2018年臺風“摩羯”和“溫比亞”路徑的影響因子分析

李瑞芬 袁月 郭衛華 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]。據統計，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生活造成了嚴重損失，臺風風雨的分布主要是由臺風路徑決定的，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]。

臺風的移動與環境場氣流有關，由于臺風系統比較深厚，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，低層環境引導氣流有時也會對臺風產生影響，許孌等[13]發現臺風Megi(2010)受低層引導氣流(800～600 hPa)影響顯著。郭興亮等[14]采用譜逼近方案發現850 hPa以上的中低層環境風場對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，但因發展強度、下墊面以及影響系統等條件的變化，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)有向正變渦區和暖濕區移動的趨勢[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年有兩個轉向北上臺風“摩羯”和“溫比亞”直接影響山東地區，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據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。

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，開始穩定少動，后向北再向西移動，在近海區轉向西北，12日23：00以強熱帶風暴強度登陸浙江溫嶺，登陸后繼續向西北方向移動，13日23：00在安徽境內減弱為熱帶低壓并轉為向北移動，14日05：00前后進入山東單縣，移向轉為東北，15日05：00 在黃河入海口附近進入渤海，15日11：00轉向，向南移至半島地區又轉向西南，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，登陸后繼續向西北偏西方向移動，強度逐漸減弱，18日14：00在河南境內減弱為熱帶低壓并于19日05：00在河南東部轉向東北方向，19日20：00左右進入山東省單縣，在山東境內一路向東北，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，均為轉向北上路徑，但又存在較大差異，主要表現為4個方面：①在臺風源地移速相差較大，“摩羯”穩定少動，“溫比亞”快速北上；②登陸后到轉向前臺風路徑的緯向度和臺風移速大小均差別較大，“摩羯”經向度較大，移動較快，“溫比亞”以緯向移動為主，在轉向前后移動較慢；③轉向角度差異較大，“摩羯”轉向角度較小，多家模式均未報出路徑轉向[19]，而“溫比亞”轉向角度較大，轉向預報較準確；④臺風入海后“摩羯”再次折回山東，“溫比亞”則持續向東北方向移動，沒有發生轉折。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 環流形勢分析

圖2為臺風“摩羯”和“溫比亞”在不同階段的環流形勢。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存在，對應“摩羯”穩定少動(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，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，東環副高西伸，“摩羯”位于副高西南側，東北側存在明顯的大風區，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)。在臺風登陸后至轉向前，“摩羯”的影響系統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，大風區位于臺風靠近副高一側，偏南風較大，臺風轉向北上速度較快(圖2c)；“溫比亞”位于高空槽中，在高空槽與副高的相互作用下，東側大風區稍強于西側，風速不大，臺風緩慢轉向北上(圖2g)。轉向后至轉折(入海)，“摩羯”由位于東環副高一側，逐漸轉為位于大陸高壓和副高之間，距離大陸高壓更近一些，大風區由東側偏強轉為西側偏強，受東北風影響臺風轉折指向西南(圖2d)；“溫比亞”的大風區一直位于高空槽前，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(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差異有關。“摩羯”的主要影響系統包括1813號臺風、副高和大陸高壓，而“溫比亞”主要影響系統包括副高、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；陸上轉向角度的差異主要是有無高空槽作用產生的，“摩羯”無高空槽影響，主要受副高影響，轉向角度較小，不易預報，“溫比亞”受高空槽影響，有較好的轉向條件，轉向角度較大，預報準確度高；轉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，移向發生轉折。臺風的移向和移速大小與臺風周圍大風區的風向和風速大小相關較好，而大風區的產生主要受氣壓梯度力控制，歸根結底是臺風與周邊系統的強度和距離有關，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向分量的相關系數分布圖，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。進一步分析發現，兩臺風顯著相關半徑相對統一，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)和經向(b,d)分量的相關系數(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，登陸后至轉向前低層(1000～500 hPa)一直為東南風，高層(300～200 hPa)逐漸轉為西南風，較臺風實際轉向超前12 h，風速稍有減弱，臺風移動依然較快，轉向后臺風受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為偏北風(700～200 hPa)使得臺風向南發生轉折，之后轉為東北風(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，之后偏南風轉為東南風(1000～200 hPa)，又轉為東南偏東風(1000～200 hPa)，緯向度不斷增大，從登陸前后至轉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，隨著偏東風減弱轉為西南風(700～200 hPa)，臺風轉向，此時高層風(300～200 hPa)也較臺風實際轉向時間超前12 h，之后西南風增強(500～200 hPa)，進入渤海灣后持續向東北方向移動(500～200 hPa)，沒有發生轉折。通過對比發現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，這種現象持續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向，均較實際轉向時間提前12 h，可以作為臺風轉向的預報指標。轉向前后風速的差異導致兩臺風移速差別較大。轉向后兩臺風均與中高層的風向風速相關較好，“摩羯”發生轉折，“溫比亞”入海快速東移。

圖4 距離臺風“摩羯”(a)、“溫比亞”(b)中心5個緯度半徑內引導氣流的時間-高度圖(臺風符號標注位置依次為：生成、登陸、轉向、轉折(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、登陸后轉向前和轉向后不同高度引導氣流與臺風移速在經向、緯向分量的相關系數。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均通過了0.001的顯著性檢驗，高層200 hPa呈現顯著負相關，登陸后至轉向前750～600 hPa通過0.001的顯著性檢驗，轉向后整層相關較好，700～400 hPa通過0.001的顯著性檢驗；臺風“摩羯”的經向引導氣流與臺風經向移速相關系數(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，登陸后轉向前整層相關較差，轉向后整層相關較好。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，但低層優于高層，登陸后轉向前整層相關較好，950～200 hPa通過0.001的顯著性檢驗，轉向后中高層相關性明顯高于低層；經向移速(圖5d)在臺風生命史中與850～500 hPa經向引導氣流顯著相關，登陸前與中低層(1000～550 hPa)經向引導氣流相關性較好，登陸后轉向前和轉向后各層相關均不顯著。

圖5 臺風生命史、登陸前、登陸后轉向前和轉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)、經向(b,d)移速的相關系數(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向和緯向引導氣流對臺風移動的指示作用均優于高層；登陸后轉向前緯向引導氣流均優于經向引導氣流，高層環流沒有體現出明顯的優勢；轉向后除“溫比亞”經向引導氣流與臺風經向移速相關較差外，“摩羯”的緯向與經向引導氣流和“溫比亞”的緯向引導氣流均整層相關較好，中高層略優于低層，尤其是“溫比亞”的緯向引導氣流。分析其原因發現：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，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。轉向時(圖6b,d)臺風高層依然為輻散場，但臺風與高壓系統的相對位置發生了改變，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。登陸后至轉向前臺風與高壓系統的相對位置在變化，經向引導氣流相關較差，緯向引導氣流較不穩定；而“溫比亞”經向引導氣流相關較差還由于臺風在登陸后至轉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)和轉向(b,d)時200 hPa(黑色)和700 hPa(紅色)環流形勢(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。但日常預報業務不分析這兩個層次，通過對比業務中常用層次，“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，對比發現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)。在轉折(入海)時刻，“摩羯”的北側有較強的反氣旋性環流，西南側有正渦度平流，臺風轉向西南(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(緯)度)

綜上所訴，臺風作為低壓系統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年有兩個轉向北上臺風“摩羯”和“溫比亞”直接影響山東地區，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現：

(1)“摩羯”和“溫比亞”臺風路徑的差異主要與周圍天氣系統差異有關。“摩羯”的主要影響系統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的風向和風速大小相關較好，而大風區的產生主要受氣壓梯度力控制，歸根結底是臺風與周邊系統的強度和距離有關，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一，均為5個緯度半徑內，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向、緯向引導氣流對臺風移動的指示作用均優于高層，登陸后轉向前緯向引導氣流均優于經向引導氣流，高層環流沒有體現出明顯的優勢，轉向后除“溫比亞”經向引導氣流與臺風經向移速相關較差外，“摩羯”的緯向與經向引導氣流和“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)均較實際轉向時間提前12 h，可以作為臺風轉向的預報指標。

(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。