上;

2、低层大气辐合、高层辐散的初始扰动,且高层辐散必须超过低层辐合,以维持足够的上升气流令低层扰动不断加强;

3、弱的水平风速垂向差异(即垂直风切变)。如果高低空水平风速相差过大,潜热会被迅速平流,不利于热带气旋的维持;

4、足够大的地转偏向力。地球自转作用有利于气旋性涡旋的生成。地转偏向力在赤道附近接近于零,向南北两极增大,热带气旋通常发生在大约离赤道5个纬度以上的洋面上。

二、全球变暖对台风活动的影响

全球变暖也会对台风活动造成影响,北大西洋的热带气旋观测资料显示,1851年以来,登陆美国的飓风数量没有增加,反而减少了,这表明全球变暖不利于飓风的生成和发展。

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登陆美国的飓风数量:黑线是线性趋势,蓝线代表年代际变化

全球变暖会影响热带气旋数量和强度的变化。研究显示,全球变暖会减少全球热带气旋的数量,但会增加热带气旋的强度和由之引起的降雨量。换句话说,全球变暖减少全球热带气旋的总数,但强的台风或飓风会越来越多。

不仅如此,全球变暖也会影响台风或飓风的路径。如有的研究表明,海洋变暖会减弱大西洋副热带高压,同时令台风向北或东北方向移动;相反,如果海洋变冷,副热带高压和大气引导气流会使台风向西北方向移动。也就是说,全球海洋变暖的效应是使台风向北或东北方向移动,不利于台风在大陆东南沿海登陆。

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暖(a)和冷(b)海洋对应的副热带高压和飓风路径。黑色虚线箭头表示飓风路径

三、多年代际气候变率对台风活动的影响

台风活动不仅仅只受全球变暖的影响,气候的年代际、多年代际变率也对台风有着重要的影响。气候的年代际、多年代际变率在海洋中主要表现为海温出现了十几年或几十年的周期性变化。

中国位于太平洋的西北侧,所有能够登陆并影响中国的台风都起源于太平洋。太平洋存在着太平洋年代际振荡。西北太平洋热带气旋数量在太平洋年代际振荡的正位相时增加,负位相时减少。当太平洋年代际振荡处于正位相时,热带中、东太平洋偏暖而中纬度北太平洋偏冷。这会增加低层大气的初始扰动,同时降低大气的垂直风切变,有利于热带气旋的生成和发展。太平洋年代际振荡的负位相则刚好相反。

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西北太平洋6-8月热带气旋时间序列和Nino3.4指数。

【图注:1979-1997(1998-2015)太平洋年代际振荡为正(负)位相】

此外,大西洋上存在着大西洋多年代际振荡,也能影响到东北太平洋热带气旋。当它处于正位相时,北大西洋海温偏暖,北大西洋热带气旋增加,然而东北太平洋的热带气旋数量减少。这是由于偏暖的北大西洋能够引起对流层上层的东风异常,这个东风异常会横跨整个中美州大陆延伸到东北太平洋。暖的北大西洋从而减弱了北大西洋的垂直方向风的变化,但增强东北太平洋的垂直方向风的变化。大西洋多年代际振荡冷位相发生时,情况则相反。

四、年际气候变率对台风活动的影响

厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation, ENSO)是全球最强的年际(2-7年)尺度气候现象,也是造成中国1998年特大洪水,2008年南方雪灾的罪魁祸首。

厄尔尼诺-南方涛动分为厄尔尼诺(东太平洋增暖)和拉尼娜(东太平洋变冷)两种状态。当厄尔尼诺发生时,会增加东北太平洋的台风,并使西北太平洋台风源地向东南方向偏移。当拉尼娜发生时情况则相反。此外,厄尔尼诺也通过遥相关增加北大西洋的垂直风切变,从而不利于北大西洋飓风的产生和发展。

最近卫星观测结果表明,近年来ENSO事件和西北太平洋台风的关系有明显的加强,特别是1998之后二者的相关性增加到0.6。这是由于上世纪90年代末之后,中部型厄尔尼诺事件增多,增加了大气垂直风切变和湿度,从而增强了ENSO事件和台风在年际尺度上的联系。

五、台风预报面临的问题和挑战

超强台风如“利马奇”、“山竹”,会严重威胁到沿海人民的生命和财产安全。研究海洋或大气对台风影响的重要目的之一是提高台风预报的准确率,以减少台风造成的损失。

在过去几十年的研究中,台风预报系统对台风路径的预报有显著的提高。但由于缺乏台风观测资料、海洋-大气耦合模式的模拟能力不足,台风预报系统对台风强度和降雨量的预报改进仍不明显。

台风发生时往往伴随着狂风、巨浪和暴雨,直接观测台风的难度十分巨大。对台风的观测主要依靠卫星观测。近年来一些辅助观测手段也有了一定的发展。一些发达国家会利用飞机穿过台风,采集台风过程中大气压力、温度、湿度、风速等数据。这些数据能够加深人们对台风的了解,完善台风的理论和模式。但目前还缺乏对台风的海洋过程的观测,这也是造成当前台风强度预报改进不大的重要原因之一。新的海洋观测技术Glider(水下无人机)有助于解决这一问题。然而如何利用Glider开展台风观测,则是未来科学和技术上面临的一个难题和挑战。

台风是强大而深厚的天气系统,理论上控制台风变化的物理过程非常复杂,涉及到台风内部动力学、大尺度气候变化和小尺度天气过程等等。而目前海洋-大气耦合模式却很难同时模拟好大尺度气候和台风两种尺度系统的变化。所以如何改进目前的海洋-大气耦合模式,使之既能模拟台风又能模拟大尺度的气候变化,则成为了未来台风研究中面临的另一个难题和挑战。

来源:热带海洋环境国家重点实验室

作者:王春在



扒一扒那些年北上台风中的“狠角色”


再三登陆的“格罗里亚”


1949年7月24日22时,“格罗里亚”在浙江舟山普陀登陆,登陆时中心附近最大风速为40米/秒。


登陆后“格罗里亚”转向西北偏北方向移动,穿过杭州湾,于25日04-05时在上海金山至浙江平湖沿海再次登陆,登陆时中心附近最大风速仍有40米/秒。


此后“格罗里亚”继续北上,于26日13-14时在山东乳山沿海第三次登陆,登陆时中心附近最大风速为30米/秒。


“格罗里亚”的一个特点是造成的灾害重,影响范围广——“格罗里亚”影响上海期间,正值农历三十天文大潮,出现罕见的强风暴潮,吴淞站实测潮位5.18米,水位增高1.2米,黄浦公园站水位也增高了1米以上。进入江苏后,又致使长江江水怒涨,海潮汹涌而至,江海堤岸多处决口;而在离开江苏进入黄海后,“格罗里亚”再次登陆山东乳山,山东、辽宁两地遭受重创,大连城区狂风暴雨大作,观测到的阵风达12级,大部分地区断电,河水出槽、海水上涨。此外,“格罗里亚”在登陆浙江舟山普陀和上海前后,还给浙江东北部及沿海地区带来重创。


移速快、云区范围大的“米雷”


台风“米雷”于2011年6月26日21时10分在山东省荣成市成山镇沿海登陆,登陆时中心附近最大风力9级。27日07时10分在朝鲜南浦市和黄海南道交界处沿海再次登陆。该台风影响范围包括我国台湾、浙江、山东、辽宁及韩国等地,造成的经济损失十分巨大。


“米雷”具有云区范围大、影响区域广,移动速度快、强度变化小,登陆时间早等特点。在“米雷”影响我国的短短几天时间里,它沿我国东部沿海北上,庞大的云系给我国东部沿海城市及附近洋面带来大风和强降雨天气。


路径影响范围极广的“布拉万”


2012年8月20日14时,第15号台风“布拉万”在西北太平洋洋面上生成,而后走“海路”北上,并逐渐成长为超强台风。


8月28日,“布拉万”15时15分前后在朝鲜西南(黄海南道)沿海登陆。22时50分前后,它在朝鲜西北部的平安北道南部沿海再次登陆。


该台风路径影响范围极广,路径异常,尤其对我国北方内陆城市带来严重灾害。“布拉万”与台风“天秤”形成双台风,给中国东北部地区、朝鲜、韩国等地带来了大规模强降雨及大风天气。


雨强、影响范围广的“麦德姆”


2014年7月23日0时15分前后,“麦德姆”(强台风级)的中心在台湾省台东县长滨乡沿海登陆;15时30分前后在福建省福清市高山镇沿海再次登陆;25日,“麦德姆”(热带风暴级)的中心于17时10分在山东省荣成市虎山镇沿海第三次登陆。


“麦德姆”有三大特点——一是台风云系与西南季风结合,降雨强度大。2014年7月22日0时到23日12时,台湾大部出现大到暴雨,部分地区出现大暴雨到特大暴雨,台湾东部局部地区降水量达500毫米以上,花莲慈恩的降水量达598毫米。二是台风的强度减弱慢。“麦德姆”在登陆福建后深入内陆,强度缓慢减弱,陆上维持时间较长,较为少见。三是台风登陆北上,与冷空气结合,影响范围广。7月23日至27日,中国东部(台湾、福建、浙江、江西、江苏、上海、安徽、湖北、湖南、河南、山东、河北、天津、辽宁、吉林)出现明显的风雨天气过程。


截至7月27日9时,受“麦德姆”影响,辽宁、江苏、浙江、安徽、福建、江西、山东、广东8省185个县(市、区)254.3万人受灾,13人死亡,28.9万人紧急转移安置,3.7万人需紧急生活救助;直接经济损失33.7亿元。


陆上长时间“待机”的“摩羯”


2018年8月12日23时35分前后,“摩羯”的中心在浙江温岭沿海登陆,登陆时中心附近最大风力10级(28米/秒,强热带风暴级)。


虽然“摩羯”登陆时强度一般,但它以登陆后的“长时间待机”吸引了不少人的关注。“摩羯”登陆后,一路向西北深入内陆,影响安徽、江苏、山东、河南、河北、辽宁等省份。


“摩羯”登陆后深入内陆,给多地带来强降雨。其中,山东全省普遍出现降雨,潍坊、济宁、菏泽、泰安、枣庄、聊城6市13个县(市、区)的40个乡镇(街道)不同程度受灾。浙江椒江支流朱溪、杭嘉湖河网区、江苏洪泽湖水系濉河、辽东半岛大洋河、碧流河等9条中小河流发生超警洪水。


雨量之王“温比亚”


“温比亚”于2018年8月17日04时05分在上海浦东新区南部沿海登陆,在陆地停留时间达3天之久。


受其影响,浙江、上海、江苏、安徽、湖北、河南、山东、辽宁等省(直辖市)遭遇强降雨。尤其是它在河南省境内减速、停滞、转弯的过程中,给河南多地带来特大暴雨。此外,江苏、安徽、山东、辽宁等多地也先后出现破极值暴雨。


登陆后,“温比亚”与西风带系统的结合和良好的季风水汽输送使其成为当年登陆华东地区台风中的“雨量之王”。


观测资料显示——江苏省累计降水量超过250毫米的站点有47个;安徽省7.14万平方公里降雨量超过100毫米,占全省面积的51.2%,其中17个站累计雨量超过400毫米;河南省8站日降水量突破历史极值,3站累计降水量超过500毫米,城市内涝严重;山东创下该省1951年以来过程降水量历史最高纪录,全省平均降水量达132.4毫米;辽宁22站累计降水量超过250毫米,大连地区有4个国家气象观测站日降水量突破历史极值。



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