台风“烟花”的主要特点和路径预报难点分析

2022-03-29王海平董林许映龙聂高臻

海洋气象学报 2022年1期

王海平，董林，许映龙,2，聂高臻

(1.国家气象中心，北京 100081；2.中国科学院大学，北京 100049)

引言

近几十年来，随着数值模式的不断发展，特别是集合预报系统的发展和应用，台风路径和强度的业务预报误差都有所减小，特别是台风路径预报的误差明显减小[1]。然而，长时效的路径预报误差仍然时常异常偏大，有研究[2-3]认为可能与集合预报产品有时发散度很大有关。那么，主观预报还能否以及如何在数值模式的基础上，进行进一步的人工订正，从而将预报误差进一步减小，是摆在业务预报员面前的一个最重要的问题。通过对数值模式的长期检验、对不同模式性能的了解以及分析大量历史个例、积累预报经验等都是目前主观预报在客观预报基础上进行订正的重要手段。

从对过去几年的预报总结中可以看到，数值模式对一些疑难路径和强度的预报仍存在较大的预报误差。例如：对于台风快速增强的预报问题，2018年台风“玛莉亚”和“玉兔”、2017年台风“天鸽”等的数值模式预报都出现过24 h强度预报误差在20 m·s-1以上的情况[4]；多台风相互作用问题，如2017年台风“纳沙”与“海棠”近距离相互作用，登陆后环流合并等复杂特征难以描述[5]；台风的快速移动问题，例如对2019年台风“杨柳”和“玲玲”的移动速度预报明显偏慢[6]。本文将通过分析2021年第6号台风“烟花”的路径预报问题，继续对数值模式的性能以及订正技术进行分析，为数值预报的业务应用积累经验。

1 数据资料来源

所使用的数据资料包括：国家气象信息中心提供的国家级自动气象观测站风雨观测资料；中央气象台、日本气象厅(Japan Meteorological Agency，JMA)和美国联合台风警报中心(Joint Typhoon Warning Center，JTWC)的官方主观分析和实时业务预报资料；模式预报资料主要来自国家气象中心区域中尺度台风数值预报系统(China Meteorological Administration_Regional Mesoscale Typhoon Numerical Prediction System，CMA_TYM)和欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)、美国环境预报中心(National Center for Environmental Prediction，NCEP)的台风数值预报产品。

2 台风“烟花”概况

2021年第6号台风“烟花”于7月18日02时(北京时，下同)在西北太平洋洋面上生成，19日上午加强为强热带风暴级，20日加强为台风级，21日上午加强为强台风级，25日12：30前后在浙江舟山普陀沿海登陆(13级，38 m·s-1，台风级)。穿过杭州湾后，于26日09：50在浙江平湖沿海再次登陆(10级，28 m·s-1，强热带风暴级)， 28日凌晨在安徽减弱为热带低压，30日早晨由河北黄骅进入渤海，30日晚上变性为温带气旋，中央气象台对其停止编号(图1a)。

“烟花”与7号台风“查帕卡”和8号台风“尼伯特”共存并相互作用，同时副热带高压偏北偏东，引导气流偏弱，致使“烟花”路径复杂。登陆浙江舟山后，在本岛滞留5 h，在杭州湾缓慢西行16 h后再次在浙江嘉兴平湖登陆，为自1949年有气象记录以来首个在浙江省内两次登陆的台风。之后又长时间滞留在浙北和江苏南部，最后一路北上。强度减弱速度慢，陆地上维持时间达到4 d。

“烟花”自南向北影响我国东部地区的时间长达10 d(7月22—31日)，是有记录以来影响我国大陆地区时间最长的台风，导致风雨影响范围广、累计降雨量大。强风雨天气先后影响台湾、浙江、上海、江苏、安徽、山东、河南、北京、天津、河北、内蒙古、辽宁、吉林、黑龙江等14个省(区、市)。

浙江、上海、江苏、安徽、山东中西部、河北东南部和天津部分地区出现8～9级阵风，上海沿海、江苏东南部沿海、浙江东部沿海风力10～12级，浙江沿海岛屿风力达13～14级，浙江岱山县泥螺山(48.1 m·s-1，25日08—09时)和嵊泗县徐公岛(47.1 m·s-1，25日05—06时)阵风达15级(图1b)。

由过程降雨量分布情况(图1c)来看，华东、华北、东北等地累计降雨量50 mm以上的国土面积达79万km2，100 mm以上的面积38万km2，250 mm以上的面积近6万km2。江苏平均降水量为220.9 mm，接近常年平均降雨量，为有记录以来影响江苏过程雨量最大的台风；浙江平均累计降雨量为191 mm，突破该省登陆台风降雨量纪录，单站最大降雨量出现在余姚大岚镇丁家畈，达1 034 mm，接近1323“菲特”单站降雨极值(安吉天荒坪1 056 mm)。

图1 台风“烟花”全路径(a)、过程最大阵风实况(b)和过程降水量实况(c)Fig.1 Track of Typhoon In-fa (a), observed maximum gust (b), and observed precipitation (c) during typhoon

3 预报误差分析

中央气象台主观路径预报误差在24 h、48 h、72 h、96 h和120 h的路径预报误差分别是56.2 km、106.5 km、188.7 km、259.2 km和319.2 km，其中72 h内的误差略大于日本气象厅和美国联合台风警报中心的主观预报，但在96～120 h误差小于这两家主观预报。CMA_TYM模式的路径预报误差在48 h内与日、美主观预报基本相当，72～120 h误差略大于ECMWF和NCEP的确定性路径预报(图2)。

图2 中、日、美官方预报台风“烟花”路径误差对比(a)与数值模式预报误差对比(b)(单位：km)Fig.2 Comparison of track errors of Typhoon In-fa between official forecasts (a) from China, Japan, and the United States and between numerical models of CMA_TYM, ECMWF, and NCEP (b) (units: km)

总体看来，虽然国内外的主客观路径预报质量在不同时效各有高低，但并没有较大的差距。在实际业务预报过程中，预报员也发现各个模式预报出现较大误差的阶段不尽相同。

4 预报难点分析

中央气象台在对“烟花”的业务路径预报中出现了3次较为明显的阶段性调整(图3)，分别为：第一次将登陆点从浙闽交界处调整到舟山附近；第二次将预报登陆后缓慢西行调整为预报登陆后西北行尔后转向东北方向移动，从山东半岛南部沿海进入黄海中部海域；第三次将预报的入海位置由山东半岛南部进入黄海中部调整为由山东半岛北部进入渤海海域。以下将主要针对这3次预报调整过程中出现的预报难点问题做出具体分析。

图3 中央气象台对台风“烟花”路径预报的三次重要调整(a.第一次调整，b.第二次调整，c.第三次调整)Fig.3 Three important adjustments to the track forecast of Typhoon In-fa made by National Meteorological Observatory (a. the first adjustment, b. the second adjustment, c. the third adjustment)

4.1 登陆点由浙闽交界调整到舟山的原因分析

台风“烟花”生成初期，中央气象台主观预报和模式确定性预报产品对其路径的预报都是西行，在浙闽交界处附近沿海登陆，后期均调整为先西行，尔后转为西北行，在浙江北部沿海登陆。同时，集合预报产品绝大多数成员的表现也是如此(图4)。面对这样的局面，预报员难以对西行路径做出向北的调整，因此，各国官方预报在初期都是预报的西行路径。各家模式预报发生转折的时间点均在7月19—20日。

图4 ECMWF(a、c)和NCEP(b、d)数值模式对台风“烟花”路径的集合预报(a、b. 7月19日20时，c、d. 7月20日20时)Fig.4 Ensemble forecast of track of Typhoon In-fa by ECMWF (a/c) and NCEP (b/d) numerical models (a/b. 20:00 BST 19 July, c/d. 20:00 BST 20 July)

由7月19日20时起报的72 h时效(图5a)和7月20日20时起报的48 h时效(图5b)的500 hPa位势高度场预报图可以看到，两者的差别并不大，都是在台风“烟花”的北侧有弱的块状副热带高压的存在，引导气流弱，“烟花”停滞少动。但是，从7月19日20时起报的96 h时效(图5c)和7月20日20时起报的72 h时效(图5d)的500 hPa位势高度场预报图上则可以清楚地看到两者的明显区别：前者预报的“烟花”位于大致为东西向的存在多个涡旋的西南季风辐合带中，北侧海上副热带高压和大陆副热带高压打通形成带状高压带，“烟花”的东侧为另一热带气旋“尼伯特”，这样的形势场有利于台风向偏西方向移动[6]；而后者，海上副热带高压与大陆副热带高压之间是断开的，“烟花”则位于副热带高压西南侧，在其引导下，有利于“烟花”向西北方向移动。这就解释了模式对路径预报的调整。

图5 ECMWF数值模式7月19日20时起报72 h(a)、96 h(c)与7月20日20时起报48 h(b)、72 h(d)500 hPa位势高度场(等值线，单位：dagpm)Fig.5 500 hPa geopotential height field (isoline, units: dagpm) forecast for 72 h (a) and 96 h (c) from 20:00 BST 19 July and for 48 h (b) and 72 h (d) from 20:00 BST 20 July by ECMWF numerical models

为了能够找到一些500 hPa形势场预报发生明显变化的原因，尝试从高空200 hPa流场和风速图上进行分析。19日20时和20日20时起报的对21日20时的流场和风速预报较为一致，即在“烟花”的北侧存在一个经向度较大的长波槽，槽内存在一个尺度较小的冷涡(图略)。然而，对22日20时的预报则出现了明显的不同。19日20时起报的72 h预报(图6a)为北侧长波槽北缩，经向度明显减小，“烟花”位于槽后的西北气流影响下，而20日20时起报的48 h预报(图6b)则为该长波槽内的冷涡正位于“烟花”的北侧，与“烟花”同位相，更加接近实况(图6c)。而从与图5对应时刻的500 hPa形势场中可以看到，19日20时与20日20时起报的预报并没有出现明显的差别，也就是说，在200 hPa的高层先于500 hPa出现了有利于“烟花”向北转向的信号。

图6 ECMWF数值模式7月19日20时起报72 h(a)、7月20日20时起报48 h(b)预报以及7月22日20时(c)200 hPa流场(箭头)和风速场(色阶，单位：m·s-1)Fig.6 200 hPa flow field (arrow) and wind speed field (color scale, units: m·s-1) forecast for 72 h (a) from 20:00 BST 19 July and for 48 h (b) from 20:00 BST 20 July, and 200 hPa flow field (arrow) and wind speed field (color scale, units: m·s-1) observed at 20:00 BST 22 July (c) by ECMWF numerical models

从欧洲数值预报中心各集合预报成员的200 hPa高空流场中也可以看到，路径预报西行的一组，“烟花”北侧的长波槽较为平直，槽内冷涡弱(图7a、b)，而路径预报北上的一组，“烟花”北侧的长波槽经向度明显更深，槽内冷涡更强(图7c、d)。

图7 ECMWF集合预报7月19日20时起报72 h台风西行成员(a、b)与台风北上成员(c、d)200 hPa流场(箭头)和风速场(色阶，单位：m·s-1)(蓝色线条代表高空槽与冷涡，红色线条代表台风预报路径)Fig.7 200 hPa flow field (arrow) and wind speed field (color scale, units: m·s-1) forecast for 72 h from 20:00 BST 19 July by ECMWF ensemble model members who forecast the typhoon moves toward the west (a/b) and members who forecast the typhoon moves toward the north (c/d) (blue line represents upper trough and cold vortex and red line represents forecast track of typhoon)

此外，在对2010年第10号台风“莫兰蒂”的路径预报中同时发现，高空冷涡是影响“莫兰蒂”路径发生北翘的主要原因[7]。通常情况下，冷涡切断以后，对台风周围的基本流场有很大影响，台风的移动易受此气旋性环流的引导。而冷涡的切断过程又很突然，切断后也不如行星尺度系统稳定，因此易使台风路径发生急剧而异常的变化[8]。冷涡外围气流对台风有牵引作用，这也是导致“烟花”路径发生西北折的重要原因。然而，目前国内外的模式对于冷涡切断过程的预报仍很困难，因此，给台风的路径预报也造成了极大的困难。

4.2 “烟花”登陆后缓慢移动和长久维持的原因分析

台风“烟花”总体上是一个移动缓慢的台风，依据中央气象台业务定位计算的全生命史逐6 h平均移动速度仅为10.6 km·h-1，其中移动速度最慢的3个阶段都发生在“烟花”的路径调整阶段，一是由西北行转为西偏南行，二是由西偏南行转为北偏西行，三是登陆后。从对24 h路径预报的误差图(图略)中可以看到，对于这3个移动缓慢阶段的路径预报误差相对较大。本文将重点讨论登陆后的缓慢移动问题，因为这一阶段的缓慢移动给浙江沿海造成了长时间的风雨影响。

“烟花”于7月25日12：30，在浙江省舟山市普陀区沿海登陆，登陆后缓慢向西北方向移动进入杭州湾，而后持续缓慢移动，直到7月26日09：50，在浙江省嘉兴市平湖二次登陆，约130 km的距离耗时长达约21 h 20 min，平均移动速度约为6 km·h-1。二次登陆后继续缓慢地向西偏北方向移动，直到27日晚上移动速度才开始逐渐加快，并向北偏西方向移动。移动大约210 km的距离，耗时长达约34 h，平均移动速度也约为6 km·h-1。

实际上对于“烟花”的移动缓慢问题，各家的主客观预报都有所反映，从形势场的预报(图8a)中也可以很清楚地看到，“烟花”处在副热带高压减弱东退的鞍形场中，且在其西侧有台风“查帕卡”的存在，东侧有台风“尼伯特”的存在，可能存在多台风的相互作用，这样的形势场是造成台风缓慢移动的典型形势场[9]。而当出现这样的大尺度环境引导气流偏弱的情况时，依据业务预报以往的一些误差检验发现，数值模式对台风移动速度的预报往往难以把握，容易出现较大的、偏快或偏慢的路径预报偏差。各家模式对于“烟花”登陆后缓慢移动的程度预报存在较大差异。中央气象台的主观预报对于缓慢移动阶段的路径预报同样出现了相对较大的误差。究其原因，可能是由于一方面处在鞍型场内，引导气流弱，另一方面受到副热带高压坝西侧向西北方向的引导和受到台风东侧另一涡旋向东南方向的引导，两者相互牵制和抵消，进一步导致了“烟花”的移动极为缓慢[10-11]。

以7月24日20时起报的对“烟花”从第一次登陆舟山直至在江苏西南部开始折向北偏西方向这一阶段的预报为例，ECMWF确定性模式预报这一段距离的移动所耗费的时间约为100 h(图8b)，CMA_TYM预报耗时大约90 h(图8c)，而实况的耗时约为55 h，实际上，登陆后缓慢移动并长时间维持的台风个例并不少，但通过检索和普查历史个例，并未发现如上述数值模式所预报的登陆后缓慢移动时间可维持90～100 h的个例。2018年第18号台风“温比亚”登陆后缓慢移动，且更加深入内陆至河南省境内，后也转向东北方向入海，但其在登陆后维持缓慢移动(平均移动速度约为10 km·h-1)的时间也仅有大约35 h。因此预报员认为“烟花”若经历了如数值模式所预报的这样长时间缓慢移动后，其环流是难以在陆地上继续维持的，因此预计其深入内陆进入安徽境内后将减弱消散。中央气象台主观预报将缓慢移动的维持时间订正为约45 h，与实况最为接近，但预报的路径较实况偏南，并且“烟花”减弱后的热带低压环流并未如主观所预报的那样很快消散，而是依旧长时间在陆地上维持。

图8 2021年7月24日20时起报的24 h预报500 hPa位势高度场(a；等值线，单位：dagpm)和台风“烟花”路径预报(虚线)与实况路径(实线)的对比(b. ECMWF，c. CMA_TYM)Fig.8 500 hPa geopotential height field (isoline, units: dagpm) forecast for 24 h from 20:00 BST 24 July 2021 (a) and comparison between forecast track (dashed line) and real track (solid line) of Typhoon In-fa (b. ECMWF, c. CMA_TYM)

“烟花”于26日上午在浙江平湖二次登陆时的风力是10级(25 m·s-1，强热带风暴级)，登陆后强度减弱缓慢，至28日凌晨03时左右减弱为热带低压，此后维持低压强度向偏北方向移动，直至30日凌晨进入渤海湾。

台风在陆地上能够长久维持，主要有两种情况。一是台风仍保持暖心结构，此时下垫面较为平坦，温度较高，因此一般陆地长时间维持的台风都发生在盛夏季节；对流层上部较强的辐散流场；台风气柱中小的风速垂直切变；水汽的供应(最根本的条件)：得到潜热维持暖心结构，有利于流出层辐散的维持和加强。另外，还有第二种情况就是当中纬度槽后部的冷空气和锋区叠加在低压环流上空时，将使低压环流变性成半冷半暖的温带气旋结构，水平力管项将释放斜压位能并转化成动能来加强和维持低压环流[9]。

“烟花”登陆后所经之处地势平坦，温度较高，在其高空的北侧和东侧存在较好的高空出流条件，且高低空垂直切变基本维持在8～9 m·s-1，尤其是低空的水汽通量输送，虽然在登陆后与“烟花”南侧的西南季风水汽带断开，但由于“烟花”本体的东半部分仍位于海上，存在持续的水汽输送(图9a)。这与2018年登陆后长久维持的台风“安比”的水汽输送条件是类似的[12]。从整层的经纬距8°×8°的水汽净流入的计算结果可以看到，在“烟花”登陆后的25—29日，“烟花”都得到了较好的水汽净流入，同样“烟花”也维持一个较好的暖心结构。29日后，水汽净流入接近于0，但“烟花”仍维持低压环流北上入海(图略)，此时，“烟花”已开始逐渐并入西风槽中，低压环流开始逐渐向半冷半暖的温带气旋结构转变，此时能够为其强度维持提供能量的就是上面提到的第二种情况，即斜压位能到动能的转化(图9b)。

图9 2021年7月27日08时850 hPa水汽通量(色阶，单位：g·cm-1·hPa-1·s-1)和500 hPa风场(风矢，单位：m·s-1)(a)、7月29日14时500 hPa等压面上的假相当位温(色阶，单位：K)和336 K等假相当位温面上400 hPa(蓝线)、500 hPa(黑线)、850 hPa(虚线)等压面的位置(b)Fig.9 Water vapor flux (color scale, units: g·cm-1·hPa-1·s-1) at 850 hPa and wind field (wind barb, units: m·s-1) at 500 hPa at 08:00 BST 27 July (a), pseudo-equivalent potential temperature (color scale, units: K) at 500 hPa, and positions of 400 hPa (blue line), 500 hPa (black line), and 850 hPa (dashed line) isobaric surfaces on 336 K pseudo-equivalent potential temperature surface at 14:00 BST 29 July 2021 (b)

4.3 “烟花”北上后出海位置的分析

“烟花”登陆后向西北方向移动，先后进入江苏和安徽境内，后减弱为热带低压向东北方向移动。对于转向后出海位置的预报由从山东南部入黄海调整为由山东北部进入渤海，造成了2021年7月26日早间对江苏和山东南部的过程降水估计偏强。

各家数值模式对于出海位置的路径预报同样呈现出了差异，此时中央气象台的主观预报更接近NCEP的模式预报，这主要是由于前期通过对北上台风的路径预报检验发现，ECMWF模式对于北上台风的路径预报往往偏向于实况路径的左侧。另外，从7月25日起报的500 hPa形势场(图10a)中也可以看到，“烟花”位于西风槽前，其东北侧为弱的副热带高压坝和台风“尼伯特”，当时预计随着西风槽的加深和东移，“烟花”也将随即向西北方向移动，在山东以南进入黄海。但是，由于西风槽北侧阻塞高压的存在，系统较为稳定，并未持续向东移动，而是维持了长时间的少动，使得“烟花”的转向后路径较预报偏北。7月27日将预报调整到了由山东北部进入渤海。由7月28日500 hPa形势场(图10b)可以看到西风槽的稳定维持。

图10 2021年7月25日08时起报的72 h预报(a；ECMWF)和7月28日08时(b；实况)500 hPa位势高度场(等值线，单位：dagpm)Fig.10 500 hPa geopotential height field forecast (a; ECMWF) for 72 h from 08:00 BST 25 July and 500 hPa geopotential height field observed (b) at 08:00 BST 28 July 2021 (isoline, units: dagpm)