熱帶氣旋風圈統(tǒng)計及業(yè)務應用

郭春迓，程正泉，李泳澤，林芳妮，呂華鋒

（1.廣東省氣象臺，廣東廣州 510640；2.汕尾市氣象局，廣東汕尾 516600；3.廣州昊鹿信息科技有限公司，廣東廣州 510640）

臺風風圈預報目前仍是臺風預報業(yè)務中的一個難點。由于臺風多數時候活動在廣闊的洋面上，實況觀測資料匱乏，從而增加了預報員對臺風各級風圈半徑評估的難度。現有的業(yè)務中，臺風風場結構、風圈大小的實況分析和預報仍以主觀判斷為主，一般多是基于衛(wèi)星觀測，結合各種實時輸出的風場產品來進行風圈評估；其中衛(wèi)星觀測包括基于紅外探測儀［1］、基于微波傳感器［2-3］，以及融合了地球同步觀測（如飛機測風和云導風）和極軌衛(wèi)星（如基于散射測量法的二維微波探空風場）［4-5］的風場信息。

目前各機構給出的風圈情況：北京（NMC）在實況報文中給出7、10、12級風圈半徑（分為東北、東南、西南、西北4象限）；香港（HKO）不發(fā)布風圈，而是發(fā)布2 m浪高的范圍（同為4象限）；日本（JMA）在實況中給出7和10級風圈，并按不同情況給出東-西或南-北象限的半徑；美國聯合臺風警報中心（JTWC）除了給出8、10、12級風圈實況（并且包含東北、東南、西南、西北四個象限）外，還在預報中給出了未來12和24 h各象限的各級風圈預報。由于國際上不同臺風業(yè)務中心定義臺風強度的平均風速有所不同［6］，因此發(fā)布的風圈半徑也有所不同，北京發(fā)布的半徑單位為km（公里），而日本和關島、我國香港則為n mile（海里）。

出于實際業(yè)務的需求，廣東省氣象臺在北京報文的基礎上，發(fā)布實況和預報的6、7、8、10、12級風圈半徑，且不劃分象限。目前多倚賴于歷史經驗關系，以及北京給出的實況參考資料，再進行主觀線性插值，預報員對于風圈預報并無太大的主觀訂正能力。這一方面是受限于觀測資料，另一方面是沒有太多指導預報資料供參考。歷史經驗關系對于不同大小的臺風（通常具有不同的風圈半徑）并無統(tǒng)計，如何更加有針對性的開展風圈預報、如何從現有的7和10級風圈實況得到更加合理的風圈預報，以及其他強度的風圈預報是亟待解決的問題。本研究將對過去中央臺的實況報文進行統(tǒng)計分析，為開展更加精細、合理的臺風風圈預報業(yè)務做背景調查。

1 資料來源

2003年至2019年10月中央氣象臺下發(fā)的實況報文，包括每個臺風在其生命史上的中心最大風速，以及7、10、12級風圈半徑。對數據進行了簡單的質量控制，剔除錯誤報文。需要指出的是，2006年《臺風業(yè)務和服務規(guī)定》［7］發(fā)布之前，舊的《臺風業(yè)務和服務規(guī)定（第3次修訂版）（2001年12月刊?。┲?，沒有對臺風以上級別進行分級，在數據庫中均保存為“臺風（TY）”級，本研究按照新的《臺風業(yè)務和服務規(guī)定》中的熱帶氣旋分類方式，增加了“強臺風級（STY）”、“超強臺風級（Super TY）”，對過去17年間的臺風實況報文進行統(tǒng)一整理。

2 熱帶氣旋及其中心最大風速的統(tǒng)計

2003—2019年間共有個443熱帶氣旋生成（包括熱帶低壓），其中包括93個熱帶風暴、93個超強臺風、79個強熱帶風暴、74個強臺風、60個臺風、44個熱帶低壓（圖1所示）。值得一提的是，除熱帶低壓級外，臺風級的熱帶氣旋發(fā)生數量明顯低于其它級別。

圖1 2003—2019年間不同強度分類下熱帶氣旋的發(fā)生頻率

統(tǒng)計17年間所有時次實況報文的風速頻率分布（如圖2a所示），在經過熱帶低壓階段之后，近中心最大風速的出現頻率基本隨風速增大而減小，由于所統(tǒng)計的實況數據是逐個時次的累加，涉及到同一個熱帶氣旋的不同發(fā)展過程，因此風速的頻率分布總體符合實際情況，達到熱帶風暴級別的頻率最高，隨后逐漸降低。但同時注意到，在12～13級（即臺風級）左右有個次高峰（超出前一級近200個時次），結合圖1的統(tǒng)計結果，17年間臺風級熱帶氣旋的生成數反而相對較少，由此可看出，圖2a中在臺風級的頻率小高峰應該是臺風以上級別的熱帶氣旋所貢獻；但為何不是臺風以下級別貢獻更多？對此，圖2b給出了驗證：對每個熱帶氣旋到達巔峰時刻（并維持）之前的所有時次進行統(tǒng)計，發(fā)現在熱帶風暴和強熱帶風暴級別的熱帶氣旋，其處在熱帶低壓階段的強度維持時間較少，多數時次以熱帶風暴為主；而在臺風及其以上級別的熱帶氣旋，其處在強熱帶風暴及其以下強度的時次相對較少，多數都以臺風或以上強度為主。也就是說，在一個熱帶氣旋的生命史中，其巔峰時次的強度（如臺風和熱帶風暴）或（及）其以下一級（如超強臺風、強臺風、強熱帶風暴）維持的時次一般最長。

圖2 熱帶氣旋中心最大風速在不同風級下的頻率分布圖（a）；每個熱帶氣旋在其強度到達巔峰之前所經歷的所有強度級別時次數（b）

廖菲等［8］通過對1949—2017年南海臺風快速變化的統(tǒng)計研究中，從另一個角度闡述了這個問題：由強熱帶風暴快速加強為臺風，以及由臺風快速加強為強臺風，是發(fā)生頻率最多的事件；同時強度的快速加強次數以1次居多，一般不會超過2次。

3 各級風圈半徑統(tǒng)計

風速的頻率圖總體呈正態(tài)分布，與之對應的是，風圈半徑的頻率分布也同樣如此。其中7級風圈半徑頻率峰值集中在300 km左右，10級風圈半徑為100 km左右，而12級風圈則在40 km左右。Knaff等［9］通過統(tǒng)計1988—2004年間NMC／JTWC的最佳臺風路徑數據，得到了西北太平洋的8、10、12級的風圈半徑分別為213、100、55 km。7、10、12級風圈半徑的頻率峰值分別對應著不同的風速。

圖3a給出了不同熱帶氣旋級別下，7、10、12級風圈半徑的分布。從散點分布來看，各級風圈半徑大小基本隨熱帶氣旋強度的增加而增加，但10級、12級沒有7級變化幅度大。圖3b-d給出了各級風圈半徑在不同熱帶氣旋強度分布的箱線圖，圖中藍色方框的下限和上限分別表示下4分位數（第25百分位）和上4分位數（第75百分位），藍色方框內的紅線表示中位數；定義IQR表示中間4分位數極差（上4分位—下4分位數），方框外的下部和上部兩根黑線分別表示最小值和最大值，本研究中最大（?。┯^測值設置為與上（下）4分位數值間距為1.5IQR；在最大（?。┲狄酝獾募t色十字表示異常值，它的定義為落在最大（?。┲狄酝獾哪切┲?。

圖3 不同強度熱帶氣旋的7、10、12級風圈半徑的分布（a）以及7級（b）、10級（c）、12級（d）風圈半徑的箱線圖分布

從箱線圖可以看到，風圈半徑的分布存在異常值，并且多數時候異常值為偏大。對于7級風圈半徑來說，異常值主要出現在熱帶風暴階段，而對于10級風圈半徑來說，異常值在強熱帶風暴和臺風階段都較多，對于12級風圈來說，異常值出現在臺風階段，并且存在超過最大值或低于最小值的情況。進一步分析7、10、12級風圈半徑各風速段的統(tǒng)計結果（圖略）。3種風圈半徑，中位數分別在200～400、100～200、50～100 km之間，對應的近中心最大風速分別介于28～40、35～50、42～52 m／s之間。

實際業(yè)務中需要根據實況給出的7、10、12級風圈半徑推算出預報的各級風圈半徑，而針對每一個臺風，因為其范圍有所差異，導致相同的中心最大風速可能會對應不同的各級風圈半徑。圖4給出了7、10、12級風圈半徑的不同分位數統(tǒng)計結果，從下到上依次為最小值、第5、25、50、75、95百分位、最大值。該圖可為預報員提供風圈預報的參考依據，通過當前近中心最大風速所對應風圈的相應百分位，得到預報風速下相應的風圈半徑參考值。

圖4 7級（a）、10級（b）、12級（c）風圈半徑下，不同的風速所對應的不同百分位的風圈大小

4 結論

1）2003—2019年間，共有個443熱帶氣旋生成（包括熱帶低壓），其中包括93個熱帶風暴、93個超強臺風、79個強熱帶風暴、74個強臺風、60個臺風、44個熱帶低壓。除熱帶低壓外，臺風級別的熱帶氣旋發(fā)生數量明顯低于其他級別。在一個熱帶氣旋的生命史中，其巔峰時次的強度（如臺風和熱帶風暴）或（及）其以下一級（如超強臺風、強臺風、強熱帶風暴）維持的時次一般最長。

2）7級風圈半徑頻率峰值集中在300 km左右，10級風圈半徑為100 km左右，而12級風圈則在40 km左右；7、10、12級風圈半徑的頻率峰值分別對應著不同的風速，7級風圈頻率峰值對應的風速為28～40 m／s，10級為35～50 m／s之間，12級為42～52 m／s之間。各級風圈半徑大小基本隨熱帶氣旋強度的增加而增加，但10、12級沒有7級變化幅度大。

3）業(yè)務上，預報員可根據所統(tǒng)計的不同臺風風圈半徑下，各級風速對應的不同百分位風圈數值進行參考。

由于本研究所采用的數據有限，得到的結論可能不夠完善，后續(xù)工作會采用最佳臺風路徑，以及日本和關島的數據進行再次分析，另外增加不同象限的風圈統(tǒng)計；此外，鑒于業(yè)務中還需要對級和8級風圈進行預報，后續(xù)也將對此開展研究工作。