臺風(fēng)燦都路徑預(yù)報中的非絕熱加熱因子分析*

吳勝藍 漆梁波 鄒蘭軍

上海中心氣象臺,上海 200030

提 要：依據(jù)歐洲中期天氣預(yù)報中心集合預(yù)報系統(tǒng)(EC-EPS)預(yù)報產(chǎn)品,采用位渦趨勢診斷方法,對比分析了臺風(fēng)燦都路徑預(yù)報差異較大的兩個集合成員各物理因子的貢獻。結(jié)果表明兩個集合成員的臺風(fēng)中心均朝位渦趨勢一波分量最大的位置移動,且大多數(shù)時刻水平平流項的貢獻是最大的,其次是非絕熱加熱項,垂直平流項的貢獻相對較小。兩個成員路徑分叉時刻的位渦趨勢差異主要由非絕熱加熱項引起,而分叉之后位渦趨勢仍主要由水平平流項(即引導(dǎo)氣流)主導(dǎo)。在路徑分歧時刻,兩個集合成員預(yù)報的非對稱對流活動也表現(xiàn)出不一樣的分布,且都與診斷的非絕熱加熱項方向較為一致,即非對稱對流結(jié)構(gòu)和加熱率的水平梯度在引導(dǎo)氣流偏弱時對臺風(fēng)移動可能起到關(guān)鍵作用。非對稱對流活動出現(xiàn)主要受水汽、潛在不穩(wěn)定條件以及低層急流等環(huán)境因子的影響。分析表明,在近海臺風(fēng)路徑預(yù)報中,尤其是引導(dǎo)氣流偏弱的情況下,加強對非絕熱加熱過程(對流活動發(fā)展趨勢及非對稱結(jié)構(gòu))的分析,有助于做出更精準的路徑預(yù)報。

引 言

20世紀90年代以來,我國臺風(fēng)業(yè)務(wù)預(yù)報水平不斷進步,路徑綜合預(yù)報偏差逐年減小,基本與世界領(lǐng)先水平相當(dāng)(陳聯(lián)壽,2006;許映龍等,2010;錢傳海等,2012;陳國民等,2019;2021;王海平和董林,2020)。但針對臺風(fēng)異常路徑或引導(dǎo)氣流偏弱的情況下,部分臺風(fēng)路徑的預(yù)報仍然會出現(xiàn)較大的偏差(徐晶等,1999;張玲和黃奕武,2013;許映龍等,2015;楊瓊瓊和吳立廣,2015;董林等,2020;王海平等,2022)。臺風(fēng)路徑預(yù)報偏差會直接影響降水、大風(fēng)落區(qū)以及受災(zāi)范圍的預(yù)報,因此近海臺風(fēng)路徑業(yè)務(wù)預(yù)報的精準性尤為關(guān)鍵。

早期臺風(fēng)路徑預(yù)報的研究認為,臺風(fēng)主要朝著渦度正變化最大的區(qū)域移動,且有學(xué)者提出臺風(fēng)移動的方向可以由絕對渦度平流近似估計(陳聯(lián)壽和丁一匯,1979;Chan and Gray,1982)。而業(yè)務(wù)中常用的引導(dǎo)氣流分析與實際臺風(fēng)移動路徑仍存在較大差異,主要原因是由β效應(yīng)引起的渦旋環(huán)流之間存在的通風(fēng)流所造成的渦旋移動,簡稱β漂移理論(Holland,1983;Fiorino and Elsberry,1989;Peng and Williams,1990)。隨著通風(fēng)流理論進一步擴展到斜壓的情況,Wu and Wang(2000)提出了一個更加普遍適用的診斷臺風(fēng)路徑的動力學(xué)框架,他們在無大尺度環(huán)流的β平面理想試驗中指出,渦旋會朝著位勢渦度趨勢的一波分量最大的區(qū)域移動。位渦趨勢診斷方法包含了垂直切變和潛熱釋放所引起的大氣溫度結(jié)構(gòu)的改變,以及臺風(fēng)內(nèi)部垂直耦合的作用,同時也可以解決位渦反演方法的假設(shè)大氣參考狀態(tài)對結(jié)果產(chǎn)生的影響(Wu and Emanuel,1993;1995a;1995b)。吳玉琴等(2015)進一步考慮臺風(fēng)不對稱環(huán)流結(jié)構(gòu)影響,對位渦診斷方法進行了改進。許多觀測結(jié)果和模式檢驗都證實了位渦趨勢診斷方法在不同臺風(fēng)移動類型中的有效性(Wu and Wang,2001a;2001b;Wong and Chan,2007)。其中,Chan et al(2002)指出位渦趨勢一波分量主要是由水平平流項和非絕熱加熱過程起到重要貢獻,水平平流項會在平穩(wěn)移動的臺風(fēng)或者方向速度沒有太大變化的臺風(fēng)中起主導(dǎo)作用,而非絕熱加熱在緩慢移動、轉(zhuǎn)向或者軌跡突變的臺風(fēng)中則非常關(guān)鍵。

關(guān)于非絕熱加熱因子的作用,其實早在幾十年前就有學(xué)者基于衛(wèi)星圖像提出熱帶氣旋會傾向在發(fā)展最旺盛的積雨云團的邊緣移動(距離熱帶氣旋中心200～600 km處)。陳聯(lián)壽等(1997)通過數(shù)值模擬揭示臺風(fēng)的熱力不對稱結(jié)構(gòu)會顯著影響臺風(fēng)的移動,臺風(fēng)有向內(nèi)部對流不穩(wěn)定區(qū)域移動的趨勢。除此以外,在理論研究方面,Willoughby(1992)使用正壓模型和質(zhì)量源-匯模擬對流的影響,指出渦旋將遠離源并向匯移動。Wang and Holland(1995;1996)從原始方程模型出發(fā),發(fā)現(xiàn)零星的對流單體可能會引起臺風(fēng)路徑的振蕩。所有這些觀測模擬以及理論的研究均指出不對稱的對流活動對于臺風(fēng)移動會起到關(guān)鍵的作用。在應(yīng)用方面,還有直接基于衛(wèi)星圖像輸入的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可以作為簡易預(yù)測氣旋路徑的輔助手段(Kovordányi and Roy,2009)。但非絕熱加熱對位渦趨勢的貢獻不是簡單的對流加熱,還取決于對流加熱的梯度與垂直風(fēng)切作用,Wu and Wang(2001b)提出垂直風(fēng)切會在一定程度上引起渦旋結(jié)構(gòu)的傾斜,但非對稱的加熱通過快速調(diào)整可以起到抵消風(fēng)切引起的傾斜趨勢,所以非絕熱加熱對斜壓臺風(fēng)的垂直耦合起到重要作用。在業(yè)務(wù)應(yīng)用方面,Yu et al(2007)基于中國氣象局全球區(qū)域同化預(yù)報系統(tǒng)臺風(fēng)模式GRAPES-TCM,指出與非絕熱加熱有關(guān)的位相鎖定被認為是位渦強迫及臺風(fēng)海棠(2005年)在臺灣登陸前回旋和轉(zhuǎn)折的主要貢獻因子。

2021年臺風(fēng)燦都沿浙江近海北上,并在東海海面緩慢移動回旋,15日開始轉(zhuǎn)向偏東和東北方向移動,對沿海地區(qū)風(fēng)雨影響巨大。當(dāng)時各業(yè)務(wù)綜合預(yù)報均預(yù)測其會在浙北或上海登陸,而近海臺風(fēng)登陸與否,需采取明顯不同的防御策略和手段,路徑預(yù)報偏差尤其是是否登陸對氣象服務(wù)效益的影響是巨大的。因此,探究“燦都”近海路徑預(yù)報偏差的具體成因非常必要。本文將通過對比歐洲中期天氣預(yù)報中心集合預(yù)報系統(tǒng)(以下簡稱EC-EPS)的不同成員的表現(xiàn),依據(jù)位渦趨勢方法診斷分析影響近海臺風(fēng)路徑的主要因素,重點分析非絕熱加熱因子對臺風(fēng)移動趨勢的影響,并回顧和總結(jié)在“燦都”的實時業(yè)務(wù)預(yù)報中,如何具體考量非絕熱加熱因子對路徑預(yù)報決策的影響。

1 資料和方法

(1)歐洲中期天氣預(yù)報中心集合預(yù)報系統(tǒng)各預(yù)報成員(EC-EPS,共51個)的水平分辨率為0.5°×0.5°,預(yù)報時效間隔為6 h。本文預(yù)報開始時次選取2021年9月10日12時(世界時,下同),該時次臺風(fēng)燦都中心位于臺灣海峽南側(cè),且各集合預(yù)報成員間離散度較大,部分成員預(yù)測“燦都”將在福建、浙江、上海等地登陸,另外的成員則預(yù)測“燦都”直接北上或北到東北行。本文挑選了第5號和第6號集合成員(分別簡稱EN05和EN06)作為代表進行診斷對比分析,兩個集合成員的預(yù)報路徑(圖1)在12日12時之前沿臺灣海峽東側(cè)向北移動,12日12時(預(yù)報時效48 h)到達臺灣海峽北部附近并開始產(chǎn)生分歧。EN05路徑向西偏折登陸,而EN06則與中央氣象臺業(yè)務(wù)實時定位較為吻合,沿海岸線向北移動,沒有登陸。

(2)歐洲中期天氣預(yù)報中心ERA5再分析資料,時間分辨率為1 h,水平分辨率為0.25°×0.25°,共分37層。

診斷方法參照Wu and Wang(2000)提出的位渦趨勢動力學(xué)框架,臺風(fēng)會朝著位渦趨勢一波分量最大的區(qū)域運動,即

(1)

式中:C代表臺風(fēng)運動的分量,Ps和P1分別代表位渦的對稱和一波分量。?P1/?t最大值的位置決定了臺風(fēng)的移動方位。同時,Wu and Wang(2000)指出在非絕熱加熱存在時,位渦趨勢是由以下四項物理過程所引起的:

(2)

式中Λ1代表一波算子。方程右側(cè)共四項,分別為水平平流項(HA)、垂直平流項(VA)、非絕熱加熱項(DH)和摩擦以及次網(wǎng)格項(F)的貢獻。位渦診斷方程右側(cè)所有項都要經(jīng)過傅里葉分解求取一波分量。

水平平流項已經(jīng)包含了行星渦度的經(jīng)向變化,即β效應(yīng)的作用。同時,垂直風(fēng)切引起的水平位渦梯度和β效應(yīng)有時會產(chǎn)生相反的貢獻(Shapiro,1992),就不用再單獨考慮β效應(yīng)的影響。在臺風(fēng)眼墻之外,除了對流層頂附近位渦梯度較大的地方,垂直平流的貢獻可能很小,而摩擦項的作用僅在邊界層較為顯著。因此,可以推測臺風(fēng)的移動主要由水平平流和非絕熱加熱項所引起的。而非絕熱加熱項取決于對流加熱的水平及垂直加熱梯度。

由于EC集合預(yù)報提供的數(shù)據(jù)變量有限,無法直接計算位渦診斷方程右側(cè)所有項的貢獻,但可以通過某些近似對非絕熱加熱項進行合理的估計,結(jié)合可以直接計算的水平平流以及垂直平流項,對位渦診斷框架進行有效評估和定量診斷。根據(jù)May and Rajopadhyaya(1996),加熱率可以表示為:

(3)

式中:ω是垂直速度,p是氣壓,s代表靜力能(Yanai et al,1973),可以表示為:

s=gz+cpT

(4)

式中:g是重力加速度,z代表高度,cp是定壓比熱,T是溫度,根據(jù)靜力平衡假設(shè),加熱率可以改寫成:

(5)

式中ρ是空氣的密度。這樣加熱率Q可以直接由式(5)計算,于是根據(jù)Wu and Wang(2000),非絕熱加熱項可以表示為:

（2）間接循環(huán)式加熱。系統(tǒng)設(shè)置1大1小共2個保溫水箱。冷水的加熱過程在小水箱內(nèi)完成，當(dāng)小水箱內(nèi)的水溫達到設(shè)定水溫時，再通過水泵輸送至大水箱。

(6)

式中:u和v是緯向和經(jīng)向風(fēng)分量,f是科氏參數(shù),ζ是相對渦度。求取特定高度的非絕熱加熱項,所以DH的一波分量可以表示為:

(7)

可以看出DH項的一波分量主要取決于Q的水平梯度以及垂直風(fēng)切。

計算各項物理過程的估算速度參考Wu and Wang(2000)和吳玉琴等(2015)的計算方法,均以預(yù)測臺風(fēng)中心為中心,25～200 km的區(qū)域進行計算,垂直層采用850～500 hPa的平均。這一層距離邊界層和出流層都有一定距離,所以摩擦項和出流項的貢獻可以忽略不計。

2 位渦趨勢方法診斷

位渦趨勢診斷方法指出臺風(fēng)會朝著位渦趨勢一波分量最大的位置移動。如上文所述,從2021年9月10日12時起報的EC-EPS結(jié)果看,在12日12時之前,各集合成員發(fā)散度小,大致沿著臺灣海峽東側(cè)沿海向北到東北方向移動,12時后各成員的預(yù)報離散度加大,較多成員預(yù)報登陸浙江或上海,少部分成員預(yù)報沿海北上。以下分別挑選EN05(登陸成員)和EN06(不登陸成員)來開展位渦趨勢診斷分析。

圖2分別展示了EN05和EN06預(yù)測的臺風(fēng)路徑的移向和移速,以及通過位渦趨勢診斷的總體移向和移速?？梢钥吹絻烧呋灸軐崿F(xiàn)較好的吻合,特別是在移向方面誤差較小(圖2b和2d),但有時兩者也存在較大的差異,主要是發(fā)生在模式預(yù)報的最初時段(10日12時和18時)。同時可以看到在12日12時之后,EN05和EN06分別朝著西北方向和東北方向移動(圖2b和2d)。

為了分析臺風(fēng)路徑產(chǎn)生分叉的主要原因,圖3診斷了不同物理項對總體位渦趨勢的貢獻,包括HA、VA和DH。各項對移速的貢獻是通過臺風(fēng)中心25～200 km 半徑的平均振幅進行計算的,移動的方向取決于最大振幅所處的方位。與Chan et al(2002)和Yu et al(2007)研究結(jié)果類似,大多數(shù)時刻HA的貢獻是最大的,接著是DH,VA的貢獻相對較小。在12日12時之后各項的貢獻均有所減小,主要是由于經(jīng)過臺灣海峽的地形摩擦作用,臺風(fēng)整體強度減弱,位渦和位渦趨勢都有所減弱,此時引導(dǎo)氣流有所減弱,但HA的貢獻仍然是大于DH的貢獻(圖3a和3c)。

圖3 2021年臺風(fēng)燦都(a,b)EN05和(c,d)EN06位渦趨勢診斷水平平流項(HA)、垂直平流項(VA)和非絕熱加熱項(DH)對(a,c)臺風(fēng)移速振幅和(b,d)臺風(fēng)移向的貢獻Fig.3 Contributions of WN1 HA, WN1 VA, and WN1 DH predicted for (a, b) EN05 and (c, d) EN06 to (a, c) amplitude and (b, d) moving direction of Typhoon Chanthu in 2021

從移動方向上來看(圖3b和3d),三項的整體貢獻與位渦趨勢的方向還是較為一致的(圖2b和2d),產(chǎn)生的差值大部分是由于無法計算的摩擦項以及次網(wǎng)格過程所引起的。整體來看,位渦趨勢診斷各項物理過程之和與方程左側(cè)較為吻合,驗證了方法及計算的可靠性。兩個集合成員之間,HA和DH在12日12時之前是接近一致的,VA在某些時刻有較大差異(如12日00時),但由于振幅偏小,產(chǎn)生的影響也較為有限(圖3b和3d)。在12日12時,兩組成員DH方向突然發(fā)生較大偏差,雖然振幅相較前一時刻有所減小,但HA和總體位渦趨勢也同時減小,所以還是對位渦趨勢最大強度的位置以及臺風(fēng)的移動路徑開始分叉產(chǎn)生了較大的影響。在12日12時之后,兩個成員DH的方向又接近一致,但HA的方向產(chǎn)生了一些變化,EN05和EN06方向分別向西和向東偏移,對兩個成員間位渦趨勢以及臺風(fēng)的移動路徑進一步分叉起到較大的作用。同時還可以注意到,HA的方向一直較穩(wěn)定在朝西北或東北方向,而DH在方向上相比HA有更大的不確定性,一方面是因為估算DH的作用依靠簡單的溫度垂直梯度,加熱的水平梯度和垂直風(fēng)切的分布,近似估計存在一定的誤差。另一方面,非絕熱加熱包含潛熱感熱等微物理項變化,也是模式模擬較為薄弱的部分,所以振蕩較為明顯。

從具體的總位渦趨勢和其他各項的一波分量,可以更清楚地看到總體的移動趨勢以及各項物理過程對臺風(fēng)移動的貢獻分量。12日06時,臺風(fēng)中心位置和總體位渦趨勢在兩個集合成員間還沒有太大的區(qū)別,都是向北移動的趨勢(圖4a和4e)。由于臺風(fēng)中心選用的是業(yè)務(wù)實時定位,而不是位渦最大的位置,所以在求取一波分量的時候就不是剛好對稱分布的形態(tài)(圖4a)。各項物理過程也沒有明顯的區(qū)別,HA和DH對移動的貢獻較大,分別是東北和西北分量(圖4b,4d,4f和4h),而VA的貢獻相對偏小,是朝北的分量(圖4c和4g)。到12日12時,中心位置沒有明顯區(qū)別,但總體位渦趨勢在EN05和EN06間已經(jīng)有明顯不同,EN05是朝北偏西移動的趨勢,而EN06(圖5e)是朝北偏東移動的趨勢,移動速度在EN05中稍偏快一些(圖5a);此時HA的貢獻仍沒有明顯的區(qū)別,只是相較前一個時刻振幅偏小(圖5b和5f);VA的貢獻非常小,幾乎可以忽略不計(圖5c和5g);而DH項產(chǎn)生了較大區(qū)別,方向與位渦趨勢方向是一致的,分別是向西北和東北的分量(圖5d和5h),也就是說此時刻臺風(fēng)移動的趨勢和方向主要是由DH項貢獻產(chǎn)生的,非絕熱加熱對于集合成員臺風(fēng)路徑差異的產(chǎn)生起到重要作用。同時可以注意到,12日12時各項的貢獻相較前一時次都有所減小,但此時引導(dǎo)氣流作用也是相對偏弱的,而DH的方向和位置起到了關(guān)鍵作用,同時內(nèi)核外圍的非絕熱加熱作用也較大,是不可忽略的。

3 對流活動及環(huán)境物理過程對臺風(fēng)運動的貢獻

從位渦趨勢診斷的結(jié)果可以得知,兩個集合成員路徑分叉主要是由非絕熱加熱造成的。從12日12時非對稱的降水結(jié)構(gòu)分布也能看到(圖6a和6b),EN05的對流和降水活動主要集中在內(nèi)核周圍以及東南沿海地區(qū),而EN06在東北象限外圍區(qū)域也存在較明顯的對流活動,且從流場的分布可以看到臺風(fēng)倒槽與之相適配。對比同時刻的ERA5再分析資料(圖6c),可以看到降水活動同樣在臺風(fēng)中心東北象限十分活躍,與EN06的降水結(jié)構(gòu)更為接近,只是臺風(fēng)倒槽沒有特別明顯。因此,加熱率的水平梯度(即非對稱的對流活動)是DH項中貢獻較大的,其是造成臺風(fēng)路徑產(chǎn)生分叉的主要原因。

注:紅點:集合成員預(yù)測臺風(fēng)中心位置以及業(yè)務(wù)實時定位的臺風(fēng)中心。圖6 2021年9月12日12時臺風(fēng)燦都的降水強度(填色)和850 hPa流場(a)EN05,(b)EN06,(c)ERA5再分析資料Fig.6 The precipitation rate (colored) and streamlines at 850 hPa of Typhoon Chanthu at 1200 UTC 12 September 2021(a) EN05, (b) EN06, (c) ERA5 reanalysis data

為了更一步驗證東北象限的對流降水及非絕熱加熱是否是影響臺風(fēng)登陸與否的關(guān)鍵因素,本文選取了集合成員中登陸的39個成員(簡稱Land)和未登陸的12個成員(簡稱NoLand),對12日12時的降水結(jié)構(gòu)進行合成分析(圖7),可以看到Land的對流和降水分布與EN05非常接近,主要集中在內(nèi)核周圍以及東南沿海地區(qū),而Noland與EN06更相似,都在東北象限外圍區(qū)域有明顯降水。集合成員合成的降水結(jié)構(gòu)進一步驗證了EN05和EN06的代表性,同時也證實東北象限的對流降水是DH項對臺風(fēng)路徑產(chǎn)生影響的直接原因。與王新偉等(2015)提出的臺風(fēng)周圍非對稱的對流系統(tǒng)會直接影響臺風(fēng)的移動,傾向朝發(fā)展最旺盛的積雨云團邊緣移動是較為一致的。

注:紅點:集合成員預(yù)測臺風(fēng)中心的平均位置。圖7 2021年9月12日12時臺風(fēng)燦都集合成員的合成降水強度(a)Land集合成員,(b)NoLand集合成員Fig.7 Composite precipitation rate of Typhoon Chanthu at 1200 UTC 12 September 2021 predicted by ensemble members(a) Land ensemble members, (b) NoLand ensemble members

從FY-4A衛(wèi)星紅外云圖,可以更清楚地了解東北象限對流活動的發(fā)展演變(圖8)。10日12時,臺風(fēng)中心位于臺灣海峽東南側(cè),內(nèi)核區(qū)對流活動旺盛,能看到清晰的臺風(fēng)眼區(qū)且在北側(cè)有螺旋雨帶,臺風(fēng)倒槽較為明顯;11日00—12時,臺風(fēng)中心靠近海峽地區(qū),強度稍有減弱,結(jié)構(gòu)組織開始松散;12日00—06時內(nèi)核區(qū)域的對流活動重新組織,但外圍由于地形摩擦,只在東北和西南象限有對流活動和螺旋雨帶;12日12時,內(nèi)核區(qū)域以及西南象限的對流活動有所減弱,而東北象限在強水汽輸送情況下對流旺盛,與EN06和ERA5再分析資料的降水結(jié)構(gòu)較為一致(圖6b和6c)。

圖8 臺風(fēng)燦都活動期間FY-4A(104.7°E)10.8 μm通道長波紅外增強圖Fig.8 FY-4A (104.7°E) long-wave infrared satellite image of 10.8 μm during Typhoon Chanthu

分析影響對流活動的環(huán)境和物理因子,對比兩個集合成員中層水汽,EN05內(nèi)核區(qū)域的水汽條件明顯高于EN06(大于5 g·kg-1的范圍),而EN06東北象限經(jīng)過水汽輸送存在大面積的高水汽帶,東南沿海地區(qū)的水汽卻明顯比EN05偏低(圖9a和9b);同一時刻ERA5再分析資料更接近EN06的水汽分布,西北及西南象限偏干空氣入侵內(nèi)核中心對該區(qū)域?qū)α骰顒拥某掷m(xù)發(fā)展和組織化是較為不利的(圖9c)。從熱力學(xué)條件出發(fā),對比兩個集合成員中低層溫度差,臺風(fēng)北側(cè)區(qū)域EN05溫度差較大的地方(14～16℃)位于內(nèi)核區(qū)及西北象限,而EN06位于臺風(fēng)中心北側(cè)及東北象限,ERA5再分析資料中整體中低層溫度差都較小(12～14℃),北側(cè)及東北象限存在小范圍溫度差較大的區(qū)域(圖9d～9f),中低層較大的溫度差會增加潛在不穩(wěn)定性,為該區(qū)域?qū)α骰顒拥陌l(fā)展提供較為有利的條件。從動力學(xué)角度,EN05和EN06內(nèi)核低層急流分別位于臺風(fēng)中心北側(cè)及東側(cè),氣旋性環(huán)流相應(yīng)在西北象限和東北象限有較強的輻合,對對流活動及DH項有較大的貢獻(圖9g和9h);同一時刻ERA5再分析資料更接近EN06的偏南急流,在臺風(fēng)中心偏北側(cè)及東北象限有較強輻合及對流活動發(fā)展。

注:黑點:集合成員預(yù)測臺風(fēng)中心位置以及業(yè)務(wù)實時定位的臺風(fēng)中心。圖9 2021年9月12日12時臺風(fēng)燦都(a～c)500 hPa比濕(填色)和流場,(d～f)700～500 hPa的溫度差(填色)和700 hPa流場,(g～i)925 hPa風(fēng)速(填色)和流場(a,d,g)EN05,(b,e,h)EN06,(c,f,i)ERA5再分析資料Fig.9 (a-c) The 500 hPa specific humidity (colored) and streamlines, and (d-f) 700-500 hPa temperature difference (colored) and 700 hPa streamlines, (g-i) 925 hPa wind speed (colored) and streamlines of Typhoon Chanthu at 1200 UTC 12 September 2021(a, d, g) EN05, (b, e, h) EN06, (c, f, i) ERA5 reanalysis data

4 業(yè)務(wù)實踐中的非絕熱加熱因子分析

從歐洲中期天氣預(yù)報中心精細化數(shù)值預(yù)報模式的結(jié)果來看,9日00時起報的臺風(fēng)路徑登陸臺灣,但沒有在東南沿海再次登陸,9日12時起報的路徑擦過臺灣海峽,然后在浙江北部登陸,但沒有深入內(nèi)地,10日12時起報,也就是上兩節(jié)中診斷分析的起報時間,臺風(fēng)路徑沿著臺灣海峽東側(cè)北上,在浙江北部登陸,然后在上海附近打轉(zhuǎn)回旋,到12日00時起報,此時臺風(fēng)已經(jīng)在臺灣東部近海領(lǐng)域,然而其路徑預(yù)報直接深入我國大陸且回旋數(shù)日(圖10)。單就是否登陸的結(jié)果來看,路徑預(yù)報的準確度在時效變短的情況下是逐漸下降的,穩(wěn)定性也較為欠缺。面對這種情況,在業(yè)務(wù)實踐中,預(yù)報員需要有分析思路來對模式預(yù)報做一些修正,以減小預(yù)報誤差,尤其是涉及到是否登陸。

圖10 歐洲中期天氣預(yù)報中心精細化數(shù)值預(yù)報模式(a)9日00時,(b)9日12時,(c)10日12時和(d)12日00時起報的臺風(fēng)路徑Fig.10 ECMWF-HRFS forecast TC tracks started from different initial times: (a) 0000 UTC 9, (b) 1200 UTC 9, (c) 1200 UTC 10, (d) 0000 UTC 12 September

對比不同時刻起報的EC_high模擬紅外云圖(圖略),9日00時和12時起報的12日12時對流活動基本呈偏東北—西南走向,和實際衛(wèi)星云圖觀測資料是較為一致的,該兩次預(yù)報也更為準確,而10日12時和12日00時起報的對流活動基本是呈南北走向,與衛(wèi)星觀測結(jié)果有較大區(qū)別(圖略),即臨近時次的預(yù)報在此例中效果更差。從實際衛(wèi)星觀測來看,12日12時杭州灣附近及沿海地區(qū)的對流降水并不強,主要的對流雨帶集中在較遠海域,而非對稱的積云對流和非絕熱加熱作用會一定程度影響臺風(fēng)路徑產(chǎn)生移動分量。根據(jù)實際衛(wèi)星云圖反映的臺風(fēng)結(jié)構(gòu),與模式預(yù)報的臺風(fēng)結(jié)構(gòu)或降水分布作對比,可以作為修正模式預(yù)報路徑的重要參考,有望修正甚至推翻10日12時和12日00時起報的預(yù)報結(jié)果,得出更好的路徑預(yù)報,即臺風(fēng)燦都很可能不登陸我國。

衛(wèi)星觀測作為海洋上最有利的觀測熱帶氣旋精細化結(jié)構(gòu)的手段,目前業(yè)務(wù)中主要用于臺風(fēng)結(jié)構(gòu)和強度分析,尚不足以用于路徑預(yù)報的修正參考。本例分析表明,在引導(dǎo)氣流較弱或臺風(fēng)路徑可能存在偏折的情況下,對比衛(wèi)星云圖反映的臺風(fēng)結(jié)構(gòu),尤其是外圍的對流發(fā)展態(tài)勢,與模式預(yù)報的臺風(fēng)結(jié)構(gòu)或?qū)α靼l(fā)展態(tài)勢的差別,可作為修正模式路徑預(yù)報的參考。當(dāng)然,現(xiàn)階段看,這一參考指征在短時效取得的效果會更好一些。在本例中,利用12日00時的9～12 h預(yù)報結(jié)果,與觀測的衛(wèi)星云圖做比對,可望得出更好的路徑預(yù)報,即預(yù)報“燦都”不太可能登陸。如果與10日12時或者更早的模式預(yù)報進行對比和推敲,也有利于增加決策信心。

5 結(jié)論與討論

本文通過位渦趨勢診斷方法對歐洲中期天氣預(yù)報中心集合預(yù)報系統(tǒng)(EC-EPS)臺風(fēng)燦都路徑預(yù)報差異較大的兩個集合成員進行診斷分析。預(yù)報路徑在12日12時開始產(chǎn)生分歧,EN05向西偏折登陸,而EN06則與中央氣象臺業(yè)務(wù)實時定位較為吻合,沿東南海岸線向北運動,沒有登陸。位渦趨勢診斷方法證實兩個成員均朝位渦趨勢一波分量最大的位置移動,同時診斷了水平平流(HA)、垂直平流(VA)和非絕熱加熱(DH)不同物理項對總體位渦趨勢的貢獻,大多數(shù)時刻HA的貢獻是最大的,接著是DH,VA的貢獻相對較小。路徑分叉的時刻位渦趨勢差異主要是由非絕熱加熱項的方向所引起的,EN05和EN06分別是向西北和東北的分量,與位渦趨勢方向是一致的,即DH對集合成員臺風(fēng)路徑差異的產(chǎn)生起到重要作用。在路徑分叉之后,兩個成員DH的方向又接近一致,但HA的方向產(chǎn)生了一些變化,EN05和EN06方向分別向西和向東偏移,也就是說HA(即引導(dǎo)氣流)對兩個成員間位渦趨勢以及臺風(fēng)分叉之后的移動路徑起主導(dǎo)作用。

從路徑分叉時刻非對稱的降水結(jié)構(gòu)分布和衛(wèi)星云圖可以看到EN05的對流和降水活動主要集中在內(nèi)核周圍以及東南沿海地區(qū),而EN06在東北象限外圍區(qū)域也存在較明顯的對流活動,與非絕熱加熱項的方向是較為一致的,即非對稱對流活動發(fā)展和加熱率的水平梯度對于臺風(fēng)移動在引導(dǎo)氣流偏弱的情況下可能會起到關(guān)鍵的作用,是DH項對臺風(fēng)路徑產(chǎn)生影響的直接原因。影響對流活動分布的環(huán)境和物理因子中,EN06東北象限存在大面積的高水汽帶,同時臺風(fēng)中心北側(cè)及東北象限存在中低層溫度差較大的區(qū)域,會增加潛在不穩(wěn)定,為該區(qū)域?qū)α骰顒拥陌l(fā)展提供較為有利的條件。另外,EN06臺風(fēng)中心東側(cè)存在低層偏南急流,氣旋性環(huán)流相應(yīng)在東北象限有較強的輻合,對對流活動及DH項有較大貢獻。

近海臺風(fēng)的路徑偏差會直接影響降水大風(fēng)的落區(qū)以及受災(zāi)的范圍,在臺風(fēng)業(yè)務(wù)預(yù)報中至關(guān)重要。但引導(dǎo)氣流較弱或臺風(fēng)路徑可能存在偏折的情況下,非絕熱加熱及對流活動,特別是外圍的不對稱對流活動會直接影響臺風(fēng)路徑。集合預(yù)報離散度較大或模式間存在一定偏差時,預(yù)報人員在綜合參考模式給出的臺風(fēng)路徑預(yù)報的基礎(chǔ)上,也可以多結(jié)合對比衛(wèi)星云圖反映的臺風(fēng)結(jié)構(gòu),尤其是外圍的對流發(fā)展態(tài)勢和非對稱結(jié)構(gòu),與模式預(yù)報的臺風(fēng)結(jié)構(gòu)或?qū)α靼l(fā)展態(tài)勢的差別,作為修正模式路徑預(yù)報的參考,為實際業(yè)務(wù)預(yù)判提供相應(yīng)幫助。目前本文只分析了“燦都”這一個個例,日后有必要對衛(wèi)星云圖臺風(fēng)非對稱對流結(jié)構(gòu)進行整體統(tǒng)計分析,進一步加強驗證。