热带气旋风圈统计及业务应用

郭春迓，程正泉，李泳泽，林芳妮，吕华锋

（1.广东省气象台，广东广州 510640；2.汕尾市气象局，广东汕尾 516600；3.广州昊鹿信息科技有限公司，广东广州 510640）

台风风圈预报目前仍是台风预报业务中的一个难点。由于台风多数时候活动在广阔的洋面上，实况观测资料匮乏，从而增加了预报员对台风各级风圈半径评估的难度。现有的业务中，台风风场结构、风圈大小的实况分析和预报仍以主观判断为主，一般多是基于卫星观测，结合各种实时输出的风场产品来进行风圈评估；其中卫星观测包括基于红外探测仪［1］、基于微波传感器［2-3］，以及融合了地球同步观测（如飞机测风和云导风）和极轨卫星（如基于散射测量法的二维微波探空风场）［4-5］的风场信息。

目前各机构给出的风圈情况：北京（NMC）在实况报文中给出7、10、12级风圈半径（分为东北、东南、西南、西北4象限）；香港（HKO）不发布风圈，而是发布2 m浪高的范围（同为4象限）；日本（JMA）在实况中给出7和10级风圈，并按不同情况给出东-西或南-北象限的半径；美国联合台风警报中心（JTWC）除了给出8、10、12级风圈实况（并且包含东北、东南、西南、西北四个象限）外，还在预报中给出了未来12和24 h各象限的各级风圈预报。由于国际上不同台风业务中心定义台风强度的平均风速有所不同［6］，因此发布的风圈半径也有所不同，北京发布的半径单位为km（公里），而日本和关岛、我国香港则为n mile（海里）。

出于实际业务的需求，广东省气象台在北京报文的基础上，发布实况和预报的6、7、8、10、12级风圈半径，且不划分象限。目前多倚赖于历史经验关系，以及北京给出的实况参考资料，再进行主观线性插值，预报员对于风圈预报并无太大的主观订正能力。这一方面是受限于观测资料，另一方面是没有太多指导预报资料供参考。历史经验关系对于不同大小的台风（通常具有不同的风圈半径）并无统计，如何更加有针对性的开展风圈预报、如何从现有的7和10级风圈实况得到更加合理的风圈预报，以及其他强度的风圈预报是亟待解决的问题。本研究将对过去中央台的实况报文进行统计分析，为开展更加精细、合理的台风风圈预报业务做背景调查。

1 资料来源

2003年至2019年10月中央气象台下发的实况报文，包括每个台风在其生命史上的中心最大风速，以及7、10、12级风圈半径。对数据进行了简单的质量控制，剔除错误报文。需要指出的是，2006年《台风业务和服务规定》［7］发布之前，旧的《台风业务和服务规定（第3次修订版）（2001年12月刊印）中，没有对台风以上级别进行分级，在数据库中均保存为“台风（TY）”级，本研究按照新的《台风业务和服务规定》中的热带气旋分类方式，增加了“强台风级（STY）”、“超强台风级（Super TY）”，对过去17年间的台风实况报文进行统一整理。

2 热带气旋及其中心最大风速的统计

2003—2019年间共有个443热带气旋生成（包括热带低压），其中包括93个热带风暴、93个超强台风、79个强热带风暴、74个强台风、60个台风、44个热带低压（图1所示）。值得一提的是，除热带低压级外，台风级的热带气旋发生数量明显低于其它级别。

图1 2003—2019年间不同强度分类下热带气旋的发生频率

统计17年间所有时次实况报文的风速频率分布（如图2a所示），在经过热带低压阶段之后，近中心最大风速的出现频率基本随风速增大而减小，由于所统计的实况数据是逐个时次的累加，涉及到同一个热带气旋的不同发展过程，因此风速的频率分布总体符合实际情况，达到热带风暴级别的频率最高，随后逐渐降低。但同时注意到，在12～13级（即台风级）左右有个次高峰（超出前一级近200个时次），结合图1的统计结果，17年间台风级热带气旋的生成数反而相对较少，由此可看出，图2a中在台风级的频率小高峰应该是台风以上级别的热带气旋所贡献；但为何不是台风以下级别贡献更多？对此，图2b给出了验证：对每个热带气旋到达巅峰时刻（并维持）之前的所有时次进行统计，发现在热带风暴和强热带风暴级别的热带气旋，其处在热带低压阶段的强度维持时间较少，多数时次以热带风暴为主；而在台风及其以上级别的热带气旋，其处在强热带风暴及其以下强度的时次相对较少，多数都以台风或以上强度为主。也就是说，在一个热带气旋的生命史中，其巅峰时次的强度（如台风和热带风暴）或（及）其以下一级（如超强台风、强台风、强热带风暴）维持的时次一般最长。

图2 热带气旋中心最大风速在不同风级下的频率分布图（a）；每个热带气旋在其强度到达巅峰之前所经历的所有强度级别时次数（b）

廖菲等［8］通过对1949—2017年南海台风快速变化的统计研究中，从另一个角度阐述了这个问题：由强热带风暴快速加强为台风，以及由台风快速加强为强台风，是发生频率最多的事件；同时强度的快速加强次数以1次居多，一般不会超过2次。

3 各级风圈半径统计

风速的频率图总体呈正态分布，与之对应的是，风圈半径的频率分布也同样如此。其中7级风圈半径频率峰值集中在300 km左右，10级风圈半径为100 km左右，而12级风圈则在40 km左右。Knaff等［9］通过统计1988—2004年间NMC／JTWC的最佳台风路径数据，得到了西北太平洋的8、10、12级的风圈半径分别为213、100、55 km。7、10、12级风圈半径的频率峰值分别对应着不同的风速。

图3a给出了不同热带气旋级别下，7、10、12级风圈半径的分布。从散点分布来看，各级风圈半径大小基本随热带气旋强度的增加而增加，但10级、12级没有7级变化幅度大。图3b-d给出了各级风圈半径在不同热带气旋强度分布的箱线图，图中蓝色方框的下限和上限分别表示下4分位数（第25百分位）和上4分位数（第75百分位），蓝色方框内的红线表示中位数；定义IQR表示中间4分位数极差（上4分位—下4分位数），方框外的下部和上部两根黑线分别表示最小值和最大值，本研究中最大（小）观测值设置为与上（下）4分位数值间距为1.5IQR；在最大（小）值以外的红色十字表示异常值，它的定义为落在最大（小）值以外的那些值。

图3 不同强度热带气旋的7、10、12级风圈半径的分布（a）以及7级（b）、10级（c）、12级（d）风圈半径的箱线图分布

从箱线图可以看到，风圈半径的分布存在异常值，并且多数时候异常值为偏大。对于7级风圈半径来说，异常值主要出现在热带风暴阶段，而对于10级风圈半径来说，异常值在强热带风暴和台风阶段都较多，对于12级风圈来说，异常值出现在台风阶段，并且存在超过最大值或低于最小值的情况。进一步分析7、10、12级风圈半径各风速段的统计结果（图略）。3种风圈半径，中位数分别在200～400、100～200、50～100 km之间，对应的近中心最大风速分别介于28～40、35～50、42～52 m／s之间。

实际业务中需要根据实况给出的7、10、12级风圈半径推算出预报的各级风圈半径，而针对每一个台风，因为其范围有所差异，导致相同的中心最大风速可能会对应不同的各级风圈半径。图4给出了7、10、12级风圈半径的不同分位数统计结果，从下到上依次为最小值、第5、25、50、75、95百分位、最大值。该图可为预报员提供风圈预报的参考依据，通过当前近中心最大风速所对应风圈的相应百分位，得到预报风速下相应的风圈半径参考值。

图4 7级（a）、10级（b）、12级（c）风圈半径下，不同的风速所对应的不同百分位的风圈大小

4 结论

1）2003—2019年间，共有个443热带气旋生成（包括热带低压），其中包括93个热带风暴、93个超强台风、79个强热带风暴、74个强台风、60个台风、44个热带低压。除热带低压外，台风级别的热带气旋发生数量明显低于其他级别。在一个热带气旋的生命史中，其巅峰时次的强度（如台风和热带风暴）或（及）其以下一级（如超强台风、强台风、强热带风暴）维持的时次一般最长。

2）7级风圈半径频率峰值集中在300 km左右，10级风圈半径为100 km左右，而12级风圈则在40 km左右；7、10、12级风圈半径的频率峰值分别对应着不同的风速，7级风圈频率峰值对应的风速为28～40 m／s，10级为35～50 m／s之间，12级为42～52 m／s之间。各级风圈半径大小基本随热带气旋强度的增加而增加，但10、12级没有7级变化幅度大。

3）业务上，预报员可根据所统计的不同台风风圈半径下，各级风速对应的不同百分位风圈数值进行参考。

由于本研究所采用的数据有限，得到的结论可能不够完善，后续工作会采用最佳台风路径，以及日本和关岛的数据进行再次分析，另外增加不同象限的风圈统计；此外，鉴于业务中还需要对级和8级风圈进行预报，后续也将对此开展研究工作。