登陸北上臺風突然轉(zhuǎn)向的預(yù)報著眼點

張子涵，鄭麗娜

（山東省東營市氣象局，山東東營257091）

1 引言

熱帶氣旋是發(fā)生在熱帶海洋上的一種具有暖中心結(jié)構(gòu)的強烈的氣旋性渦旋，總是伴有狂風暴雨，我國和東亞地區(qū)將這種熱帶氣旋稱為臺風[1]。據(jù)統(tǒng)計，平均每年有7～8個臺風登陸中國大陸，對人民生命安全和財產(chǎn)安全造成巨大威脅[2]。在過去的幾十年里，國內(nèi)外的氣象工作者利用觀測資料、衛(wèi)星和雷達資料、數(shù)值模式資料等對臺風做了深入和系統(tǒng)地研究，對臺風的形成原因、演變過程、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其與其他尺度系統(tǒng)間的相互作用有了較為深入的認識，臺風的業(yè)務(wù)預(yù)報水平也有了很大提高[3-6]。由于臺風帶來的危害巨大，而臺風的路徑?jīng)Q定著臺風所攜帶風雨的分布，所以提高臺風路徑的預(yù)報準確率始終是我們氣象業(yè)務(wù)部門和科研部門關(guān)注的重點[7]。Bender等[8]研究表明，臺風在移動過程中受地形的阻擋作用，會造成臺風移動路徑的偏折。Wu等[9]研究表明，臺風運動的方向一般是向垂直切變下游的左側(cè)移動。但是Shapiro[10]則認為在西風切變隨著高度增加的時候，會對臺風產(chǎn)生一個向西北的引導氣流，即移向垂直切變下游的右側(cè)。Ueno[11]研究認為臺風的結(jié)構(gòu)在低緯度會隨著高度氣旋式旋轉(zhuǎn)，而在中緯度則會反氣旋式旋轉(zhuǎn)，臺風的移動路徑與周圍的環(huán)境風場有密不可分的關(guān)系。Wang等[12]研究指出，臺風運動主要來自大尺度引導氣流和氣旋環(huán)流，以及它們與環(huán)境的相互作用。

通過以上分析可知，氣象專家做了大量的關(guān)于臺風移動路徑的研究工作，取得了很多的成果，但是對于那些突然轉(zhuǎn)向的異常路徑的臺風，業(yè)務(wù)人員仍然不能準確預(yù)報[13]。如2004年的臺風“艾利”與“米雷”[14]，前者登陸后轉(zhuǎn)向西南方向，后者轉(zhuǎn)向東北方向；2005年的臺風“海棠”[15-16]，在西移的過程中突然南折；以及2010年的臺風“鯰魚”，在南海由向西北偏西方向移動突然轉(zhuǎn)為向東北偏北方向移動等。對于以上這些臺風的異常路徑預(yù)報，各家數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品之間存在較大差異，預(yù)報業(yè)務(wù)人員也往往把握不準，導致預(yù)報結(jié)論出現(xiàn)一定偏差。近幾年，又有研究表明，臺風路徑突變與季風環(huán)流中的低頻分量（10 d以上季節(jié)內(nèi)振蕩）有密切關(guān)系[17]。Ko等[18]指出，6～25 d的波動在處于大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的西風位相時，臺風會向西北方向移動。Luo等[19]指出，由于臺風自身羅斯貝波能量頻散作用，會導致臺風路徑向北偏折。Wu等[20]對在東海突然北折的4個臺風進行了研究，發(fā)現(xiàn)臺風路徑的突變總是伴隨著準兩周的低頻季風渦旋。這些研究表明，理解臺風路徑的變化必須考慮臺風環(huán)流與低頻背景場的相互作用，這為我們研究臺風路徑提供了一種新的思路。

2018年8月影響山東的兩個臺風“摩羯”（201814號）和“溫比亞”（201818號），在登陸北上過程中，移動路徑詭異（見圖1）。2018年8月8日，臺風“摩羯”在西北太平洋生成之后，一直向西北方向移動；14日08時（北京時，下同）“摩羯”自河南東北部進入山東，移動方向轉(zhuǎn)為東北偏北方向；14日20時，其移動路徑又調(diào)整為東北方向；15日08日，臺風進入渤海，移動減緩，隨后突然掉轉(zhuǎn)方向向南偏折重新進入山東，并沿此路徑直至消失。臺風“摩羯”消失后，“溫比亞”臺風又在西北太平洋上生成，起始移動路徑是西北偏西，18日20時進入河南境內(nèi)，隨后“溫比亞”北折，像“摩羯”那樣，一路北上進入山東。在山東境內(nèi)，這兩個臺風的移動路徑非常接近。20日08時“溫比亞”已進入渤海。人們擔心它會像“摩羯”那樣再折回山東，然而“溫比亞”卻持續(xù)向東北方向移動，最后移出渤海海峽。“摩羯”的路徑為何如此詭譎？“溫比亞”為何進入渤海后沒有轉(zhuǎn)回山東？這兩個臺風的移動路徑受哪些因素的影響？本文從這幾個問題入手，揭示臺風移動路徑如此異常的原因，為今后臺風的路徑預(yù)報提供思路，以減少臺風因路徑預(yù)報失誤而造成的損失。

圖1 臺風“摩羯”與臺風“溫比亞”移動路徑示意圖

2 資料和方法

本文使用的資料包括：（1）歐洲中期天氣預(yù)報中心（European Centre for Medium-Range Weather Fore-acasts，ECMWF）提供的ECMWF-HR資料。該資料水平分辨率為0.125°×0.125°，垂直方向從1 000～10 hPa共16層，要素包括氣壓、位勢高度、溫度、相對濕度及風場等；（2）Micaps4中mdfs提供的國家站間隔1 h的地面加密填圖資料。

為了分析不同時間尺度環(huán)流對臺風路徑的影響，對2018年7—8月62 d的風場、高度場、渦度場等資料進行Butterworth帶通濾波器濾波。考慮到臺風的生命史在10 d以下，用帶通濾波器濾出1—10 d這段時間的高頻場，以分析高頻場對臺風的影響，然后再用原始場減去高頻場得到低頻場。

在討論臺風受力分析時，采用天氣學原理和方法中地轉(zhuǎn)偏向力（A）,總壓力（G）和內(nèi)力（N）三力近似平衡的理論，即A+G+N=0。三力的公式[1]如下：

式中：Ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，φ0為臺風中心的緯度，C0為臺風中心的移動速度，p為整個臺風體積上的氣壓梯度力，σ為臺風體周界面積，φ為臺風外圍任一空氣質(zhì)點的緯度，ρ為空氣密度，τ為表征整個臺風圓柱體，μ′,ν′，w′分別為空氣質(zhì)點相對于坐標系在x方向，y方向和z方向的運動分量，i，j，κ為直角坐標系x方向、y方向和z方向的單位方向矢量。

3 影響臺風路徑變化的受力分析

圖2 臺風“摩羯”（a—f）與“溫比亞”（g—i）受力與移向示意圖

圖2 給出了臺風在移動過程中的受力情況。11日20時與13日20時，副熱帶高壓位于臺風的東北側(cè)，臺風所受總壓力的方向是從高壓指向低壓，如圖2a、2b所示，在北半球，臺風的內(nèi)力一直指向西北方向，按三力平衡原理，地轉(zhuǎn)偏向力指向東北方向，臺風未來的移動方向位于地轉(zhuǎn)偏向力的左側(cè)并與其成90°，故臺風向西北方向移動。14日08時與20時，臺風逐漸移動到副熱帶高壓的西側(cè)，其受到的總壓力指向西南偏西方向，這時移動方向指向偏北方向（見圖2c、2d）。如果預(yù)報員在預(yù)測臺風移向時，利用三力平衡原理，密切關(guān)注副熱帶高壓位置，就可以輕松地訂正數(shù)值模式預(yù)測的臺風“摩羯”會繼續(xù)西行的結(jié)論。15日20時（見圖2f），大陸高壓異常偏強，位于華北北部，而東部海面恰好有新的臺風生成，位勢高度迅速下降，此時臺風受到的總壓力方向指向東南方向，地轉(zhuǎn)偏向力指向西北方向，所以臺風未來的移向應(yīng)指向西南方向，預(yù)示著臺風會向南偏折，轉(zhuǎn)回山東。同樣，按照三力平衡的原理，對“溫比亞”臺風（見圖2 g—i）進行受力分析，確定的移動方向與實況基本吻合。可見，在臺風的移動路徑預(yù)報中，簡單的三力平衡分析基本可以確定臺風的移動方向，預(yù)報員可以借此修正數(shù)值模式預(yù)測的結(jié)論。

4 影響臺風路徑變化的不同時間尺度環(huán)流

4.1 引導氣流分析

臺風是個深厚系統(tǒng)，它的移向受高層引導氣流影響。那么臺風“摩羯”和“溫比亞”在移動過程中的異常轉(zhuǎn)向路徑是否可以由高層引導氣流來判定呢?圖3給出了距臺風中心5個緯距半徑內(nèi)的引導氣流。從圖3a可以看出，12日20時—13日20時，從低層到高層均為一致的東南風，預(yù)示著臺風會一直向西北方向移動；14日08時臺風“摩羯”出現(xiàn)第一次轉(zhuǎn)向，在轉(zhuǎn)向之前提前18 h，從地面到400 hPa的風速逐漸減小，轉(zhuǎn)向時刻風速最小；而高層300～200 hPa風速卻異常偏大，且此高度層的風向提前18 h表現(xiàn)出臺風即將轉(zhuǎn)向的征兆。15日08時，臺風即將向南折回山東，此時高層300～200 hPa的風向仍為偏西風，并沒有出現(xiàn)轉(zhuǎn)向征兆，可見對于突然轉(zhuǎn)向的臺風“摩羯”全風速的引導氣流沒有指示作用。臺風“溫比亞”的轉(zhuǎn)向時刻在18日20時與20日08時，從圖3b可以看出，在18日20時之前，400 hPa至地面的風速普遍偏小，轉(zhuǎn)向之時，300 hPa以上風速明顯增大，風的去向正是臺風未來的移向，同臺風“摩羯”一樣，300～200 hPa的風向也是提前18 h表現(xiàn)出即將轉(zhuǎn)向的征兆。可見，臺風作為一個深厚的系統(tǒng)，其移向應(yīng)以300～200 hPa高度層的風作為引導氣流。在這兩個臺風中，當臺風轉(zhuǎn)向角度不大于100°時，高層的風向提前18 h會發(fā)生變化，并逐漸指示出臺風即將轉(zhuǎn)向的方向。

4.2 低頻氣流分析

圖3 距離臺風中心5個緯距半徑內(nèi)的引導氣流（黑色點表示臺風路徑轉(zhuǎn)向的時刻）

從圖4中可以看出，兩個臺風低頻氣流的垂直分布仍然是300～200 hPa高度層的風速最大，所以引導氣流也應(yīng)以這個高度層為最佳。無論是臺風“摩羯”還是“溫比亞”在轉(zhuǎn)向時刻此高度層的風的演變同圖3時的基本一致，即在臺風轉(zhuǎn)向之前提前18 h 300～200hPa高度層的風出現(xiàn)轉(zhuǎn)向征兆，轉(zhuǎn)向時刻引導氣流的方向可以作為臺風未來的移向。但是我們?nèi)匀豢梢钥吹剑瑢τ谂_風“摩羯”在15日08時向南偏折的路徑，低頻氣流并沒有指示征兆。

4.3 高頻氣流分析

圖5給出了臺風“摩羯”與“溫比亞”高頻氣流的垂直分布。從圖5a中可以看出，14日08時臺風轉(zhuǎn)向之前與轉(zhuǎn)向之時，300～200 hPa高度層的高頻引導氣流方向可以表征臺風未來的移向。15日08時，臺風在即將南折轉(zhuǎn)回山東之前6 h，整個對流層風速均較小，隨后出現(xiàn)即將轉(zhuǎn)向的征兆，15日08時，高層風轉(zhuǎn)為北風，指示臺風“摩羯”將向南移動。這說明對于這次臺風過程，高頻氣流很好地詮釋出臺風未來的移向。圖5b給出了臺風“溫比亞”的高頻氣流分布。18日20時，高層的引導氣流準確地指示出臺風的移動方向，但是20日08時，臺風向東北方向移動，而高層引導氣流的方向卻是向北偏西方向移動，這顯然與實際的臺風移向不符。說明臺風“摩羯”15日08時向南偏折受高頻引導氣流影響，而“溫比亞”20日08時的移向受全風速或低頻引導氣流影響。

5 不同時間尺度環(huán)流的渦度診斷

如上所述，臺風“摩羯”與“溫比亞”受不同時間尺度的環(huán)流影響。15日08時，“摩羯”臺風的向南偏折受高頻氣流影響，而不受全風速和低頻氣流影響，同時20日08時，“溫比亞”向東北方向移動是受全風速和低頻氣流影響，而不受高頻氣流影響。這究竟是什么原因造成的呢？為了回答這個問題，本文計算了200 hPa兩個臺風全風速、高頻風場、低頻風場及其相應(yīng)的渦度場分布（見圖6）。從圖6a中可以看到，15日08時，臺風中心附近的氣流流向并不一致，呈弱的輻散狀，這顯然對臺風未來的移向不利。臺風中心的南側(cè)為弱的氣旋式風場，有一條東北-西南向的正渦度區(qū)，中心渦度強度為3×10-4/s，而其北側(cè)為偏南氣流，也有同量級的渦度中心相配合，臺風南、北兩側(cè)渦度相當，風速相異，導致臺風不會受全風速風場引導。高頻流場圖上（見圖6c），東北風自臺風北側(cè)經(jīng)過臺風中心轉(zhuǎn)為偏西風，風向呈氣旋式彎曲，且攜帶著正的高頻渦度平流。臺風北側(cè)的東北風明顯大于其南側(cè)的偏西風，在這種形勢下，臺風勢必在引導氣流的作用下向南偏移。而低頻流場上（見圖6e），臺風的南北兩側(cè)分布為東南風與東北風，分別對應(yīng)著正渦度與負渦度，在這種流場的配置下，臺風似乎要向偏西方向移動，這顯然與觀測不符。20日08時，在全風速場（見圖6b）與低頻流場上（見圖6f），200 hPa氣流的方向均是西南風，同時在臺風的右側(cè)有正渦度區(qū)，臺風向著有利于其發(fā)展的方向移動，所以臺風的移動受全風速和低頻氣流影響。而此時的高頻氣流圖上（見圖6d），從風場上來看，其北側(cè)多為偏東風，南側(cè)多為偏西風，同時臺風的西北方與東南方都存著這正的低頻正渦度，這種配置致使臺風不能受高頻氣流影響。

圖5 距離臺風中心5個緯距半徑內(nèi)的高頻引導氣流（黑色點表示臺風路徑轉(zhuǎn)向的時刻）

圖6 臺風“摩羯”與臺風“溫比亞”在轉(zhuǎn)折時刻（15日08時與20日08時）200 hPa不同時間尺度風場及相應(yīng)渦度場

5 結(jié)論

本文選取了兩個登陸北上影響山東的臺風“摩羯”與“溫比亞”作為研究對象，通過分析其在移動過程中的受力情況及不同時間尺度環(huán)流與臺風的相互作用發(fā)現(xiàn)：

（1）臺風在移動過程中，應(yīng)特別關(guān)注副熱帶高壓及內(nèi)陸高壓的位置，按照三力平衡的原理，臺風周圍氣壓場的分布可以確定臺風未來的移向，這是比較簡單且實用的方法。

（2）一般在臺風即將轉(zhuǎn)向之前（轉(zhuǎn)向角度不超過100°），從地面至400 hPa的風速會逐漸減小，300～200 hPa層上的風向提前18 h出現(xiàn)轉(zhuǎn)向征兆，且該層風速偏大，可作為臺風移向的引導氣流層。

（3）15日08時，臺風“摩羯”轉(zhuǎn)向角度較大，主要是高頻引導氣流起主要作用，臺風沿著正的高頻渦度平流方向移動，不受全風速與低頻氣流影響。20日08時，臺風“溫比亞”轉(zhuǎn)向偏東北方向移動時，受全風速與低頻氣流影響，不受高頻氣流影響，這表明瞬時的風場改變對轉(zhuǎn)向角度不大的臺風不起作用。

（4）本文得出的結(jié)論來源于登陸北上的兩次臺風，至于是否所有轉(zhuǎn)向的臺風都會遵循這個結(jié)論，還有待于進一步驗證。