王海平

(國家氣象中心, 北京 100081)

引 言

數(shù)值模式對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)誤差的產(chǎn)生存在諸多原因[1],如由副熱帶高壓、高空冷渦、槽脊移動(dòng)速度的預(yù)報(bào)誤差、多系統(tǒng)相互作用以及臺(tái)風(fēng)尺度和結(jié)構(gòu)的不確定性等引起的臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)偏差等[2]。針對(duì)高空西風(fēng)槽或熱帶對(duì)流層上層槽切斷冷渦[3]等高空系統(tǒng)對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)影響的研究發(fā)現(xiàn),數(shù)值模式和主觀綜合判斷均難以準(zhǔn)確預(yù)報(bào)高空冷渦及其切斷過程,而高空冷渦的出現(xiàn)會(huì)對(duì)臺(tái)風(fēng)周圍的引導(dǎo)氣流產(chǎn)生重大影響,導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)路徑發(fā)生突變[4-5],如2010年莫蘭蒂(1010)[6]、2018年云雀(1812)[7]等,均是受到高空冷渦影響導(dǎo)致路徑異常。平均每年有大約73%的臺(tái)風(fēng)與高空冷渦相伴,其中又有20%高空冷渦與臺(tái)風(fēng)的距離在1.5°之內(nèi)[8-9]。通過分段位渦反演技術(shù)[10-12]的敏感性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),高空冷渦的存在嚴(yán)重影響臺(tái)風(fēng)的路徑或強(qiáng)度[13-14]。因此,高空冷渦導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)路徑異常變化仍是目前國內(nèi)外業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)及科研面臨的重要挑戰(zhàn)之一。

高空冷渦通過改變臺(tái)風(fēng)上層環(huán)境引導(dǎo)氣流進(jìn)而影響臺(tái)風(fēng)移動(dòng)[15-17]。依據(jù)位渦傾向方程診斷分析發(fā)現(xiàn)[18-19],當(dāng)臺(tái)風(fēng)與高空冷渦南北向耦合時(shí),臺(tái)風(fēng)趨向于位渦水平平流項(xiàng)的正值區(qū)[20],同時(shí)高空冷渦下層也易產(chǎn)生不穩(wěn)定能量增強(qiáng),兩者均有利于臺(tái)風(fēng)向高空冷渦所在區(qū)域移動(dòng)[5]。也有一些研究認(rèn)為高空冷渦的強(qiáng)度變化并不總是臺(tái)風(fēng)北翹的決定因子[21]。另外,當(dāng)臺(tái)風(fēng)和高空冷渦均較強(qiáng),且相對(duì)距離在一定范圍內(nèi)時(shí),兩者易產(chǎn)生類似雙臺(tái)風(fēng)的藤原效應(yīng)[22]。近年各國熱帶氣旋預(yù)報(bào)預(yù)警中心逐漸重視高空冷渦對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度的影響,認(rèn)為高空冷渦易導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向和移動(dòng)速度發(fā)生突然變化[4]。

2021年7月18日凌晨臺(tái)風(fēng)煙花(2106)(簡稱煙花)在西北太平洋生成,并向西偏北轉(zhuǎn)西偏南方向緩慢移動(dòng)。7月22日開始折向北偏西方向移動(dòng),25日12:30(北京時(shí),下同)在浙江舟山沿海登陸,登陸后繼續(xù)向西北方向緩慢移動(dòng),并于28日折向偏北方向移動(dòng),30日早晨在河北黃驊進(jìn)入渤海并逐漸變性為溫帶氣旋。煙花移動(dòng)路徑復(fù)雜多變,風(fēng)雨影響范圍廣、強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長。數(shù)值預(yù)報(bào)與各國綜合預(yù)報(bào)多次大幅度調(diào)整煙花預(yù)報(bào)路徑,路徑預(yù)報(bào)誤差較大,特別是登陸點(diǎn)預(yù)報(bào)誤差較大,對(duì)防災(zāi)減災(zāi)工作造成一定影響[23]。因此,本文將通過分析影響煙花路徑的關(guān)鍵系統(tǒng),特別是其與北側(cè)高空冷渦活動(dòng)的關(guān)系,找出模式誤差的主要形成原因,研究西北太平洋高空冷渦對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑的影響,以期提高臺(tái)風(fēng)路徑業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)水平,并為數(shù)值模式改進(jìn)提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

本文用于分析臺(tái)風(fēng)活動(dòng)特征所使用的實(shí)況數(shù)據(jù)為中國氣象局臺(tái)風(fēng)最佳路徑數(shù)據(jù)、FY-4A衛(wèi)星云圖水汽通道數(shù)據(jù);用于分析臺(tái)風(fēng)模式預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)來自中國氣象局區(qū)域中尺度臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)(CMA-TYM,水平分辨率為0.09°×0.09°,垂直方向?yàn)?8層)[24]、歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF,水平分辨率為0.25°×0.25°,垂直方向?yàn)?9層)、美國環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Center for Environmental Prediction,NCEP,水平分辨率為0.5°×0.5°,垂直方向?yàn)?7層)的臺(tái)風(fēng)確定性預(yù)報(bào)。ECMWF提供51個(gè)成員的集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品,預(yù)報(bào)時(shí)效為12～120 h,水平分辨率為0.5°×0.5°;用于實(shí)況形勢(shì)場和物理量場分析的是ECMWF發(fā)布的第5代全球氣候再分析數(shù)據(jù)集ERA5,水平分辨率為0.25°×0.25°,垂直方向?yàn)?7層,時(shí)間分辨率為1 h。高空冷渦中心的確定是參考衛(wèi)星云圖水汽通道圖像,并根據(jù)ERA5風(fēng)場數(shù)據(jù)得到水平流場,將200 hPa 上氣旋性環(huán)流中心定為高空冷渦的中心[18]。

2 臺(tái)風(fēng)煙花北折路徑的模式預(yù)報(bào)概況

2021年7月19日20:00起報(bào)的各國綜合預(yù)報(bào)、模式確定性預(yù)報(bào)以及集合預(yù)報(bào)的絕大多數(shù)成員均預(yù)計(jì)煙花西行,并于24日在浙閩交界附近沿海登陸[23]。圖1a為煙花7月19日20:00—24日20:00的最佳路徑與7月19日20:00起報(bào)的ECMWF,NCEP和CMA-TYM確定性預(yù)報(bào)的0～120 h路徑預(yù)報(bào)對(duì)比。由圖1a可以看到,預(yù)報(bào)路徑的方向和移動(dòng)速度與實(shí)況差距較大。模式預(yù)報(bào)未能體現(xiàn)煙花在22日的移速減慢(圖1c)和移動(dòng)方向的南落,也未能表現(xiàn)之后的西北折,導(dǎo)致對(duì)登陸時(shí)間預(yù)報(bào)偏早,登陸地點(diǎn)預(yù)報(bào)偏南。7月20日20:00模式預(yù)報(bào)均調(diào)整為先西行再轉(zhuǎn)為西北行,并在浙江北部沿海登陸(圖1b),預(yù)報(bào)的登陸時(shí)間和登陸地點(diǎn)接近實(shí)況。因此,數(shù)值模式7月19日20:00起報(bào)的預(yù)報(bào)產(chǎn)生較大誤差,120 h預(yù)報(bào)誤差達(dá)到400～800 km,而7月20日20:00起報(bào)的預(yù)報(bào)誤差明顯減小,120 h預(yù)報(bào)誤差為0～300 km (圖1d),其中ECMWF確定性路徑預(yù)報(bào)與實(shí)況最為接近。

圖1 2021年7月19日20:00—24日20:00臺(tái)風(fēng)煙花最佳路徑與數(shù)值模式120 h預(yù)報(bào)(a)7月19日20:00起報(bào)的路徑預(yù)報(bào)比較,(b)7月20日20:00起報(bào)的路徑預(yù)報(bào)比較,(c)7月19日20:00起報(bào)的移動(dòng)速度與最佳路徑移動(dòng)速度比較,(d)7月19日與20日20:00起報(bào)的12～120 h路徑預(yù)報(bào)誤差比較Fig.1 The best track and numerical model 120 h track forecast of Typhoon In-Fa from 2000 BT 19 Jul to 2000 BT 24 Jul in 2021 (a)initiated at 2000 BT 19 Jul,(b)initiated at 2000 BT 20 Jul,(c)speed of the best track moving and numerical model forecast initiated at 2000 BT 19 Jul,(d)12-120 h track errors of numerical model initiated at 2000 BT 19 Jul and 2000 BT 20 Jul

續(xù)圖1

3 臺(tái)風(fēng)煙花移動(dòng)過程中高空冷渦的活動(dòng)

在衛(wèi)星水汽云圖上,高空冷渦通常為較淺薄且云頂溫度較低的卷云[25-26]。圖2為2021年7月14日、17日、19日與22日08:00 FY-4A衛(wèi)星水汽通道獲得的煙花及其附近高空冷渦的圖像。由圖2可以看到,7月14日位于日本以南洋面附近的熱帶對(duì)流層上層出現(xiàn)高空冷渦,此后冷渦逐漸向我國黃海至東海東北部海域移動(dòng)。冷渦東南側(cè)、菲律賓以東洋面上的對(duì)流云團(tuán)逐漸增強(qiáng),并發(fā)展為臺(tái)風(fēng)。7月19日高空冷渦在我國黃海上空并入西風(fēng)槽系統(tǒng),結(jié)構(gòu)較為松散,且云層厚度較為淺薄。此時(shí)煙花位于其東南方向約1400 km的洋面上。7月22日高空冷渦中心位于朝鮮半島南部海面上空,水平尺度收縮減小,但云層結(jié)構(gòu)更加厚實(shí)和緊密。煙花向西移動(dòng)至臺(tái)灣島以東洋面,位于高空冷渦偏南方向約1100 km 處,強(qiáng)度已達(dá)到強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)。

圖2 2021年 7月14日、17日、19日與22日08:00 FY-4A衛(wèi)星水汽云圖(T表示臺(tái)風(fēng)煙花中心,C表示高空冷渦中心)Fig.2 FY-4A water vapor satellite imagery of Typhoon In-Fa at 0800 BT on 14 Jul,17 Jul,19 Jul and 22 Jul in 2021(T denotes the center of Typhoon In-Fa,C denotes the center of upper-tropospheric cold low)

由圖3a可以看到,高空冷渦始終位于煙花的西北側(cè)至北側(cè),且煙花并未像臺(tái)風(fēng)云雀(1812)和臺(tái)風(fēng)莫蘭蒂(1010)一樣向高空冷渦的方向移動(dòng),而是在7月18—19日生成初期緩慢向西北方向移動(dòng),19日08:00—20日08:00煙花移動(dòng)距離約60 km,平均移動(dòng)速度小于2.5 km·h-1,此時(shí)高空冷渦也向西北方向移動(dòng)。7月22日02:00—23日02:00煙花向西偏南轉(zhuǎn)西北方向緩慢移動(dòng),移動(dòng)距離約為85 km,平均移動(dòng)速度約為3.6 km·h-1,此時(shí)高空冷渦也向偏南或西偏南方向移動(dòng)。

圖3 臺(tái)風(fēng)煙花最佳路徑(實(shí)線)與高空冷渦移動(dòng)路徑(虛線)(a)以及兩者中心相對(duì)距離(b)Fig.3 The best track of Typhoon In-fa(the solid line) and the track of upper-tropospheric cold low(the dashed line)(a) and distance between their centers(b)

高空冷渦中心與臺(tái)風(fēng)中心的相對(duì)距離始終維持在1000～1500 km(圖3b)。煙花生成初期向西偏北方向移動(dòng)階段,與高空冷渦中心的距離逐漸增大,由1300 km增大到1500 km,此時(shí)煙花的移動(dòng)受高空冷渦影響可能減弱,以平均大約10～15 km·h-1的速度向偏西方向移動(dòng)。爾后兩者距離再次持續(xù)減小,由1500 km減小到1000 km, 煙花可能受到高空冷渦的影響移動(dòng)速度再次減慢,并向西偏南方向移動(dòng)。Patla等[5]認(rèn)為兩者距離在15°以內(nèi),且距離逐漸減小時(shí),易發(fā)生相互作用。高空冷渦移動(dòng)路徑為近似順時(shí)針方向。7月23日后高空冷渦逐漸減弱消失,煙花向北偏西方向移動(dòng),移動(dòng)速度逐漸加快。

4 臺(tái)風(fēng)煙花異常路徑成因

4.1 形勢(shì)場

由2021年7月19日08:00 200 hPa位勢(shì)高度場(圖4a)可以看到,生成初期的煙花在高層的閉合環(huán)流弱,其西北側(cè)上空是向南伸展至我國華東沿海且水平尺度較為寬廣的西風(fēng)槽系統(tǒng),槽內(nèi)冷渦向下伸展較淺,在500 hPa位勢(shì)高度場上未見閉合環(huán)流,隨后冷渦向下伸展的高度進(jìn)一步收縮(圖略)。副熱帶高壓位于煙花北側(cè),范圍覆蓋日本海及日本以南洋面的上空。雖然高空冷渦中心與臺(tái)風(fēng)中心的水平距離約為1400 km,兩者可能發(fā)生相互作用,但由于此時(shí)煙花強(qiáng)度較弱,向上伸展高度較低,其西北側(cè)的高空冷渦向下伸展也較淺,煙花的移動(dòng)并未直接受到高空冷渦的影響,而是主要受到副熱帶高壓西南側(cè)的東南氣流引導(dǎo),向西北方向移動(dòng)。

圖4 2021年7月19日08:00,22日08:00和23日20:00 200 hPa(藍(lán)色等值線)和500 hPa(紅色等值線)位勢(shì)高度場(單位:gpm)Fig.4 Height of 200 hPa(the blue contour) and 500 hPa(the red contour) at 0800 BT 19 Jul and 22 Jul,and 2000 BT 23 Jul of in 2021(unit:gpm)

煙花強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)至強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí),對(duì)流高度也逐漸向上伸展。由7月22日08:00 500 hPa位勢(shì)高度場(圖4b)可以看到,煙花北側(cè)的塊狀副熱帶高壓再向北收縮至日本海上空,對(duì)煙花移動(dòng)路徑的引導(dǎo)進(jìn)一步減弱。200 hPa高度場已清楚可見煙花的氣旋性環(huán)流,其北側(cè)的高空冷渦尺度收縮,但強(qiáng)度增強(qiáng),結(jié)構(gòu)趨于對(duì)稱。此時(shí)高空冷渦與煙花的水平尺度相近,位置由煙花的西北側(cè)移動(dòng)至其偏北方向,并且與煙花的距離由1400 km減小到1000 km。研究發(fā)現(xiàn),位于高空冷渦南側(cè)向偏西方向移動(dòng)的熱帶氣旋路徑受冷渦系統(tǒng)影響一般會(huì)偏向模式預(yù)報(bào)路徑的左側(cè),且移動(dòng)速度偏慢[4],這與煙花此時(shí)情形相符。且煙花的環(huán)流中心位于東西兩個(gè)高壓中間,這也限制了煙花的經(jīng)向移動(dòng)。因此,中層副熱帶高壓引導(dǎo)偏弱和高層系統(tǒng)對(duì)煙花移動(dòng)的牽制是導(dǎo)致煙花停滯少動(dòng)的原因。

由7月23日20:00 500 hPa高度場(圖4)可見,位于日本海上空的副熱帶高壓繼續(xù)向東北方向收縮,對(duì)煙花的引導(dǎo)作用較之前更加微弱。在200 hPa上,煙花北側(cè)的高空冷渦進(jìn)一步收縮直至減弱消散,高空冷渦所在西風(fēng)槽繼續(xù)加深,經(jīng)向度增加。煙花受西風(fēng)槽前西南氣流與中層?xùn)|南氣流共同影響轉(zhuǎn)向北偏西方向移動(dòng),移動(dòng)速度逐漸增加。因此,高空冷渦存在并向偏南方向緩慢移動(dòng)期間,煙花并未被吸引北上,高空冷渦減弱消失后,西風(fēng)槽前偏南引導(dǎo)氣流進(jìn)一步增強(qiáng)。由此可見,高層引導(dǎo)對(duì)煙花路徑的北折起重要作用。

4.2 引導(dǎo)氣流

臺(tái)風(fēng)移動(dòng)主要受引導(dǎo)氣流影響,而能夠影響臺(tái)風(fēng)移動(dòng)的引導(dǎo)氣流厚度取決于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度[27-29]。本文采用距離臺(tái)風(fēng)中心5～7個(gè)經(jīng)緯距圓環(huán)平均環(huán)境風(fēng)計(jì)算引導(dǎo)氣流[30-31]。由煙花活動(dòng)過程中各層引導(dǎo)氣流(圖5)可以看到,在臺(tái)風(fēng)生成初期(7月17—20日),強(qiáng)度為熱帶風(fēng)暴級(jí)時(shí),雖然高層存在西風(fēng)槽南側(cè)強(qiáng)的偏西風(fēng)引導(dǎo)氣流,但由于煙花向上伸展高度低于200～300 hPa,因此其移動(dòng)主要受500 hPa以下的中低層引導(dǎo)氣流影響,向西北方向移動(dòng)。

當(dāng)煙花增強(qiáng)到強(qiáng)臺(tái)風(fēng)等級(jí)時(shí)(7月22日),伸展高度已經(jīng)達(dá)到200 hPa以上,其移動(dòng)受到整層引導(dǎo)氣流的影響,但由圖5可以看到,此時(shí)煙花的整層引導(dǎo)氣流明顯偏弱。高空冷渦位于煙花正北側(cè),使得200 hPa引導(dǎo)氣流存在較弱的北偏西分量(圖5b,黑色方框內(nèi)),對(duì)煙花路徑的影響是向偏東南方向的引導(dǎo),抑制其西行。因此,煙花路徑移動(dòng)緩慢且出現(xiàn)向偏南方向移動(dòng)分量。23日后對(duì)流層中下層為弱的東南風(fēng)引導(dǎo),高層為相對(duì)較強(qiáng)的偏南氣流引導(dǎo),煙花轉(zhuǎn)向北偏西方向移動(dòng),移動(dòng)速度加快。

圖5 2021年 7月17—29日ECMWF確定性模式分析場計(jì)算得到的1000 hPa至100 hPa平均引導(dǎo)氣流(藍(lán)線)(紅線為臺(tái)風(fēng)路徑)(a)以及整層引導(dǎo)氣流分布(b)Fig.5 Mean steering flow(the blue line) from 1000 hPa to 100 hPa(the red line denotes the track of typhoon)(a) and vertical steering flow distribution(b) of Typhoon In-Fa based on ECMWF deterministic model from 17 Jul to 29 Jul in 2021

4.3 相對(duì)渦度

由7月19日08:00和22日08:00穿過煙花中心和高空冷渦中心的相對(duì)渦度垂直剖面(圖6)可以看到,7月19日08:00高空冷渦雖然水平尺度大,但強(qiáng)度較小,冷渦中心最大值為1×10-4s-1,位于200 hPa,0.5×10-4s-1等值線向下伸展至350 hPa。煙花也處于強(qiáng)度較弱階段,200 hPa最大渦度值約為1.5×10-4s-1。因此,該階段高空冷渦對(duì)煙花的影響并不明顯。7月22日08:00煙花已加強(qiáng)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí),200 hPa最大渦度增大到約3×10-4s-1。此時(shí)高空冷渦中心最大值增大到約2.5×10-4s-1,仍位于200 hPa,與煙花的距離減小。0.5×10-4s-1等值線向下伸展至600 hPa,且冷渦垂直結(jié)構(gòu)向煙花一側(cè)傾斜,與煙花產(chǎn)生相互引導(dǎo)的可能性明顯增強(qiáng)。

圖6 2021年7月19日和22日08:00經(jīng)過臺(tái)風(fēng)中心和高空冷渦中心連線的相對(duì)渦度垂直剖面(單位:10-4 s-1)Fig.6 Vertical profile of relative vorticity passing the line between the typhoon center and the upper-tropospheric cold low center at 0800 BT on 19 Jul and 22 Jul in 2021(unit:10-4 s-1)

5 影響臺(tái)風(fēng)煙花路徑關(guān)鍵系統(tǒng)的數(shù)值預(yù)報(bào)

將ECMWF集合預(yù)報(bào)分別在7月19日20:00與7月20日20:00起報(bào)的所有集合成員分為西行組(共62個(gè)成員)、西北行組(共17個(gè)成員)和北上或轉(zhuǎn)向組(共13個(gè)成員)(圖7),分別將西行組成員和西北行組成員的200 hPa流場72 h預(yù)報(bào)進(jìn)行合成(圖8)發(fā)現(xiàn),西行組集合預(yù)報(bào)對(duì)煙花北側(cè)西風(fēng)槽系統(tǒng)預(yù)報(bào)較淺,西北行組集合預(yù)報(bào)對(duì)煙花北側(cè)高空冷渦系統(tǒng)預(yù)報(bào)較強(qiáng),明顯更接近實(shí)況,因此對(duì)煙花移動(dòng)速度和折向偏北方向移動(dòng)的位置把握較好?？梢?數(shù)值模式對(duì)高空冷渦系統(tǒng)的預(yù)報(bào)質(zhì)量是決定煙花路徑預(yù)報(bào)質(zhì)量的重要方面。

由ECMWF確定性數(shù)值模式在不同高度層的平均引導(dǎo)氣流(圖9)可見,7月19日20:00預(yù)報(bào)的西行路徑引導(dǎo)氣流的中高層(500 hPa至100 hPa)平均和中低層(1000 hPa至500 hPa)平均較為一致的指向偏西方向,直到靠近臺(tái)灣島后轉(zhuǎn)為指向西北方向。7月20日20:00預(yù)報(bào)的引導(dǎo)氣流在煙花西行階段較19日預(yù)報(bào)明顯偏弱,特別是高層引導(dǎo)不明顯,煙花在中低層弱引導(dǎo)下向偏西方向移動(dòng)。在折向北偏西方向移動(dòng)過程中,高低層引導(dǎo)氣流差異明顯,低層引導(dǎo)氣流指向西偏北方向,而高層引導(dǎo)氣流指向北偏東方向,高低層氣流的共同引導(dǎo)作用是導(dǎo)致煙花移動(dòng)路徑出現(xiàn)更明顯偏北分量的原因。

由上述分析可知,模式對(duì)煙花初次登陸點(diǎn)預(yù)報(bào)的誤差主要源于高空冷渦預(yù)報(bào)不佳以及對(duì)流層中下層引導(dǎo)氣流預(yù)報(bào)偏強(qiáng)。通過比較7月19日20:00 500 hPa 高度場的預(yù)報(bào)與分析場發(fā)現(xiàn),對(duì)煙花預(yù)報(bào)移速偏快,路徑偏西,對(duì)高空冷渦預(yù)報(bào)偏弱的成員,預(yù)報(bào)的位于日本海上空的副熱帶高壓略偏強(qiáng),煙花北側(cè)的5840 gpm等值線位置預(yù)報(bào)明顯偏南(圖10)。對(duì)煙花移速和移動(dòng)方向預(yù)報(bào)接近實(shí)況,對(duì)高空冷渦預(yù)報(bào)質(zhì)量較好的成員,預(yù)報(bào)的副熱帶高壓相對(duì)較弱,更接近實(shí)況,煙花北側(cè)5840 gpm等值線的位置預(yù)報(bào)也接近分析場。對(duì)臺(tái)風(fēng)莫蘭蒂(1010)[6]和菲特(1323)[32]的研究也證明高空冷渦的發(fā)展有利于副熱帶高壓的東退。

圖10 ECMWF在2021年7月19日20:00起報(bào)的西行組(a)和西北行組(b)的72 h 500 Pa高度場集合預(yù)報(bào)(紅色等值線)和分析場(藍(lán)色等值線)(單位:gpm)(黑線為最佳路徑,棕線為預(yù)報(bào)路徑)Fig.10 Composited 500 hPa height of forecast(the red contour) and analysis field(the blue contour) for westbound group members(a) and northwest group members(b) in ECMWF 72 h forecast initiated at 2000 BT 19 Jul 2021(unit:gpm)(the black curve denotes the best track,the brown curve denotes the forecast track)

因此,數(shù)值模式確定性預(yù)報(bào)和集合預(yù)報(bào)均顯示,對(duì)高空冷渦預(yù)報(bào)偏弱的模式均預(yù)報(bào)煙花偏西行,產(chǎn)生嚴(yán)重路徑預(yù)報(bào)誤差。成功預(yù)報(bào)高空冷渦位置和強(qiáng)度的模式均較好地預(yù)報(bào)了煙花的西北行路徑?？梢姼呖绽錅u的預(yù)報(bào)質(zhì)量嚴(yán)重影響了臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性(圖略)。目前數(shù)值模式對(duì)高空冷渦的預(yù)報(bào)質(zhì)量仍然存在較大誤差,難以預(yù)報(bào)或預(yù)報(bào)偏弱[5]。對(duì)煙花路徑預(yù)報(bào)過程中也發(fā)現(xiàn),臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)對(duì)于高空冷渦的形態(tài)和位置較為敏感。因此,提高數(shù)值模式對(duì)高空冷渦的預(yù)報(bào)質(zhì)量[33],是改進(jìn)數(shù)值模式臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)的重要方面。

為加強(qiáng)國產(chǎn)數(shù)值預(yù)報(bào)模式的檢驗(yàn)評(píng)估和應(yīng)用[34-36],對(duì)比分析了CMA-TYM與ECMWF模式對(duì)煙花北側(cè)高空冷渦的預(yù)報(bào)質(zhì)量。由200 hPa流場和風(fēng)速圖(圖11)可以看到,CMA-TYM模式7月19日20:00起報(bào)的72 h煙花預(yù)報(bào)較ERA5分析場明顯偏強(qiáng),而對(duì)高空冷渦的預(yù)報(bào)并不清楚。ECMWF模式7月19日20:00起報(bào)的72 h煙花預(yù)報(bào)強(qiáng)度明顯偏弱,其北側(cè)的高空槽預(yù)報(bào)較為平直,高空冷渦強(qiáng)度也較弱,且位置較實(shí)況明顯偏東。

圖11 2021年7月22日200 hPa流場(流線)和風(fēng)速(填色)(a)CMA-TYM 19日20:00起報(bào),(b)ECMWF 19日20:00起報(bào),(c)CMA-TYM 20日20:00起報(bào),(d)ECMWF 20日20:00起報(bào),(e)ERA5 22日20:00分析場Fig.11 200 hPa wind stream field(the streamline) on 22 Jul 2021 and wind speed diagram(the shaded)(a)CMA-TYM forecast initiated at 2000 BT 19 Jul,(b)ECMWF forecast initiated at 2000BT 19 Jul,(c)CMA-TYM forecast initiated at 2000 BT 20 Jul,(d)ECMWF forecast initiated at 2000 BT 20 Jul,(e)analysis fields of ERA5 at 2000 BT 22 Jul

CMA-TYM模式7月20日20:00起報(bào)的48 h煙花強(qiáng)度預(yù)報(bào)仍明顯偏強(qiáng),而對(duì)北側(cè)高空冷渦系統(tǒng)有所體現(xiàn),但強(qiáng)度預(yù)報(bào)較實(shí)況仍明顯偏弱,位置偏西(圖11c)。ECMWF模式對(duì)煙花高層的強(qiáng)度預(yù)報(bào)與實(shí)況較為接近,對(duì)北側(cè)高空冷渦的預(yù)報(bào)比CMA-TYM強(qiáng),但較實(shí)況場仍偏弱(圖11d)?？梢?與文獻(xiàn)[5]一致,數(shù)值模式對(duì)高空冷渦的預(yù)報(bào)效果仍然較差,即使在48 h時(shí)效仍存在較大預(yù)報(bào)誤差,需要進(jìn)一步改進(jìn)。

6 結(jié)論和討論

本文采用中國氣象局臺(tái)風(fēng)最佳路徑數(shù)據(jù)、FY-4A衛(wèi)星云圖、CMA-TYM,ECMWF及NCEP數(shù)值模式預(yù)報(bào)數(shù)據(jù),對(duì)煙花移動(dòng)過程中關(guān)鍵影響系統(tǒng)、以及數(shù)值模式對(duì)關(guān)鍵系統(tǒng)的預(yù)報(bào)質(zhì)量進(jìn)行分析,得到以下結(jié)論:

1) 煙花移動(dòng)路徑復(fù)雜,移動(dòng)方向多次轉(zhuǎn)折,移動(dòng)速度變化異常。煙花路徑異常期間其北側(cè)的高空冷渦對(duì)煙花路徑異常起重要作用。

2) 高空冷渦和臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度以及兩者的相對(duì)位置(距離)對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑產(chǎn)生重要影響。高空冷渦的存在有利于副熱帶高壓東退,使得煙花的環(huán)境引導(dǎo)氣流減弱,移速明顯減慢,不利于臺(tái)風(fēng)北上;高空冷渦減弱后的西風(fēng)槽前偏南氣流對(duì)煙花路徑的北折起重要作用。

3) 數(shù)值模式對(duì)高空冷渦的預(yù)報(bào)仍然存在較大誤差,在集合預(yù)報(bào)模式中表現(xiàn)為較大不確定性,特別是長時(shí)效預(yù)報(bào),是導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)誤差的重要因素。

未來需要進(jìn)一步研究高空冷渦對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑以及強(qiáng)度的影響,提高數(shù)值模式對(duì)高空冷渦的預(yù)報(bào)性能,開展數(shù)值模式高空冷渦預(yù)報(bào)的檢驗(yàn),為模式產(chǎn)品釋用和模式改進(jìn)提供依據(jù)。