臺(tái)風(fēng)燦都路徑預(yù)報(bào)中的非絕熱加熱因子分析*

吳勝藍(lán) 漆梁波 鄒蘭軍

上海中心氣象臺(tái),上海 200030

提 要：依據(jù)歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)(EC-EPS)預(yù)報(bào)產(chǎn)品,采用位渦趨勢(shì)診斷方法,對(duì)比分析了臺(tái)風(fēng)燦都路徑預(yù)報(bào)差異較大的兩個(gè)集合成員各物理因子的貢獻(xiàn)。結(jié)果表明兩個(gè)集合成員的臺(tái)風(fēng)中心均朝位渦趨勢(shì)一波分量最大的位置移動(dòng),且大多數(shù)時(shí)刻水平平流項(xiàng)的貢獻(xiàn)是最大的,其次是非絕熱加熱項(xiàng),垂直平流項(xiàng)的貢獻(xiàn)相對(duì)較小。兩個(gè)成員路徑分叉時(shí)刻的位渦趨勢(shì)差異主要由非絕熱加熱項(xiàng)引起,而分叉之后位渦趨勢(shì)仍主要由水平平流項(xiàng)(即引導(dǎo)氣流)主導(dǎo)。在路徑分歧時(shí)刻,兩個(gè)集合成員預(yù)報(bào)的非對(duì)稱對(duì)流活動(dòng)也表現(xiàn)出不一樣的分布,且都與診斷的非絕熱加熱項(xiàng)方向較為一致,即非對(duì)稱對(duì)流結(jié)構(gòu)和加熱率的水平梯度在引導(dǎo)氣流偏弱時(shí)對(duì)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)可能起到關(guān)鍵作用。非對(duì)稱對(duì)流活動(dòng)出現(xiàn)主要受水汽、潛在不穩(wěn)定條件以及低層急流等環(huán)境因子的影響。分析表明,在近海臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)中,尤其是引導(dǎo)氣流偏弱的情況下,加強(qiáng)對(duì)非絕熱加熱過(guò)程(對(duì)流活動(dòng)發(fā)展趨勢(shì)及非對(duì)稱結(jié)構(gòu))的分析,有助于做出更精準(zhǔn)的路徑預(yù)報(bào)。

引 言

20世紀(jì)90年代以來(lái),我國(guó)臺(tái)風(fēng)業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)水平不斷進(jìn)步,路徑綜合預(yù)報(bào)偏差逐年減小,基本與世界領(lǐng)先水平相當(dāng)(陳聯(lián)壽,2006;許映龍等,2010;錢傳海等,2012;陳國(guó)民等,2019;2021;王海平和董林,2020)。但針對(duì)臺(tái)風(fēng)異常路徑或引導(dǎo)氣流偏弱的情況下,部分臺(tái)風(fēng)路徑的預(yù)報(bào)仍然會(huì)出現(xiàn)較大的偏差(徐晶等,1999;張玲和黃奕武,2013;許映龍等,2015;楊瓊瓊和吳立廣,2015;董林等,2020;王海平等,2022)。臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)偏差會(huì)直接影響降水、大風(fēng)落區(qū)以及受災(zāi)范圍的預(yù)報(bào),因此近海臺(tái)風(fēng)路徑業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的精準(zhǔn)性尤為關(guān)鍵。

早期臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)的研究認(rèn)為,臺(tái)風(fēng)主要朝著渦度正變化最大的區(qū)域移動(dòng),且有學(xué)者提出臺(tái)風(fēng)移動(dòng)的方向可以由絕對(duì)渦度平流近似估計(jì)(陳聯(lián)壽和丁一匯,1979;Chan and Gray,1982)。而業(yè)務(wù)中常用的引導(dǎo)氣流分析與實(shí)際臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑仍存在較大差異,主要原因是由β效應(yīng)引起的渦旋環(huán)流之間存在的通風(fēng)流所造成的渦旋移動(dòng),簡(jiǎn)稱β漂移理論(Holland,1983;Fiorino and Elsberry,1989;Peng and Williams,1990)。隨著通風(fēng)流理論進(jìn)一步擴(kuò)展到斜壓的情況,Wu and Wang(2000)提出了一個(gè)更加普遍適用的診斷臺(tái)風(fēng)路徑的動(dòng)力學(xué)框架,他們?cè)跓o(wú)大尺度環(huán)流的β平面理想試驗(yàn)中指出,渦旋會(huì)朝著位勢(shì)渦度趨勢(shì)的一波分量最大的區(qū)域移動(dòng)。位渦趨勢(shì)診斷方法包含了垂直切變和潛熱釋放所引起的大氣溫度結(jié)構(gòu)的改變,以及臺(tái)風(fēng)內(nèi)部垂直耦合的作用,同時(shí)也可以解決位渦反演方法的假設(shè)大氣參考狀態(tài)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的影響(Wu and Emanuel,1993;1995a;1995b)。吳玉琴等(2015)進(jìn)一步考慮臺(tái)風(fēng)不對(duì)稱環(huán)流結(jié)構(gòu)影響,對(duì)位渦診斷方法進(jìn)行了改進(jìn)。許多觀測(cè)結(jié)果和模式檢驗(yàn)都證實(shí)了位渦趨勢(shì)診斷方法在不同臺(tái)風(fēng)移動(dòng)類型中的有效性(Wu and Wang,2001a;2001b;Wong and Chan,2007)。其中,Chan et al(2002)指出位渦趨勢(shì)一波分量主要是由水平平流項(xiàng)和非絕熱加熱過(guò)程起到重要貢獻(xiàn),水平平流項(xiàng)會(huì)在平穩(wěn)移動(dòng)的臺(tái)風(fēng)或者方向速度沒(méi)有太大變化的臺(tái)風(fēng)中起主導(dǎo)作用,而非絕熱加熱在緩慢移動(dòng)、轉(zhuǎn)向或者軌跡突變的臺(tái)風(fēng)中則非常關(guān)鍵。

關(guān)于非絕熱加熱因子的作用,其實(shí)早在幾十年前就有學(xué)者基于衛(wèi)星圖像提出熱帶氣旋會(huì)傾向在發(fā)展最旺盛的積雨云團(tuán)的邊緣移動(dòng)(距離熱帶氣旋中心200～600 km處)。陳聯(lián)壽等(1997)通過(guò)數(shù)值模擬揭示臺(tái)風(fēng)的熱力不對(duì)稱結(jié)構(gòu)會(huì)顯著影響臺(tái)風(fēng)的移動(dòng),臺(tái)風(fēng)有向內(nèi)部對(duì)流不穩(wěn)定區(qū)域移動(dòng)的趨勢(shì)。除此以外,在理論研究方面,Willoughby(1992)使用正壓模型和質(zhì)量源-匯模擬對(duì)流的影響,指出渦旋將遠(yuǎn)離源并向匯移動(dòng)。Wang and Holland(1995;1996)從原始方程模型出發(fā),發(fā)現(xiàn)零星的對(duì)流單體可能會(huì)引起臺(tái)風(fēng)路徑的振蕩。所有這些觀測(cè)模擬以及理論的研究均指出不對(duì)稱的對(duì)流活動(dòng)對(duì)于臺(tái)風(fēng)移動(dòng)會(huì)起到關(guān)鍵的作用。在應(yīng)用方面,還有直接基于衛(wèi)星圖像輸入的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可以作為簡(jiǎn)易預(yù)測(cè)氣旋路徑的輔助手段(Kovordányi and Roy,2009)。但非絕熱加熱對(duì)位渦趨勢(shì)的貢獻(xiàn)不是簡(jiǎn)單的對(duì)流加熱,還取決于對(duì)流加熱的梯度與垂直風(fēng)切作用,Wu and Wang(2001b)提出垂直風(fēng)切會(huì)在一定程度上引起渦旋結(jié)構(gòu)的傾斜,但非對(duì)稱的加熱通過(guò)快速調(diào)整可以起到抵消風(fēng)切引起的傾斜趨勢(shì),所以非絕熱加熱對(duì)斜壓臺(tái)風(fēng)的垂直耦合起到重要作用。在業(yè)務(wù)應(yīng)用方面,Yu et al(2007)基于中國(guó)氣象局全球區(qū)域同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)臺(tái)風(fēng)模式GRAPES-TCM,指出與非絕熱加熱有關(guān)的位相鎖定被認(rèn)為是位渦強(qiáng)迫及臺(tái)風(fēng)海棠(2005年)在臺(tái)灣登陸前回旋和轉(zhuǎn)折的主要貢獻(xiàn)因子。

2021年臺(tái)風(fēng)燦都沿浙江近海北上,并在東海海面緩慢移動(dòng)回旋,15日開(kāi)始轉(zhuǎn)向偏東和東北方向移動(dòng),對(duì)沿海地區(qū)風(fēng)雨影響巨大。當(dāng)時(shí)各業(yè)務(wù)綜合預(yù)報(bào)均預(yù)測(cè)其會(huì)在浙北或上海登陸,而近海臺(tái)風(fēng)登陸與否,需采取明顯不同的防御策略和手段,路徑預(yù)報(bào)偏差尤其是是否登陸對(duì)氣象服務(wù)效益的影響是巨大的。因此,探究“燦都”近海路徑預(yù)報(bào)偏差的具體成因非常必要。本文將通過(guò)對(duì)比歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱EC-EPS)的不同成員的表現(xiàn),依據(jù)位渦趨勢(shì)方法診斷分析影響近海臺(tái)風(fēng)路徑的主要因素,重點(diǎn)分析非絕熱加熱因子對(duì)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)趨勢(shì)的影響,并回顧和總結(jié)在“燦都”的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中,如何具體考量非絕熱加熱因子對(duì)路徑預(yù)報(bào)決策的影響。

1 資料和方法

(1)歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)各預(yù)報(bào)成員(EC-EPS,共51個(gè))的水平分辨率為0.5°×0.5°,預(yù)報(bào)時(shí)效間隔為6 h。本文預(yù)報(bào)開(kāi)始時(shí)次選取2021年9月10日12時(shí)(世界時(shí),下同),該時(shí)次臺(tái)風(fēng)燦都中心位于臺(tái)灣海峽南側(cè),且各集合預(yù)報(bào)成員間離散度較大,部分成員預(yù)測(cè)“燦都”將在福建、浙江、上海等地登陸,另外的成員則預(yù)測(cè)“燦都”直接北上或北到東北行。本文挑選了第5號(hào)和第6號(hào)集合成員(分別簡(jiǎn)稱EN05和EN06)作為代表進(jìn)行診斷對(duì)比分析,兩個(gè)集合成員的預(yù)報(bào)路徑(圖1)在12日12時(shí)之前沿臺(tái)灣海峽東側(cè)向北移動(dòng),12日12時(shí)(預(yù)報(bào)時(shí)效48 h)到達(dá)臺(tái)灣海峽北部附近并開(kāi)始產(chǎn)生分歧。EN05路徑向西偏折登陸,而EN06則與中央氣象臺(tái)業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)定位較為吻合,沿海岸線向北移動(dòng),沒(méi)有登陸。

(2)歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ERA5再分析資料,時(shí)間分辨率為1 h,水平分辨率為0.25°×0.25°,共分37層。

診斷方法參照Wu and Wang(2000)提出的位渦趨勢(shì)動(dòng)力學(xué)框架,臺(tái)風(fēng)會(huì)朝著位渦趨勢(shì)一波分量最大的區(qū)域運(yùn)動(dòng),即

(1)

式中:C代表臺(tái)風(fēng)運(yùn)動(dòng)的分量,Ps和P1分別代表位渦的對(duì)稱和一波分量。?P1/?t最大值的位置決定了臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)方位。同時(shí),Wu and Wang(2000)指出在非絕熱加熱存在時(shí),位渦趨勢(shì)是由以下四項(xiàng)物理過(guò)程所引起的:

(2)

式中Λ1代表一波算子。方程右側(cè)共四項(xiàng),分別為水平平流項(xiàng)(HA)、垂直平流項(xiàng)(VA)、非絕熱加熱項(xiàng)(DH)和摩擦以及次網(wǎng)格項(xiàng)(F)的貢獻(xiàn)。位渦診斷方程右側(cè)所有項(xiàng)都要經(jīng)過(guò)傅里葉分解求取一波分量。

水平平流項(xiàng)已經(jīng)包含了行星渦度的經(jīng)向變化,即β效應(yīng)的作用。同時(shí),垂直風(fēng)切引起的水平位渦梯度和β效應(yīng)有時(shí)會(huì)產(chǎn)生相反的貢獻(xiàn)(Shapiro,1992),就不用再單獨(dú)考慮β效應(yīng)的影響。在臺(tái)風(fēng)眼墻之外,除了對(duì)流層頂附近位渦梯度較大的地方,垂直平流的貢獻(xiàn)可能很小,而摩擦項(xiàng)的作用僅在邊界層較為顯著。因此,可以推測(cè)臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)主要由水平平流和非絕熱加熱項(xiàng)所引起的。而非絕熱加熱項(xiàng)取決于對(duì)流加熱的水平及垂直加熱梯度。

由于EC集合預(yù)報(bào)提供的數(shù)據(jù)變量有限,無(wú)法直接計(jì)算位渦診斷方程右側(cè)所有項(xiàng)的貢獻(xiàn),但可以通過(guò)某些近似對(duì)非絕熱加熱項(xiàng)進(jìn)行合理的估計(jì),結(jié)合可以直接計(jì)算的水平平流以及垂直平流項(xiàng),對(duì)位渦診斷框架進(jìn)行有效評(píng)估和定量診斷。根據(jù)May and Rajopadhyaya(1996),加熱率可以表示為:

(3)

式中:ω是垂直速度,p是氣壓,s代表靜力能(Yanai et al,1973),可以表示為:

s=gz+cpT

(4)

式中:g是重力加速度,z代表高度,cp是定壓比熱,T是溫度,根據(jù)靜力平衡假設(shè),加熱率可以改寫成:

(5)

式中ρ是空氣的密度。這樣加熱率Q可以直接由式(5)計(jì)算,于是根據(jù)Wu and Wang(2000),非絕熱加熱項(xiàng)可以表示為:

（2）間接循環(huán)式加熱。系統(tǒng)設(shè)置1大1小共2個(gè)保溫水箱。冷水的加熱過(guò)程在小水箱內(nèi)完成，當(dāng)小水箱內(nèi)的水溫達(dá)到設(shè)定水溫時(shí)，再通過(guò)水泵輸送至大水箱。

(6)

式中:u和v是緯向和經(jīng)向風(fēng)分量,f是科氏參數(shù),ζ是相對(duì)渦度。求取特定高度的非絕熱加熱項(xiàng),所以DH的一波分量可以表示為:

(7)

可以看出DH項(xiàng)的一波分量主要取決于Q的水平梯度以及垂直風(fēng)切。

計(jì)算各項(xiàng)物理過(guò)程的估算速度參考Wu and Wang(2000)和吳玉琴等(2015)的計(jì)算方法,均以預(yù)測(cè)臺(tái)風(fēng)中心為中心,25～200 km的區(qū)域進(jìn)行計(jì)算,垂直層采用850～500 hPa的平均。這一層距離邊界層和出流層都有一定距離,所以摩擦項(xiàng)和出流項(xiàng)的貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)。

2 位渦趨勢(shì)方法診斷

位渦趨勢(shì)診斷方法指出臺(tái)風(fēng)會(huì)朝著位渦趨勢(shì)一波分量最大的位置移動(dòng)。如上文所述,從2021年9月10日12時(shí)起報(bào)的EC-EPS結(jié)果看,在12日12時(shí)之前,各集合成員發(fā)散度小,大致沿著臺(tái)灣海峽東側(cè)沿海向北到東北方向移動(dòng),12時(shí)后各成員的預(yù)報(bào)離散度加大,較多成員預(yù)報(bào)登陸浙江或上海,少部分成員預(yù)報(bào)沿海北上。以下分別挑選EN05(登陸成員)和EN06(不登陸成員)來(lái)開(kāi)展位渦趨勢(shì)診斷分析。

圖2分別展示了EN05和EN06預(yù)測(cè)的臺(tái)風(fēng)路徑的移向和移速,以及通過(guò)位渦趨勢(shì)診斷的總體移向和移速。可以看到兩者基本能實(shí)現(xiàn)較好的吻合,特別是在移向方面誤差較小(圖2b和2d),但有時(shí)兩者也存在較大的差異,主要是發(fā)生在模式預(yù)報(bào)的最初時(shí)段(10日12時(shí)和18時(shí))。同時(shí)可以看到在12日12時(shí)之后,EN05和EN06分別朝著西北方向和東北方向移動(dòng)(圖2b和2d)。

為了分析臺(tái)風(fēng)路徑產(chǎn)生分叉的主要原因,圖3診斷了不同物理項(xiàng)對(duì)總體位渦趨勢(shì)的貢獻(xiàn),包括HA、VA和DH。各項(xiàng)對(duì)移速的貢獻(xiàn)是通過(guò)臺(tái)風(fēng)中心25～200 km 半徑的平均振幅進(jìn)行計(jì)算的,移動(dòng)的方向取決于最大振幅所處的方位。與Chan et al(2002)和Yu et al(2007)研究結(jié)果類似,大多數(shù)時(shí)刻HA的貢獻(xiàn)是最大的,接著是DH,VA的貢獻(xiàn)相對(duì)較小。在12日12時(shí)之后各項(xiàng)的貢獻(xiàn)均有所減小,主要是由于經(jīng)過(guò)臺(tái)灣海峽的地形摩擦作用,臺(tái)風(fēng)整體強(qiáng)度減弱,位渦和位渦趨勢(shì)都有所減弱,此時(shí)引導(dǎo)氣流有所減弱,但HA的貢獻(xiàn)仍然是大于DH的貢獻(xiàn)(圖3a和3c)。

圖3 2021年臺(tái)風(fēng)燦都(a,b)EN05和(c,d)EN06位渦趨勢(shì)診斷水平平流項(xiàng)(HA)、垂直平流項(xiàng)(VA)和非絕熱加熱項(xiàng)(DH)對(duì)(a,c)臺(tái)風(fēng)移速振幅和(b,d)臺(tái)風(fēng)移向的貢獻(xiàn)Fig.3 Contributions of WN1 HA, WN1 VA, and WN1 DH predicted for (a, b) EN05 and (c, d) EN06 to (a, c) amplitude and (b, d) moving direction of Typhoon Chanthu in 2021

從移動(dòng)方向上來(lái)看(圖3b和3d),三項(xiàng)的整體貢獻(xiàn)與位渦趨勢(shì)的方向還是較為一致的(圖2b和2d),產(chǎn)生的差值大部分是由于無(wú)法計(jì)算的摩擦項(xiàng)以及次網(wǎng)格過(guò)程所引起的。整體來(lái)看,位渦趨勢(shì)診斷各項(xiàng)物理過(guò)程之和與方程左側(cè)較為吻合,驗(yàn)證了方法及計(jì)算的可靠性。兩個(gè)集合成員之間,HA和DH在12日12時(shí)之前是接近一致的,VA在某些時(shí)刻有較大差異(如12日00時(shí)),但由于振幅偏小,產(chǎn)生的影響也較為有限(圖3b和3d)。在12日12時(shí),兩組成員DH方向突然發(fā)生較大偏差,雖然振幅相較前一時(shí)刻有所減小,但HA和總體位渦趨勢(shì)也同時(shí)減小,所以還是對(duì)位渦趨勢(shì)最大強(qiáng)度的位置以及臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)路徑開(kāi)始分叉產(chǎn)生了較大的影響。在12日12時(shí)之后,兩個(gè)成員DH的方向又接近一致,但HA的方向產(chǎn)生了一些變化,EN05和EN06方向分別向西和向東偏移,對(duì)兩個(gè)成員間位渦趨勢(shì)以及臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)路徑進(jìn)一步分叉起到較大的作用。同時(shí)還可以注意到,HA的方向一直較穩(wěn)定在朝西北或東北方向,而DH在方向上相比HA有更大的不確定性,一方面是因?yàn)楣浪鉊H的作用依靠簡(jiǎn)單的溫度垂直梯度,加熱的水平梯度和垂直風(fēng)切的分布,近似估計(jì)存在一定的誤差。另一方面,非絕熱加熱包含潛熱感熱等微物理項(xiàng)變化,也是模式模擬較為薄弱的部分,所以振蕩較為明顯。

從具體的總位渦趨勢(shì)和其他各項(xiàng)的一波分量,可以更清楚地看到總體的移動(dòng)趨勢(shì)以及各項(xiàng)物理過(guò)程對(duì)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)的貢獻(xiàn)分量。12日06時(shí),臺(tái)風(fēng)中心位置和總體位渦趨勢(shì)在兩個(gè)集合成員間還沒(méi)有太大的區(qū)別,都是向北移動(dòng)的趨勢(shì)(圖4a和4e)。由于臺(tái)風(fēng)中心選用的是業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)定位,而不是位渦最大的位置,所以在求取一波分量的時(shí)候就不是剛好對(duì)稱分布的形態(tài)(圖4a)。各項(xiàng)物理過(guò)程也沒(méi)有明顯的區(qū)別,HA和DH對(duì)移動(dòng)的貢獻(xiàn)較大,分別是東北和西北分量(圖4b,4d,4f和4h),而VA的貢獻(xiàn)相對(duì)偏小,是朝北的分量(圖4c和4g)。到12日12時(shí),中心位置沒(méi)有明顯區(qū)別,但總體位渦趨勢(shì)在EN05和EN06間已經(jīng)有明顯不同,EN05是朝北偏西移動(dòng)的趨勢(shì),而EN06(圖5e)是朝北偏東移動(dòng)的趨勢(shì),移動(dòng)速度在EN05中稍偏快一些(圖5a);此時(shí)HA的貢獻(xiàn)仍沒(méi)有明顯的區(qū)別,只是相較前一個(gè)時(shí)刻振幅偏小(圖5b和5f);VA的貢獻(xiàn)非常小,幾乎可以忽略不計(jì)(圖5c和5g);而DH項(xiàng)產(chǎn)生了較大區(qū)別,方向與位渦趨勢(shì)方向是一致的,分別是向西北和東北的分量(圖5d和5h),也就是說(shuō)此時(shí)刻臺(tái)風(fēng)移動(dòng)的趨勢(shì)和方向主要是由DH項(xiàng)貢獻(xiàn)產(chǎn)生的,非絕熱加熱對(duì)于集合成員臺(tái)風(fēng)路徑差異的產(chǎn)生起到重要作用。同時(shí)可以注意到,12日12時(shí)各項(xiàng)的貢獻(xiàn)相較前一時(shí)次都有所減小,但此時(shí)引導(dǎo)氣流作用也是相對(duì)偏弱的,而DH的方向和位置起到了關(guān)鍵作用,同時(shí)內(nèi)核外圍的非絕熱加熱作用也較大,是不可忽略的。

3 對(duì)流活動(dòng)及環(huán)境物理過(guò)程對(duì)臺(tái)風(fēng)運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)

從位渦趨勢(shì)診斷的結(jié)果可以得知,兩個(gè)集合成員路徑分叉主要是由非絕熱加熱造成的。從12日12時(shí)非對(duì)稱的降水結(jié)構(gòu)分布也能看到(圖6a和6b),EN05的對(duì)流和降水活動(dòng)主要集中在內(nèi)核周圍以及東南沿海地區(qū),而EN06在東北象限外圍區(qū)域也存在較明顯的對(duì)流活動(dòng),且從流場(chǎng)的分布可以看到臺(tái)風(fēng)倒槽與之相適配。對(duì)比同時(shí)刻的ERA5再分析資料(圖6c),可以看到降水活動(dòng)同樣在臺(tái)風(fēng)中心東北象限十分活躍,與EN06的降水結(jié)構(gòu)更為接近,只是臺(tái)風(fēng)倒槽沒(méi)有特別明顯。因此,加熱率的水平梯度(即非對(duì)稱的對(duì)流活動(dòng))是DH項(xiàng)中貢獻(xiàn)較大的,其是造成臺(tái)風(fēng)路徑產(chǎn)生分叉的主要原因。

注:紅點(diǎn):集合成員預(yù)測(cè)臺(tái)風(fēng)中心位置以及業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)定位的臺(tái)風(fēng)中心。圖6 2021年9月12日12時(shí)臺(tái)風(fēng)燦都的降水強(qiáng)度(填色)和850 hPa流場(chǎng)(a)EN05,(b)EN06,(c)ERA5再分析資料Fig.6 The precipitation rate (colored) and streamlines at 850 hPa of Typhoon Chanthu at 1200 UTC 12 September 2021(a) EN05, (b) EN06, (c) ERA5 reanalysis data

為了更一步驗(yàn)證東北象限的對(duì)流降水及非絕熱加熱是否是影響臺(tái)風(fēng)登陸與否的關(guān)鍵因素,本文選取了集合成員中登陸的39個(gè)成員(簡(jiǎn)稱Land)和未登陸的12個(gè)成員(簡(jiǎn)稱NoLand),對(duì)12日12時(shí)的降水結(jié)構(gòu)進(jìn)行合成分析(圖7),可以看到Land的對(duì)流和降水分布與EN05非常接近,主要集中在內(nèi)核周圍以及東南沿海地區(qū),而Noland與EN06更相似,都在東北象限外圍區(qū)域有明顯降水。集合成員合成的降水結(jié)構(gòu)進(jìn)一步驗(yàn)證了EN05和EN06的代表性,同時(shí)也證實(shí)東北象限的對(duì)流降水是DH項(xiàng)對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑產(chǎn)生影響的直接原因。與王新偉等(2015)提出的臺(tái)風(fēng)周圍非對(duì)稱的對(duì)流系統(tǒng)會(huì)直接影響臺(tái)風(fēng)的移動(dòng),傾向朝發(fā)展最旺盛的積雨云團(tuán)邊緣移動(dòng)是較為一致的。

注:紅點(diǎn):集合成員預(yù)測(cè)臺(tái)風(fēng)中心的平均位置。圖7 2021年9月12日12時(shí)臺(tái)風(fēng)燦都集合成員的合成降水強(qiáng)度(a)Land集合成員,(b)NoLand集合成員Fig.7 Composite precipitation rate of Typhoon Chanthu at 1200 UTC 12 September 2021 predicted by ensemble members(a) Land ensemble members, (b) NoLand ensemble members

從FY-4A衛(wèi)星紅外云圖,可以更清楚地了解東北象限對(duì)流活動(dòng)的發(fā)展演變(圖8)。10日12時(shí),臺(tái)風(fēng)中心位于臺(tái)灣海峽東南側(cè),內(nèi)核區(qū)對(duì)流活動(dòng)旺盛,能看到清晰的臺(tái)風(fēng)眼區(qū)且在北側(cè)有螺旋雨帶,臺(tái)風(fēng)倒槽較為明顯;11日00—12時(shí),臺(tái)風(fēng)中心靠近海峽地區(qū),強(qiáng)度稍有減弱,結(jié)構(gòu)組織開(kāi)始松散;12日00—06時(shí)內(nèi)核區(qū)域的對(duì)流活動(dòng)重新組織,但外圍由于地形摩擦,只在東北和西南象限有對(duì)流活動(dòng)和螺旋雨帶;12日12時(shí),內(nèi)核區(qū)域以及西南象限的對(duì)流活動(dòng)有所減弱,而東北象限在強(qiáng)水汽輸送情況下對(duì)流旺盛,與EN06和ERA5再分析資料的降水結(jié)構(gòu)較為一致(圖6b和6c)。

圖8 臺(tái)風(fēng)燦都活動(dòng)期間FY-4A(104.7°E)10.8 μm通道長(zhǎng)波紅外增強(qiáng)圖Fig.8 FY-4A (104.7°E) long-wave infrared satellite image of 10.8 μm during Typhoon Chanthu

分析影響對(duì)流活動(dòng)的環(huán)境和物理因子,對(duì)比兩個(gè)集合成員中層水汽,EN05內(nèi)核區(qū)域的水汽條件明顯高于EN06(大于5 g·kg-1的范圍),而EN06東北象限經(jīng)過(guò)水汽輸送存在大面積的高水汽帶,東南沿海地區(qū)的水汽卻明顯比EN05偏低(圖9a和9b);同一時(shí)刻ERA5再分析資料更接近EN06的水汽分布,西北及西南象限偏干空氣入侵內(nèi)核中心對(duì)該區(qū)域?qū)α骰顒?dòng)的持續(xù)發(fā)展和組織化是較為不利的(圖9c)。從熱力學(xué)條件出發(fā),對(duì)比兩個(gè)集合成員中低層溫度差,臺(tái)風(fēng)北側(cè)區(qū)域EN05溫度差較大的地方(14～16℃)位于內(nèi)核區(qū)及西北象限,而EN06位于臺(tái)風(fēng)中心北側(cè)及東北象限,ERA5再分析資料中整體中低層溫度差都較小(12～14℃),北側(cè)及東北象限存在小范圍溫度差較大的區(qū)域(圖9d～9f),中低層較大的溫度差會(huì)增加潛在不穩(wěn)定性,為該區(qū)域?qū)α骰顒?dòng)的發(fā)展提供較為有利的條件。從動(dòng)力學(xué)角度,EN05和EN06內(nèi)核低層急流分別位于臺(tái)風(fēng)中心北側(cè)及東側(cè),氣旋性環(huán)流相應(yīng)在西北象限和東北象限有較強(qiáng)的輻合,對(duì)對(duì)流活動(dòng)及DH項(xiàng)有較大的貢獻(xiàn)(圖9g和9h);同一時(shí)刻ERA5再分析資料更接近EN06的偏南急流,在臺(tái)風(fēng)中心偏北側(cè)及東北象限有較強(qiáng)輻合及對(duì)流活動(dòng)發(fā)展。

注:黑點(diǎn):集合成員預(yù)測(cè)臺(tái)風(fēng)中心位置以及業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)定位的臺(tái)風(fēng)中心。圖9 2021年9月12日12時(shí)臺(tái)風(fēng)燦都(a～c)500 hPa比濕(填色)和流場(chǎng),(d～f)700～500 hPa的溫度差(填色)和700 hPa流場(chǎng),(g～i)925 hPa風(fēng)速(填色)和流場(chǎng)(a,d,g)EN05,(b,e,h)EN06,(c,f,i)ERA5再分析資料Fig.9 (a-c) The 500 hPa specific humidity (colored) and streamlines, and (d-f) 700-500 hPa temperature difference (colored) and 700 hPa streamlines, (g-i) 925 hPa wind speed (colored) and streamlines of Typhoon Chanthu at 1200 UTC 12 September 2021(a, d, g) EN05, (b, e, h) EN06, (c, f, i) ERA5 reanalysis data

4 業(yè)務(wù)實(shí)踐中的非絕熱加熱因子分析

從歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心精細(xì)化數(shù)值預(yù)報(bào)模式的結(jié)果來(lái)看,9日00時(shí)起報(bào)的臺(tái)風(fēng)路徑登陸臺(tái)灣,但沒(méi)有在東南沿海再次登陸,9日12時(shí)起報(bào)的路徑擦過(guò)臺(tái)灣海峽,然后在浙江北部登陸,但沒(méi)有深入內(nèi)地,10日12時(shí)起報(bào),也就是上兩節(jié)中診斷分析的起報(bào)時(shí)間,臺(tái)風(fēng)路徑沿著臺(tái)灣海峽東側(cè)北上,在浙江北部登陸,然后在上海附近打轉(zhuǎn)回旋,到12日00時(shí)起報(bào),此時(shí)臺(tái)風(fēng)已經(jīng)在臺(tái)灣東部近海領(lǐng)域,然而其路徑預(yù)報(bào)直接深入我國(guó)大陸且回旋數(shù)日(圖10)。單就是否登陸的結(jié)果來(lái)看,路徑預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度在時(shí)效變短的情況下是逐漸下降的,穩(wěn)定性也較為欠缺。面對(duì)這種情況,在業(yè)務(wù)實(shí)踐中,預(yù)報(bào)員需要有分析思路來(lái)對(duì)模式預(yù)報(bào)做一些修正,以減小預(yù)報(bào)誤差,尤其是涉及到是否登陸。

圖10 歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心精細(xì)化數(shù)值預(yù)報(bào)模式(a)9日00時(shí),(b)9日12時(shí),(c)10日12時(shí)和(d)12日00時(shí)起報(bào)的臺(tái)風(fēng)路徑Fig.10 ECMWF-HRFS forecast TC tracks started from different initial times: (a) 0000 UTC 9, (b) 1200 UTC 9, (c) 1200 UTC 10, (d) 0000 UTC 12 September

對(duì)比不同時(shí)刻起報(bào)的EC_high模擬紅外云圖(圖略),9日00時(shí)和12時(shí)起報(bào)的12日12時(shí)對(duì)流活動(dòng)基本呈偏東北—西南走向,和實(shí)際衛(wèi)星云圖觀測(cè)資料是較為一致的,該兩次預(yù)報(bào)也更為準(zhǔn)確,而10日12時(shí)和12日00時(shí)起報(bào)的對(duì)流活動(dòng)基本是呈南北走向,與衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果有較大區(qū)別(圖略),即臨近時(shí)次的預(yù)報(bào)在此例中效果更差。從實(shí)際衛(wèi)星觀測(cè)來(lái)看,12日12時(shí)杭州灣附近及沿海地區(qū)的對(duì)流降水并不強(qiáng),主要的對(duì)流雨帶集中在較遠(yuǎn)海域,而非對(duì)稱的積云對(duì)流和非絕熱加熱作用會(huì)一定程度影響臺(tái)風(fēng)路徑產(chǎn)生移動(dòng)分量。根據(jù)實(shí)際衛(wèi)星云圖反映的臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu),與模式預(yù)報(bào)的臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)或降水分布作對(duì)比,可以作為修正模式預(yù)報(bào)路徑的重要參考,有望修正甚至推翻10日12時(shí)和12日00時(shí)起報(bào)的預(yù)報(bào)結(jié)果,得出更好的路徑預(yù)報(bào),即臺(tái)風(fēng)燦都很可能不登陸我國(guó)。

衛(wèi)星觀測(cè)作為海洋上最有利的觀測(cè)熱帶氣旋精細(xì)化結(jié)構(gòu)的手段,目前業(yè)務(wù)中主要用于臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度分析,尚不足以用于路徑預(yù)報(bào)的修正參考。本例分析表明,在引導(dǎo)氣流較弱或臺(tái)風(fēng)路徑可能存在偏折的情況下,對(duì)比衛(wèi)星云圖反映的臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu),尤其是外圍的對(duì)流發(fā)展態(tài)勢(shì),與模式預(yù)報(bào)的臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)或?qū)α靼l(fā)展態(tài)勢(shì)的差別,可作為修正模式路徑預(yù)報(bào)的參考。當(dāng)然,現(xiàn)階段看,這一參考指征在短時(shí)效取得的效果會(huì)更好一些。在本例中,利用12日00時(shí)的9～12 h預(yù)報(bào)結(jié)果,與觀測(cè)的衛(wèi)星云圖做比對(duì),可望得出更好的路徑預(yù)報(bào),即預(yù)報(bào)“燦都”不太可能登陸。如果與10日12時(shí)或者更早的模式預(yù)報(bào)進(jìn)行對(duì)比和推敲,也有利于增加決策信心。

5 結(jié)論與討論

本文通過(guò)位渦趨勢(shì)診斷方法對(duì)歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)(EC-EPS)臺(tái)風(fēng)燦都路徑預(yù)報(bào)差異較大的兩個(gè)集合成員進(jìn)行診斷分析。預(yù)報(bào)路徑在12日12時(shí)開(kāi)始產(chǎn)生分歧,EN05向西偏折登陸,而EN06則與中央氣象臺(tái)業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)定位較為吻合,沿東南海岸線向北運(yùn)動(dòng),沒(méi)有登陸。位渦趨勢(shì)診斷方法證實(shí)兩個(gè)成員均朝位渦趨勢(shì)一波分量最大的位置移動(dòng),同時(shí)診斷了水平平流(HA)、垂直平流(VA)和非絕熱加熱(DH)不同物理項(xiàng)對(duì)總體位渦趨勢(shì)的貢獻(xiàn),大多數(shù)時(shí)刻HA的貢獻(xiàn)是最大的,接著是DH,VA的貢獻(xiàn)相對(duì)較小。路徑分叉的時(shí)刻位渦趨勢(shì)差異主要是由非絕熱加熱項(xiàng)的方向所引起的,EN05和EN06分別是向西北和東北的分量,與位渦趨勢(shì)方向是一致的,即DH對(duì)集合成員臺(tái)風(fēng)路徑差異的產(chǎn)生起到重要作用。在路徑分叉之后,兩個(gè)成員DH的方向又接近一致,但HA的方向產(chǎn)生了一些變化,EN05和EN06方向分別向西和向東偏移,也就是說(shuō)HA(即引導(dǎo)氣流)對(duì)兩個(gè)成員間位渦趨勢(shì)以及臺(tái)風(fēng)分叉之后的移動(dòng)路徑起主導(dǎo)作用。

從路徑分叉時(shí)刻非對(duì)稱的降水結(jié)構(gòu)分布和衛(wèi)星云圖可以看到EN05的對(duì)流和降水活動(dòng)主要集中在內(nèi)核周圍以及東南沿海地區(qū),而EN06在東北象限外圍區(qū)域也存在較明顯的對(duì)流活動(dòng),與非絕熱加熱項(xiàng)的方向是較為一致的,即非對(duì)稱對(duì)流活動(dòng)發(fā)展和加熱率的水平梯度對(duì)于臺(tái)風(fēng)移動(dòng)在引導(dǎo)氣流偏弱的情況下可能會(huì)起到關(guān)鍵的作用,是DH項(xiàng)對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑產(chǎn)生影響的直接原因。影響對(duì)流活動(dòng)分布的環(huán)境和物理因子中,EN06東北象限存在大面積的高水汽帶,同時(shí)臺(tái)風(fēng)中心北側(cè)及東北象限存在中低層溫度差較大的區(qū)域,會(huì)增加潛在不穩(wěn)定,為該區(qū)域?qū)α骰顒?dòng)的發(fā)展提供較為有利的條件。另外,EN06臺(tái)風(fēng)中心東側(cè)存在低層偏南急流,氣旋性環(huán)流相應(yīng)在東北象限有較強(qiáng)的輻合,對(duì)對(duì)流活動(dòng)及DH項(xiàng)有較大貢獻(xiàn)。

近海臺(tái)風(fēng)的路徑偏差會(huì)直接影響降水大風(fēng)的落區(qū)以及受災(zāi)的范圍,在臺(tái)風(fēng)業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中至關(guān)重要。但引導(dǎo)氣流較弱或臺(tái)風(fēng)路徑可能存在偏折的情況下,非絕熱加熱及對(duì)流活動(dòng),特別是外圍的不對(duì)稱對(duì)流活動(dòng)會(huì)直接影響臺(tái)風(fēng)路徑。集合預(yù)報(bào)離散度較大或模式間存在一定偏差時(shí),預(yù)報(bào)人員在綜合參考模式給出的臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上,也可以多結(jié)合對(duì)比衛(wèi)星云圖反映的臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu),尤其是外圍的對(duì)流發(fā)展態(tài)勢(shì)和非對(duì)稱結(jié)構(gòu),與模式預(yù)報(bào)的臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)或?qū)α靼l(fā)展態(tài)勢(shì)的差別,作為修正模式路徑預(yù)報(bào)的參考,為實(shí)際業(yè)務(wù)預(yù)判提供相應(yīng)幫助。目前本文只分析了“燦都”這一個(gè)個(gè)例,日后有必要對(duì)衛(wèi)星云圖臺(tái)風(fēng)非對(duì)稱對(duì)流結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體統(tǒng)計(jì)分析,進(jìn)一步加強(qiáng)驗(yàn)證。