西北太平洋熱帶氣旋大風圈統計特征及船舶防避熱帶氣旋方法

楊亞新 夏劍東

摘要：為給航行中船舶防避熱帶氣旋提供參考，利用西北太平洋1977—2018年的熱帶氣旋資料，分別統計分析了熱帶氣旋近中心最大平均風速、10級和7級大風圈的半徑、10級和7級大風圈最大半徑的偏向以及10級和7級大風圈半徑與熱帶氣旋強度的關系。在此基礎上，提出一種綜合考慮大風范圍和位置預報誤差的船舶避離熱帶氣旋的方法，并舉實例加以說明，為船舶防避熱帶氣旋提供一種思路。

關鍵詞： 西北太平洋; 熱帶氣旋; 大風圈特征; 防避方法

Abstract： In order to provide reference for ships in navigation to avoid tropical cyclones， using the data of tropical cyclones in the Northwest Pacific from 1977 to 2018， the maximum mean wind speed near the centers of tropical cyclones， the radii of the gale circles of 10 and 7 levels， the deviation of the maximum radius of the gale circles of 10 and 7 levels， and the relationship between the radii of the gale circles of 10 and 7 levels and the intensity of tropical cyclones are analyzed， respectively. On this basis， a method for ships to avoid tropical cyclones is proposed， where the range of gale and the error of position forecast are considered synthetically. An example is given to illustrate this method， which provides a method for ships to avoid tropical cyclones.

Key words： Northwest Pacific; tropical cyclone; characteristic of gale circle; avoidance method

0 引 言

大風是影響船舶航行的重要天氣之一。產生大風的天氣系統很多，其中熱帶氣旋產生的大風是各種天氣系統產生的大風中最強的，它來臨時帶來的狂風、暴雨、巨浪和風暴潮對航行船舶造成巨大威脅。因此，了解熱帶氣旋的大風分布特征，掌握其防避方法，對于船舶有效防避熱帶氣旋以確保航行安全意義重大。對熱帶氣旋大風的研究較多，如：楊玉華等[1]對我國登陸臺風引起的大風分布特征進行了分析;曾欣欣等[2]從單個臺風的角度對0515臺風“卡努”影響浙江的強風進行了分析;董美瑩等[3]分析了“麥莎”臺風影響期間浙江的大風分布特征;俞燎霓等[4]分析了近60年來影響浙江的熱帶氣旋大風的氣候特征及其影響因素。已有研究大多集中在對影響某一區域的、登陸的或特定的熱帶氣旋大風的研究，但對整個西北太平洋熱帶氣旋大風分布特征，特別是10級和7級大風分布特征的研究較少。文獻[5]雖然對西北太平洋熱帶氣旋做了一些研究，但所用資料年限有限，分析不夠全面。

本文旨在利用區域專業氣象中心（regional specialized meteorological center，RSMC）東京臺風中心提供的西北太平洋1977—2018年共42年的熱帶氣旋資料[6]，對熱帶氣旋大風圈特征進行較為全面的統計分析，得到10級和7級大風圈的平均半徑，10級和7級大風圈的最大半徑、最小半徑、半徑偏向等定量化結論，為船舶防避熱帶氣旋提供參考依據，同時進一步豐富航海氣象教學內容。在此基礎上提出一種綜合考慮熱帶氣旋大風范圍和位置預報誤差的避離熱帶氣旋的方法，并舉實例加以說明，為船舶避離熱帶氣旋提供一種思路。

1 資料與方法

熱帶氣旋資料來源于RSMC東京臺風中心，包括熱帶氣旋的編號、位置、中心氣壓、近中心最大平均風速、7級和10級大風圈最大和最小半徑及最大半徑偏向等。熱帶氣旋分類采用國際熱帶氣旋分類標準，12級以上的熱帶氣旋分類采用日本熱帶氣旋分類標準[7]，見表1。7級和10級大風圈的平均半徑分別采用其最大與最小半徑的平均值。

2 熱帶氣旋大風圈統計特征

2.1 近中心最大平均風速

1977—2018年西北太平洋共發生熱帶風暴強度等級以上的熱帶氣旋1 075個，平均每年25.6個。這1 075個熱帶氣旋近中心最大平均風速為35～140 kn，平均風速68.4 kn。近中心最大平均風速極值（140 kn）出現在7920臺風中，時間為1979年10月12日06時，當時近中心最低氣壓為870 hPa。圖1為各強度等級熱帶氣旋的占比。從圖1可以看出，熱帶風暴等級熱帶氣旋占24.9%，強熱帶風暴等級熱帶氣旋占21.4%，臺風強度等級熱帶氣旋占24.2%，強臺風等級熱帶氣旋占20.8%，超強臺風等級熱帶氣旋占8.7%。由此可見，西北太平洋75.1%的熱帶氣旋近中心最大平均風速達到50 kn（10級）以上，53.7%的熱帶氣旋近中心最大平均風速達到65 kn（12級）以上，29.5%的熱帶氣旋近中心最大平均風速達到81 kn（14級）以上，近中心最大平均風速達到105 kn（16級）以上的超強臺風相對較少，不到10%。由于熱帶氣旋近中心最大平均風速很大，大洋上航行的船舶切不可穿越熱帶氣旋，應盡可能采取繞航的辦法來避離熱帶氣旋。

2.2 10級大風圈統計特征

西北太平洋熱帶氣旋10級大風圈半徑為10～250 n mile，平均半徑為78.4 n mile。79.3%的10級大風圈呈對稱分布，20.7%的10級大風圈呈不對稱分布。不對稱分布的10級大風圈的最大半徑在各個方位都有出現，但主要出現在N、NE、E、SE方位上（占95%以上），見圖2。這可能是由于熱帶氣旋一般向偏西或西北方向移動，以上幾個方位正好位于熱帶氣旋移動方向的右半圓，而右半圓與副熱帶高壓相鄰，氣壓梯度較左半圓大，風速相對也較大，大風范圍廣。不對稱分布的10級大風圈最大半徑的平均值為108.6 n mile，最小半徑平均值為69.5 n mile，兩者相差39.1 n mile。

10級大風圈半徑大小與熱帶氣旋強度有非常密切的關系。圖3a和3b分別為10級大風圈平均半徑與近中心氣壓和近中心最大平均風速的關系。由圖3可知，隨著熱帶氣旋強度的增強，即近中心氣壓的降低、近中心最大平均風速的增大，10級大風圈平均半徑呈二次曲線增大，其與近中心氣壓之間的相關系數R達到了0.988 8（R2=0.977 7），與近中心最大平均風速的相關系數R達到了0.997 1（R2=0.994 2）。10級大風圈平均半徑與近中心最大平均風速的關系相對于其與近中心氣壓的關系更為密切。

利用圖3或二次曲線擬合方程，船舶即可根據從天氣預報中獲知的熱帶氣旋的近中心氣壓或近中心最大平均風速近似計算得到熱帶氣旋10級大風圈平均半徑，從而為其防避熱帶氣旋提供參考。

2.3 7級大風圈統計特征

7級大風圈半徑為20～637.5 n mile，平均半徑為188.6 n mile。對稱分布和不對稱分布的7級大風圈各占一半。與10級大風圈相同的是，不對稱分布的7級大風圈的最大半徑在各個方位都有出現，但主要出現在N、NE、E、SE這4個方位上（占80%以上），見圖4。不對稱分布的7級大風圈最大半徑的平均值為246.3 n mile，最小半徑平均值為163.7 n mile，兩者相差82.6 n mile。

同樣，7級大風圈平均半徑與熱帶氣旋強度也有十分密切的關系。圖5a和5b分別為7級大風圈平均半徑與近中心氣壓和近中心最大平均風速的關系。

由圖5可知，隨著熱帶氣旋強度的增強，即近中心氣壓的降低、近中心最大平均風速的增大，7級大風圈平均半徑呈二次曲線增大，其與近中心氣壓之間的相關系數R達到了0.992 8（R2=0.985 7），與近中心最大平均風速的相關系數R達到了0.994 5（R2=0.989 0）。7級大風圈平均半徑與近中心最大平均風速的關系稍優于其與近中心氣壓的關系。

3 船舶防避熱帶氣旋方法

目前遠洋船舶已經廣泛應用商業氣象導航服務，避離熱帶氣旋是商業氣象導航服務的重要內容，商業氣象導航機構會應用多種來源的預報結果和精密的全球數值預報模式來計算避臺航線。然而，船舶仍然需要掌握在某些特殊情況下自行防避熱帶氣旋的方法。商業氣象導航與船舶自行導航相結合，可以更有效地保障航行安全。

在船舶自行防避熱帶氣旋的研究方面，有傳統教科書上的扇形避離熱帶氣旋法[8]，有作概率預報圓避離熱帶氣旋法[9]，有根據氣象預報圖作安全距離避抗臺風法[10]，等等。扇形避離熱帶氣旋法只考慮了熱帶氣旋中心移動方向的預報誤差，未考慮熱帶氣旋中心移動速度的預報誤差，也未考慮對船舶安全航行造成嚴重威脅的大風范圍;作概率預報圓避離熱帶氣旋法，雖然同時考慮了熱帶氣旋中心移向和移速誤差，但是未考慮大風范圍;根據氣象預報圖作安全距離避抗臺風法雖然考慮了熱帶氣旋大風范圍，但未考慮熱帶氣旋中心位置預報誤差。

本文在前人研究的基礎上，結合前述熱帶氣旋大風圈統計特征，提出一種綜合考慮大風范圍和位置預報誤差的熱帶氣旋防避方法——作修正大風圓避離熱帶氣旋法。

3.1 作修正大風圓避離熱帶氣旋法

3.1.1 作圖方法

作修正大風圓避離熱帶氣旋指根據從傳真地面天氣圖或天氣報告中獲得的熱帶氣旋的中心位置、強度、未來移動方向、移動速度、大風范圍等，結合船舶的位置、航向和航速，在海圖上作經中心位置修正后的大風圓，使船舶與熱帶氣旋保持一定距離，作圖方法見圖6。

圖6中：H1、H2、H3和H4分別代表世界時00：00：00、06：00：00、12：00：00和18：00：00時的熱帶氣旋中心位置，A、B、C和D分別代表世界時00：00：00、06：00：00、12：00：00和18：00：00時的船舶位置。具體作圖方法如下：

（1）查閱傳真地面天氣圖或天氣報告，獲得00：00：00時熱帶氣旋中心經緯度、未來移動方向和移動速度，在海圖上點繪出00：00：00時熱帶氣旋中心位置H1和船舶位置A，以H1為起點沿著熱帶氣旋移動方向作一線段，線段長度等于熱帶氣旋未來24 h的移動距離（用移動速度乘以24 h得到，在海圖上一個緯距相當于60 n mile）。

（2）以線段末端為中心作第一個大風圓，大風圓的半徑等于10級或7級大風圈半徑與位置預報誤差之和。

（3）大風圓作好后，再以H1為原點向大風圓兩側作切線，這樣繪出的大風圓和與其相連的兩條切線之間的扇形區域就是船舶在未來24 h內需要避讓的危險區域。

（4）每隔6 h船舶將接收到新的傳真地面天氣圖或天氣報告，根據最新的熱帶氣旋位置、移動方向和移動速度預報信息，按照上述步驟依次作出06：00：00、12：00：00、18：00：00時的大風圓2、大風圓3、大風圓4，同時繪出每隔6 h的船舶位置，通過不斷調整航向使船舶與對應時刻大風圓保持一定的安全距離，直到船舶駛到已基本不受熱帶氣旋影響的F點后，才可以改為沿計劃航向航行。

3.1.2 大風圈半徑與位置預報誤差的計算

（1）大風圈半徑的計算。10級或7級大風圈半徑可根據傳真地面天氣圖得到。在不能得到或及時收到傳真地面天氣圖的情況下，10級或7級大風圈半徑可根據熱帶氣旋強度與大風圈半徑的統計關系得到。根據預報的熱帶氣旋強度（近中心氣壓或近中心最大平均風速）查圖3或圖5，即可得到該強度熱帶氣旋10級或7級大風圈平均半徑。值得注意的是：圖3和圖5是氣候統計結果，反映的是大風圈半徑的多年平均狀況，與實際狀況可能存在一定偏差;傳真地面天氣圖上的熱帶氣旋大風圈半徑是結合當時天氣狀況、熱帶氣旋強度等預測得到的結論，與實際天氣狀況結合緊密。因此，在能及時收到傳真地面天氣圖的情況下，應用傳真地面天氣圖上大風圈半徑預報結果，安全性更高。

（2）位置預報誤差計算。在傳真地面天氣圖上繪制熱帶氣旋未來24 h的位置預報誤差圓（入圓率為70%），從中可知70%概率下熱帶氣旋的位置預報誤差。在不能及時收到傳真地面天氣圖的情況下，可根據熱帶氣旋的位置預報誤差累積頻率統計結果得到位置預報誤差。所謂累積頻率，就是某一位置預報誤差值以下的頻數占總頻數的百分比，如位置預報誤差為50 km的累積頻率就是位置誤差小于等于50 km的頻數占所有位置誤差頻數的百分比。文獻[9]統計分析了熱帶風暴（TS）、強熱帶風暴（STS）、臺風（TY）和熱帶氣旋（TC）以25 km為間

隔的位置預報誤差的累積頻率，見圖7。由累積頻?率圖可查到小于等于某一位置預報誤差數值出現的概率。如何選取累積頻率很重要，累積頻率大，位置預報誤差數值也大，所繪制的大風圓半徑相應也大，船舶為避臺需繞航的距離也增大;累積頻率小，位置預報誤差數值小，所繪制的大風圓半徑也小，雖然船舶為避臺需繞航的距離減小了，但熱帶氣旋入圓率低，船舶的危險性相應增大。因此，船舶需要選擇一個合適的累積頻率，在確保安全的情況下，盡可能縮短航程。目前，國內外的傳真地面天氣圖基本上都采用70%概率位置預報誤差圓作為船舶需避開的危險區域。

3.2 舉例說明

為更好地理解作修正大風圓避離熱帶氣旋的方法，現舉一實例加以說明。

實例：2018年7月26日12：00：00（世界時），某船位于（27.5°N， 155.0°E），向WSW方向航行，駛往菲律賓某港口，航速25 kn。此時，2018年第12號超強臺風“云雀”（Jongdari）位于（23.5°N， 140.1°E），正在向NE方向移動，移動速度22 km/h。“云雀”每隔6 h的中心位置、強度、未來移動方向、移動速度數據見表2（數據來源于天氣報告）。

根據每隔6 h“云雀”的位置作未來24 h修正大風圓，使船舶未來24 h不落入大風圓中，作圖方法見圖8。圖8中，H1、H2、H3、H4和H5分別代表2018年7月26日12：00：00、26日18：00：00、27日00：00：00、27日06：00：00和27日12：00：00時的“云雀”中心位置，A、B、C、D和E分別代表相應時刻船舶的位置。

20180726T120000時，船舶位于A點，根據天氣報告得知“云雀”中心位于H1，并得知未來移動方向為NE、移速為22 km/h（見表2），以H1為基點沿著NE方向（“云雀”移動方向）作一線段，線段長度等于“云雀”未來24 h的移動距離（用移動速度乘以24 h得到），再以線段末端為中心作修正大風圓。修正大風圓的半徑為10級或7級大風圈平均半徑加上位置預報誤差數值。根據20180726T120000時“云雀”的近中心最大平均風速33 m/s（約66 kn），查圖3和圖5分別得到10級大風圈平均半徑為65.7 n mile，7級大風圈平均半徑為207.7 n mile;由于20180726T120000時“云雀”已達到臺風（TY）等級，查圖7中TY曲線，可得到概率為70%時的臺風（TY）的平均預報誤差為112.5 km（約60.7 n mile）。因此，本例經位置修正后的7級和10級大風圓半徑分別為268.4 n mile（由207.7 n mile 與60.7 n mile相加而得）和126.4 n mile（由65.7 n mile與60.7 n mile相加而得）。再以H1為基點向7級或10級修正大風圓的兩側作切線，這樣得到的修正大風圓以及與其相連的兩條切線之間的扇形區域，就是船舶未來24 h內需要避開的危險區域。然后每隔6 h重新計算一次修正大風圓半徑（見表3），依次作出修正大風圓2、大風圓3、大風圓4……，根據船舶與熱帶氣旋之間的相對位置，將航向先后調整為S、SW，直到船舶航行至已基本不受熱帶氣旋影響的E點后，才改為按計劃航線WSW方向航行，直至到達目的地。在實際防避熱帶氣旋的過程中，取7級還是10級大風圓作為危險區域可根據船舶的性能、抗風浪能力等確定。本例是取7級修正大風圓作為危險區域來作圖避離熱帶氣旋的，圖8中也給出了10級修正大風圓（見圖中實線圓）。

4 結束語

通過對熱帶氣旋大風分布特征及其防避方法的研究，得到以下幾點結論：

（1）熱帶氣旋近中心最大平均風速很大，西北太平洋75%以上的熱帶氣旋近中心最大平均風速達到50 kn（10級）以上，50%以上的熱帶氣旋近中心最大平均風速達到65 kn（12級）以上，近30%的熱帶氣旋近中心最大平均風速達到81 kn（14級）以上。

（2）對稱分布的10級大風圈居多（占80%左右），對稱和不對稱分布的7級大風圈各占一半。不對稱分布的10級和7級大風圈最大半徑偏向多為N、NE、E和SE（80%以上）。10級和7級大風圈平均半徑與熱帶氣旋強度有著非常密切的二次非線性關系，其值分別為78.4 n mile和188.6 n mile。

（3）以經位置預報誤差修正后的大風圓作為船舶防避的危險區域，使船舶與該區域保持一定的距離，這種防避熱帶氣旋的方法比單純考慮位置預報誤差或單純考慮大風圈的方法更具有參考價值和安全性。

需要說明的是，本文提出的只是特殊情況下船舶的一種避臺思路，是對現有教材中相關內容的補充和完善。建議遠洋船舶盡可能應用商業氣象導航服務，結合自行導航確定避臺航線，以確保航行安全。在利用本文方法選取大風圈范圍時，應盡可能依據各專業氣象機構發布的熱帶氣旋預報結論。近幾年來，我國海洋氣象預報發展迅速，很多專業氣象機構如我國中央氣象臺、美國國家海洋和大氣管理局、日本氣象廳、歐洲中期天氣預報中心等都發布多種關于熱帶氣旋發展變化的監測和預警信息，船舶駕駛員可以綜合利用這些預報信息來避離熱帶氣旋。

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（編輯 賈裙平）