基于隐式马尔科夫补充模型的热带气旋随机模拟方法研究

China is severely affected by Tropical Cyclones. Dealing with natural hazards, from creating building codes to setting insurance premiums and planning for evacuations and relief efforts, depends on an accurate assessment of risk. The stochastic tropical cyclone models are developed and tested for generating a large set of synthetic tropical cyclones because inadequate historical records may introduce great bias into risk assessment results if traditional probabilistic method is used. How to establish a statistical relationship between the large-scale general circulation and the key parameters of tropical cyclones, and how to generate tropical cyclone intensity accurately are two difficulties in the present research. Consequently, we present a non-parametric statistical model of tropical cyclone from genesis site through lysis based on a hidden markov renewal model to reveal the effects of the environmental variables in stochastic simulation, especially in intensity simulation. We hope to improve on intensity simulation model and generate a set of synthetic tropical cyclones in the Northwestern Pacific based on CMA-STI best track datasets to provide support for China’s tropical cyclone disaster risk assessment and management.

我国是全球受热带气旋影响严重的国家，制定建筑规范、设置保险费率、确定疏散和救援计划等，都离不开对热带气旋灾害的风险评估。热带气旋灾害风险评估的难点之一是观测资料不足，通过随机模拟方法生成大量随机热带气旋事件集，可有效解决传统概率统计方法失效的问题。如何建立随机模拟的热带气旋发展过程与环境场之间的合理联系，如何准确地对热带气旋的强度进行随机模拟，是当前研究的两大难题。本研究拟基于隐式马尔科夫补充模型，建立一套热带气旋路径及强度随机模拟的新方案，研究认识环境变量对热带气旋随机模拟的影响，特别是对强度随机模拟的影响，提高热带气旋强度的随机模拟能力，并形成一套基于我国热带气旋最佳路径资料的西北太平洋热带气旋随机事件集，为我国热带气旋灾害风险评估和风险管理提供方法和数据支撑。

当前台风灾害风险评估的难点之一是观测资料不足，对于工程、保险领域，如何准确地对台风进行随机模拟，是当前研究的重点。随着人类活动对自然的影响成为了全世界的关注热点，研究者通过增加关键参数，建立环境变量与随机台风之间的物理联系，面向工程的台风模拟研究也开始考虑气候变化对台风的作用。现有的台风模拟方法可分为三类：单站概率模型、全路径模型和降尺度模型。全路径模型除了用于工程、保险领域，还可用于评估某一个环境因子对台风活动的可能影响。.本研究通过随机模拟方法生成10000年台风事件集，解决了传统概率统计方法失效的问题，同时利用隐式马尔科夫链模型，研究认识环境变量对台风随机模拟的影响，特别是对强度随机模拟的影响。另一方面，本研究利用10000年台风事件集，结合工程台风风场模型，讨论了不同极值分布型对计算重现期风速的影响。主要研究结论包括：.1、对台风模拟模型进行分类，讨论不同台风模拟模型的应用场景。降尺度模型不依赖历史台风观测资料，但是受到计算条件的限制。全路径模型需要历史观测资料来建立环境变量和台风之间的联系，除了满足工程、保险需求，也可以用于评估环境因子对台风活动的可能影响。 .2、本研究基于隐式马尔科夫补充模型，建立了一套台风路径及强度随机模拟方案，模拟了10000年台风。在强度模拟上，通过一种简单的强度订正方法，使得强度的模拟结果符合历史台风强度的分布特征。.3、在原始模型（CTL）上增加环境因子，包括：持续时间（T）、海温（SST）、垂直风切变（VWS）、引导流（U）、位势高度（H），评估不同环境因子对台风路径、强度分布的作用。从路径模拟结果看，CTL+T和CTL+U可以模拟出台风转向的特征，从强度模拟结果看，CTL增强过快，CTL+T可以模拟出台风增强以及近海减弱的特征，但在高纬度CTL+T模拟结果偏强。.4、结合Georgiou风场模型，计算台风影响下各点的重现期。对于受台风影响较多的地区，模拟台风计算得到的重现期风速，小于历史台风计算得到的重现期风速；对于台风影响少的地区，模拟台风计算得到的重现期风速，大于历史台风计算得到的重现期风速。