台风“摩羯”路径转折预报和诊断分析

于慧珍，马 艳，韩旭卿，时晓曚

（1.山东省青岛市气象局，山东 青岛 266003；2.山东省气象防灾减灾重点实验室，山东 济南 250031；3.国家气象中心，北京 100081）

引 言

近年来随着国内外监测手段的发展，各种外场试验的集中实施、数值模式、资料同化理论和技术的发展，有关台风的研究取得了巨大进步［1-4］，台风路径的预报水平显著提高，预报误差明显减小［5］。但目前对于移动方向突然改变的台风路径还不能有效预报［6］，突变路径的预报误差明显大于平均预报误差［7］，突变路径的台风预报是目前的业务难点和亟需解决的问题［8-9］。

突变路径的台风预报误差较大的原因之一是影响路径变化的因子和物理过程复杂，比如不同尺度系统的相互作用［10-12］、台风本身的非对称结构［13-15］、不同下垫面［12，16］等对台风路径的影响。对于不同台风，影响其路径变化的主要因子不同，研究发现路径突然北折和西折的台风在低频环流和天气尺度环流的风场分布不同［7］，路径突然北折的台风主要受天气尺度环流影响，而突然西折的台风主要受低频环流影响［17］。除了环流背景，台风本身的结构也会影响台风路径，台风的非对称结构使得台风向不稳定区域［14］、非绝热加热大值区域［18］移动。基于集合预报的分析表明台风“鲇鱼”路径是否转折与初始时刻环流的非对称结构有关［19］。另外，下垫面也会影响台风的路径，一方面因为台风的趋暖性［20-21］，另一方面不均匀下垫面加强了台风的非对称结构，从而影响台风路径［21］。

台风“摩羯”于2018年8月14日凌晨进入山东，给山东带来了大范围的暴雨，山东北部的东营、青州和寿光3个国家气象站24 h降水量达到了极端降水标准（极端降水标准以历史日降水量99%分位数为阈值）。前期各种数值模式预报的“摩羯”路径由安徽向西北方向移动进入河南，强降水落区主要位于河南和河北南部，而实际路径是在安徽北部转折进入山东，强降水落区主要位于山东中西部［22-23］。造成“摩羯”路径转折预报失败的原因，以及当大部分模式预报失败的情况下是否有主观订正的可能值得深入研究。本文基于欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）集合预报数据分析台风“摩羯”路径预报的偏差及其原因，并基于高分辨率再分析资料对台风引导气流和不同物理量进行诊断分析，找出对台风路径转折预报有指示意义的物理量，以期为今后业务预报提供参考。

1 资料、方法与个例

1.1 资 料

利用2018年8月13日20：00（北京时，下同）至14日20：00全国约27 800个加密自动气象站的逐小时降水量数据，数据来源于中国气象局。台风“摩羯”8月12日20：00 至14日20：00 逐6 h 路径数据来源于中国气象局上海台风研究所［24］。ECMWF 集合预报数据来源于TIGGE（THORPEX interactive grand global ensemble）［25］数据库，本文选用逐6 h 集合预报数据，预报起始时间为8月12日08：00、12日20：00、13日08：00，预报终止时间为14日20：00，水平分辨率为16 km×16 km，每个起始预报时刻包括50个集合成员。为了方便计算，所有预报数据被插值到0.5°×0.5°的水平网格上，用于集合敏感性分析。采用水平分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为1 h的ECMWF 第五代大气再分析资料ERA5，分析影响台风路径的因子，如整层大气能量（925～200 hPa平均假相当位温θse）、300 hPa的24 h变温场、200 hPa辐散场等物理量与台风路径转折的关系。

文中附图涉及的行政边界均是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS（2020）4632号的中国地图制作，底图无修改。

1.2 方 法

集合敏感性分析是用统计的方法基于集合预报样本研究自变量和预报量之间的关系。可以通过计算某一关注的预报量与其他量的相关关系，也可以通过对比差异巨大的集合成员特征［19，26］，来寻找影响这一预报量的关键因子。本文为了考察模式预报的台风路径和其他量（比如位势高度场、温度场、风场）之间的关系，计算区域平均的24 h（13日20：00 至14日20：00）海平面气压（10 m 风速）与各物理量在不同时刻的线性相关关系，计算公式［26］如下：

式中：n代表集合成员数50；x代表区域平均海平面气压（10 m 风速），xi和分别代表第i个集合成员和集合平均的海平面气压（10 m 风速）；y代表其他量（位势高度场、温度场、风场），yij和分别代表格点j上的第i个集合成员和集合平均的其他量（位势高度场、温度场、风场）；corj代表格点j上x和y的线性相关系数。对于维数为50的样本，双侧显著性检验水平大于99%的临界值为0.23［27］，即当线性相关系数绝对值大于0.23时，通过α＝0.01的显著性检验。

台风路径既受台风内部因子的作用又受环境条件的影响［15，28］，为了对比外部因素和内部因素对台风路径的影响，以1500 km 为滤波波长，运用二维快速傅里叶变换方法将环境背景风场分为大尺度环流和台风风暴尺度环流［29-31］。将台风中心500 km以内的大尺度环流和风暴尺度环流分别平均得到引导气流的大尺度环境分量和风暴尺度分量。同样的，可以将任一变量（如能量、涡度、散度等）分解为大尺度分量和风暴尺度分量。

1.3 个例简介

台风“摩羯”于2018年8月12日23：00 以强热带风暴在浙江温岭沿海登陆，之后向西北方向移动，14日02：00左右发生转折，以热带低压强度进入山东境内，向北偏东移动入海后折返，最后在山东境内减弱消散。13日20：00至14日20：00是台风影响山东的主要时段，24 h 累计降水量主要位于山东中西部（图1）。

图1 2018年8月13日08：00至14日20：00逐6 h台风路径（黑色点线）及8月13日20：00至14日20：00 24 h累计降水量（彩色填色区，单位：mm）（红色方框为敏感性分析中计算平均海平面气压和10 m风速的区域。下同）Fig.1 The typhoon track at 6 h interval （black dots and line）from 08：00 BST 13 to 20：00 BST 14 and 24 h accumulated precipitation （color shaded areas，Unit：mm） from 20：00 BST 13 to 20：00 BST 14 August 2018（The red box shows the area where the average sea level pressure and 10 m wind speed are calculated in the sensitivity analysis.the same as below）

2 ECMWF集合预报分析

ECMWF 集合中只有6 个成员预报（12日08：00起报）出台风的转折，大部分集合成员预报的台风为西北行路径，从安徽北部进入河南，预报的暴雨主要位于河南中北部，比实况偏西。随着预报时间的临近，预报路径和暴雨落区整体往东调整，但预报台风转折的集合成员仍然很少，暴雨落区明显比实况偏西（图2）。

图2 2018年8月13日08：00至14日20：00逐6 h台风路径观测结果（红色点线）及ECMWF集合预报结果（黑色点线为非转折路径，蓝色点线为转折路径）（a、b、c），8月13日20：00至14日20：00 24 h累计降水量大于50 mm的ECMWF集合预报概率（彩色填色区）（d、e、f）（a、d）12日08：00起报，（b、e）12日20：00起报，（c、f）13日08：00起报（绿色等值线表示实况24 h累积降水量等于50 mm）Fig.2 The observation result（red dots and line） and ECMWF ensemble forecast result（black dots and lines are the non-steering track，and the blue dots and lines are the turn track） of typhoon tracks at 6 h interval from 08：00 BST 13 to 20：00 BST 14 August 2018（a，b，c） and ECMWF ensemble forecast probability（color shaded areas） of the 24 h accumulated precipitation larger than 50 mm（d，e，f） from 20：00 BST 13 to 20：00 BST 14 August 2018（a，d） forecasted initiated from 08：00 BST 12，（b，e） forecasted initiated from 20：00 BST 12，（c，f） forecasted initiated from 08：00 BST 13（The green contour denotes the observed 24 h accumulated precipitation equal to 50 mm）

运用二维快速傅里叶变换方法将引导气流（850～300 hPa平均风场）进行尺度分解，结果显示其风暴尺度分量明显小于大尺度环境分量［图3（a）］，850～300 hPa平均大尺度环流分布与500 hPa西太平洋副热带高压（简称“西太副高”）环流分布类似［图3（b）］，说明台风路径主要受西太副高影响，台风登陆后在西太副高南侧的东南气流引导下向西北方向移动，转折后在西太副高北侧的西南气流引导下向东北方向移动。风暴尺度引导气流在台风转折前指向台风移动方向的右侧，台风转折后指向台风移动方向的左前侧。台风转折时（14日02：00）大尺度引导气流指向西北，而风暴尺度引导气流指向东北，台风实际路径位于两个引导气流之间，说明台风转折受大尺度和风暴尺度引导气流即台风本身结构共同影响［图3（a）］。

图3 2018年8月12日20：00至14日20：00逐6 h引导气流的大尺度分量（红色箭头，单位：m·s-1）、风暴尺度分量（蓝色箭头，单位：m·s-1）（a），8月14日02：00 850～300 hPa平均大尺度环流（风矢量，单位：m·s-1）、500 hPa位势高度场（黑色等值线，单位：gpm）（b）（黑色点线为2018年8月12日20：00至14日20：00逐6 h台风路径。下同）Fig.3 The large scale component （red arrows，Unit：m·s-1） and storm scale component （blue arrows，Unit：m·s-1） of the steering flow at 6 h interval from 20：00 BST 12 to 20：00 BST 14 August 2018 （a），the mean large scale flow during 850-300 hPa （wind vectors，Unit：m·s-1） and geopotential height field at 500 hPa （black contours，Unit：gpm） at 02：00 BST 14 August 2018 （b）（The black dots and line denotes typhoon track at 6 h interval from 20：00 BST 12 to 20：00 BST 14 August 2018.the same as below）

集合敏感性分析结果显示区域平均海平面气压（10 m 风速）与台风低涡、西太副高显著相关。以ECMWF 集合预报2018年8月12日08：00 起报的13日20：00 500 hPa 位势高度场为例（图4），有一个明显的相关中心（约35°N）位于集合平均的台风低涡东北侧和西太副高西侧，一个相关中心位于25°N附近。台风低涡附近的相关表示当集合成员预报的西太副高在这一纬度西伸（约38°N）、台风低涡偏西南时，考察区域的海平面气压偏大（10 m 风速偏小），台风路径偏离考察区域较大，而当预报的西太副高和台风低涡位置偏东北时，台风路径偏离考察区域较小。25°N 附近的相关表示当预报的西太副高在此纬度西伸时，台风路径偏离考察区域较小。25°N 附近的相关系数绝对值较小，说明与台风路径密切相关的是台风低涡和其北侧的西太副高，模式对他们的预报不确定性较大。

图4 2018年8月12日08：00起报的13日20：00 500 hPa位势高度场的集合平均（黑色等值线，单位：gpm）（a，b）及其分别与相同时刻起报的24 h区域平均的海平面气压（a）、10 m风速（b）的线性相关系数（彩色填色区）（红色十字为13日20：00观测的台风位置）Fig.4 The ensemble mean of geopotential height at 500 hPa at 20：00 BST 13 forecasted initiated from 08：00 BST 12 August 2018（black contours，Unit：gpm） （a，b） and correlation coefficient （color shaded areas） between it and the 24 h area-averaged sea level pressure （a），wind speed at 10 m （b） forecasted at same initiated time（The red cross denotes the observed typhoon location at 20：00 BST 13 August 2018）

引导气流和集合敏感性分析结果表明，除了台风自身结构，台风路径主要受其北侧的西太副高位置影响。ECMWF 集合预报12日08：00起报的12日20：00 的西太副高位置已经整体比实况明显偏西［图5（a）］，西太副高的集合平均结果和大多数成员预报结果在13日20：00 至14日08：00 西进，只有少数成员预报出西太副高东退［图5（b）、图5（c）］，这导致大部分成员预报的台风为西北行路径。ECMWF 集合预报的西太副高位置比实况偏西这一特征出现的时间（12日20：00）比台风实际转折时间（14日02：00）早约30 h，在实际业务预报中，可以通过对西太副高位置订正，对台风路径进行向东订正。但在只有少数成员预报台风转折的情况下，预报台风转折仍需要其他理论支撑。

图5 2018年8月12日08：00起报的12日20：00（a），13日20：00（b）和14日08：00（c）5860 gpm位势高度的集合预报结果（黑色等值线为各成员预报结果，绿色等值线为集合平均）及实况（红色等值线）（红色十字代表相应时刻台风的实况位置）Fig.5 The ECMWF ensemble forecast result （the black isolines for each member forecast result，green isoline for ensemble mean） of geopotential height of 5860 gpm at 20：00 BST 12 （a），20：00 BST 13 （b） and 08：00 BST 14 （c） forecasted initiated from 08：00 BST 12 August 2018 and observation （red isoline）（The red cross denotes the observed typhoon location at the corresponding time）

3 路径转折预报的指示因子诊断分析

台风具有趋暖移动的趋势［20-21］，台风的热力非对称结构使得台风有向着强温、湿不稳定区域移动的趋势［14］。假相当位温是包含了温度和湿度的综合物理量，整层大气能量场（925～200 hPa 平均假相当位温θse）的分布显示，在台风转折前，高能区中心轴线由西北—东南向［图6（a）］转为东北—西南向［图6（d）］，与台风转折的趋势一致，中心轴线的转向时间（13日08：00）比台风转折提前约18 h，高能区中心轴线方向的变化对台风移动方向的变化以及变化时间具有指示意义。此外，高能区中心往外延伸的大值区分布与台风未来移动的趋势一致［图6（a）、图6（d）］。在台风转折前，大值区轴线由台风中心指向东北方向，且轴线弯曲方向与台风未来移动趋势一致，台风转折后的实际路径位于转折前路径和大值区轴线之间，对台风转折和转折后的路径具有指示意义。高能区是西太副高和台风之间的偏南气流对暖湿空气的输送和累积，受背景环流和台风本身结构的共同影响。尺度分析结果显示整层大气能量场的大尺度分量明显大于风暴尺度分量，不同尺度的大值中心位于台风移动方向前侧，台风有向这些大值中心移动的趋势，说明不同尺度分量的高能区中心都对台风未来移动趋势有指示意义［图6（b）、图6（c）、图6（e）、图6（f）］。高能区大值区的弯曲分布以及中心轴线方向的变化只体现在风暴尺度分量上，高能区的风暴尺度分量对台风转折具有指示意义［图6（c）、图6（f）］。

图6 2018年8月13日02：00（a、b、c）和13日08：00（d、e、f）925～200 hPa平均假相当位温θse（a、d）及其大尺度（b、e）和风暴尺度（c、f）分量（单位：K）（绿色线、灰色线分别代表假相当位温高能区中心轴线方向及分布趋势，绿色十字代表相应时刻台风位置）Fig.6 The mean θse during 925-200 hPa （a，d） and its large scale （b，e） and storm scale （c，f） components at 02：00 BST 13 （a，b，c） and 08：00 BST 13 （d，e，f） August 2018 （Unit：K）（The green line and grey line represent the central axis direction and distribution trend of high energy region of θse respectively，the green cross denotes the typhoon location at the corresponding time）

研究表明对流层上层增温对台风未来路径和路径变化具有指示意义［32-34］。对流层上层强增温与台风高层流出气流的非对称结构有关，当强增温区轴向发生变化时说明高层气流的方向发生了变化。300 hPa 24 h变温场分析表明，强增温中心在台风转折前位于台风中心的西北侧［图7（a）、图7（d）］，转折后位于台风中心东北侧（图略），台风有向着高层强增温中心移动的趋势。台风转折前，强增温中心轴线由东—西向转为东北—西南向，轴线方向变化时间比台风转折提前约18 h，强增温中心轴线方向的变化对台风移动方向的变化以及变化时间具有指示意义。尺度分析结果显示变温场的大尺度分量和风暴尺度分量量级相当，不同尺度的大值中心都位于台风路径的前侧，台风有向着大值中心移动的趋势，说明不同尺度分量对台风未来移动趋势都有指示意义［图7（b）、图7（c）、图7（e）、图7（f）］。强增温中心轴线的变化只体现在风暴尺度上，强增温的风暴尺度分量对台风转折有指示意义［图7（c）、图7（f）］。

台风有向着非绝热加热大值区、对流不稳定区域移动的趋势［13-14，18］，高层辐散导致地面减压和上升运动发展，有利于对流的发展，台风有向着高空辐散中心移动趋势［35］。13日08：00 200 hPa 强辐散中心位于安徽北部—山东南部一带［图8（a）］，13日14：00—20：00 辐散中心位置不断东移（图略），台风有向着高层辐散中心移动的趋势。台风转折前，高层辐散大值区轴线向东北方向弯曲［图8（a）］，与台风未来移动路径一致，对台风转折具有指示意义。尺度分析结果显示200 hPa 辐散场的大尺度分量明显小于风暴尺度分量，大尺度辐散区范围较大，没有明显的大值中心［图8（b）］，风暴尺度辐散区的弯曲分布对台风转折具有指示意义［图8（c）］。

图8 2018年8月13日08：00 200 hPa散度场（a）及其大尺度（b）和风暴尺度（c）分量（单位：10-5 s-1）（灰色线代表散度大值区的分布趋势，红色十字代表13日08：00台风位置）Fig.8 The divergence field at 200 hPa （a） and its large scale （b） and storm scale （c） components at 08：00 BST 13 August 2018 （Unit：10-5 s-1）（The grey curve denotes the distribution trend of large value area of divergence，the red cross denotes the typhoon location at 08：00 BST 13）

类似的，一些物理量也对台风的未来移动趋势有指示意义，比如台风有向着500、850 hPa 正涡度平流中心、500 hPa 24 h 负变高中心移动的趋势（图略），这是因为正涡度平流和负变高都与地面减压和上升运动对应，有利于对流的发展，但这几个物理量对台风转折没有提前的指示意义。

以上分析结果表明，在台风转折前，整层大气高能区和200 hPa 辐散大值区的分布与台风未来移动路径趋势一致，台风实际路径介于转折前路径和大值区轴线之间，他们对台风转折和转折后的路径具有指示意义。整层大气高能区和300 hPa 强增温的中心轴线方向变化比台风转折时间提前约18 h，对台风转折时间具有指示意义。对于整层大气高能区、300 hPa强增温和200 hPa辐散大值区，其大尺度和风暴尺度分量都对台风未来移动趋势有指示意义，但是对台风路径转折有指示意义的主要是风暴尺度分量。

4 结论和讨论

基于ECMWF集合预报和ERA5再分析资料，分析影响“摩羯”台风路径预报的关键因子和对台风转折具有指示意义的物理量，主要结论如下：

（1）随着预报时效的临近，ECMWF 集合预报的台风路径和暴雨落区向东调整，但整体仍比实况偏西，只有少数集合成员成功预报出台风路径的转折。

（2）转折前和转折后的台风路径主要受大尺度环流引导，但台风转折还受风暴尺度引导气流即台风本身结构的影响。除了台风自身结构，西太副高是影响台风路径预报的关键天气系统，ECMWF 集合预报的西太副高位置整体比实况偏西，使得大多数成员预报的台风为西北行路径。2018年8月12日08：00 起报的集合中，西太副高位置偏西这一特征出现的时间比实际台风转折早30 h，可以通过对西太副高位置的订正对台风路径向东订正，对业务预报订正有指导意义。

（3）整层大气能量场、300 hPa 24 h 变温场和200 hPa辐散场对台风路径转折预报具有指示意义。在台风转折前，整层大气高能区和200 hPa 辐散大值区的分布与台风转折趋势一致，台风实际路径介于转折前路径和大值区轴线之间。台风路径转折发生在高能区中心轴线和300 hPa 强增温中心轴线方向发生变化约18 h 后，这两个中心轴线方向发生变化的时间对台风转折时间的预报具有指示意义。整层大气高能区对转折后的路径和转折时间都有指示意义，是表现最好的物理量。

（4）整层大气能量场、300 hPa 24 h 变温场和200 hPa 辐散场的大尺度和风暴尺度分量都对台风未来移动趋势有指示意义，风暴尺度分量对台风路径转折有指示意义。

在实际工作中，当不同模式或集合预报结果存在较大差异时，上述对台风路径转折有指示意义的物理场分析可以为主观订正预报提供理论依据。上述结论是在“摩羯”个例的分析基础上得到，不同台风的结论可能会有不同，比如高能区中心轴线和强增温轴线方向变化多长时间后台风路径开始转折，需要结合更多的台风进行进一步分析研究。