基于GPM卫星降水产品的台风暴雨洪水风险研究

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台风,伴随着强风,风暴潮,极端暴雨及其引发的山洪和泥石流等,是对全球沿海及内陆地区造成最大破坏的一类自然灾害。随着全球变暖,高强度台风的数量和比例大幅增加。中国地处台风影响频率最高,强度最大的西北太平洋地区,台风频繁地对我国东部地区造成严重的暴雨洪涝灾害,严重威胁着人民的财产和生命安全。当前关于台风的研究更多关注于大风及其伴生的灾害,轻视台风暴雨洪涝的危害性。有关台风降水的研究也多局限于个别场次或者部分地区,缺乏对我国台风暴雨洪涝灾害长期变化及其时空特征的整体认识。新一代全球降水观测计划(Global Precipitation Measurement,GPM)卫星的成功发射,为长时间、大范围的台风降水研究提供了技术支撑。本文的主要研究内容和结论如下:(1)基于GPM卫星降水产品构建了2000-2019年我国304场台风降水数据集。结合地面雨量站实测降水数据,分别从小时和日尺度评估了台风天气下的GPM降水产品的整体精度及其对台风降水时空变异特征的捕捉能力。在此基础上,探讨了平均场偏差校正方法对台风天气下GPM降水产品的适用性。结果表明:两种时间尺度下,GPM均能较好的捕捉到整场台风降水,与实测降水的相关性在0.8以上。日尺度下GPM对台风降水的时空变异特征捕捉能力更好(相关系数为0.72)。随着雨强的增加,GPM因低估强降水而导致对大雨事件的探测能力减弱。降水观测的绝对误差随着到台风眼距离的增加而减小;相对误差随距离增加有微弱上升趋势,台风眼附近最小。GPM台风降水反演误差具有明显的空间特征,受地形,降水强度及降水概率的影响,沿海地区相对误差普遍较小,内陆地区相对较大。分段平均场偏差校正方法优于整体校正,但对GPM卫星降水产品整体精度的提升有限。(2)分别从台风视角和地理视角分析了2000-2019年我国台风降水的时空特征。结果表明:GPM降水产品能够很好地捕捉到台风不同位置的降水特征,在移动方向左侧或风切变方向左前方,降水概率高(0.7-0.9),降水强度(100 mm每场)和范围较大(100 km),暴雨洪水的风险较高;相比移动方向,风切变对台风降水分布影响显著。过去20年来我国台风年平均降水量从东南沿海向内陆地区减少,年均降水最高的地区在海南,超过800 mm;危害严重的地区还有台湾,海南,广东和广西沿海地区,其次是福建和浙江沿海地区;受个别台风影响,四川、内蒙古和黑龙江等部分内陆地区有较高的场次降水量和小时平均降水量。东南沿海地区每年发生台风的数量远高于北方沿海地区,空间上呈现出从东南向东北递减的趋势。年台风数量最多的地区是台湾,东北地区最少。受到台风北上趋势的影响,东南沿海地区年台风最大降水量出现减少趋势,而北方地区则有增加的趋势,东北地区的台风暴雨洪水风险不容忽视。(3)基于标准化降水指数ERM,揭示了20年来我国台风暴雨洪涝风险空间特征,构建了新的台风暴雨洪涝风险评估指标,并充分验证了其实用性。结果发现,我国沿海地区极易发生暴雨洪涝灾害,其中海南岛受灾风险最高;广东,广西,湖南,江西,浙江和江苏等地的台风降水强度是当地两年一遇日降水强度的3倍以上;四川、重庆、陕西和山西等内陆地区的风险普遍较低;东北平原和华北平原由于地势平坦,以及近年发生台风的强度增加,暴雨洪水的风险较高。基于ERM构建的若干暴雨洪涝风险评估指标,其中考虑台风生命周期中不同持续时间降水的90百分位ERM能更好反映暴雨洪涝的风险。新的台风暴雨洪涝风险指标基于卫星降水产品,能够覆盖雨量站分布稀少的地区,可以用于台风暴雨洪涝预测及灾后评估。
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