1812號臺風“云雀”路徑突變特征及大尺度成因分析*

肖王星 董群 錢燕珍* 吳福浪

(1.寧波市氣象臺,浙江 寧波 315000;2.寧波市北侖區氣象局,浙江 寧波 315000;3.中國民用航空寧波空中交通管理站,浙江 寧波 315000)

0 引 言

熱帶氣旋(臺風)移動路徑的研究和預報一直是臺風研究中的熱點和難點,也是做好臺風預報和預警的基礎[1]。路徑預報的準確性直接關系到對臺風風雨影響的準確預報,當路徑預報偏差較小時,才能在后續的預報服務中提供有力的支持,為采取有效措施減少人民生命財產損失爭取時間[2]。近年來隨著數值模式的逐步完善,對臺風的業務預報能力有了一定的提高,但對異常臺風路徑及路徑突變的預報仍有一定的偏差[3-4]。其主要原因之一在于對臺風路徑突變的成因和物理機制的認知仍不夠明確。

目前國內外學者針對這一問題開展了許多的工作。研究發現,臺風移動路徑很大程度上是環境引導氣流作用的結果,大尺度環流系統之間的相互作用可以通過改變引導氣流使得臺風路徑發生異常[5-6]。張勝軍等的數值模擬研究表明,副高的減弱或東撤是臺風Helen路徑突變的關鍵因素[7]。王志烈等指出120°E和150°E出現的長波槽可能導致臺風轉向[8]。姜麗萍等發現西南季風和越赤道氣流是0601號臺風路徑異常的重要原因[9]。除引導氣流外,臺風內力和自身非對稱結構對移動路徑也有重要的影響[6]。研究表明,異常海溫、下墊面作用和β漂移可能導致臺風移動路徑發生突變[10-12]。當臺風與其他渦旋同時存在時,還需要考慮雙臺風發生的藤原效應[13]和高空冷渦對臺風牽引作用[5]。以上研究,一定程度上揭示了影響臺風路徑突變的機制和可能成因,也為相關研究提供了技術方法。

2018年第12號臺風“云雀”,生命史長,路徑異常復雜,成為有記錄以來第一個進入杭州灣的臺風。其逆時針方向的移動路徑,有別于常見的順時針方向移動路徑,在西北太平洋臺風中極為少見。本文利用NCEP間隔6 h的1°×1°的FNL全球再分析資料、實時探測資料和中國氣象局上海臺風研究所最佳路徑資料,從大尺度環流背景、各層引導氣流、臺風結構和物理量場診斷等方面探究“云雀”異常路徑的成因,為今后臺風異常路徑預報提供參考。

1 臺風“云雀”路徑特點及突變

1.1 路徑特點

1812號臺風“云雀”7月24日21時(世界時,下同)在西北太平洋生成,8月3日17時減弱為熱帶低壓,生命史長達236 h(近10 d)?！霸迫浮甭窂疆惓碗s,生成后先是往東北方向移動,然后轉向西北偏西方向,7月28日登陸日本后轉向西偏南方向移動,穿過日本南部地區于7月30—31日在東海東北部打轉近40 h,然后向西南方向移動,在29°N、126.5°E附近海域回旋20 h,之后折向西偏北方向移動,進入杭州灣后于8月3日02時30分前后登陸上海金山,之后減弱。臺風“云雀”強度變化如圖1。

(圖中實心點和空心點分別為臺風中心最大風速和最低海平面氣壓)圖1 1812號臺風“云雀”強度

“云雀”路徑復雜主要表現在：1)移動總的方向與通常臺風不同,通常北半球臺風,低緯度生成后向西北方向運動,進入中高緯度帶后轉向東北移動;2)在臺風生命周期的后半程出現打圈、少動等現象,在日本南部的東海東北部地區逆時針方向打了一個圈,折向西南后又回旋少動;3)登陸點極為罕見,“云雀”向西偏北方向移入杭州灣登陸上海,之前沒有相似臺風的記錄。

1.2 路徑突變

臺風路徑的突變包括移速和移動方向的突變,本文主要探討“云雀”移動方向突變的成因。為了識別“云雀”路徑變化的關鍵節點,需要計算臺風移動的方位角和轉向角[14]。以某時刻臺風中心位置為起點,將從該點指向下一時刻臺風中心位置的矢量定義為該時刻臺風運動方向;取向東為X軸正方向,定義運動方向與X軸正方向逆時針旋轉的夾角為運動方向角,運動方向角范圍為0～360°。當運動方向角持續增加(減少)時表明路徑為逆(順)時針。其中運動方向角小于90°或大于270°時,表示方向偏東,反之偏西;當小于180°時表示方向偏北,反之偏南。

同時,將相鄰兩個時刻運動方向矢量的夾角定義為轉向角,逆時針偏轉時為正值,反之為負值,轉向角范圍為-180°～180°。若轉向角維持正值(負值),表示臺風運動方向一直維持逆(順)時針旋轉。其中該時刻的運動角減去前一時刻的運動角定義為該時刻的轉向角(如圖2)。轉向角的大小可以較為直觀地反映出臺風路徑的轉折情況,當轉向角大于90°或小于-90°時表明臺風移動路徑發生突變。

圖2 運動角和轉向角示意圖

“云雀”的運動角和轉向角計算結果如圖3,從運動轉向角的演變曲線可以清晰識別出臺風“云雀”生命史中的路徑變化過程：順時針旋轉階段(25日00—18時、3日00—06時)、逆時針旋轉階段(25日18時到30日12時、31日00時到1日12時、2日00時到3日00時)和突變階段(30日18時、1日18時);由于“云雀”生命史長,其運動逆時針旋轉過程中,存在著偏東向偏西或偏北向偏南方向的跨越?！霸迫浮钡穆窂焦之愱P鍵還在于其移動過程中30日18時和1日18時兩次路徑轉折(見圖3黑三角標注),第一次和第二次轉折的轉向角分別達到102°和139°。

(實心三角和箭頭標注突變時間節點)圖3 “云雀”的運動角(虛線)和轉向角(實線)

2 影響臺風路徑變化的成因分析

2.1 環流形勢分析

臺風周邊大型氣壓場的分布及其對應的大范圍深厚的基本氣流是臺風路徑預報的重要依據[5]。“云雀”自生成后處于兩高(兩環副高呈西北至東南走向)之間的鞍形場,受近赤道西南季風影響,逐漸向東南環高壓(594 hPa)靠近,受東南環高壓西側西南氣流轉偏南氣流的影響,“云雀”初期主要向東北方向移動,逐漸轉向偏北方向移動。之后東南環副高略有東退南落,“云雀”增強北進,逐漸向西北側副高(596 hPa)靠近。在西北側副高南側偏東氣流的引導下,“云雀”一直西行,先后兩次登陸日本并途經日本南部到達29°N、130°E附近。

此時,“云雀”處于第一次突變北折時期。西北側高壓略有減弱南掉,斷裂成東西兩環,最強的是594 hPa的閉合等壓線,氣壓梯度力較小,環境流場變弱?！霸迫浮毕仁强拷鼥|側高壓的西南端,受東南氣流引導發生路徑北折。

“云雀”完成第一次突變后,當時西側副高發展,東環副高有所減弱,隨著“云雀”北折后,接近了東西環副高的脊線,受弱偏東氣流影響,往偏西方向移動。移至兩環副高的中間,引導氣流變弱,于是“云雀”出現了停滯,于1日18時在29°N、126.5°E附近回旋,出現了第二次路徑轉折。此后西側副高發展增強到596 hPa,主體從中國沿海大陸延伸至日本南側的太平洋,脊線在35°N附近,于是“云雀”靠近西環副高的東南側,受其東南偏東氣流的影響向西偏北方向移動。

上述分析可見,“云雀”的移動主要受副高影響。副高總體強,但處在調整過程中,第一階段是西北和東南兩個高壓中心,接著東南高壓中心東退南落;第二階段是西北側的高壓分裂成兩環高壓;第三階段東側高壓中心減弱,西側高壓中心發展東伸?！霸迫浮甭窂降谝淮瓮蛔儼l生在第二階段東環高壓的西南側，受偏南氣流影響出現北折;第二次突變發生在第三階段的西側高壓的東南端,處于弱的環境場中,出現了停滯打轉。

2.2 引導氣流

臺風移動路徑是地轉偏向力、總壓力和臺風內力共同作用的結果[15]。引導氣流可以體現地轉偏向力和總壓力對臺風移動的影響。唐家翔等研究認為大尺度引導氣流直接影響著熱帶氣旋的移動[16],不同的研究人員在計算引導氣流時選取的層數和范圍有所差異[17];本文計算引導氣流的厚度層選取除邊界層和流出層以外的對流層主體850～300 hPa,選取的區域為距臺風中心100～400 km的圓環區域。

“云雀”的移動和轉向與引導氣流密切相關,其移速和移向與整層或低層引導氣流的方向和大小較為一致(圖4)?！霸迫浮钡囊苿铀俣扰c對流層整層、對流層低層引導氣流速度基本同步增減,正相關系數高達0.82和0.79。引導氣流方向和移動方向變化同樣較為吻合,當“云雀”強度為熱帶風暴時,兩者交角較小;當強度達到臺風時,兩者交角有所增大。說明引導氣流方向的改變是臺風移動路徑變化的主要因素。

“云雀”在路徑突變前后,引導氣流存在明顯變化,第一次北折(30日18時)期間,對流層中低層(1000～600 hPa)首先出現了西北氣流向西南氣流的轉變,這是路徑發生突變的重要指示信號。隨后,整層引導氣流轉為西南氣流,“云雀”的轉向趨勢更加明確。引導氣流發生變化后,“云雀”在其影響下,逐漸由向東南運動轉為向東北運動;在完成轉向后,“云雀”繼續逆時針移動,移向移速與各層引導氣流較為一致。之后“云雀”在弱的引導氣流下逐漸向西偏轉,在29°N、126.5°E附近發生了第二次突變(1日18時)。從圖5和圖6中可見,對流層中低層引導氣流最先出現偏北分量,但晚于路徑突變開始的時間,表明引導氣流的變化并不是引起“云雀”路徑突變的唯一原因,但是引導氣流轉向的確在“云雀”完成路徑突變過程中發揮了重要的作用。

(黑虛線為對流層整層(850～300hPa),灰虛線為對流層低層(800～600hPa))圖4 臺風“云雀”逐6 h平均移速移向(黑色實線、下方箭頭)及引導氣流(虛線、上方箭頭)的時間演變(單位:m/s)

(實心三角為突變時間節點)圖5 各層平均風場的時間演變(單位：m/s)

“云雀”兩次突變均發生在高壓控制下的弱環境場中,臺風的突變方向與弱的引導氣流之間有著一定的交角,且對流層整層和對流層低層的引導氣流均小于“云雀”突變時的移動速度,突變時整層和低層引導氣流速度分別是第一次突變時“云雀”移動速度的88%和75%、第二次突變時移動速度的51%和38%,表明引導氣流并不能完全解釋“云雀”路徑兩次突變的成因。

在弱的環境引導場中,一方面引導氣流的數值較小,不利于判斷臺風轉折的方向;另一方面臺風結構和環境溫濕場結構的變化也可能導致路徑發生突變[1]。因此,有必要對“云雀”的結構和周邊環境場進行深入的分析。

2.3 渦度場和垂直速度場

渦度場和垂直速度場是反映大氣旋轉和垂直運動的重要物理量,可以較好地表明大氣運動的狀況[15]。從圖6中渦度和垂直速度沿突變路徑的垂直剖面可見,在兩次突變過程中,“云雀”強度均為熱帶風暴,臺風正渦度大值區主要在500 hPa以下,結構呈非對稱性,臺風的正渦度場向6 h后的移動位置傾斜。兩次突變中,在“云雀”路徑突變方向上的高空均對應有正渦度中心和垂直速度中心的疊加區(圖6a、6b黑虛線框)。

在第一次突變過程中,臺風正渦度中心明顯向下一時次位置偏移;垂直速度場上,下一時次臺風中心位置的突變方向上為大片的垂直上升區(垂直速度負值區),200～500 hPa之間存在(8～12) ×10-5s-1的正渦度中心和-0.2 m/s的垂直速度中心。第二次突變時,臺風中低層正渦度中心與臺風位置對應較好;突變方向上正渦度區更廣泛,200～500 hPa之間存在(8～12) ×10-5s-1的正渦度中心和-0.64 m/s的垂直速度中心。從圖7的高空300 hPa上的渦度和垂直速度的空間分布可以看出,第一次突變路徑的左前側為(20～24) ×10-5s-1正渦度中心,右前側為-0.67 m/s的垂直速度負值中心;第二次突變路徑的左前側為(24～28) ×10-5s-1正渦度中心,右前側為-0.65 m/s的垂直速度負值中心;表明在突變路徑的前側高空存在明顯的氣流上升區,“云雀”兩次突變后的移動基本沿著正渦度中心和垂直速度負值中心疊加區的方向。綜上,臺風結構、高空正渦度中心和垂直速度中心的疊加區對預測臺風突變路徑具有較好的指示意義。

(黑三角為當前臺風中心位置,黑矩形為下一時次臺風中心位置)圖6 “云雀”兩次(30日18時(a)和1日18時(b))路徑突變時沿臺風路徑方向上的渦度(陰影,單位:10-5s-1)和垂直速度(折線,單位：10-2m/s)剖面

(黑三角為當前臺風中心位置,黑矩形為下一時次臺風中心位置)圖7 “云雀”兩次(30日18時(a)和1日18時(b))路徑突變時300 hPa上的渦度(陰影,單位：10-5s-1)和垂直速度(折線,單位：10-2m/s)

2.4 溫濕場結構

環境溫濕場條件的改變可以影響熱帶氣旋的移動[16]。一方面,熱帶氣旋的移動表現出趨暖趨濕的特性;另一方面,環境溫度和濕度的分布變化可能影響到熱帶氣旋暖心的熱力結構,通過改變熱帶氣旋強度使得熱帶氣旋內力發生變化,最終間接影響其移動路徑[18-19]。從圖8中可以發現,在第一次突變北折中,北折方向上存在深厚的高濕區,低層到高層的相對濕度高于75%,而反方向上的中高層相對濕度低于60%。此外，在突變方向上925 hPa附近存在暖區,有利于“云雀”沿突變方向移動,從而發生第一次北折。在第二次突變北折中,突變方向上存在深厚高濕區和925 hPa的暖區,可以解釋“云雀”沿突變方向移動;但環境場中突變反方向上中低層存在高濕區,且暖區并不明顯,從而使得“云雀”突變移動距離較短。

(黑三角為當前臺風中心位置,黑矩形為下一時次臺風中心位置)圖8 “云雀”兩次(30日18時(a)和1日18時(b))路徑突變時沿臺風路徑方向上的相對濕度(陰影,單位：%)和溫度(折線,單位：℃)剖面

同時低層925 hPa的溫濕場水平分布特征與“云雀”突變方向和突變移動距離存在一定的聯系。暖濕中心的位置對判斷“云雀”突變方向具有較好的指示意義。圖9中指出“云雀”兩次突變北折時,其右前側均存在一個明顯的暖濕中心,中心溫度分別達到24.2℃和23.7℃,中心相對濕度大于98%。對比兩次突變時的溫濕分布發現,第一次突變時暖濕中心距離臺風中心更近,暖濕特征更明顯,因此第一次突變“云雀”發生了較大的移動。而第二次突變時,暖濕中心離臺風中心位置較遠,接近2個經度;“云雀”周邊溫度梯度較小,移動基本沿著22.8℃線,暖濕特征不明顯,導致“云雀”移動較少。因此,溫濕場結構是影響臺風移動的重要因素,低層暖濕中心的位置和離臺風的距離可以有助于判斷“云雀”路徑突變方向和移動距離。

(黑三角為當前臺風中心位置,黑矩形為下一時次臺風中心位置)圖9 “云雀”兩次(30日18時(a)和1日18時(b))路徑突變時925 hPa上的相對濕度(陰影,單位：%)和溫度(折線,單位：℃)

3 結 語

對2018年第12號臺風“云雀”的移動路徑變化進行識別,發現“云雀”的路徑發生了兩次突變,通過對大尺度環境背景場、引導氣流和臺風及所處環境場結構進行診斷分析,得到如下主要結論。

1)通過計算臺風移動的方向角和轉向角,識別出臺風移動的不同階段。分析發現,“云雀”除在生成初期(25日00—18時)和登陸后(3日00—06時)以順時針移動外,其余基本以逆時針移動,并在逆時針旋轉移動過程中分別于7月30日18時和8月1日18時發生路徑突變。

2)“云雀”的移動主要受副高影響。副高總體強,但處在調整過程中,第一階段是西北和東南兩個高壓中心,接著東南高壓中心東退南落;第二階段是西北側的高壓分裂成兩環高壓;第三階段東側高壓中心減弱,西側高壓中心發展東伸?！霸迫浮甭窂降谝淮瓮蛔儼l生在第二階段東環高壓的西南側，受偏南氣流影響出現北折;第二次突變發生在第三階段的西側高壓的東南端,處于弱的環境場中,出現了停滯打轉。

3)“云雀”附近100～400 km的對流層引導氣流能較好地解釋“云雀”的移動路徑。對流層整層和對流層低層引導氣流速度與臺風的移動速度的正相關系數分別達到0.82和0.79。臺風的突變方向與引導氣流之間有著一定的交角,且突變時均處于弱的環境場中,引導氣流較小,不利于判斷突變的方向。

4)通過物理量分析得知,“云雀”在兩次突變過程中存在趨暖趨濕性,其移動路徑沿中低層暖濕中心和深厚高濕區的方向突變;兩次突變路徑上的高空均對應有正渦度中心和垂直速度中心的疊加區,這些特征對判定“云雀”路徑突變方向具有一定參考價值。

本文診斷分析表明臺風移動與各天氣系統之間的相互作用密切相關,在引導氣流較大情況下基本能表征臺風的移動方向,但在弱的引導氣流下的路徑突變需要深入分析環境的動力和熱力條件,上述指標可以給突變方向的判斷提供參考。由于本文資料時空分辨率所限,本文研究主要對較大尺度影響因子做了觀測分析,對于“云雀”臺風具體突變過程和物理機制,特別是第二次較小尺度的突變，還需要更高分辨率的資料和高分辨率數值模擬研究的進一步開展。