登陆北上台风突然转向的预报着眼点

张子涵，郑丽娜

（山东省东营市气象局，山东东营257091）

1 引言

热带气旋是发生在热带海洋上的一种具有暖中心结构的强烈的气旋性涡旋，总是伴有狂风暴雨，我国和东亚地区将这种热带气旋称为台风[1]。据统计，平均每年有7～8个台风登陆中国大陆，对人民生命安全和财产安全造成巨大威胁[2]。在过去的几十年里，国内外的气象工作者利用观测资料、卫星和雷达资料、数值模式资料等对台风做了深入和系统地研究，对台风的形成原因、演变过程、内部结构及其与其他尺度系统间的相互作用有了较为深入的认识，台风的业务预报水平也有了很大提高[3-6]。由于台风带来的危害巨大，而台风的路径决定着台风所携带风雨的分布，所以提高台风路径的预报准确率始终是我们气象业务部门和科研部门关注的重点[7]。Bender等[8]研究表明，台风在移动过程中受地形的阻挡作用，会造成台风移动路径的偏折。Wu等[9]研究表明，台风运动的方向一般是向垂直切变下游的左侧移动。但是Shapiro[10]则认为在西风切变随着高度增加的时候，会对台风产生一个向西北的引导气流，即移向垂直切变下游的右侧。Ueno[11]研究认为台风的结构在低纬度会随着高度气旋式旋转，而在中纬度则会反气旋式旋转，台风的移动路径与周围的环境风场有密不可分的关系。Wang等[12]研究指出，台风运动主要来自大尺度引导气流和气旋环流，以及它们与环境的相互作用。

通过以上分析可知，气象专家做了大量的关于台风移动路径的研究工作，取得了很多的成果，但是对于那些突然转向的异常路径的台风，业务人员仍然不能准确预报[13]。如2004年的台风“艾利”与“米雷”[14]，前者登陆后转向西南方向，后者转向东北方向；2005年的台风“海棠”[15-16]，在西移的过程中突然南折；以及2010年的台风“鲶鱼”，在南海由向西北偏西方向移动突然转为向东北偏北方向移动等。对于以上这些台风的异常路径预报，各家数值预报产品之间存在较大差异，预报业务人员也往往把握不准，导致预报结论出现一定偏差。近几年，又有研究表明，台风路径突变与季风环流中的低频分量（10 d以上季节内振荡）有密切关系[17]。Ko等[18]指出，6～25 d的波动在处于大气季节内振荡的西风位相时，台风会向西北方向移动。Luo等[19]指出，由于台风自身罗斯贝波能量频散作用，会导致台风路径向北偏折。Wu等[20]对在东海突然北折的4个台风进行了研究，发现台风路径的突变总是伴随着准两周的低频季风涡旋。这些研究表明，理解台风路径的变化必须考虑台风环流与低频背景场的相互作用，这为我们研究台风路径提供了一种新的思路。

2018年8月影响山东的两个台风“摩羯”（201814号）和“温比亚”（201818号），在登陆北上过程中，移动路径诡异（见图1）。2018年8月8日，台风“摩羯”在西北太平洋生成之后，一直向西北方向移动；14日08时（北京时，下同）“摩羯”自河南东北部进入山东，移动方向转为东北偏北方向；14日20时，其移动路径又调整为东北方向；15日08日，台风进入渤海，移动减缓，随后突然掉转方向向南偏折重新进入山东，并沿此路径直至消失。台风“摩羯”消失后，“温比亚”台风又在西北太平洋上生成，起始移动路径是西北偏西，18日20时进入河南境内，随后“温比亚”北折，像“摩羯”那样，一路北上进入山东。在山东境内，这两个台风的移动路径非常接近。20日08时“温比亚”已进入渤海。人们担心它会像“摩羯”那样再折回山东，然而“温比亚”却持续向东北方向移动，最后移出渤海海峡。“摩羯”的路径为何如此诡谲？“温比亚”为何进入渤海后没有转回山东？这两个台风的移动路径受哪些因素的影响？本文从这几个问题入手，揭示台风移动路径如此异常的原因，为今后台风的路径预报提供思路，以减少台风因路径预报失误而造成的损失。

图1 台风“摩羯”与台风“温比亚”移动路径示意图

2 资料和方法

本文使用的资料包括：（1）欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Fore-acasts，ECMWF）提供的ECMWF-HR资料。该资料水平分辨率为0.125°×0.125°，垂直方向从1 000～10 hPa共16层，要素包括气压、位势高度、温度、相对湿度及风场等；（2）Micaps4中mdfs提供的国家站间隔1 h的地面加密填图资料。

为了分析不同时间尺度环流对台风路径的影响，对2018年7—8月62 d的风场、高度场、涡度场等资料进行Butterworth带通滤波器滤波。考虑到台风的生命史在10 d以下，用带通滤波器滤出1—10 d这段时间的高频场，以分析高频场对台风的影响，然后再用原始场减去高频场得到低频场。

在讨论台风受力分析时，采用天气学原理和方法中地转偏向力（A）,总压力（G）和内力（N）三力近似平衡的理论，即A+G+N=0。三力的公式[1]如下：

式中：Ω为地球自转角速度，φ0为台风中心的纬度，C0为台风中心的移动速度，p为整个台风体积上的气压梯度力，σ为台风体周界面积，φ为台风外围任一空气质点的纬度，ρ为空气密度，τ为表征整个台风圆柱体，μ′,ν′，w′分别为空气质点相对于坐标系在x方向，y方向和z方向的运动分量，i，j，κ为直角坐标系x方向、y方向和z方向的单位方向矢量。

3 影响台风路径变化的受力分析

图2 台风“摩羯”（a—f）与“温比亚”（g—i）受力与移向示意图

图2 给出了台风在移动过程中的受力情况。11日20时与13日20时，副热带高压位于台风的东北侧，台风所受总压力的方向是从高压指向低压，如图2a、2b所示，在北半球，台风的内力一直指向西北方向，按三力平衡原理，地转偏向力指向东北方向，台风未来的移动方向位于地转偏向力的左侧并与其成90°，故台风向西北方向移动。14日08时与20时，台风逐渐移动到副热带高压的西侧，其受到的总压力指向西南偏西方向，这时移动方向指向偏北方向（见图2c、2d）。如果预报员在预测台风移向时，利用三力平衡原理，密切关注副热带高压位置，就可以轻松地订正数值模式预测的台风“摩羯”会继续西行的结论。15日20时（见图2f），大陆高压异常偏强，位于华北北部，而东部海面恰好有新的台风生成，位势高度迅速下降，此时台风受到的总压力方向指向东南方向，地转偏向力指向西北方向，所以台风未来的移向应指向西南方向，预示着台风会向南偏折，转回山东。同样，按照三力平衡的原理，对“温比亚”台风（见图2 g—i）进行受力分析，确定的移动方向与实况基本吻合。可见，在台风的移动路径预报中，简单的三力平衡分析基本可以确定台风的移动方向，预报员可以借此修正数值模式预测的结论。

4 影响台风路径变化的不同时间尺度环流

4.1 引导气流分析

台风是个深厚系统，它的移向受高层引导气流影响。那么台风“摩羯”和“温比亚”在移动过程中的异常转向路径是否可以由高层引导气流来判定呢?图3给出了距台风中心5个纬距半径内的引导气流。从图3a可以看出，12日20时—13日20时，从低层到高层均为一致的东南风，预示着台风会一直向西北方向移动；14日08时台风“摩羯”出现第一次转向，在转向之前提前18 h，从地面到400 hPa的风速逐渐减小，转向时刻风速最小；而高层300～200 hPa风速却异常偏大，且此高度层的风向提前18 h表现出台风即将转向的征兆。15日08时，台风即将向南折回山东，此时高层300～200 hPa的风向仍为偏西风，并没有出现转向征兆，可见对于突然转向的台风“摩羯”全风速的引导气流没有指示作用。台风“温比亚”的转向时刻在18日20时与20日08时，从图3b可以看出，在18日20时之前，400 hPa至地面的风速普遍偏小，转向之时，300 hPa以上风速明显增大，风的去向正是台风未来的移向，同台风“摩羯”一样，300～200 hPa的风向也是提前18 h表现出即将转向的征兆。可见，台风作为一个深厚的系统，其移向应以300～200 hPa高度层的风作为引导气流。在这两个台风中，当台风转向角度不大于100°时，高层的风向提前18 h会发生变化，并逐渐指示出台风即将转向的方向。

4.2 低频气流分析

图3 距离台风中心5个纬距半径内的引导气流（黑色点表示台风路径转向的时刻）

从图4中可以看出，两个台风低频气流的垂直分布仍然是300～200 hPa高度层的风速最大，所以引导气流也应以这个高度层为最佳。无论是台风“摩羯”还是“温比亚”在转向时刻此高度层的风的演变同图3时的基本一致，即在台风转向之前提前18 h 300～200hPa高度层的风出现转向征兆，转向时刻引导气流的方向可以作为台风未来的移向。但是我们仍然可以看到，对于台风“摩羯”在15日08时向南偏折的路径，低频气流并没有指示征兆。

4.3 高频气流分析

图5给出了台风“摩羯”与“温比亚”高频气流的垂直分布。从图5a中可以看出，14日08时台风转向之前与转向之时，300～200 hPa高度层的高频引导气流方向可以表征台风未来的移向。15日08时，台风在即将南折转回山东之前6 h，整个对流层风速均较小，随后出现即将转向的征兆，15日08时，高层风转为北风，指示台风“摩羯”将向南移动。这说明对于这次台风过程，高频气流很好地诠释出台风未来的移向。图5b给出了台风“温比亚”的高频气流分布。18日20时，高层的引导气流准确地指示出台风的移动方向，但是20日08时，台风向东北方向移动，而高层引导气流的方向却是向北偏西方向移动，这显然与实际的台风移向不符。说明台风“摩羯”15日08时向南偏折受高频引导气流影响，而“温比亚”20日08时的移向受全风速或低频引导气流影响。

5 不同时间尺度环流的涡度诊断

如上所述，台风“摩羯”与“温比亚”受不同时间尺度的环流影响。15日08时，“摩羯”台风的向南偏折受高频气流影响，而不受全风速和低频气流影响，同时20日08时，“温比亚”向东北方向移动是受全风速和低频气流影响，而不受高频气流影响。这究竟是什么原因造成的呢？为了回答这个问题，本文计算了200 hPa两个台风全风速、高频风场、低频风场及其相应的涡度场分布（见图6）。从图6a中可以看到，15日08时，台风中心附近的气流流向并不一致，呈弱的辐散状，这显然对台风未来的移向不利。台风中心的南侧为弱的气旋式风场，有一条东北-西南向的正涡度区，中心涡度强度为3×10-4/s，而其北侧为偏南气流，也有同量级的涡度中心相配合，台风南、北两侧涡度相当，风速相异，导致台风不会受全风速风场引导。高频流场图上（见图6c），东北风自台风北侧经过台风中心转为偏西风，风向呈气旋式弯曲，且携带着正的高频涡度平流。台风北侧的东北风明显大于其南侧的偏西风，在这种形势下，台风势必在引导气流的作用下向南偏移。而低频流场上（见图6e），台风的南北两侧分布为东南风与东北风，分别对应着正涡度与负涡度，在这种流场的配置下，台风似乎要向偏西方向移动，这显然与观测不符。20日08时，在全风速场（见图6b）与低频流场上（见图6f），200 hPa气流的方向均是西南风，同时在台风的右侧有正涡度区，台风向着有利于其发展的方向移动，所以台风的移动受全风速和低频气流影响。而此时的高频气流图上（见图6d），从风场上来看，其北侧多为偏东风，南侧多为偏西风，同时台风的西北方与东南方都存着这正的低频正涡度，这种配置致使台风不能受高频气流影响。

图5 距离台风中心5个纬距半径内的高频引导气流（黑色点表示台风路径转向的时刻）

图6 台风“摩羯”与台风“温比亚”在转折时刻（15日08时与20日08时）200 hPa不同时间尺度风场及相应涡度场

5 结论

本文选取了两个登陆北上影响山东的台风“摩羯”与“温比亚”作为研究对象，通过分析其在移动过程中的受力情况及不同时间尺度环流与台风的相互作用发现：

（1）台风在移动过程中，应特别关注副热带高压及内陆高压的位置，按照三力平衡的原理，台风周围气压场的分布可以确定台风未来的移向，这是比较简单且实用的方法。

（2）一般在台风即将转向之前（转向角度不超过100°），从地面至400 hPa的风速会逐渐减小，300～200 hPa层上的风向提前18 h出现转向征兆，且该层风速偏大，可作为台风移向的引导气流层。

（3）15日08时，台风“摩羯”转向角度较大，主要是高频引导气流起主要作用，台风沿着正的高频涡度平流方向移动，不受全风速与低频气流影响。20日08时，台风“温比亚”转向偏东北方向移动时，受全风速与低频气流影响，不受高频气流影响，这表明瞬时的风场改变对转向角度不大的台风不起作用。

（4）本文得出的结论来源于登陆北上的两次台风，至于是否所有转向的台风都会遵循这个结论，还有待于进一步验证。