李瑞芬 袁月 郭衛(wèi)華 李一偉

(山東省濟寧市氣象局，濟寧 272000)

引言

西北太平洋是全球熱帶氣旋生成最多、強度最大的區(qū)域，中國處于西北太平洋西岸，成為受熱帶氣旋影響最大的國家之一[1]。據(jù)統(tǒng)計，登陸中國的臺風年平均為9～10個[2]。臺風攜帶的狂風暴雨給人民的生產(chǎn)生活造成了嚴重損失，臺風風雨的分布主要是由臺風路徑?jīng)Q定的，臺風預報路徑的誤差將導致防御失敗[3]，因此提高臺風路徑預報的準確率是氣象部門關注的重點[4-5]。

臺風的移動與環(huán)境場氣流有關，由于臺風系統(tǒng)比較深厚，一般需要深厚的引導氣流引導[6]，有學者認為對流層中層(500～700 hPa)引導氣流與臺風路徑相關好[7]，也有學者采用了850～300 hPa之間質(zhì)量權重的平均引導氣流[8-9]。不同臺風在計算引導氣流時選取的厚度和半徑存在差異[10-12]。臺風除受深厚引導氣流外，低層環(huán)境引導氣流有時也會對臺風產(chǎn)生影響，許孌等[13]發(fā)現(xiàn)臺風Megi(2010)受低層引導氣流(800～600 hPa)影響顯著。郭興亮等[14]采用譜逼近方案發(fā)現(xiàn)850 hPa以上的中低層環(huán)境風場對Megi(2010)路徑北折階段的路徑模擬改善具有主要作用，然而在過島階段中低層環(huán)境風場信息的加入反而造成模擬路徑偏差增大。臺風移動方向與引導氣流相關較好，但因發(fā)展強度、下墊面以及影響系統(tǒng)等條件的變化，引導氣流所選的層次和半徑也存在較大差別[15]。此外，臺風的移動還與臺風強度[16]、周圍環(huán)境場[10,17]、地形[18]等有關，且不同類型臺風的預報著眼點存在差異；臺風前進方向的對流層溫度脊線和500 hPa正渦度軸線對臺風“摩羯”(1814)路徑有良好的指示作用[19]，臺風“莫拉克”(0908)有向正變渦區(qū)和暖濕區(qū)移動的趨勢[20]。嘗試不同的預報指標將對臺風路徑預報提供更多的參考。

2018年有兩個轉(zhuǎn)向北上臺風“摩羯”和“溫比亞”直接影響山東地區(qū)，兩臺風路徑存在相似之處，但又有較大差異，相似路徑臺風的差異給臺風路徑預報帶來了較大的困難。本文利用中國氣象局(CMA)提供的熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集資料和歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)提供的6 h一次的ERA interim再分析資料(水平分辨率為1°×1°，垂直方向為1000～200 hPa共23層)對影響兩個臺風路徑的影響因子進行分析，以期為今后預報此類臺風提供一定的參考依據(jù)。

1 臺風“摩羯”和“溫比亞”簡介

2018年14號臺風“摩羯”(圖1a)于8月7日08：00(北京時，下同)生成于菲律賓以東的西太平洋洋面上，開始穩(wěn)定少動，后向北再向西移動，在近海區(qū)轉(zhuǎn)向西北，12日23：00以強熱帶風暴強度登陸浙江溫嶺，登陸后繼續(xù)向西北方向移動，13日23：00在安徽境內(nèi)減弱為熱帶低壓并轉(zhuǎn)為向北移動，14日05：00前后進入山東單縣，移向轉(zhuǎn)為東北，15日05：00 在黃河入?？诟浇M入渤海，15日11：00轉(zhuǎn)向，向南移至半島地區(qū)又轉(zhuǎn)向西南，16日白天逐漸減弱消失。

2018年18號臺風“溫比亞”[21](圖1b)8月14日14：00生成于我國臺灣以東的東海洋面，生成后先北移后轉(zhuǎn)向西北偏西，于8月17日04：00以強熱帶風暴強度登陸上海浦東，登陸后繼續(xù)向西北偏西方向移動，強度逐漸減弱，18日14：00在河南境內(nèi)減弱為熱帶低壓并于19日05：00在河南東部轉(zhuǎn)向東北方向，19日20：00左右進入山東省單縣，在山東境內(nèi)一路向東北，20日05：00在黃河口附近進入渤海，20日07：00 強度有所加強并繼續(xù)向東北方向移動。

圖1 臺風“摩羯”(a)與“溫比亞”(b)路徑和強度變化

臺風“摩羯”和“溫比亞”路徑頗為相似，均為轉(zhuǎn)向北上路徑，但又存在較大差異，主要表現(xiàn)為4個方面：①在臺風源地移速相差較大，“摩羯”穩(wěn)定少動，“溫比亞”快速北上；②登陸后到轉(zhuǎn)向前臺風路徑的緯向度和臺風移速大小均差別較大，“摩羯”經(jīng)向度較大，移動較快，“溫比亞”以緯向移動為主，在轉(zhuǎn)向前后移動較慢；③轉(zhuǎn)向角度差異較大，“摩羯”轉(zhuǎn)向角度較小，多家模式均未報出路徑轉(zhuǎn)向[19]，而“溫比亞”轉(zhuǎn)向角度較大，轉(zhuǎn)向預報較準確；④臺風入海后“摩羯”再次折回山東，“溫比亞”則持續(xù)向東北方向移動，沒有發(fā)生轉(zhuǎn)折。兩相似路徑臺風的差異給臺風路徑預報帶來了較大的困難，下面將對造成臺風“摩羯”和“溫比亞”路徑差異的原因進行分析。

2 環(huán)流形勢分析

圖2為臺風“摩羯”和“溫比亞”在不同階段的環(huán)流形勢。在臺風生成階段，“摩羯”東北側為1813號臺風“珊珊”，沿東環(huán)副熱帶高壓(以下簡稱副高)北上，所以副高主體位置偏東，呈塊狀分布，副高斷裂部分主體位于30°N以北，距離臺風較遠，臺風附近無明顯系統(tǒng)存在，對應“摩羯”穩(wěn)定少動(圖2a)；“溫比亞”生成于副高西南側，副高整體呈東西向，臺風的東側和北側均存在與副高的相互作用下形成的大風區(qū)，且東側風力稍大，與“溫比亞”快速北上對應較好(圖2e)。在臺風登陸階段，隨著1813號臺風“珊珊”北上，東環(huán)副高西伸，“摩羯”位于副高西南側，東北側存在明顯的大風區(qū)，臺風快速向西北方移動(圖2b)；“溫比亞”則受到北部大陸高壓的阻擋，北上速度較慢，大風區(qū)位于臺風北部，偏東風較大，臺風以緯向移動為主(圖2f)。在臺風登陸后至轉(zhuǎn)向前，“摩羯”的影響系統(tǒng)主要是其東側的副高，臺風靠近副高一側的風速明顯偏大，以東南風為主，臺風移向西北；“溫比亞”繼續(xù)受西北側大陸高壓的阻擋，緩慢西移，隨著西風槽東移，大陸高壓斷裂，東部移至海上使副高加強，臺風并入高空槽中，風速較小，移動較慢。臺風轉(zhuǎn)向階段，“摩羯”移至副高西側，西風槽位置明顯偏北，對臺風影響不大，臺風主要受副高影響，大風區(qū)位于臺風靠近副高一側，偏南風較大，臺風轉(zhuǎn)向北上速度較快(圖2c)；“溫比亞”位于高空槽中，在高空槽與副高的相互作用下，東側大風區(qū)稍強于西側，風速不大，臺風緩慢轉(zhuǎn)向北上(圖2g)。轉(zhuǎn)向后至轉(zhuǎn)折(入海)，“摩羯”由位于東環(huán)副高一側，逐漸轉(zhuǎn)為位于大陸高壓和副高之間，距離大陸高壓更近一些，大風區(qū)由東側偏強轉(zhuǎn)為西側偏強，受東北風影響臺風轉(zhuǎn)折指向西南(圖2d)；“溫比亞”的大風區(qū)一直位于高空槽前，以西南風為主，風速較大，對應臺風移動較快，在西南風的作用下持續(xù)移向東北(圖2h)。

圖2 臺風“摩羯”與“溫比亞”在不同階段的500 hPa高度場(等值線，單位：dagpm)、700 hPa風場和大風區(qū)(填色)

總體上，“摩羯”和“溫比亞”臺風路徑的差異主要與周圍天氣系統(tǒng)差異有關。“摩羯”的主要影響系統(tǒng)包括1813號臺風、副高和大陸高壓，而“溫比亞”主要影響系統(tǒng)包括副高、大陸高壓和高空槽。臺風生成后移速相差較大的原因是“摩羯”處鞍形場中，而“溫比亞”距離副高較近；登陸后兩臺風的移向和移速大小差異較大是由于“摩羯”臺風處在副高東南側，而“溫比亞”臺風處在大陸高壓南側；陸上轉(zhuǎn)向角度的差異主要是有無高空槽作用產(chǎn)生的，“摩羯”無高空槽影響，主要受副高影響，轉(zhuǎn)向角度較小，不易預報，“溫比亞”受高空槽影響，有較好的轉(zhuǎn)向條件，轉(zhuǎn)向角度較大，預報準確度高；轉(zhuǎn)向入海后的差異主要為:“溫比亞”仍受副高影響，引導氣流無明顯變化；“摩羯”則由于大陸高壓增強，且臺風距離大陸高壓較距副高近，引導氣流方向改變，移向發(fā)生轉(zhuǎn)折。臺風的移向和移速大小與臺風周圍大風區(qū)的風向和風速大小相關較好，而大風區(qū)的產(chǎn)生主要受氣壓梯度力控制，歸根結底是臺風與周邊系統(tǒng)的強度和距離有關，引導氣流是最直觀的因素，即臺風移動主要受引導氣流操縱。

3 引導氣流分析

3.1 引導氣流計算方法

臺風路徑變化主要是受引導氣流變化的影響，但不同臺風計算引導氣流所選的層次和半徑存在差別。為得出臺風“摩羯”和“溫比亞”的最佳引導氣流，需要對臺風垂直方向23層和水平方向距離臺風中心0～20個緯度半徑進行排列組合，共有483種取值方式。將483種引導氣流組合依次與臺風移速求相關，相關性最顯著的一組定為臺風最佳引導氣流。速度為矢量，將引導氣流和臺風移速均分解為緯向速度和經(jīng)向速度，并分別求相關。圖3為兩臺風移速與不同高度和緯度半徑引導氣流在緯向和經(jīng)向分量的相關系數(shù)分布圖，從圖中可以看出，臺風“摩羯”緯向最佳引導氣流(圖3a)位于600 hPa，半徑為5個緯度，經(jīng)向最佳引導氣流(圖3b)位于650 hPa，半徑為6個緯度；臺風“溫比亞”緯向最佳引導氣流(圖3c)位于550 hPa，半徑為5個緯度，經(jīng)向最佳引導氣流(圖3d)位于600 hPa，半徑為5個緯度。進一步分析發(fā)現(xiàn)，兩臺風顯著相關半徑相對統(tǒng)一，約為距離臺風中心5個緯度，顯著相關高度有所差別。

圖3 臺風“摩羯”(a,b)和“溫比亞”(c,d)移速與不同高度(單位：hPa)和緯度半徑(單位：°)引導氣流在緯向(a,c)和經(jīng)向(b,d)分量的相關系數(shù)(陰影部分通過0.001的顯著性檢驗)

3.2 不同高度引導氣流的差異

選取距離臺風中心5個緯度半徑內(nèi)的平均風作為引導氣流，圖4為兩臺風移動過程中引導氣流的時間高度圖。在“摩羯”的引導氣流中，生成階段的引導氣流(700～400 hPa)較弱，導致臺風移動緩慢，之后較弱的偏南氣流逐漸轉(zhuǎn)為東南氣流(1000～200 hPa)，臺風先北上后西北移，臺風登陸前東南風引導氣流達到最強(1000～200 hPa)，臺風快速西北移，登陸后至轉(zhuǎn)向前低層(1000～500 hPa)一直為東南風，高層(300～200 hPa)逐漸轉(zhuǎn)為西南風，較臺風實際轉(zhuǎn)向超前12 h，風速稍有減弱，臺風移動依然較快，轉(zhuǎn)向后臺風受700 hPa以上氣流引導向東北偏北方向移動，移至渤海灣后引導氣流逐漸轉(zhuǎn)為偏北風(700～200 hPa)使得臺風向南發(fā)生轉(zhuǎn)折，之后轉(zhuǎn)為東北風(1000～200 hPa)，臺風移向西南；在“溫比亞”的引導氣流中，生成階段引導氣流(700～400 hPa)為較強的偏南風，“溫比亞”快速北上，之后偏南風轉(zhuǎn)為東南風(1000～200 hPa)，又轉(zhuǎn)為東南偏東風(1000～200 hPa)，緯向度不斷增大，從登陸前后至轉(zhuǎn)向前臺風主要以西移為主，登陸后風速(1000～200 hPa)逐漸減小，移動減慢，隨著偏東風減弱轉(zhuǎn)為西南風(700～200 hPa)，臺風轉(zhuǎn)向，此時高層風(300～200 hPa)也較臺風實際轉(zhuǎn)向時間超前12 h，之后西南風增強(500～200 hPa)，進入渤海灣后持續(xù)向東北方向移動(500～200 hPa)，沒有發(fā)生轉(zhuǎn)折。通過對比發(fā)現(xiàn)臺風的移向和移速大小與引導氣流的方向和大小相關較好， 但不同階段影響臺風移動的引導氣流所在高度存在差異。生成階段臺風移向和移速大小與中層引導氣流相關較好，隨后，低層至高層引導氣流風向趨于一致，臺風移向與其相同，這種現(xiàn)象持續(xù)至臺風登陸后一段時間，這與臺風強度增強有很大關系。之后兩臺風高層風開始轉(zhuǎn)向，均較實際轉(zhuǎn)向時間提前12 h，可以作為臺風轉(zhuǎn)向的預報指標。轉(zhuǎn)向前后風速的差異導致兩臺風移速差別較大。轉(zhuǎn)向后兩臺風均與中高層的風向風速相關較好，“摩羯”發(fā)生轉(zhuǎn)折，“溫比亞”入?？焖贃|移。

圖4 距離臺風“摩羯”(a)、“溫比亞”(b)中心5個緯度半徑內(nèi)引導氣流的時間-高度圖(臺風符號標注位置依次為：生成、登陸、轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)折(入海))

為定量分析不同階段影響臺風路徑的引導氣流所在高度的差異，圖5給出了臺風生命史、登陸前、登陸后轉(zhuǎn)向前和轉(zhuǎn)向后不同高度引導氣流與臺風移速在經(jīng)向、緯向分量的相關系數(shù)。從圖中可以看出，臺風“摩羯”的緯向移速(圖5a)在臺風整個生命史中與700～400 hPa緯向引導氣流相關性較好，尤其是600 hPa，相關系數(shù)達到了0.90，在登陸前1000～350 hPa緯向引導氣流與臺風緯向移速相關系數(shù)均通過了0.001的顯著性檢驗，高層200 hPa呈現(xiàn)顯著負相關，登陸后至轉(zhuǎn)向前750～600 hPa通過0.001的顯著性檢驗，轉(zhuǎn)向后整層相關較好，700～400 hPa通過0.001的顯著性檢驗；臺風“摩羯”的經(jīng)向引導氣流與臺風經(jīng)向移速相關系數(shù)(圖5b)在臺風整個生命史中整層均顯著，在登陸前900～600 hPa顯著相關，登陸后轉(zhuǎn)向前整層相關較差，轉(zhuǎn)向后整層相關較好。臺風“溫比亞”的緯向移速(圖5c)在臺風整個生命史與各層緯向引導氣流相關均較好，最大達到0.973(550 hPa)，登陸前各層相關均不顯著，但低層優(yōu)于高層，登陸后轉(zhuǎn)向前整層相關較好，950～200 hPa通過0.001的顯著性檢驗，轉(zhuǎn)向后中高層相關性明顯高于低層；經(jīng)向移速(圖5d)在臺風生命史中與850～500 hPa經(jīng)向引導氣流顯著相關，登陸前與中低層(1000～550 hPa)經(jīng)向引導氣流相關性較好，登陸后轉(zhuǎn)向前和轉(zhuǎn)向后各層相關均不顯著。

圖5 臺風生命史、登陸前、登陸后轉(zhuǎn)向前和轉(zhuǎn)向后不同高度引導氣流與臺風“摩羯”(a,b)、“溫比亞”(c,d)緯向(a,c)、經(jīng)向(b,d)移速的相關系數(shù)(相應顏色的虛線為通過0.001顯著性檢驗臨界值)

整體上，兩臺風登陸前中低層經(jīng)向和緯向引導氣流對臺風移動的指示作用均優(yōu)于高層；登陸后轉(zhuǎn)向前緯向引導氣流均優(yōu)于經(jīng)向引導氣流，高層環(huán)流沒有體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢；轉(zhuǎn)向后除“溫比亞”經(jīng)向引導氣流與臺風經(jīng)向移速相關較差外，“摩羯”的緯向與經(jīng)向引導氣流和“溫比亞”的緯向引導氣流均整層相關較好，中高層略優(yōu)于低層，尤其是“溫比亞”的緯向引導氣流。分析其原因發(fā)現(xiàn)：登陸前(圖6a,c)臺風高層為輻散場，臺風位于高層高壓南部的偏東風氣流中，中低層臺風北側為偏東風，與高層環(huán)流風向一致，臺風南側為偏西風，與高層氣流反向；此時臺風位于較低緯度地區(qū)，主要受中低層氣流引導，且中低層南側風速大于北側，所以登陸前高層氣流與臺風移速呈負相關。轉(zhuǎn)向時(圖6b,d)臺風高層依然為輻散場，但臺風與高壓系統(tǒng)的相對位置發(fā)生了改變，此時高層與低層風向相同，所以登陸后的整層引導氣流與臺風移速呈正相關。登陸后至轉(zhuǎn)向前臺風與高壓系統(tǒng)的相對位置在變化，經(jīng)向引導氣流相關較差，緯向引導氣流較不穩(wěn)定；而“溫比亞”經(jīng)向引導氣流相關較差還由于臺風在登陸后至轉(zhuǎn)向前主要受緯向氣流引導。

圖6 “摩羯”(a,b)和“溫比亞”(c,d)生成(a,c)和轉(zhuǎn)向(b,d)時200 hPa(黑色)和700 hPa(紅色)環(huán)流形勢(等值線：高度場，單位：dagpm；矢量：風場，藍色圓圈為臺風中心5個緯距區(qū)域)

4 渦度場特征分析

臺風登陸前后引導氣流所在的高度存在差異，但相關較好的高度主要位于中層，“摩羯”的最佳引導氣流位于650 hPa，“溫比亞”的最佳引導氣流位于550 hPa。但日常預報業(yè)務不分析這兩個層次，通過對比業(yè)務中常用層次，“摩羯”臺風相關較好的引導氣流位于700 hPa，而“溫比亞”位于500 hPa。為便于比較相對大小，500 hPa要比其他單層有更好的指示作用。圖7為臺風在不同階段的500 hPa風場、渦度場和渦度平流場特征。在臺風源地，對比發(fā)現(xiàn)兩臺風的渦度平流存在較大差異，“摩羯”附近渦度平流較弱，“摩羯”少動(圖7a)；“溫比亞”北側存在較強的正渦度平流，“溫亞”比快速向偏北方向移動(圖7e)。臺風登陸時，“摩羯”西北側強的正渦度平流使得臺風快速向西北方向移動(圖7b)；“溫比亞”西側相對較弱的正渦度平流，使得臺風西移速度稍慢(圖7f)。臺風轉(zhuǎn)向時， “摩羯”北側西風槽偏北，臺風處在均壓場中，多家模式均預報路徑偏西，此時渦度平流顯示北側有正渦度平流中心，“摩羯”轉(zhuǎn)向北抬(圖7c)；而“溫比亞”并入西風槽中，有西南風引導氣流，且東北側有正渦度平流，臺風向東北方向移向(圖7g)。在轉(zhuǎn)折(入海)時刻，“摩羯”的北側有較強的反氣旋性環(huán)流，西南側有正渦度平流，臺風轉(zhuǎn)向西南(圖7d)；“溫比亞”的東北側有正渦度平流，臺風向東北方向移動(圖7h)。

圖7 臺風“摩羯”與“溫比亞”在不同階段的500 hPa風場(矢量)、渦度場(等值線，單位：10-5s-1)和渦度平流場(陰影)(圖中(0,0)為臺風中心，橫(縱)坐標代表臺風中心東西(南北)方向的經(jīng)(緯)度)

綜上所訴，臺風作為低壓系統(tǒng)會向正渦度平流方向移動，臺風中心附近正渦度平流的強度與移速相關較好。渦度平流可以較好地指示臺風的移向和移速大小，臺風總是向著臺風附近的正渦度平流方向移動，且渦度平流越強，移動越快。

5 結論

2018年有兩個轉(zhuǎn)向北上臺風“摩羯”和“溫比亞”直接影響山東地區(qū)，兩臺風路徑存在相似之處，但又存在較大差異，相似路徑臺風的差異給臺風路徑預報帶來了較大的困難。通過對兩臺風路徑差異的原因進行分析發(fā)現(xiàn)：

(1)“摩羯”和“溫比亞”臺風路徑的差異主要與周圍天氣系統(tǒng)差異有關。“摩羯”的主要影響系統(tǒng)包括副高和大陸高壓，而“溫比亞”除副高和大陸高壓外，還包括高空槽。高空槽是造成“溫比亞”登陸后轉(zhuǎn)向角度較大的主要因素。臺風的移向和移速大小與臺風周圍大風區(qū)的風向和風速大小相關較好，而大風區(qū)的產(chǎn)生主要受氣壓梯度力控制，歸根結底是臺風與周邊系統(tǒng)的強度和距離有關，引導氣流是最直觀的表示，即臺風移動主要受引導氣流操縱。

(2)臺風“摩羯”和“溫比亞”最佳引導氣流所在的緯度半徑相對統(tǒng)一，均為5個緯度半徑內(nèi)，但顯著相關高度有所差別。不論是“摩羯”還是“溫比亞”，臺風登陸前中低層經(jīng)向、緯向引導氣流對臺風移動的指示作用均優(yōu)于高層，登陸后轉(zhuǎn)向前緯向引導氣流均優(yōu)于經(jīng)向引導氣流，高層環(huán)流沒有體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，轉(zhuǎn)向后除“溫比亞”經(jīng)向引導氣流與臺風經(jīng)向移速相關較差外，“摩羯”的緯向與經(jīng)向引導氣流和“溫比亞”的緯向引導氣流均整層相關較好，中高層略優(yōu)于低層，尤其是“溫比亞”的緯向引導氣流。且高層風(300～200 hPa)均較實際轉(zhuǎn)向時間提前12 h，可以作為臺風轉(zhuǎn)向的預報指標。

(3)渦度平流對臺風的移向和移速大小也具有指示作用，臺風總是向著臺風附近的正渦度平流方向移動，且渦度平流越強，移動越快。

(4)以上結論主要針對臺風“摩羯”和“溫比亞”，是否適用于其他強度和路徑的臺風還有待進一步研究。