登陸北上臺風突然轉向的預報著眼點

張子涵，鄭麗娜

（山東省東營市氣象局，山東東營257091）

1 引言

熱帶氣旋是發生在熱帶海洋上的一種具有暖中心結構的強烈的氣旋性渦旋，總是伴有狂風暴雨，我國和東亞地區將這種熱帶氣旋稱為臺風[1]。據統計，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安全造成巨大威脅[2]。在過去的幾十年里，國內外的氣象工作者利用觀測資料、衛星和雷達資料、數值模式資料等對臺風做了深入和系統地研究，對臺風的形成原因、演變過程、內部結構及其與其他尺度系統間的相互作用有了較為深入的認識，臺風的業務預報水平也有了很大提高[3-6]。由于臺風帶來的危害巨大，而臺風的路徑決定著臺風所攜帶風雨的分布，所以提高臺風路徑的預報準確率始終是我們氣象業務部門和科研部門關注的重點[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，會對臺風產生一個向西北的引導氣流，即移向垂直切變下游的右側。Ueno[11]研究認為臺風的結構在低緯度會隨著高度氣旋式旋轉，而在中緯度則會反氣旋式旋轉，臺風的移動路徑與周圍的環境風場有密不可分的關系。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流，以及它們與環境的相互作用。

通過以上分析可知，氣象專家做了大量的關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向的異常路徑的臺風，業務人員仍然不能準確預報[13]。如2004年的臺風“艾利”與“米雷”[14]，前者登陸后轉向西南方向，后者轉向東北方向；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報，各家數值預報產品之間存在較大差異，預報業務人員也往往把握不準，導致預報結論出現一定偏差。近幾年，又有研究表明，臺風路徑突變與季風環流中的低頻分量（10 d以上季節內振蕩）有密切關系[17]。Ko等[18]指出，6～25 d的波動在處于大氣季節內振蕩的西風位相時，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，發現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，移動方向轉為東北偏北方向；14日20時，其移動路徑又調整為東北方向；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，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，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報提供思路，以減少臺風因路徑預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偏向力（A）,總壓力（G）和內力（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，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，臺風的內力一直指向西北方向，按三力平衡原理，地轉偏向力指向東北方向，臺風未來的移動方向位于地轉偏向力的左側并與其成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，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）。如果預報員在預測臺風移向時，利用三力平衡原理，密切關注副熱帶高壓位置，就可以輕松地訂正數值模式預測的臺風“摩羯”會繼續西行的結論。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，地轉偏向力指向西北方向，所以臺風未來的移向應指向西南方向，預示著臺風會向南偏折，轉回山東。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，預報員可以借此修正數值模式預測的結論。

4 影響臺風路徑變化的不同時間尺度環流

4.1 引導氣流分析

臺風是個深厚系統，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，預示著臺風會一直向西北方向移動；14日08時臺風“摩羯”出現第一次轉向，在轉向之前提前18 h，從地面到400 hPa的風速逐漸減小，轉向時刻風速最小；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表現出臺風即將轉向的征兆。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，并沒有出現轉向征兆，可見對于突然轉向的臺風“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表現出即將轉向的征兆。可見，臺風作為一個深厚的系統，其移向應以300～200 hPa高度層的風作為引導氣流。在這兩個臺風中，當臺風轉向角度不大于100°時，高層的風向提前18 h會發生變化，并逐漸指示出臺風即將轉向的方向。

4.2 低頻氣流分析

圖3 距離臺風中心5個緯距半徑內的引導氣流（黑色點表示臺風路徑轉向的時刻）

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，所以引導氣流也應以這個高度層為最佳。無論是臺風“摩羯”還是“溫比亞”在轉向時刻此高度層的風的演變同圖3時的基本一致，即在臺風轉向之前提前18 h 300～200hPa高度層的風出現轉向征兆，轉向時刻引導氣流的方向可以作為臺風未來的移向。但是我們仍然可以看到，對于臺風“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時臺風轉向之前與轉向之時，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，臺風在即將南折轉回山東之前6 h，整個對流層風速均較小，隨后出現即將轉向的征兆，15日08時，高層風轉為北風，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。臺風中心的南側為弱的氣旋式風場，有一條東北-西南向的正渦度區，中心渦度強度為3×10-4/s，而其北側為偏南氣流，也有同量級的渦度中心相配合，臺風南、北兩側渦度相當，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），東北風自臺風北側經過臺風中心轉為偏西風，風向呈氣旋式彎曲，且攜帶著正的高頻渦度平流。臺風北側的東北風明顯大于其南側的偏西風，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），臺風的南北兩側分布為東南風與東北風，分別對應著正渦度與負渦度，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，同時在臺風的右側有正渦度區，臺風向著有利于其發展的方向移動，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，其北側多為偏東風，南側多為偏西風，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個緯距半徑內的高頻引導氣流（黑色點表示臺風路徑轉向的時刻）

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

5 結論

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流與臺風的相互作用發現：

（1）臺風在移動過程中，應特別關注副熱帶高壓及內陸高壓的位置，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）一般在臺風即將轉向之前（轉向角度不超過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出現轉向征兆，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向角度不大的臺風不起作用。

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