郭春迓，程正泉，李泳澤，林芳妮，呂華鋒

（1.廣東省氣象臺(tái)，廣東廣州 510640；2.汕尾市氣象局，廣東汕尾 516600；3.廣州昊鹿信息科技有限公司，廣東廣州 510640）

臺(tái)風(fēng)風(fēng)圈預(yù)報(bào)目前仍是臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的一個(gè)難點(diǎn)。由于臺(tái)風(fēng)多數(shù)時(shí)候活動(dòng)在廣闊的洋面上，實(shí)況觀測(cè)資料匱乏，從而增加了預(yù)報(bào)員對(duì)臺(tái)風(fēng)各級(jí)風(fēng)圈半徑評(píng)估的難度。現(xiàn)有的業(yè)務(wù)中，臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)、風(fēng)圈大小的實(shí)況分析和預(yù)報(bào)仍以主觀判斷為主，一般多是基于衛(wèi)星觀測(cè)，結(jié)合各種實(shí)時(shí)輸出的風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品來(lái)進(jìn)行風(fēng)圈評(píng)估；其中衛(wèi)星觀測(cè)包括基于紅外探測(cè)儀［1］、基于微波傳感器［2-3］，以及融合了地球同步觀測(cè)（如飛機(jī)測(cè)風(fēng)和云導(dǎo)風(fēng)）和極軌衛(wèi)星（如基于散射測(cè)量法的二維微波探空風(fēng)場(chǎng)）［4-5］的風(fēng)場(chǎng)信息。

目前各機(jī)構(gòu)給出的風(fēng)圈情況：北京（NMC）在實(shí)況報(bào)文中給出7、10、12級(jí)風(fēng)圈半徑（分為東北、東南、西南、西北4象限）；香港（HKO）不發(fā)布風(fēng)圈，而是發(fā)布2 m浪高的范圍（同為4象限）；日本（JMA）在實(shí)況中給出7和10級(jí)風(fēng)圈，并按不同情況給出東-西或南-北象限的半徑；美國(guó)聯(lián)合臺(tái)風(fēng)警報(bào)中心（JTWC）除了給出8、10、12級(jí)風(fēng)圈實(shí)況（并且包含東北、東南、西南、西北四個(gè)象限）外，還在預(yù)報(bào)中給出了未來(lái)12和24 h各象限的各級(jí)風(fēng)圈預(yù)報(bào)。由于國(guó)際上不同臺(tái)風(fēng)業(yè)務(wù)中心定義臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的平均風(fēng)速有所不同［6］，因此發(fā)布的風(fēng)圈半徑也有所不同，北京發(fā)布的半徑單位為km（公里），而日本和關(guān)島、我國(guó)香港則為n mile（海里）。

出于實(shí)際業(yè)務(wù)的需求，廣東省氣象臺(tái)在北京報(bào)文的基礎(chǔ)上，發(fā)布實(shí)況和預(yù)報(bào)的6、7、8、10、12級(jí)風(fēng)圈半徑，且不劃分象限。目前多倚賴(lài)于歷史經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，以及北京給出的實(shí)況參考資料，再進(jìn)行主觀線性插值，預(yù)報(bào)員對(duì)于風(fēng)圈預(yù)報(bào)并無(wú)太大的主觀訂正能力。這一方面是受限于觀測(cè)資料，另一方面是沒(méi)有太多指導(dǎo)預(yù)報(bào)資料供參考。歷史經(jīng)驗(yàn)關(guān)系對(duì)于不同大小的臺(tái)風(fēng)（通常具有不同的風(fēng)圈半徑）并無(wú)統(tǒng)計(jì)，如何更加有針對(duì)性的開(kāi)展風(fēng)圈預(yù)報(bào)、如何從現(xiàn)有的7和10級(jí)風(fēng)圈實(shí)況得到更加合理的風(fēng)圈預(yù)報(bào)，以及其他強(qiáng)度的風(fēng)圈預(yù)報(bào)是亟待解決的問(wèn)題。本研究將對(duì)過(guò)去中央臺(tái)的實(shí)況報(bào)文進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為開(kāi)展更加精細(xì)、合理的臺(tái)風(fēng)風(fēng)圈預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)做背景調(diào)查。

1 資料來(lái)源

2003年至2019年10月中央氣象臺(tái)下發(fā)的實(shí)況報(bào)文，包括每個(gè)臺(tái)風(fēng)在其生命史上的中心最大風(fēng)速，以及7、10、12級(jí)風(fēng)圈半徑。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的質(zhì)量控制，剔除錯(cuò)誤報(bào)文。需要指出的是，2006年《臺(tái)風(fēng)業(yè)務(wù)和服務(wù)規(guī)定》［7］發(fā)布之前，舊的《臺(tái)風(fēng)業(yè)務(wù)和服務(wù)規(guī)定（第3次修訂版）（2001年12月刊印）中，沒(méi)有對(duì)臺(tái)風(fēng)以上級(jí)別進(jìn)行分級(jí)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中均保存為“臺(tái)風(fēng)（TY）”級(jí)，本研究按照新的《臺(tái)風(fēng)業(yè)務(wù)和服務(wù)規(guī)定》中的熱帶氣旋分類(lèi)方式，增加了“強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)（STY）”、“超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)（Super TY）”，對(duì)過(guò)去17年間的臺(tái)風(fēng)實(shí)況報(bào)文進(jìn)行統(tǒng)一整理。

2 熱帶氣旋及其中心最大風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)

2003—2019年間共有個(gè)443熱帶氣旋生成（包括熱帶低壓），其中包括93個(gè)熱帶風(fēng)暴、93個(gè)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、79個(gè)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、74個(gè)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、60個(gè)臺(tái)風(fēng)、44個(gè)熱帶低壓（圖1所示）。值得一提的是，除熱帶低壓級(jí)外，臺(tái)風(fēng)級(jí)的熱帶氣旋發(fā)生數(shù)量明顯低于其它級(jí)別。

圖1 2003—2019年間不同強(qiáng)度分類(lèi)下熱帶氣旋的發(fā)生頻率

統(tǒng)計(jì)17年間所有時(shí)次實(shí)況報(bào)文的風(fēng)速頻率分布（如圖2a所示），在經(jīng)過(guò)熱帶低壓階段之后，近中心最大風(fēng)速的出現(xiàn)頻率基本隨風(fēng)速增大而減小，由于所統(tǒng)計(jì)的實(shí)況數(shù)據(jù)是逐個(gè)時(shí)次的累加，涉及到同一個(gè)熱帶氣旋的不同發(fā)展過(guò)程，因此風(fēng)速的頻率分布總體符合實(shí)際情況，達(dá)到熱帶風(fēng)暴級(jí)別的頻率最高，隨后逐漸降低。但同時(shí)注意到，在12～13級(jí)（即臺(tái)風(fēng)級(jí)）左右有個(gè)次高峰（超出前一級(jí)近200個(gè)時(shí)次），結(jié)合圖1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，17年間臺(tái)風(fēng)級(jí)熱帶氣旋的生成數(shù)反而相對(duì)較少，由此可看出，圖2a中在臺(tái)風(fēng)級(jí)的頻率小高峰應(yīng)該是臺(tái)風(fēng)以上級(jí)別的熱帶氣旋所貢獻(xiàn)；但為何不是臺(tái)風(fēng)以下級(jí)別貢獻(xiàn)更多？對(duì)此，圖2b給出了驗(yàn)證：對(duì)每個(gè)熱帶氣旋到達(dá)巔峰時(shí)刻（并維持）之前的所有時(shí)次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)在熱帶風(fēng)暴和強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級(jí)別的熱帶氣旋，其處在熱帶低壓階段的強(qiáng)度維持時(shí)間較少，多數(shù)時(shí)次以熱帶風(fēng)暴為主；而在臺(tái)風(fēng)及其以上級(jí)別的熱帶氣旋，其處在強(qiáng)熱帶風(fēng)暴及其以下強(qiáng)度的時(shí)次相對(duì)較少，多數(shù)都以臺(tái)風(fēng)或以上強(qiáng)度為主。也就是說(shuō)，在一個(gè)熱帶氣旋的生命史中，其巔峰時(shí)次的強(qiáng)度（如臺(tái)風(fēng)和熱帶風(fēng)暴）或（及）其以下一級(jí)（如超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴）維持的時(shí)次一般最長(zhǎng)。

圖2 熱帶氣旋中心最大風(fēng)速在不同風(fēng)級(jí)下的頻率分布圖（a）；每個(gè)熱帶氣旋在其強(qiáng)度到達(dá)巔峰之前所經(jīng)歷的所有強(qiáng)度級(jí)別時(shí)次數(shù)（b）

廖菲等［8］通過(guò)對(duì)1949—2017年南海臺(tái)風(fēng)快速變化的統(tǒng)計(jì)研究中，從另一個(gè)角度闡述了這個(gè)問(wèn)題：由強(qiáng)熱帶風(fēng)暴快速加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)，以及由臺(tái)風(fēng)快速加強(qiáng)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，是發(fā)生頻率最多的事件；同時(shí)強(qiáng)度的快速加強(qiáng)次數(shù)以1次居多，一般不會(huì)超過(guò)2次。

3 各級(jí)風(fēng)圈半徑統(tǒng)計(jì)

風(fēng)速的頻率圖總體呈正態(tài)分布，與之對(duì)應(yīng)的是，風(fēng)圈半徑的頻率分布也同樣如此。其中7級(jí)風(fēng)圈半徑頻率峰值集中在300 km左右，10級(jí)風(fēng)圈半徑為100 km左右，而12級(jí)風(fēng)圈則在40 km左右。Knaff等［9］通過(guò)統(tǒng)計(jì)1988—2004年間NMC／JTWC的最佳臺(tái)風(fēng)路徑數(shù)據(jù)，得到了西北太平洋的8、10、12級(jí)的風(fēng)圈半徑分別為213、100、55 km。7、10、12級(jí)風(fēng)圈半徑的頻率峰值分別對(duì)應(yīng)著不同的風(fēng)速。

圖3a給出了不同熱帶氣旋級(jí)別下，7、10、12級(jí)風(fēng)圈半徑的分布。從散點(diǎn)分布來(lái)看，各級(jí)風(fēng)圈半徑大小基本隨熱帶氣旋強(qiáng)度的增加而增加，但10級(jí)、12級(jí)沒(méi)有7級(jí)變化幅度大。圖3b-d給出了各級(jí)風(fēng)圈半徑在不同熱帶氣旋強(qiáng)度分布的箱線圖，圖中藍(lán)色方框的下限和上限分別表示下4分位數(shù)（第25百分位）和上4分位數(shù)（第75百分位），藍(lán)色方框內(nèi)的紅線表示中位數(shù)；定義IQR表示中間4分位數(shù)極差（上4分位—下4分位數(shù)），方框外的下部和上部?jī)筛诰€分別表示最小值和最大值，本研究中最大（?。┯^測(cè)值設(shè)置為與上（下）4分位數(shù)值間距為1.5IQR；在最大（?。┲狄酝獾募t色十字表示異常值，它的定義為落在最大（?。┲狄酝獾哪切┲?。

圖3 不同強(qiáng)度熱帶氣旋的7、10、12級(jí)風(fēng)圈半徑的分布（a）以及7級(jí)（b）、10級(jí)（c）、12級(jí)（d）風(fēng)圈半徑的箱線圖分布

從箱線圖可以看到，風(fēng)圈半徑的分布存在異常值，并且多數(shù)時(shí)候異常值為偏大。對(duì)于7級(jí)風(fēng)圈半徑來(lái)說(shuō)，異常值主要出現(xiàn)在熱帶風(fēng)暴階段，而對(duì)于10級(jí)風(fēng)圈半徑來(lái)說(shuō)，異常值在強(qiáng)熱帶風(fēng)暴和臺(tái)風(fēng)階段都較多，對(duì)于12級(jí)風(fēng)圈來(lái)說(shuō)，異常值出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)階段，并且存在超過(guò)最大值或低于最小值的情況。進(jìn)一步分析7、10、12級(jí)風(fēng)圈半徑各風(fēng)速段的統(tǒng)計(jì)結(jié)果（圖略）。3種風(fēng)圈半徑，中位數(shù)分別在200～400、100～200、50～100 km之間，對(duì)應(yīng)的近中心最大風(fēng)速分別介于28～40、35～50、42～52 m／s之間。

實(shí)際業(yè)務(wù)中需要根據(jù)實(shí)況給出的7、10、12級(jí)風(fēng)圈半徑推算出預(yù)報(bào)的各級(jí)風(fēng)圈半徑，而針對(duì)每一個(gè)臺(tái)風(fēng)，因?yàn)槠浞秶兴町?，?dǎo)致相同的中心最大風(fēng)速可能會(huì)對(duì)應(yīng)不同的各級(jí)風(fēng)圈半徑。圖4給出了7、10、12級(jí)風(fēng)圈半徑的不同分位數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從下到上依次為最小值、第5、25、50、75、95百分位、最大值。該圖可為預(yù)報(bào)員提供風(fēng)圈預(yù)報(bào)的參考依據(jù)，通過(guò)當(dāng)前近中心最大風(fēng)速所對(duì)應(yīng)風(fēng)圈的相應(yīng)百分位，得到預(yù)報(bào)風(fēng)速下相應(yīng)的風(fēng)圈半徑參考值。

圖4 7級(jí)（a）、10級(jí)（b）、12級(jí)（c）風(fēng)圈半徑下，不同的風(fēng)速所對(duì)應(yīng)的不同百分位的風(fēng)圈大小

4 結(jié)論

1）2003—2019年間，共有個(gè)443熱帶氣旋生成（包括熱帶低壓），其中包括93個(gè)熱帶風(fēng)暴、93個(gè)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、79個(gè)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、74個(gè)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、60個(gè)臺(tái)風(fēng)、44個(gè)熱帶低壓。除熱帶低壓外，臺(tái)風(fēng)級(jí)別的熱帶氣旋發(fā)生數(shù)量明顯低于其他級(jí)別。在一個(gè)熱帶氣旋的生命史中，其巔峰時(shí)次的強(qiáng)度（如臺(tái)風(fēng)和熱帶風(fēng)暴）或（及）其以下一級(jí)（如超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴）維持的時(shí)次一般最長(zhǎng)。

2）7級(jí)風(fēng)圈半徑頻率峰值集中在300 km左右，10級(jí)風(fēng)圈半徑為100 km左右，而12級(jí)風(fēng)圈則在40 km左右；7、10、12級(jí)風(fēng)圈半徑的頻率峰值分別對(duì)應(yīng)著不同的風(fēng)速，7級(jí)風(fēng)圈頻率峰值對(duì)應(yīng)的風(fēng)速為28～40 m／s，10級(jí)為35～50 m／s之間，12級(jí)為42～52 m／s之間。各級(jí)風(fēng)圈半徑大小基本隨熱帶氣旋強(qiáng)度的增加而增加，但10、12級(jí)沒(méi)有7級(jí)變化幅度大。

3）業(yè)務(wù)上，預(yù)報(bào)員可根據(jù)所統(tǒng)計(jì)的不同臺(tái)風(fēng)風(fēng)圈半徑下，各級(jí)風(fēng)速對(duì)應(yīng)的不同百分位風(fēng)圈數(shù)值進(jìn)行參考。

由于本研究所采用的數(shù)據(jù)有限，得到的結(jié)論可能不夠完善，后續(xù)工作會(huì)采用最佳臺(tái)風(fēng)路徑，以及日本和關(guān)島的數(shù)據(jù)進(jìn)行再次分析，另外增加不同象限的風(fēng)圈統(tǒng)計(jì)；此外，鑒于業(yè)務(wù)中還需要對(duì)級(jí)和8級(jí)風(fēng)圈進(jìn)行預(yù)報(bào)，后續(xù)也將對(duì)此開(kāi)展研究工作。