臺風“摩羯”路徑轉折預報和診斷分析

于慧珍，馬 艷，韓旭卿，時曉曚

（1.山東省青島市氣象局，山東 青島 266003；2.山東省氣象防災減災重點實驗室，山東 濟南 250031；3.國家氣象中心，北京 100081）

引 言

近年來隨著國內外監測手段的發展，各種外場試驗的集中實施、數值模式、資料同化理論和技術的發展，有關臺風的研究取得了巨大進步［1-4］，臺風路徑的預報水平顯著提高，預報誤差明顯減?。?］。但目前對于移動方向突然改變的臺風路徑還不能有效預報［6］，突變路徑的預報誤差明顯大于平均預報誤差［7］，突變路徑的臺風預報是目前的業務難點和亟需解決的問題［8-9］。

突變路徑的臺風預報誤差較大的原因之一是影響路徑變化的因子和物理過程復雜，比如不同尺度系統的相互作用［10-12］、臺風本身的非對稱結構［13-15］、不同下墊面［12，16］等對臺風路徑的影響。對于不同臺風，影響其路徑變化的主要因子不同，研究發現路徑突然北折和西折的臺風在低頻環流和天氣尺度環流的風場分布不同［7］，路徑突然北折的臺風主要受天氣尺度環流影響，而突然西折的臺風主要受低頻環流影響［17］。除了環流背景，臺風本身的結構也會影響臺風路徑，臺風的非對稱結構使得臺風向不穩定區域［14］、非絕熱加熱大值區域［18］移動?；诩项A報的分析表明臺風“鲇魚”路徑是否轉折與初始時刻環流的非對稱結構有關［19］。另外，下墊面也會影響臺風的路徑，一方面因為臺風的趨暖性［20-21］，另一方面不均勻下墊面加強了臺風的非對稱結構，從而影響臺風路徑［21］。

臺風“摩羯”于2018年8月14日凌晨進入山東，給山東帶來了大范圍的暴雨，山東北部的東營、青州和壽光3個國家氣象站24 h降水量達到了極端降水標準（極端降水標準以歷史日降水量99%分位數為閾值）。前期各種數值模式預報的“摩羯”路徑由安徽向西北方向移動進入河南，強降水落區主要位于河南和河北南部，而實際路徑是在安徽北部轉折進入山東，強降水落區主要位于山東中西部［22-23］。造成“摩羯”路徑轉折預報失敗的原因，以及當大部分模式預報失敗的情況下是否有主觀訂正的可能值得深入研究。本文基于歐洲中期天氣預報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）集合預報數據分析臺風“摩羯”路徑預報的偏差及其原因，并基于高分辨率再分析資料對臺風引導氣流和不同物理量進行診斷分析，找出對臺風路徑轉折預報有指示意義的物理量，以期為今后業務預報提供參考。

1 資料、方法與個例

1.1 資 料

利用2018年8月13日20：00（北京時，下同）至14日20：00全國約27 800個加密自動氣象站的逐小時降水量數據，數據來源于中國氣象局。臺風“摩羯”8月12日20：00 至14日20：00 逐6 h 路徑數據來源于中國氣象局上海臺風研究所［24］。ECMWF 集合預報數據來源于TIGGE（THORPEX interactive grand global ensemble）［25］數據庫，本文選用逐6 h 集合預報數據，預報起始時間為8月12日08：00、12日20：00、13日08：00，預報終止時間為14日20：00，水平分辨率為16 km×16 km，每個起始預報時刻包括50個集合成員。為了方便計算，所有預報數據被插值到0.5°×0.5°的水平網格上，用于集合敏感性分析。采用水平分辨率為0.25°×0.25°，時間分辨率為1 h的ECMWF 第五代大氣再分析資料ERA5，分析影響臺風路徑的因子，如整層大氣能量（925～200 hPa平均假相當位溫θse）、300 hPa的24 h變溫場、200 hPa輻散場等物理量與臺風路徑轉折的關系。

文中附圖涉及的行政邊界均是基于國家測繪地理信息局標準地圖服務網站下載的審圖號為GS（2020）4632號的中國地圖制作，底圖無修改。

1.2 方 法

集合敏感性分析是用統計的方法基于集合預報樣本研究自變量和預報量之間的關系?？梢酝ㄟ^計算某一關注的預報量與其他量的相關關系，也可以通過對比差異巨大的集合成員特征［19，26］，來尋找影響這一預報量的關鍵因子。本文為了考察模式預報的臺風路徑和其他量（比如位勢高度場、溫度場、風場）之間的關系，計算區域平均的24 h（13日20：00 至14日20：00）海平面氣壓（10 m 風速）與各物理量在不同時刻的線性相關關系，計算公式［26］如下：

式中：n代表集合成員數50；x代表區域平均海平面氣壓（10 m 風速），xi和分別代表第i個集合成員和集合平均的海平面氣壓（10 m 風速）；y代表其他量（位勢高度場、溫度場、風場），yij和分別代表格點j上的第i個集合成員和集合平均的其他量（位勢高度場、溫度場、風場）；corj代表格點j上x和y的線性相關系數。對于維數為50的樣本，雙側顯著性檢驗水平大于99%的臨界值為0.23［27］，即當線性相關系數絕對值大于0.23時，通過α＝0.01的顯著性檢驗。

臺風路徑既受臺風內部因子的作用又受環境條件的影響［15，28］，為了對比外部因素和內部因素對臺風路徑的影響，以1500 km 為濾波波長，運用二維快速傅里葉變換方法將環境背景風場分為大尺度環流和臺風風暴尺度環流［29-31］。將臺風中心500 km以內的大尺度環流和風暴尺度環流分別平均得到引導氣流的大尺度環境分量和風暴尺度分量。同樣的，可以將任一變量（如能量、渦度、散度等）分解為大尺度分量和風暴尺度分量。

1.3 個例簡介

臺風“摩羯”于2018年8月12日23：00 以強熱帶風暴在浙江溫嶺沿海登陸，之后向西北方向移動，14日02：00左右發生轉折，以熱帶低壓強度進入山東境內，向北偏東移動入海后折返，最后在山東境內減弱消散。13日20：00至14日20：00是臺風影響山東的主要時段，24 h 累計降水量主要位于山東中西部（圖1）。

圖1 2018年8月13日08：00至14日20：00逐6 h臺風路徑（黑色點線）及8月13日20：00至14日20：00 24 h累計降水量（彩色填色區，單位：mm）（紅色方框為敏感性分析中計算平均海平面氣壓和10 m風速的區域。下同）Fig.1 The typhoon track at 6 h interval （black dots and line）from 08：00 BST 13 to 20：00 BST 14 and 24 h accumulated precipitation （color shaded areas，Unit：mm） from 20：00 BST 13 to 20：00 BST 14 August 2018（The red box shows the area where the average sea level pressure and 10 m wind speed are calculated in the sensitivity analysis.the same as below）

2 ECMWF集合預報分析

ECMWF 集合中只有6 個成員預報（12日08：00起報）出臺風的轉折，大部分集合成員預報的臺風為西北行路徑，從安徽北部進入河南，預報的暴雨主要位于河南中北部，比實況偏西。隨著預報時間的臨近，預報路徑和暴雨落區整體往東調整，但預報臺風轉折的集合成員仍然很少，暴雨落區明顯比實況偏西（圖2）。

圖2 2018年8月13日08：00至14日20：00逐6 h臺風路徑觀測結果（紅色點線）及ECMWF集合預報結果（黑色點線為非轉折路徑，藍色點線為轉折路徑）（a、b、c），8月13日20：00至14日20：00 24 h累計降水量大于50 mm的ECMWF集合預報概率（彩色填色區）（d、e、f）（a、d）12日08：00起報，（b、e）12日20：00起報，（c、f）13日08：00起報（綠色等值線表示實況24 h累積降水量等于50 mm）Fig.2 The observation result（red dots and line） and ECMWF ensemble forecast result（black dots and lines are the non-steering track，and the blue dots and lines are the turn track） of typhoon tracks at 6 h interval from 08：00 BST 13 to 20：00 BST 14 August 2018（a，b，c） and ECMWF ensemble forecast probability（color shaded areas） of the 24 h accumulated precipitation larger than 50 mm（d，e，f） from 20：00 BST 13 to 20：00 BST 14 August 2018（a，d） forecasted initiated from 08：00 BST 12，（b，e） forecasted initiated from 20：00 BST 12，（c，f） forecasted initiated from 08：00 BST 13（The green contour denotes the observed 24 h accumulated precipitation equal to 50 mm）

運用二維快速傅里葉變換方法將引導氣流（850～300 hPa平均風場）進行尺度分解，結果顯示其風暴尺度分量明顯小于大尺度環境分量［圖3（a）］，850～300 hPa平均大尺度環流分布與500 hPa西太平洋副熱帶高壓（簡稱“西太副高”）環流分布類似［圖3（b）］，說明臺風路徑主要受西太副高影響，臺風登陸后在西太副高南側的東南氣流引導下向西北方向移動，轉折后在西太副高北側的西南氣流引導下向東北方向移動。風暴尺度引導氣流在臺風轉折前指向臺風移動方向的右側，臺風轉折后指向臺風移動方向的左前側。臺風轉折時（14日02：00）大尺度引導氣流指向西北，而風暴尺度引導氣流指向東北，臺風實際路徑位于兩個引導氣流之間，說明臺風轉折受大尺度和風暴尺度引導氣流即臺風本身結構共同影響［圖3（a）］。

圖3 2018年8月12日20：00至14日20：00逐6 h引導氣流的大尺度分量（紅色箭頭，單位：m·s-1）、風暴尺度分量（藍色箭頭，單位：m·s-1）（a），8月14日02：00 850～300 hPa平均大尺度環流（風矢量，單位：m·s-1）、500 hPa位勢高度場（黑色等值線，單位：gpm）（b）（黑色點線為2018年8月12日20：00至14日20：00逐6 h臺風路徑。下同）Fig.3 The large scale component （red arrows，Unit：m·s-1） and storm scale component （blue arrows，Unit：m·s-1） of the steering flow at 6 h interval from 20：00 BST 12 to 20：00 BST 14 August 2018 （a），the mean large scale flow during 850-300 hPa （wind vectors，Unit：m·s-1） and geopotential height field at 500 hPa （black contours，Unit：gpm） at 02：00 BST 14 August 2018 （b）（The black dots and line denotes typhoon track at 6 h interval from 20：00 BST 12 to 20：00 BST 14 August 2018.the same as below）

集合敏感性分析結果顯示區域平均海平面氣壓（10 m 風速）與臺風低渦、西太副高顯著相關。以ECMWF 集合預報2018年8月12日08：00 起報的13日20：00 500 hPa 位勢高度場為例（圖4），有一個明顯的相關中心（約35°N）位于集合平均的臺風低渦東北側和西太副高西側，一個相關中心位于25°N附近。臺風低渦附近的相關表示當集合成員預報的西太副高在這一緯度西伸（約38°N）、臺風低渦偏西南時，考察區域的海平面氣壓偏大（10 m 風速偏?。?，臺風路徑偏離考察區域較大，而當預報的西太副高和臺風低渦位置偏東北時，臺風路徑偏離考察區域較小。25°N 附近的相關表示當預報的西太副高在此緯度西伸時，臺風路徑偏離考察區域較小。25°N 附近的相關系數絕對值較小，說明與臺風路徑密切相關的是臺風低渦和其北側的西太副高，模式對他們的預報不確定性較大。

圖4 2018年8月12日08：00起報的13日20：00 500 hPa位勢高度場的集合平均（黑色等值線，單位：gpm）（a，b）及其分別與相同時刻起報的24 h區域平均的海平面氣壓（a）、10 m風速（b）的線性相關系數（彩色填色區）（紅色十字為13日20：00觀測的臺風位置）Fig.4 The ensemble mean of geopotential height at 500 hPa at 20：00 BST 13 forecasted initiated from 08：00 BST 12 August 2018（black contours，Unit：gpm） （a，b） and correlation coefficient （color shaded areas） between it and the 24 h area-averaged sea level pressure （a），wind speed at 10 m （b） forecasted at same initiated time（The red cross denotes the observed typhoon location at 20：00 BST 13 August 2018）

引導氣流和集合敏感性分析結果表明，除了臺風自身結構，臺風路徑主要受其北側的西太副高位置影響。ECMWF 集合預報12日08：00起報的12日20：00 的西太副高位置已經整體比實況明顯偏西［圖5（a）］，西太副高的集合平均結果和大多數成員預報結果在13日20：00 至14日08：00 西進，只有少數成員預報出西太副高東退［圖5（b）、圖5（c）］，這導致大部分成員預報的臺風為西北行路徑。ECMWF 集合預報的西太副高位置比實況偏西這一特征出現的時間（12日20：00）比臺風實際轉折時間（14日02：00）早約30 h，在實際業務預報中，可以通過對西太副高位置訂正，對臺風路徑進行向東訂正。但在只有少數成員預報臺風轉折的情況下，預報臺風轉折仍需要其他理論支撐。

圖5 2018年8月12日08：00起報的12日20：00（a），13日20：00（b）和14日08：00（c）5860 gpm位勢高度的集合預報結果（黑色等值線為各成員預報結果，綠色等值線為集合平均）及實況（紅色等值線）（紅色十字代表相應時刻臺風的實況位置）Fig.5 The ECMWF ensemble forecast result （the black isolines for each member forecast result，green isoline for ensemble mean） of geopotential height of 5860 gpm at 20：00 BST 12 （a），20：00 BST 13 （b） and 08：00 BST 14 （c） forecasted initiated from 08：00 BST 12 August 2018 and observation （red isoline）（The red cross denotes the observed typhoon location at the corresponding time）

3 路徑轉折預報的指示因子診斷分析

臺風具有趨暖移動的趨勢［20-21］，臺風的熱力非對稱結構使得臺風有向著強溫、濕不穩定區域移動的趨勢［14］。假相當位溫是包含了溫度和濕度的綜合物理量，整層大氣能量場（925～200 hPa 平均假相當位溫θse）的分布顯示，在臺風轉折前，高能區中心軸線由西北—東南向［圖6（a）］轉為東北—西南向［圖6（d）］，與臺風轉折的趨勢一致，中心軸線的轉向時間（13日08：00）比臺風轉折提前約18 h，高能區中心軸線方向的變化對臺風移動方向的變化以及變化時間具有指示意義。此外，高能區中心往外延伸的大值區分布與臺風未來移動的趨勢一致［圖6（a）、圖6（d）］。在臺風轉折前，大值區軸線由臺風中心指向東北方向，且軸線彎曲方向與臺風未來移動趨勢一致，臺風轉折后的實際路徑位于轉折前路徑和大值區軸線之間，對臺風轉折和轉折后的路徑具有指示意義。高能區是西太副高和臺風之間的偏南氣流對暖濕空氣的輸送和累積，受背景環流和臺風本身結構的共同影響。尺度分析結果顯示整層大氣能量場的大尺度分量明顯大于風暴尺度分量，不同尺度的大值中心位于臺風移動方向前側，臺風有向這些大值中心移動的趨勢，說明不同尺度分量的高能區中心都對臺風未來移動趨勢有指示意義［圖6（b）、圖6（c）、圖6（e）、圖6（f）］。高能區大值區的彎曲分布以及中心軸線方向的變化只體現在風暴尺度分量上，高能區的風暴尺度分量對臺風轉折具有指示意義［圖6（c）、圖6（f）］。

圖6 2018年8月13日02：00（a、b、c）和13日08：00（d、e、f）925～200 hPa平均假相當位溫θse（a、d）及其大尺度（b、e）和風暴尺度（c、f）分量（單位：K）（綠色線、灰色線分別代表假相當位溫高能區中心軸線方向及分布趨勢，綠色十字代表相應時刻臺風位置）Fig.6 The mean θse during 925-200 hPa （a，d） and its large scale （b，e） and storm scale （c，f） components at 02：00 BST 13 （a，b，c） and 08：00 BST 13 （d，e，f） August 2018 （Unit：K）（The green line and grey line represent the central axis direction and distribution trend of high energy region of θse respectively，the green cross denotes the typhoon location at the corresponding time）

研究表明對流層上層增溫對臺風未來路徑和路徑變化具有指示意義［32-34］。對流層上層強增溫與臺風高層流出氣流的非對稱結構有關，當強增溫區軸向發生變化時說明高層氣流的方向發生了變化。300 hPa 24 h變溫場分析表明，強增溫中心在臺風轉折前位于臺風中心的西北側［圖7（a）、圖7（d）］，轉折后位于臺風中心東北側（圖略），臺風有向著高層強增溫中心移動的趨勢。臺風轉折前，強增溫中心軸線由東—西向轉為東北—西南向，軸線方向變化時間比臺風轉折提前約18 h，強增溫中心軸線方向的變化對臺風移動方向的變化以及變化時間具有指示意義。尺度分析結果顯示變溫場的大尺度分量和風暴尺度分量量級相當，不同尺度的大值中心都位于臺風路徑的前側，臺風有向著大值中心移動的趨勢，說明不同尺度分量對臺風未來移動趨勢都有指示意義［圖7（b）、圖7（c）、圖7（e）、圖7（f）］。強增溫中心軸線的變化只體現在風暴尺度上，強增溫的風暴尺度分量對臺風轉折有指示意義［圖7（c）、圖7（f）］。

臺風有向著非絕熱加熱大值區、對流不穩定區域移動的趨勢［13-14，18］，高層輻散導致地面減壓和上升運動發展，有利于對流的發展，臺風有向著高空輻散中心移動趨勢［35］。13日08：00 200 hPa 強輻散中心位于安徽北部—山東南部一帶［圖8（a）］，13日14：00—20：00 輻散中心位置不斷東移（圖略），臺風有向著高層輻散中心移動的趨勢。臺風轉折前，高層輻散大值區軸線向東北方向彎曲［圖8（a）］，與臺風未來移動路徑一致，對臺風轉折具有指示意義。尺度分析結果顯示200 hPa 輻散場的大尺度分量明顯小于風暴尺度分量，大尺度輻散區范圍較大，沒有明顯的大值中心［圖8（b）］，風暴尺度輻散區的彎曲分布對臺風轉折具有指示意義［圖8（c）］。

圖8 2018年8月13日08：00 200 hPa散度場（a）及其大尺度（b）和風暴尺度（c）分量（單位：10-5 s-1）（灰色線代表散度大值區的分布趨勢，紅色十字代表13日08：00臺風位置）Fig.8 The divergence field at 200 hPa （a） and its large scale （b） and storm scale （c） components at 08：00 BST 13 August 2018 （Unit：10-5 s-1）（The grey curve denotes the distribution trend of large value area of divergence，the red cross denotes the typhoon location at 08：00 BST 13）

類似的，一些物理量也對臺風的未來移動趨勢有指示意義，比如臺風有向著500、850 hPa 正渦度平流中心、500 hPa 24 h 負變高中心移動的趨勢（圖略），這是因為正渦度平流和負變高都與地面減壓和上升運動對應，有利于對流的發展，但這幾個物理量對臺風轉折沒有提前的指示意義。

以上分析結果表明，在臺風轉折前，整層大氣高能區和200 hPa 輻散大值區的分布與臺風未來移動路徑趨勢一致，臺風實際路徑介于轉折前路徑和大值區軸線之間，他們對臺風轉折和轉折后的路徑具有指示意義。整層大氣高能區和300 hPa 強增溫的中心軸線方向變化比臺風轉折時間提前約18 h，對臺風轉折時間具有指示意義。對于整層大氣高能區、300 hPa強增溫和200 hPa輻散大值區，其大尺度和風暴尺度分量都對臺風未來移動趨勢有指示意義，但是對臺風路徑轉折有指示意義的主要是風暴尺度分量。

4 結論和討論

基于ECMWF集合預報和ERA5再分析資料，分析影響“摩羯”臺風路徑預報的關鍵因子和對臺風轉折具有指示意義的物理量，主要結論如下：

（1）隨著預報時效的臨近，ECMWF 集合預報的臺風路徑和暴雨落區向東調整，但整體仍比實況偏西，只有少數集合成員成功預報出臺風路徑的轉折。

（2）轉折前和轉折后的臺風路徑主要受大尺度環流引導，但臺風轉折還受風暴尺度引導氣流即臺風本身結構的影響。除了臺風自身結構，西太副高是影響臺風路徑預報的關鍵天氣系統，ECMWF 集合預報的西太副高位置整體比實況偏西，使得大多數成員預報的臺風為西北行路徑。2018年8月12日08：00 起報的集合中，西太副高位置偏西這一特征出現的時間比實際臺風轉折早30 h，可以通過對西太副高位置的訂正對臺風路徑向東訂正，對業務預報訂正有指導意義。

（3）整層大氣能量場、300 hPa 24 h 變溫場和200 hPa輻散場對臺風路徑轉折預報具有指示意義。在臺風轉折前，整層大氣高能區和200 hPa 輻散大值區的分布與臺風轉折趨勢一致，臺風實際路徑介于轉折前路徑和大值區軸線之間。臺風路徑轉折發生在高能區中心軸線和300 hPa 強增溫中心軸線方向發生變化約18 h 后，這兩個中心軸線方向發生變化的時間對臺風轉折時間的預報具有指示意義。整層大氣高能區對轉折后的路徑和轉折時間都有指示意義，是表現最好的物理量。

（4）整層大氣能量場、300 hPa 24 h 變溫場和200 hPa 輻散場的大尺度和風暴尺度分量都對臺風未來移動趨勢有指示意義，風暴尺度分量對臺風路徑轉折有指示意義。

在實際工作中，當不同模式或集合預報結果存在較大差異時，上述對臺風路徑轉折有指示意義的物理場分析可以為主觀訂正預報提供理論依據。上述結論是在“摩羯”個例的分析基礎上得到，不同臺風的結論可能會有不同，比如高能區中心軸線和強增溫軸線方向變化多長時間后臺風路徑開始轉折，需要結合更多的臺風進行進一步分析研究。