2018年台风“摩羯”和“温比亚”路径的影响因子分析

李瑞芬 袁月 郭卫华 李一伟

(山东省济宁市气象局，济宁 272000)

引言

西北太平洋是全球热带气旋生成最多、强度最大的区域，中国处于西北太平洋西岸，成为受热带气旋影响最大的国家之一[1]。据统计，登陆中国的台风年平均为9～10个[2]。台风携带的狂风暴雨给人民的生产生活造成了严重损失，台风风雨的分布主要是由台风路径决定的，台风预报路径的误差将导致防御失败[3]，因此提高台风路径预报的准确率是气象部门关注的重点[4-5]。

台风的移动与环境场气流有关，由于台风系统比较深厚，一般需要深厚的引导气流引导[6]，有学者认为对流层中层(500～700 hPa)引导气流与台风路径相关好[7]，也有学者采用了850～300 hPa之间质量权重的平均引导气流[8-9]。不同台风在计算引导气流时选取的厚度和半径存在差异[10-12]。台风除受深厚引导气流外，低层环境引导气流有时也会对台风产生影响，许娈等[13]发现台风Megi(2010)受低层引导气流(800～600 hPa)影响显著。郭兴亮等[14]采用谱逼近方案发现850 hPa以上的中低层环境风场对Megi(2010)路径北折阶段的路径模拟改善具有主要作用，然而在过岛阶段中低层环境风场信息的加入反而造成模拟路径偏差增大。台风移动方向与引导气流相关较好，但因发展强度、下垫面以及影响系统等条件的变化，引导气流所选的层次和半径也存在较大差别[15]。此外，台风的移动还与台风强度[16]、周围环境场[10,17]、地形[18]等有关，且不同类型台风的预报着眼点存在差异；台风前进方向的对流层温度脊线和500 hPa正涡度轴线对台风“摩羯”(1814)路径有良好的指示作用[19]，台风“莫拉克”(0908)有向正变涡区和暖湿区移动的趋势[20]。尝试不同的预报指标将对台风路径预报提供更多的参考。

2018年有两个转向北上台风“摩羯”和“温比亚”直接影响山东地区，两台风路径存在相似之处，但又有较大差异，相似路径台风的差异给台风路径预报带来了较大的困难。本文利用中国气象局(CMA)提供的热带气旋最佳路径数据集资料和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的6 h一次的ERA interim再分析资料(水平分辨率为1°×1°，垂直方向为1000～200 hPa共23层)对影响两个台风路径的影响因子进行分析，以期为今后预报此类台风提供一定的参考依据。

1 台风“摩羯”和“温比亚”简介

2018年14号台风“摩羯”(图1a)于8月7日08：00(北京时，下同)生成于菲律宾以东的西太平洋洋面上，开始稳定少动，后向北再向西移动，在近海区转向西北，12日23：00以强热带风暴强度登陆浙江温岭，登陆后继续向西北方向移动，13日23：00在安徽境内减弱为热带低压并转为向北移动，14日05：00前后进入山东单县，移向转为东北，15日05：00 在黄河入海口附近进入渤海，15日11：00转向，向南移至半岛地区又转向西南，16日白天逐渐减弱消失。

2018年18号台风“温比亚”[21](图1b)8月14日14：00生成于我国台湾以东的东海洋面，生成后先北移后转向西北偏西，于8月17日04：00以强热带风暴强度登陆上海浦东，登陆后继续向西北偏西方向移动，强度逐渐减弱，18日14：00在河南境内减弱为热带低压并于19日05：00在河南东部转向东北方向，19日20：00左右进入山东省单县，在山东境内一路向东北，20日05：00在黄河口附近进入渤海，20日07：00 强度有所加强并继续向东北方向移动。

图1 台风“摩羯”(a)与“温比亚”(b)路径和强度变化

台风“摩羯”和“温比亚”路径颇为相似，均为转向北上路径，但又存在较大差异，主要表现为4个方面：①在台风源地移速相差较大，“摩羯”稳定少动，“温比亚”快速北上；②登陆后到转向前台风路径的纬向度和台风移速大小均差别较大，“摩羯”经向度较大，移动较快，“温比亚”以纬向移动为主，在转向前后移动较慢；③转向角度差异较大，“摩羯”转向角度较小，多家模式均未报出路径转向[19]，而“温比亚”转向角度较大，转向预报较准确；④台风入海后“摩羯”再次折回山东，“温比亚”则持续向东北方向移动，没有发生转折。两相似路径台风的差异给台风路径预报带来了较大的困难，下面将对造成台风“摩羯”和“温比亚”路径差异的原因进行分析。

2 环流形势分析

图2为台风“摩羯”和“温比亚”在不同阶段的环流形势。在台风生成阶段，“摩羯”东北侧为1813号台风“珊珊”，沿东环副热带高压(以下简称副高)北上，所以副高主体位置偏东，呈块状分布，副高断裂部分主体位于30°N以北，距离台风较远，台风附近无明显系统存在，对应“摩羯”稳定少动(图2a)；“温比亚”生成于副高西南侧，副高整体呈东西向，台风的东侧和北侧均存在与副高的相互作用下形成的大风区，且东侧风力稍大，与“温比亚”快速北上对应较好(图2e)。在台风登陆阶段，随着1813号台风“珊珊”北上，东环副高西伸，“摩羯”位于副高西南侧，东北侧存在明显的大风区，台风快速向西北方移动(图2b)；“温比亚”则受到北部大陆高压的阻挡，北上速度较慢，大风区位于台风北部，偏东风较大，台风以纬向移动为主(图2f)。在台风登陆后至转向前，“摩羯”的影响系统主要是其东侧的副高，台风靠近副高一侧的风速明显偏大，以东南风为主，台风移向西北；“温比亚”继续受西北侧大陆高压的阻挡，缓慢西移，随着西风槽东移，大陆高压断裂，东部移至海上使副高加强，台风并入高空槽中，风速较小，移动较慢。台风转向阶段，“摩羯”移至副高西侧，西风槽位置明显偏北，对台风影响不大，台风主要受副高影响，大风区位于台风靠近副高一侧，偏南风较大，台风转向北上速度较快(图2c)；“温比亚”位于高空槽中，在高空槽与副高的相互作用下，东侧大风区稍强于西侧，风速不大，台风缓慢转向北上(图2g)。转向后至转折(入海)，“摩羯”由位于东环副高一侧，逐渐转为位于大陆高压和副高之间，距离大陆高压更近一些，大风区由东侧偏强转为西侧偏强，受东北风影响台风转折指向西南(图2d)；“温比亚”的大风区一直位于高空槽前，以西南风为主，风速较大，对应台风移动较快，在西南风的作用下持续移向东北(图2h)。

图2 台风“摩羯”与“温比亚”在不同阶段的500 hPa高度场(等值线，单位：dagpm)、700 hPa风场和大风区(填色)

总体上，“摩羯”和“温比亚”台风路径的差异主要与周围天气系统差异有关。“摩羯”的主要影响系统包括1813号台风、副高和大陆高压，而“温比亚”主要影响系统包括副高、大陆高压和高空槽。台风生成后移速相差较大的原因是“摩羯”处鞍形场中，而“温比亚”距离副高较近；登陆后两台风的移向和移速大小差异较大是由于“摩羯”台风处在副高东南侧，而“温比亚”台风处在大陆高压南侧；陆上转向角度的差异主要是有无高空槽作用产生的，“摩羯”无高空槽影响，主要受副高影响，转向角度较小，不易预报，“温比亚”受高空槽影响，有较好的转向条件，转向角度较大，预报准确度高；转向入海后的差异主要为:“温比亚”仍受副高影响，引导气流无明显变化；“摩羯”则由于大陆高压增强，且台风距离大陆高压较距副高近，引导气流方向改变，移向发生转折。台风的移向和移速大小与台风周围大风区的风向和风速大小相关较好，而大风区的产生主要受气压梯度力控制，归根结底是台风与周边系统的强度和距离有关，引导气流是最直观的因素，即台风移动主要受引导气流操纵。

3 引导气流分析

3.1 引导气流计算方法

台风路径变化主要是受引导气流变化的影响，但不同台风计算引导气流所选的层次和半径存在差别。为得出台风“摩羯”和“温比亚”的最佳引导气流，需要对台风垂直方向23层和水平方向距离台风中心0～20个纬度半径进行排列组合，共有483种取值方式。将483种引导气流组合依次与台风移速求相关，相关性最显著的一组定为台风最佳引导气流。速度为矢量，将引导气流和台风移速均分解为纬向速度和经向速度，并分别求相关。图3为两台风移速与不同高度和纬度半径引导气流在纬向和经向分量的相关系数分布图，从图中可以看出，台风“摩羯”纬向最佳引导气流(图3a)位于600 hPa，半径为5个纬度，经向最佳引导气流(图3b)位于650 hPa，半径为6个纬度；台风“温比亚”纬向最佳引导气流(图3c)位于550 hPa，半径为5个纬度，经向最佳引导气流(图3d)位于600 hPa，半径为5个纬度。进一步分析发现，两台风显著相关半径相对统一，约为距离台风中心5个纬度，显著相关高度有所差别。

图3 台风“摩羯”(a,b)和“温比亚”(c,d)移速与不同高度(单位：hPa)和纬度半径(单位：°)引导气流在纬向(a,c)和经向(b,d)分量的相关系数(阴影部分通过0.001的显著性检验)

3.2 不同高度引导气流的差异

选取距离台风中心5个纬度半径内的平均风作为引导气流，图4为两台风移动过程中引导气流的时间高度图。在“摩羯”的引导气流中，生成阶段的引导气流(700～400 hPa)较弱，导致台风移动缓慢，之后较弱的偏南气流逐渐转为东南气流(1000～200 hPa)，台风先北上后西北移，台风登陆前东南风引导气流达到最强(1000～200 hPa)，台风快速西北移，登陆后至转向前低层(1000～500 hPa)一直为东南风，高层(300～200 hPa)逐渐转为西南风，较台风实际转向超前12 h，风速稍有减弱，台风移动依然较快，转向后台风受700 hPa以上气流引导向东北偏北方向移动，移至渤海湾后引导气流逐渐转为偏北风(700～200 hPa)使得台风向南发生转折，之后转为东北风(1000～200 hPa)，台风移向西南；在“温比亚”的引导气流中，生成阶段引导气流(700～400 hPa)为较强的偏南风，“温比亚”快速北上，之后偏南风转为东南风(1000～200 hPa)，又转为东南偏东风(1000～200 hPa)，纬向度不断增大，从登陆前后至转向前台风主要以西移为主，登陆后风速(1000～200 hPa)逐渐减小，移动减慢，随着偏东风减弱转为西南风(700～200 hPa)，台风转向，此时高层风(300～200 hPa)也较台风实际转向时间超前12 h，之后西南风增强(500～200 hPa)，进入渤海湾后持续向东北方向移动(500～200 hPa)，没有发生转折。通过对比发现台风的移向和移速大小与引导气流的方向和大小相关较好， 但不同阶段影响台风移动的引导气流所在高度存在差异。生成阶段台风移向和移速大小与中层引导气流相关较好，随后，低层至高层引导气流风向趋于一致，台风移向与其相同，这种现象持续至台风登陆后一段时间，这与台风强度增强有很大关系。之后两台风高层风开始转向，均较实际转向时间提前12 h，可以作为台风转向的预报指标。转向前后风速的差异导致两台风移速差别较大。转向后两台风均与中高层的风向风速相关较好，“摩羯”发生转折，“温比亚”入海快速东移。

图4 距离台风“摩羯”(a)、“温比亚”(b)中心5个纬度半径内引导气流的时间-高度图(台风符号标注位置依次为：生成、登陆、转向、转折(入海))

为定量分析不同阶段影响台风路径的引导气流所在高度的差异，图5给出了台风生命史、登陆前、登陆后转向前和转向后不同高度引导气流与台风移速在经向、纬向分量的相关系数。从图中可以看出，台风“摩羯”的纬向移速(图5a)在台风整个生命史中与700～400 hPa纬向引导气流相关性较好，尤其是600 hPa，相关系数达到了0.90，在登陆前1000～350 hPa纬向引导气流与台风纬向移速相关系数均通过了0.001的显著性检验，高层200 hPa呈现显著负相关，登陆后至转向前750～600 hPa通过0.001的显著性检验，转向后整层相关较好，700～400 hPa通过0.001的显著性检验；台风“摩羯”的经向引导气流与台风经向移速相关系数(图5b)在台风整个生命史中整层均显著，在登陆前900～600 hPa显著相关，登陆后转向前整层相关较差，转向后整层相关较好。台风“温比亚”的纬向移速(图5c)在台风整个生命史与各层纬向引导气流相关均较好，最大达到0.973(550 hPa)，登陆前各层相关均不显著，但低层优于高层，登陆后转向前整层相关较好，950～200 hPa通过0.001的显著性检验，转向后中高层相关性明显高于低层；经向移速(图5d)在台风生命史中与850～500 hPa经向引导气流显著相关，登陆前与中低层(1000～550 hPa)经向引导气流相关性较好，登陆后转向前和转向后各层相关均不显著。

图5 台风生命史、登陆前、登陆后转向前和转向后不同高度引导气流与台风“摩羯”(a,b)、“温比亚”(c,d)纬向(a,c)、经向(b,d)移速的相关系数(相应颜色的虚线为通过0.001显著性检验临界值)

整体上，两台风登陆前中低层经向和纬向引导气流对台风移动的指示作用均优于高层；登陆后转向前纬向引导气流均优于经向引导气流，高层环流没有体现出明显的优势；转向后除“温比亚”经向引导气流与台风经向移速相关较差外，“摩羯”的纬向与经向引导气流和“温比亚”的纬向引导气流均整层相关较好，中高层略优于低层，尤其是“温比亚”的纬向引导气流。分析其原因发现：登陆前(图6a,c)台风高层为辐散场，台风位于高层高压南部的偏东风气流中，中低层台风北侧为偏东风，与高层环流风向一致，台风南侧为偏西风，与高层气流反向；此时台风位于较低纬度地区，主要受中低层气流引导，且中低层南侧风速大于北侧，所以登陆前高层气流与台风移速呈负相关。转向时(图6b,d)台风高层依然为辐散场，但台风与高压系统的相对位置发生了改变，此时高层与低层风向相同，所以登陆后的整层引导气流与台风移速呈正相关。登陆后至转向前台风与高压系统的相对位置在变化，经向引导气流相关较差，纬向引导气流较不稳定；而“温比亚”经向引导气流相关较差还由于台风在登陆后至转向前主要受纬向气流引导。

图6 “摩羯”(a,b)和“温比亚”(c,d)生成(a,c)和转向(b,d)时200 hPa(黑色)和700 hPa(红色)环流形势(等值线：高度场，单位：dagpm；矢量：风场，蓝色圆圈为台风中心5个纬距区域)

4 涡度场特征分析

台风登陆前后引导气流所在的高度存在差异，但相关较好的高度主要位于中层，“摩羯”的最佳引导气流位于650 hPa，“温比亚”的最佳引导气流位于550 hPa。但日常预报业务不分析这两个层次，通过对比业务中常用层次，“摩羯”台风相关较好的引导气流位于700 hPa，而“温比亚”位于500 hPa。为便于比较相对大小，500 hPa要比其他单层有更好的指示作用。图7为台风在不同阶段的500 hPa风场、涡度场和涡度平流场特征。在台风源地，对比发现两台风的涡度平流存在较大差异，“摩羯”附近涡度平流较弱，“摩羯”少动(图7a)；“温比亚”北侧存在较强的正涡度平流，“温亚”比快速向偏北方向移动(图7e)。台风登陆时，“摩羯”西北侧强的正涡度平流使得台风快速向西北方向移动(图7b)；“温比亚”西侧相对较弱的正涡度平流，使得台风西移速度稍慢(图7f)。台风转向时， “摩羯”北侧西风槽偏北，台风处在均压场中，多家模式均预报路径偏西，此时涡度平流显示北侧有正涡度平流中心，“摩羯”转向北抬(图7c)；而“温比亚”并入西风槽中，有西南风引导气流，且东北侧有正涡度平流，台风向东北方向移向(图7g)。在转折(入海)时刻，“摩羯”的北侧有较强的反气旋性环流，西南侧有正涡度平流，台风转向西南(图7d)；“温比亚”的东北侧有正涡度平流，台风向东北方向移动(图7h)。

图7 台风“摩羯”与“温比亚”在不同阶段的500 hPa风场(矢量)、涡度场(等值线，单位：10-5s-1)和涡度平流场(阴影)(图中(0,0)为台风中心，横(纵)坐标代表台风中心东西(南北)方向的经(纬)度)

综上所诉，台风作为低压系统会向正涡度平流方向移动，台风中心附近正涡度平流的强度与移速相关较好。涡度平流可以较好地指示台风的移向和移速大小，台风总是向着台风附近的正涡度平流方向移动，且涡度平流越强，移动越快。

5 结论

2018年有两个转向北上台风“摩羯”和“温比亚”直接影响山东地区，两台风路径存在相似之处，但又存在较大差异，相似路径台风的差异给台风路径预报带来了较大的困难。通过对两台风路径差异的原因进行分析发现：

(1)“摩羯”和“温比亚”台风路径的差异主要与周围天气系统差异有关。“摩羯”的主要影响系统包括副高和大陆高压，而“温比亚”除副高和大陆高压外，还包括高空槽。高空槽是造成“温比亚”登陆后转向角度较大的主要因素。台风的移向和移速大小与台风周围大风区的风向和风速大小相关较好，而大风区的产生主要受气压梯度力控制，归根结底是台风与周边系统的强度和距离有关，引导气流是最直观的表示，即台风移动主要受引导气流操纵。

(2)台风“摩羯”和“温比亚”最佳引导气流所在的纬度半径相对统一，均为5个纬度半径内，但显著相关高度有所差别。不论是“摩羯”还是“温比亚”，台风登陆前中低层经向、纬向引导气流对台风移动的指示作用均优于高层，登陆后转向前纬向引导气流均优于经向引导气流，高层环流没有体现出明显的优势，转向后除“温比亚”经向引导气流与台风经向移速相关较差外，“摩羯”的纬向与经向引导气流和“温比亚”的纬向引导气流均整层相关较好，中高层略优于低层，尤其是“温比亚”的纬向引导气流。且高层风(300～200 hPa)均较实际转向时间提前12 h，可以作为台风转向的预报指标。

(3)涡度平流对台风的移向和移速大小也具有指示作用，台风总是向着台风附近的正涡度平流方向移动，且涡度平流越强，移动越快。

(4)以上结论主要针对台风“摩羯”和“温比亚”，是否适用于其他强度和路径的台风还有待进一步研究。