台风“烟花”路径突然北折的热动力因子诊断与分析

摘要 台风具有较强的致灾性，我国常受其影响，因此准确预报台风路径十分重要。本文在WRF模式数值模拟的基础上，结合高空环流和基本气流的演变，对2021年第6号台风“烟花”路径突然发生近乎90°北折的原因进行深入探究。结果表明：台风“烟花”出现突然北折的原因，一是台风接近台湾岛后，在增强的西太平洋副热带高压的控制下逐渐向西移动，但受到我国中高纬地区高空长波槽的加深发展和日本附近低涡影响，台风西行受阻;二是越赤道气流的北涌，使基本气流从东北气流转为西南气流，导致台风向北偏东的移动趋势加大;三是台风中心附近环境风垂直切变出现不利于台风西行，而利于北行的条件分布（台风中心北侧出现低值区）;四是最大风速水平结构出现改变，移动到更利于北移的台风中心东侧；五是不稳定能量场中低能舌出现在台风西侧，这使台风更容易向大气层结不稳定区域移动。可见，此次“烟花”台风的突然北折是多种热动力因子共同造成的。

关键词台风“烟花”;路径北折;数值模拟;诊断分析

2024-02-04收稿，2024-05-18接受

国家自然科学基金重大项目（42192553）

引用格式：罗斐然，闵锦忠，2024.台风“烟花”路径突然北折的热动力因子诊断与分析［J］.大气科学学报，47（5）：767-777.

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台风是形成于热带或副热带、温度在26 ℃以上广阔海面上的热带气旋。我国地处亚欧大陆东部，紧邻太平洋西北部，是全球台风发生最频繁的地区，夏季7—9月几乎每月都有台风生成（陈联寿等，1997），平均每年有7个台风登陆我国沿海地区，因此我国是全球受台风影响最严重的国家之一。西北太平洋广阔的海面和适宜的海温以及夏季西太平洋副热带高压外围气流的影响，都使得我国东部沿海地区在夏季经常受到台风的侵扰（李泽椿等，2020），台风来袭时常带来狂风、暴雨、巨浪、风暴潮等自然灾害，对我国人民的生命财产安全构成巨大的威胁。因此对台风路径与强度进行及时预报对减少台风登陆后所造成的破坏具有十分重要的意义。

台风的运动过程十分复杂，其强度、路径以及登陆点等的预报一直以来都是难点问题（余锦华等，2012），如1013号台风“鲇鱼”具有强度强、路径复杂、登陆时间晚、登陆后减弱速度快、影响大等多个特点，预报难度极大（卓立等，2020）。过去几十年间，许多专家学者围绕台风的强度、路径以及登陆点的预报进行了大量深入的研究。其中，台风路径的预报是一个关键的问题（Qian et al.，2013），台风移动的方向及移动过程中所经过的地点与人民的生命财产安全息息相关。导致台风路径发生改变的因素和物理过程错综复杂（倪钟萍等，2013），这是路径发生突变的台风预报误差较大的原因之一。影响台风运动的因子有很多，例如：不同尺度天气系统之间的相互作用（王文波等，2014;段晶晶等，2019;梁军等，2020）、环境基本引导气流（王斌等，1998）、台风自身的非对称结构（陈联寿等，1997;陈丽英等，2011;王新伟等，2015）、不同下垫面条件（袁俊鹏和江静，2009）等，都会对台风路径的移动和偏转产生影响。而对于不同的台风，影响其移动的因子也各不相同，例如：台风“莫拉克”（0908）有着向正变涡区和暖湿区移动的趋势（张建海等，2011;丁治英，2018）;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）的移动路径有良好的指示作用（高留喜等，2019）;台风“鲇鱼”（1013）受低层引导气流影响显著（许娈等，2015;郭兴亮等，2019）。因此，尝试不同种类以及多样化的预报指标将为台风路径的预报提供更多的依据与参考（刘德强等，2021）。随着近年来气象探测手段的增加和数值预报的不断发展，台风路径的预报水平稳步提高，路径预报误差也明显减小，但目前对于移动方向突然改变的台风路径还不能进行有效的预报（Wu et al.，2015），如上文提到的1013号台风“鲇鱼”，全球各家业务数值模式对其北翘路径的预报均出现偏差，造成台风实际通过地区出现人员伤亡情况以及大量的财产损失。而2106号台风“烟花”则是因为短时间内两次登陆浙江省以及登陆后自南向北影响我国东部地区的时间长达10 d，是影响中国大陆地区时间最长的台风之一（王海平等，2022），因此提高台风路径预报的准确性就显得十分重要。

目前，对我国沿海地区影响较大的台风，其路径突变有东海台风的西折和南海台风的北翘（戴高菊，2013），除此之外，台湾岛附近的台风移动也需要重点关注（龚月婷，2017）。台湾岛地形复杂，东部地区以山脉为主，有贯穿南北的中央山脉，平均海拔可达2 000 m，这使得台湾岛附近区域的台风运动复杂多变，异常路径不时发生（文永仁等，2017）。而2106号台风“烟花”正是在其附近区域发生了路径的突然偏折，由西行路径转而向北移动，从而登陆我国浙江省（项素清等，2023）。因此，本文将先从大尺度环流场和涡度场等方面对台风“烟花”路径的北折进行诊断与分析，再通过WRF模式对台风“烟花”进行数值模拟，并利用模式输出的高时空分辨率数据，从风场、假相当位温场的分布特征等方面做进一步分析，以期为今后预报此类台风提供一定的参考依据。

1 数据来源和个例简介

本文使用的资料包括中国气象局提供的热带气旋最佳路径数据集资料、美国国家环境预报中心（National Centeres for Environmental Prediction，NCEP）提供的再分析资料（水平分辨率为1°×1°）以及欧洲中期天气预报中心提供的全球大气再分析资料。

2021年7月18日02时（北京时间，下同），2106号台风“烟花”在西北太平洋海面上生成，25日12时30分台风在浙江舟山普陀区首次登陆，登陆时中心附近最大风速为38 m／s（13级），台风中心最低气压为965 hPa。台风“烟花”移速慢，自南向北影响我国东部地区的时间长达10 d（7月22—31日），导致风雨影响范围广、累计降雨量大，是有气象记录以来影响我国大陆地区时间最长的台风（唐飞等，2021）。根据浙江省风雨影响综合评估结果，有37个县（区、市）382个乡镇（街道）的致灾等级为“特重”，11个县（市、区）47个乡镇（街道）的致灾等级为“严重”（沈晓玲和李锋，2022）。而台风“烟花”能够登陆我国浙江省并带来持续的暴雨天气，关键节点为其在台湾岛附近由西行突然转向向北移动，因此研究台风“烟花”路径的突然北折有重要的意义。

由台风“烟花”的移动路径和强度（图1）可以看出，台风“烟花”的路径主要可以划分为4个阶段：西行路径、转向路径、西北行路径、北行路径。而其中最值得关注的就是转向路径，转向时间在23日00时左右，原本可能在台湾登陆的“烟花”突然北翘，最终在浙江省登陆。这个阶段内台风中心气压达到最低，风速也达到最大，说明“烟花”是在发展达到最强盛的时候发生了路径的突然偏转。这其中的原因值得深入地研究。

2 数值模式方案设计

采用中尺度WRF-ARW模式（version 4.0）对2021年第6号台风“烟花”进行数值模拟，模拟的起始时间为2021年7月21日00时，结束时间为2021年7月25日00时，共96 h，每小时输出一次模式结果。模式的初始场由水平分辨率为1°×1°的NCEP再分析资料提供，模式采用双重嵌套网格，分辨率分别为30 km与10 km，垂直方向分层为35层。微物理过程采用WSM3方案，长波辐射采用RRTM方案，短波辐射采用Dudhia方案。边界层方案和积云对流参数化方案经过前人的研究，通过对比多个方案的结果，最终选择采用无边界层方案（WU）和Betts-Miller-Janjic（BMJ）积云对流参数化方案（Exp1），以及YSU边界层方案和BMJ积云对流参数化方案（Exp2）进行对比研究。此外，Exp1台风转向时间为22日00时，Exp2台风转向时间为23日03时。

从两个方案的模拟结果（图2）可以看出，Exp1台风的路径属于缓翘的类型，西行路径与实况也基本吻合，转向路径相比实况提前，而Exp2台风的路径则具有明显的急翘特征，转向阶段相比实况地点偏西，尽管模拟转向后续路径偏西但在转向阶段模拟效果都较好，且相比实况，一个提前、一个滞后，有很好的对比研究意义。此外，Exp2模拟路径在台风北折处出现打转现象，而Exp1并未出现打转现象，再综合考虑模拟台风与实况中心气压及风速的贴合程度，选择这两个方案进行下一步对比研究。

3 台风“烟花”突然北折的原因

3.1 气压场特征

大尺度环流场是研究台风路径的一个关键因素，台风外围的天气系统以及环流形势会对台风的路径产生不小的影响（林金凎等，2012）。从台风“烟花”生命史中500 hPa位势高度场演变（图3）可以看到台风“烟花”在移动过程中周围大尺度环流场的演变特征。20日12时（图3a），西太平洋副高强度增强，控制范围也不断扩大，其西侧到达蒙古高原以及华北平原东侧，控制了整个黄海区域。副高整体呈东西向带状分布，而台风“烟花”处于一个东西向延伸的狭长低值区中，受到副高南侧边缘的偏东气流以及台风南侧的西风急流影响，台风沿着低值区向偏西方向移动，即处于西行路径。

到23日00时（图3b），可以发现西太平洋副高的控制范围相比20日大幅缩小，主要控制范围缩小至朝鲜半岛东侧、日本海一带。同时对比图3a、b可以发现，20至23日，在我国东北平原附近，西风带上有一长波槽不断发展，并于23日00时左右发展至120°E附近，槽底南伸至40°N附近，槽前与副高西南侧的偏南气流共同影响了台风“烟花”，为台风的移动提供了偏北分量。此外，台风南侧的位势高度高值区也东退，西风急流减弱，一股越赤道气流沿着菲律宾群岛东侧北涌至台风南侧，同样为台风的运动提供了偏北分量。台风“烟花”在这多个因子的作用下，路径发生偏折，转而向北移动。

3.2 位势涡度场特征

台风的路径变化与天气尺度环流密切相关，而天气尺度环流对台风的影响又能通过涡度与其紧密联系，因此可以通过位势涡度场来具象化显示台风“烟花”周围的天气系统对台风的影响。图4展示了22日00时和23日00时台风“烟花”500 hPa位势涡度随时间的演变。由图4及台风中心附近位势涡度平流场（图略）可以看出，台风“烟花”在22日00时，其中心附近的正位势涡度中心和正位势涡度平流中心均偏向台风的西侧，而其周围也并不存在其他较大范围的正位势涡度中心，正位势涡度平流也从台风中心西北侧进行逆时针输送，整体位涡趋势呈现沿台风中心由东向西发展，对应台风“烟花”转向前的西行运动。

而在23日00时，由于我国中高纬西风带上长波槽的不断发展、副高的东退以及越赤道气流的影响，相比22日，在台风北侧形成了一个明显的正位势涡度中心，而台风中心偏北侧也形成了正位势涡度平流中心，偏北侧的气旋性环流加强，正位势涡度平流输送范围也扩大，有利于台风向北运动，台风中心附近位势涡度场的结构改变，西行逐渐放缓，转而向北运动。

3.3 引导气流特征

对台风移动起引导作用的气流是分析台风路径转折的重要因素之一（曾瑾瑜等，2022）。引导气流的计算方法是：以格点所在位置为中心，在3°×3°的正方形网格内将所有格点u、v的平均值作为各格点的引导气流。对比图5a、c可以发现，在200 hPa位势高度场中，Exp1台风周围的引导气流比实况风速更大，风力更强，同时流场更加密集，对台风影响更大，且提前受到西风带急流及其长波槽和日本南部、我国东部沿海附近低涡外围的流场影响，台风中心附近多为气旋性涡旋的引导气流，与台风逆时针环流同向，它们之间的夹角也较小，这是Exp1相比实况路径提前转向的原因。

再对比图5b、c，此时段内实况与Exp1均处在转向阶段，可以看到实况与Exp1一样受到日本南部附近低涡的影响，台风中心附近多为向北气流，且我国华北地区也有长波槽发展，这是Exp1台风的路径与实况台风路径均发生北折的原因。而相比实况台风，模拟台风的200 hPa位势高度场中西风带长波槽底部位置相对偏北，且台风东侧有一高压逐渐发展，范围逐步扩大，迫使台风在北折过程中西移，这也是Exp1台风路径在向北转向后，路径与实况台风相比逐渐偏西的原因。

通过比较图5b、d，可以发现虽然实况与Exp2均处在转向阶段，但Exp2台风中心周围引导气流相比实况转向时刻风速较小，流场密集程度也不如实况，且可以看到实况台风东侧的高压西进时间更早，西进幅度也更为明显，而Exp2台风东侧高压的西进的时间相对滞后，且西进幅度不大，这是Exp2台风的模拟路径相比实况路径延后转向的原因。

3.4 环境风垂直切变特征

一般情况下，环境风垂直切变反映了大尺度环境场水平纬向风和经向风随高度的变化，是大尺度环境场中水平风的垂直切变情况（Wu et al.，2019），而通过计算200～850 hPa之间的环境风垂直切变，可以研究其时空分布演变特征及其对台风“烟花”移动路径的影响（李勋等，2010）。

图6为模拟台风850 hPa位势高度场及垂直风切变ω的演变情况，可用来分析台风“烟花”移动过程中各时次垂直风切变的分布情况。图6a中的Exp1台风正处在增强发展的西行移动阶段，台风中心附近ω高低值区的分布基本呈东北-西南向分布，低值区位于台风中心的南侧，高值区位于北侧，且台风中心北侧及黄海区域附近有明显的风切变ω高值中心由西北太平洋西伸而来，台风受北部高ω的压迫作用，持续西行。而在22日00时（图6b），台风中心北侧有强垂直风切变ω高值区北抬，致使台风中心附近的低值区也北抬，高低值区持续呈东北-西南向分布，在其作用下台风中心逐渐转向北移，有利于台风转而向北运动。

Exp2的垂直风切变场（图6d）与Exp1较为一致，但在其发生转向时（图6e），台风北侧强垂直风切变ω高值区未有明显北抬，而中心附近的垂直风切变也并没有减小，反而有所增强，且持续发展为多个小的强垂直风切变中心，这是Exp2台风转向时发生打转现象的原因之一。

3.5 风速水平分布特征

台风风场结构中不对称风区的转移，将造成台风移动方向的改变，从而引起台风移动路径的改变，图7展示了两个模拟试验高层500 hPa位势高度场及水平风速场的演变。可以看到，21日12时（图7a），当Exp1台风还处在西行阶段时，高层500 hPa最大风速区均偏于台风中心西侧，而在22日00时（图7b），台风中心东侧及北侧风速的强度和范围逐渐超过了西侧，且西行过程中始终有明显的风速不对称。再分析低层850 hPa（图略），Exp1风速大值中心位置整体未发生明显变化，风速大值中心一直处于台风中心北侧，但强度和范围都略有增大。

而由图7d—f可以发现，Exp2台风中心周围风速的强度与范围都比Exp1更大且更广，主要表现为东北-西南向最大风速强度和范围的减小以及西北-东南向最大风速强度和范围的增大。此外，Exp2台风高层500 hPa在23日00时（图7e）之后，台风中心南侧及西南侧周围风速也较大，逐渐形成了一个小的风速大值中心，而低层850 hPa风速大值中心又一直处于台风中心东侧（图略），这是导致Exp2在转向阶段发生打转现象以及延迟转向的原因。

3.6 假相当位温与相对湿度特征

假相当位温的水平分布反映了大气中能量的分布以及层结稳定度，而水汽的分布也会影响台风的移动（李超等，2019）。由图8可以看出，Exp1台风不论是假相当位温场还是相对湿度场，在台风的西侧都有一个低值区在不断地向台风南侧延伸，即在台风转向前后有低能舌逐渐向南伸展，说明该低值区域的大气层结逐渐趋于稳定，不稳定能量减弱，水汽含量也在不断减少，导致台风西行受阻，发生转向。而Exp2台风西侧并不存在假相当位温的低值区（图略），而相对湿度低值区的南伸程度以及范围相比Exp1也不大，说明该区域大气层结一直较为稳定，这可能是导致Exp2台风转向滞后以及转向时打转的原因之一。因此，在台风转向时，若有低能舌从台风外侧西南部进入台风内侧，会使台风西南侧的大气不稳定度降低，有利于台风路径向北偏折。

4 结论

利用NCEP再分析资料和WRF模式等对台风“烟花”开展实况分析与高分辨率数值模拟，设置了两组不同的试验方案，分别是采用无边界层方案（WU）和BMJ积云对流参数化方案的Exp1，以及YSU边界层方案和BMJ积云对流参数化方案的Exp2，对台风“烟花”路径北折的原因及模拟路径偏差原因进行诊断研究，得到以下主要结论：

1）“烟花”接近台湾岛后，路径发生向北转折。主要是由于西太平洋副热带高压增强并向西移，以及我国中高纬地区高空长波槽的加深发展和日本附近低涡影响，使台风西行受阻，逐渐转为北移。同时越赤道气流的北涌，使基本气流从东北气流转为西南气流，北偏东移动趋势加大。此外，由于我国中高纬长波槽的不断东移以及副高的东退，在台风“烟花”中心北侧形成了一个明显的正位势涡度中心，且该中心西北侧也形成了逆时针的正位势涡度平流输送，使得台风中心附近位势涡度场的结构改变，西行放缓，逐渐转为北行路径。

2）两个试验方案的模式模拟都较好地再现了台风“烟花”突然北折的路径，仅在转折点的位置上出现了提前和滞后的现象。结果发现，Exp1台风相比实况路径提前转向是因为其周围的引导气流相比实况风速更大，风力更强，且提前受到西风带急流、长波槽和低涡外围的流场影响。而200 hPa西风带长波槽底部位置相对偏北以及台风东侧有一影响范围逐步扩大的高压，是Exp1台风在向北转向后，路径与实况台风相比逐渐偏西的原因。此外，Exp2台风路径相比实况路径延后转向是由于其台风中心周围引导气流相比实况风速较小，其东侧高压西进的时间滞后，且西进幅度也不大。

3）台风中心附近环境风垂直切变高低值区的分布对台风的移动产生影响，台风中心移动容易偏向低值区，而不易穿越高值区。此外，最大风速区的水平结构也会影响台风移动的路径，台风容易偏向风速大值中心一侧气流方向移动。而假相当位温和相对湿度所代表的不稳定能量场中低能舌的分布也是影响台风移动的因子，台风不易向着低能舌延伸区域移动。

综上所述，本文的研究结论初步揭示了台风“烟花”路径突然北折的原因，并在此基础上探讨了模拟台风路径偏差的原因，为今后科学预报路径突然北折台风提供了一定的参考依据。但本文对台风“烟花”的分析大都是基于热动力因子的定性分析，想要更好地理解台风“烟花”路径突然北折的深层原因，还需要对影响台风路径的各因素分别设计敏感性试验进行讨论，并开展更深入的工作。

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·ARTICLE·

Diagnosis and analysis of thermodynamic factors influencing the sudden northward turn of Typhoon In-Fa

LUO Feiran，MIN Jinzhong

School of Atmospheric Sciences，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China

Abstract Typhoons can cause significant damage，and accurate forecasting of their paths is crucial for mitigating their impact.This study investigates the sudden northward turn of Typhoon In-Fa （2021），which veered nearly 90 degrees northward，using the WRF model to perform accurate numerical simulations combined with analyses of upper atmospheric circulation and basic airflow patterns.The findings indicate that the northward turn of Typhoon In-Fa was driven by several key factors：1） As Typhoon In-Fa approached Taiwan，its track shifted northward due to the strengthening and westward expansion of the western pacific Subtropical high，combined with the deepening of the upper-level long-wave trough over China and the blocking influence of a low-pressure vortex near Japan，which prevented further westward movement.Concurrently，the northward surge of cross-equatorial flow altered the basic airflow from a northeasterly to a southwesterly direction，enhancing the northward movement trend.2） The continuous eastward shift of the mid-latitude longwave trough over China and the eastward retreat of the subtropical high led to the formation of a significant positive potential vorticity center north of the center of Typhoon In-Fa，accompanied by counterclockwise positive potential vorticity advection on the northwest side of the center.This altered the structure of the potential vorticity field near the typhoon center，slowing its westward trajectory and steering it northward.3） The vertical shear of the ambient wind near the typhoon center was unfavorable for westward movement but facilitated northward movement due to the distribution of high and low values，with lower values north of the typhoon center.4） Both simulation experiments indicated persistent wind speed asymmetry around the typhoon center，with the 500 hPa wind speed maximum shifting from the west to the east side of the typhoon center.The presence of southerly winds on the right side of the typhoon increased the northward component of its movement，significantly contributing to its abrupt northward turn.5） In the unstable energy field，a low-energy tongue developed on the west side of the typhoon，promoting movement into the unstable atmospheric junction region.These findings highlight that the sudden northward turn of Typhoon In-Fa was driven by a combination of thermodynamic factors，providing valuable insights for improving typhoon track forecasts.

Keywords Typhoon In-Fa;northward track shift;numerical simulation;diagnostic analysis

doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20240204001

（责任编辑：袁东敏）