2022年西北太平洋和南海臺風(fēng)活動特征和預(yù)報難點分析*

錢奇峰 董 林 許映龍 周冠博 王 皘

國家氣象中心,北京 100081

提 要：利用1949—2021年中國氣象局臺風(fēng)最佳路徑資料、2022年中央氣象臺臺風(fēng)路徑和強度實時業(yè)務(wù)資料、歐洲中期預(yù)報中心ERA-Interim逐6 h再分析資料等,對2022年西北太平洋和南海臺風(fēng)活動的主要特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明:2022年,臺風(fēng)活動的階段性、群發(fā)性特征明顯,生成位置偏北偏西,登陸我國的臺風(fēng)數(shù)量偏少、強度偏強,自2019年以來,已連續(xù)4年登陸臺風(fēng)個數(shù)偏少。預(yù)報誤差分析表明,在臺風(fēng)生成初期、臺風(fēng)與西風(fēng)帶結(jié)合后轉(zhuǎn)向以及多臺風(fēng)(低壓)活動期間的路徑預(yù)報誤差較大。進(jìn)一步分析臺風(fēng)暹芭、梅花和軒嵐諾的預(yù)報難點,結(jié)果表明:“暹芭”北側(cè)的大陸高壓和高層急流的預(yù)報偏差是導(dǎo)致后期路徑預(yù)報調(diào)整的主要原因;“梅花”登陸后陸上路徑預(yù)報偏差主要由模式對引導(dǎo)氣流的預(yù)報偏差所致;“軒嵐諾”路徑和強度變化復(fù)雜,在其快速加強和快速減弱的速率、結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的強度波動和尺度變化等方面存在預(yù)報偏差。

引 言

我國海岸線綿長,并且地處全球熱帶氣旋(tropical cyclone,TC)發(fā)生頻次最高、強度最大的北太平洋西側(cè),是世界上受熱帶氣旋災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一。隨著我國沿海地區(qū)的經(jīng)濟規(guī)模和人口不斷增長,熱帶氣旋造成的災(zāi)害損失日益嚴(yán)重(許映龍等,2010;錢傳海等,2012;陳聯(lián)壽等,2012;楊夢琪等,2023),如2006年的0604號臺風(fēng)碧利斯先后在臺灣宜蘭和福建霞浦沿海登陸后,深入我國內(nèi)陸并長時間維持,致使我國華南和江南南部出現(xiàn)歷史罕見的持續(xù)性強降水,引發(fā)山洪爆發(fā)等次生災(zāi)害,直接經(jīng)濟損失達(dá)348.29億元(張恒德和孔期,2007;魯亞斌等,2007;錢傳海等,2009)。又如河南“21·7”特大暴雨事件,2021年在臺風(fēng)煙花遠(yuǎn)距離影響的有利背景下,源源不斷的水汽在黃淮地區(qū)形成持續(xù)性偏東風(fēng)水汽輸送,在低渦、切變線和輻合線的共同作用下,引發(fā)河南強降水(向純怡等,2022a;任宏昌和張恒德,2022;汪小康等,2022;岳健等,2023)。鄭州、新鄉(xiāng)、鶴壁和安陽等20個國家級氣象站日降水量突破建站以來歷史極值;過程最大降水量達(dá)1122.6 mm,鄭州站日降水量達(dá)624.1 mm,是建站以來最大日降水量的3.4倍。近年來我國臺風(fēng)預(yù)報取得了較大進(jìn)展,但此類的高致災(zāi)性臺風(fēng)仍時有發(fā)生,特別是在臺風(fēng)異常變化的預(yù)報、臺風(fēng)精細(xì)化預(yù)報、臺風(fēng)災(zāi)害預(yù)評估等能力方面,還不能滿足防臺減災(zāi)需求(曹莉等,2018;李澤椿等,2020;陳博宇等,2020;周冠博等,2022b;呂心艷等,2022)。臺風(fēng)預(yù)報事關(guān)國家安全和百姓的生命財產(chǎn),不斷提高我國臺風(fēng)預(yù)報準(zhǔn)確率,最大限度地減輕災(zāi)害損失,總結(jié)和分析每年的西北太平洋和南海臺風(fēng)的活動特征和預(yù)報難點具有重要的科學(xué)意義(高拴柱等,2018;董林等,2019;呂心艷等,2021;周冠博等,2022a;向純怡等,2022b)。

本文利用1949—2021年中國氣象局(CMA)臺風(fēng)最佳路徑資料(Ying et al,2014),2022年中央氣象臺臺風(fēng)路徑和強度實時預(yù)報資料,歐洲中期天氣預(yù)報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)的ERA-Interim逐6 h 再分析資料(水平分辨率為0.25°× 0.25°)(Yamaguchi and Majumdar,2010),對2022年西北太平洋和南海臺風(fēng)活動的主要特征進(jìn)行分析,總結(jié)2022年臺風(fēng)預(yù)報誤差,對業(yè)務(wù)中出現(xiàn)的主要預(yù)報難點問題進(jìn)行探討,以期為未來臺風(fēng)業(yè)務(wù)預(yù)報和研究提供參考。

全文基于審圖號GS(2019)3082號的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作,底圖無修改。

1 2022年西北太平洋和南海臺風(fēng)活動特征

1.1 臺風(fēng)生成特征

2022年,西北太平洋和南海共有25個臺風(fēng)生成,與多年(1991—2020年,下同)平均(25.1個)基本持平(圖1a),平均臺風(fēng)極值強度為33.0 m·s-1,較多年平均(37.3 m·s-1)偏弱。2022年的25個臺風(fēng)的平均生成位置(19.7°N、134.5°E)較常年平均(16.1°N、136.3°E)偏北(3.6°)、偏西(1.8°)(圖1b)。其中,在南海生成的“土臺風(fēng)”有3個(2203號“暹芭”、2207號“木蘭”和2219號“?？ā?,較多年平均偏少1.5個。此外,有15個臺風(fēng)生成于20°N以北,多年平均則為6.3個,非常罕見。

注:臺風(fēng)符號:2022年臺風(fēng)生成位置。圖1 (a)1949—2022年西北太平洋和南海臺風(fēng)逐年生成個數(shù)與(b)2022年臺風(fēng)生成位置和1949—2021年生成源地密度(單位:個)分布Fig.1 (a) Yearly number of typhoons generated in 1949-2022 and (b) the typhoon’s generating location in 2022 and density distribution of typhoon generation sources in 1949-2021 in the Northwest Pacific and the South China Sea

相比于多年臺風(fēng)逐月生成數(shù)(圖2),2022年4月、9月和10月臺風(fēng)生成數(shù)超過多年平均,秋臺風(fēng)(9—11月)活動頻繁,共有13個臺風(fēng)生成,占全年總數(shù)的52%。秋臺風(fēng)活動又呈現(xiàn)兩個階段,一是9月8—28日,21 d內(nèi)西北太平洋和南海共生成7個臺風(fēng),平均3 d生成1個臺風(fēng);二是10月14—31日,18 d內(nèi)生成5個臺風(fēng),平均3.6 d生成1個臺風(fēng),群發(fā)特征明顯。

圖2 與2022年和多年平均的逐月生成臺風(fēng)個數(shù)Fig.2 Monthly number of typhoons generated from 1991 to 2020, and in 2022

1.2 臺風(fēng)活動特征

1.2.1 多臺風(fēng)活動頻繁

2022年,西北太平洋和南海臺風(fēng)活動的階段性、群發(fā)性特征明顯,25個臺風(fēng)中有20個均伴有多臺風(fēng)活動,只有5個臺風(fēng)單獨存在,較多年平均單獨活動的臺風(fēng)數(shù)(10.6個)明顯偏少。按照Ren et al(2020)提出的雙臺風(fēng)定義,當(dāng)西北太平洋和南海的2個臺風(fēng)同時存在的距離在1800 km以內(nèi),且共同存在時間在12 h及以上時,則定義為雙臺風(fēng)事件。2022年共出現(xiàn)了4次雙臺風(fēng)事件(表1),其中“馬勒卡”和“鲇魚”、“桑達(dá)”和“翠絲”為典型雙臺風(fēng),其路徑呈現(xiàn)相互靠近和互旋的現(xiàn)象,“鲇魚”受雙臺風(fēng)作用,其環(huán)流及減弱后的殘渦長時間(近72 h)在菲律賓中部附近回旋少動,持續(xù)強降水引發(fā)了山體滑坡等次生災(zāi)害,造成菲律賓重大人員傷亡。

表1 2022年西北太平洋和南海出現(xiàn)的雙臺風(fēng)事件Table 1 Binary typhoon events in the Northwest Pacific and the South China Sea in 2022

1.2.2 臺風(fēng)快速增強多發(fā)

一些臺風(fēng)在發(fā)展過程中會出現(xiàn)強度迅速增強的階段,被稱為快速增強(rapid intensification,RI),業(yè)務(wù)上通常將臺風(fēng)24 h最大風(fēng)速增加超過15 m·s-1認(rèn)為發(fā)生了RI。對RI的預(yù)報是業(yè)務(wù)難點之一,也是臺風(fēng)強度預(yù)報誤差的主要來源(周冠博,2022a)。2022年西北太平洋和南海生成的25個臺風(fēng)中,有8個經(jīng)歷了RI,分別為“馬勒卡”“蝎虎”“軒嵐諾”“梅花”“南瑪都”“奧鹿”“洛克”“納沙”(表2)。其中,以“奧鹿”24 h強度增幅為最大,達(dá)到了42 m·s-1,并且在生命史中發(fā)生了2次RI。 首先從9月23日20:00(8級,20 m·s-1)至25日05:00增強到了17級以上(62 m·s-1);隨后由于受菲律賓呂宋島影響,“奧鹿”強度有所減弱,但在南海再次發(fā)生快速增強,最大24 h強度增幅仍達(dá)20 m·s-1。從RI持續(xù)時間來看,“奧鹿”2次RI過程累計持續(xù)時間達(dá)80 h,在8個臺風(fēng)中RI的持續(xù)時間最長,其次是“軒嵐諾”,也達(dá)到了54 h。值得注意的是,“軒嵐諾”在東海強度也發(fā)生了2次增強,雖然并未達(dá)到RI的標(biāo)準(zhǔn),但也使其重新加強為超強臺風(fēng),這也是2022年西北太平洋和南海的臺風(fēng)預(yù)報難點之一。

表2 2022年西北太平洋及南海出現(xiàn)的臺風(fēng)快速增強事件Table 2 Rapid intensification events of typhoons in the Northwest Pacific and the South China Sea in 2022

從RI發(fā)生的位置來看,大多數(shù)臺風(fēng)的RI均發(fā)生在西北太平洋,但“納沙”的RI和“奧鹿”的第二次RI均發(fā)生在南海。從RI發(fā)生的時間來看,主要發(fā)生在8—9月,但“馬勒卡”和“納沙”的RI分別發(fā)生在4月中旬和10月中旬。

1.3 臺風(fēng)登陸特征

2022年共有4個臺風(fēng)(“暹芭”“木蘭”“馬鞍”“梅花”)登陸我國沿海(圖3),其中,“暹芭”從廣東電白登陸后,穿過廣東、廣西進(jìn)入湖南,之后“暹芭”減弱后的低壓環(huán)流及其殘留云系繼續(xù)北上影響我國中東部至東北部地區(qū),受影響的省份達(dá)17個。另外“梅花”登陸浙江舟山后,又接連登陸上海奉賢、山東青島和遼寧大連,是1949年有完整臺風(fēng)記錄以來首個在不同省份4次登陸的臺風(fēng),并且登陸強度均在熱帶風(fēng)暴級或以上,造成較大范圍的風(fēng)雨影響。

圖3 2022年西北太平洋和南海登陸臺風(fēng)路徑Fig.3 Tracks of landfall typhoons from the Northwest Pacific and the South China Sea in 2022

1.3.1 登陸臺風(fēng)偏少偏強

2022年登陸臺風(fēng)數(shù)明顯偏少(圖4a),較常年同期(7.2個)偏少3.2個,為近30年(1991年以來)登陸臺風(fēng)并列最少(1997年和1998年登陸臺風(fēng)均為4個)。同時,自2019年以來,已連續(xù)4年登陸臺風(fēng)個數(shù)偏少。

圖4 1991—2022年登陸我國臺風(fēng)(a)個數(shù)和(b)平均登陸強度Fig.4 (a) The number of typhoons making landfall on China and (b) their average landfall intensity from 1991 to 2022

從登陸地段來看,除了2212號臺風(fēng)梅花以外(表3),另外3個臺風(fēng)均在廣東西部登陸,登陸地段集中。從登陸強度來看(圖4b),4個臺風(fēng)平均首次登陸強度為33.3 m·s-1,略強于多年平均(32.3 m·s-1),其中除2207號臺風(fēng)木蘭外,首次登陸強度均達(dá)到了臺風(fēng)級及以上。

表3 2022年登陸我國臺風(fēng)一覽表Table 3 List of the typhoons making landfall on China in 2022

1.3.2 風(fēng)雨影響及災(zāi)害

2022年的4個登陸臺風(fēng)均對我國造成了不同程度的影響(表3)。其中,“暹芭”登陸后深入內(nèi)陸,導(dǎo)致多個省份先后出現(xiàn)強降雨,超過60個測站的日雨量達(dá)到特大暴雨量級,廣東茂名信宜大成鎮(zhèn)日最大降水量達(dá)695.6 mm,海南三亞國家氣象觀測站日降雨量(421.6 mm)突破當(dāng)?shù)赜袣庀笥涗浺詠砣战涤炅繗v史極值。特別是在廣東,雨區(qū)與6月極端龍舟水災(zāi)情雨區(qū)重疊,出現(xiàn)了流域性洪水。

“梅花”成為1949年有完整臺風(fēng)記錄以來登陸浙江舟山以及登陸上海的最強臺風(fēng),浙江、山東等地部分地區(qū)累計降水量達(dá)250～500 mm,最大降水量為浙江余姚夏家?guī)X的707 mm,山東煙臺福山日降水量突破建站以來歷史極值(王皘等,2023)。但由于氣象預(yù)警發(fā)布及時、災(zāi)害防御得力,并未造成人員死亡。

2022年臺風(fēng)災(zāi)害造成20個省份共計429.8萬人受災(zāi),247.9萬人緊急避險轉(zhuǎn)移,800余間房屋倒塌,1800余間不同程度損壞,農(nóng)作物受災(zāi)面積達(dá)15.93萬hm2,其中絕收面積為1.14萬hm2?？傮w數(shù)據(jù)表明,2022年臺風(fēng)災(zāi)害造成的損失為2000年以來最低值。

2 2022年臺風(fēng)預(yù)報誤差分析

2.1 路徑預(yù)報誤差

2022年中央氣象臺對西北太平洋及南海生成的25個臺風(fēng)的24、48、72、96、120 h各時效主觀路徑的預(yù)報誤差分別為72、138、184、221、334 km(圖5a),與過去5年(2017—2021年)各時效的平均誤差(73、129、197、260、342 km)相比,其中24、72、96、120 h分別減小了1.4%、6.6%、15.0%和2.3%,48 h則增加了7.0%,該誤差數(shù)據(jù)由中央氣象臺業(yè)務(wù)定位數(shù)據(jù)計算得到。

圖5 2004—2022年中央氣象臺逐年臺風(fēng)平均(a)路徑和(b)強度預(yù)報誤差Fig.5 The average (a) track and (b) intensity forecast error of typhoons by CMA from 2004 to 2022

誤差負(fù)貢獻(xiàn)臺風(fēng)指該臺風(fēng)的平均誤差大于全年平均誤差。根據(jù)每個臺風(fēng)的預(yù)報樣本誤差(e)和年平均預(yù)報誤差(E),可以認(rèn)為當(dāng)e

(1)

式中:當(dāng)QE描述某個預(yù)報時效時,n為該臺風(fēng)該預(yù)報時效的樣本數(shù),N為全年臺風(fēng)該預(yù)報時效總樣本數(shù)。

根據(jù)式(1),計算2022年全部25個臺風(fēng)在各預(yù)報時效的QE,并將其從小到大排序,表4給出了2022年臺風(fēng)路徑誤差負(fù)貢獻(xiàn)(即QE<0)的排名。其中,路徑誤差較大臺風(fēng)主要有“洛克”“梅花”“尼格”“馬鞍”“暹芭”“南瑪都”等,這些臺風(fēng)也往往是預(yù)報難點所在,下文選取典型個例“暹芭”“梅花”,對大誤差產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析。

表4 2022年臺風(fēng)路徑和強度負(fù)貢獻(xiàn)排名Table 4 Negative contribution ranking of typhoon tracks and intensities in 2022

進(jìn)一步將中央氣象臺路徑預(yù)報誤差分解為沿臺風(fēng)移動方向上移速誤差和移向誤差(王皘等,2022)(圖6a),發(fā)現(xiàn)2022年造成臺風(fēng)預(yù)報誤差的主要是移速誤差,即路徑移動方向上預(yù)報位置和實況的差異往往大于移向上偏離的差異,這也是某些臺風(fēng)即使路徑趨勢預(yù)報較為準(zhǔn)確,但預(yù)報誤差仍然較大的因素,如臺風(fēng)梅花。

圖6 2022年中央氣象臺臺風(fēng)路徑預(yù)報(a)移速和移向誤差,(b)預(yù)報誤差空間分布Fig.6 (a) Moving speed and direction errors and (b) spatial distribution of forecast errors of typhoon track forecasts by CMA in 2022

另外,若以臺風(fēng)實況為坐標(biāo)原點,將臺風(fēng)相應(yīng)預(yù)報時效的預(yù)報位置距實況的距離偏差分解成經(jīng)向和緯向,并利用式(2)計算平均,得到臺風(fēng)路徑預(yù)報誤差的空間分布特征(圖6b)。

(2)

式中:Bias為平均偏差,代表臺風(fēng)預(yù)報的偏差大小和方向,F代表路徑預(yù)報,O代表實況,i表示第i個樣本,N為樣本總數(shù)。由圖6b可見,中央氣象臺的路徑預(yù)報總體較實況偏向南側(cè),其中24～72 h平均偏差較小,但96～120 h平均偏差明顯增大,96 h和120 h分別約為100 km和200 km。

2.2 強度預(yù)報誤差

2022年中央氣象臺24、48、72、96、120 h各時效主觀強度預(yù)報誤差分別為3.9、6.0、6.4、6.4、6.4 m·s-1(圖5b),與過去5年(2017—2021年)各時效的平均誤差(3.8、5.1、5.7、6.4、6.4 m·s-1)相比,24、96、120 h的強度預(yù)報誤差基本持平,但48 h和72 h預(yù)報分別明顯增加了17.6%和12.3%。

由表2和表4可見,2022年臺風(fēng)強度預(yù)報誤差較大的臺風(fēng)大多發(fā)生了快速增強。分別計算了2022年發(fā)生快速增強的8個臺風(fēng)及其余17個非快速增強臺風(fēng)的平均強度預(yù)報誤差(圖7),圖中同時對全年平均強度預(yù)報誤差進(jìn)行對比?？梢?快速增強組的平均強度預(yù)報誤差較非快速增強組各時效誤差增幅均超過1倍。因此,快速增強臺風(fēng)的預(yù)報誤差是臺風(fēng)強度預(yù)報誤差的主要來源。

圖7 2022年快速增強、非快速增強及全年臺風(fēng)平均強度預(yù)報誤差Fig.7 Comparison of forecast errors of rapid intensification, non-rapid intensification and annual average typhoon intensity in 2022

3 2022年臺風(fēng)預(yù)報難點分析

從登陸臺風(fēng)的預(yù)報來看,有2個臺風(fēng)出現(xiàn)了較大的預(yù)報偏差,一個是臺風(fēng)暹芭在生成初期的長時效路徑預(yù)報偏西。中央氣象臺預(yù)計“暹芭”將在登陸后轉(zhuǎn)向偏西方向移動,在廣西南部緩慢西行或者原地回旋,實況是“暹芭”登陸后轉(zhuǎn)向北偏東方向移動并進(jìn)入湖南南部。這樣的路徑預(yù)報偏差,一方面導(dǎo)致長時效預(yù)報誤差較大,同時還造成了較大的降水預(yù)報偏差。另外一個是臺風(fēng)梅花登陸后的路徑,中央氣象臺預(yù)計其將在登陸后從浙江北部或江蘇南部轉(zhuǎn)向偏西方向緩慢移動,并在深入內(nèi)陸的過程中逐漸減弱填塞,但實況是“梅花”在浙江登陸后繼續(xù)向偏北方向快速移動,分別在上海、山東和遼寧再次登陸,影響華東和東北等地?！懊坊ā钡穆窂筋A(yù)報偏差造成了山東、遼寧等地的降水預(yù)報偏差。

另外,臺風(fēng)軒嵐諾也是一個極難預(yù)報的個例,在其發(fā)生發(fā)展的不同階段經(jīng)歷了多種過程,而且“軒嵐諾”的路徑、強度及結(jié)構(gòu)變化之間存在復(fù)雜的相互作用,當(dāng)前臺風(fēng)研究領(lǐng)域的諸多前沿問題在其生命史中均有體現(xiàn)。

3.1 臺風(fēng)暹芭的長時效路徑預(yù)報難點分析

臺風(fēng)暹芭的長時效路徑預(yù)報出現(xiàn)明顯偏差,主要原因是確定性和多個集合模式對影響“暹芭”路徑的關(guān)鍵系統(tǒng)出現(xiàn)了預(yù)報偏差,以下將從環(huán)流形勢、關(guān)鍵系統(tǒng)、訂正思路三個方面對預(yù)報難點進(jìn)行分析。

從6月28日起報的確定性模式長時效500 hPa預(yù)報場上可以看到(圖8a),“暹芭”登陸后其北側(cè)是寬廣的鞍型場,同時距離北側(cè)的西風(fēng)帶低槽比較遠(yuǎn),說明此時對流層中層對臺風(fēng)登陸后向北的引導(dǎo)氣流并不明顯。850 hPa風(fēng)場也表明“暹芭”附近環(huán)境場中風(fēng)速較弱,說明低層對臺風(fēng)移動的引導(dǎo)不明確。而東側(cè)臺風(fēng)艾利附近的季風(fēng)流入更強,有利于其進(jìn)一步加強。一旦“艾利”的強度超過“暹芭”且緯度高于“暹芭”,2個臺風(fēng)可能會出現(xiàn)明顯的雙臺風(fēng)效應(yīng),西臺風(fēng)暹芭將西行或回旋。從高空200 hPa的流場來看(圖8b),“暹芭”北側(cè)為南壓高壓脊線,由于高壓脊線的阻擋作用,導(dǎo)致“暹芭”的高空出流與西風(fēng)急流不相連,這也是不支持臺風(fēng)北行的重要信號。因此,通過“暹芭”生成初期起報的環(huán)流形勢分析可見,“暹芭”登陸后其周邊高低空各層的環(huán)境條件和東側(cè)臺風(fēng)艾利的發(fā)展趨勢均不支持其北行的路徑預(yù)報。

直到7月1日20:00的實況、分析場及預(yù)報場才出現(xiàn)“暹芭”將北行的明顯信號,特別是東側(cè)臺風(fēng)艾利的強度并沒有像預(yù)期那樣加強。從7月1日20:00的云導(dǎo)風(fēng)圖(圖略)可以看出,臺風(fēng)北側(cè)的高空出流已有與北側(cè)西風(fēng)急流相連的跡象。從預(yù)報場及分析場對比不難看出,在環(huán)流形勢的中早期支持預(yù)報員預(yù)測臺風(fēng)后期將西行的幾個關(guān)鍵系統(tǒng)都發(fā)生了變化。7月3日20:00的500 hPa分析場顯示(圖8c),“暹芭”北側(cè)大陸上的鞍型場寬度明顯很小,而850 hPa的風(fēng)場也顯示東側(cè)臺風(fēng)艾利強度發(fā)展不如預(yù)期,同時“暹芭”東側(cè)偏南季風(fēng)更強,意味著中低層的引導(dǎo)氣流有利于“暹芭”向偏北方向移動;在200 hPa高空流場上(圖8d),阻擋“暹芭”北行的南壓高壓脊線位于臺風(fēng)的西側(cè),臺風(fēng)北側(cè)與槽前的西風(fēng)急流連接,為“暹芭”北行打開了出流通道。由于預(yù)報場的明顯調(diào)整,7月2日08:00中央氣象臺對臺風(fēng)暹芭的長時效(72～120 h)預(yù)報路徑由原來的西折慢行調(diào)整為向偏北方向移動。

從形勢場分析中可以看出,影響“暹芭”路徑的關(guān)鍵系統(tǒng)可能為500 hPa大陸上的鞍型場和200 hPa槽前急流,下文將通過典型集合成員環(huán)流形勢對比的方式對以上結(jié)論進(jìn)行驗證。從6月30日20:00起報的72 h集合預(yù)報成員中挑選了2個有代表性的成員進(jìn)行對比分析,其中22號成員預(yù)報“暹芭”路徑是所有集合成員中最偏西的(圖9a),43號成員預(yù)報“暹芭”路徑與實況最接近(圖9b)?？梢钥闯?在22號成員200 hPa流場預(yù)報中,“暹芭”與其北側(cè)的出流處于分離的狀態(tài),而在500 hPa高度場預(yù)報中,大陸高壓和西太平洋副熱帶高壓合并,說明集合預(yù)報中的22號成員對中層的大陸高壓預(yù)報得偏強,而對高層“暹芭”北側(cè)的高空出流與西風(fēng)帶系統(tǒng)相連估測不足。這2個偏差與前文提到的確定性模式的長時效預(yù)報及分析場所得結(jié)論一致,說明“暹芭”的路徑偏差與北側(cè)高空出流和高壓區(qū)有明顯的聯(lián)系。另外,也利用CMA臺風(fēng)模式不同起報時間的預(yù)報結(jié)果進(jìn)行了對比分析(圖略),臺風(fēng)艾利、200 hPa西風(fēng)急流的位置和大陸上500 hPa鞍型場所在位置的預(yù)報是調(diào)整最大的區(qū)域。

注:藍(lán)色方框表示臺風(fēng)暹芭與中緯度系統(tǒng)相互作用區(qū)域。圖9 2022年6月30日20:00起報ECMWF集合預(yù)報(a)22號和(b)43號成員對臺風(fēng)暹芭和艾利的路徑預(yù)報(紅色點線)、200 hPa流場(流線)和500 hPa位勢高度場 (等值線,單位:dagpm)Fig.9 Track forecast (red dotted line), 200 hPa flow field (streamline) and 500 hPa geopotential height field (contour, unit: dagpm) of typhoons Chaba and Aera by (a) No.22 and (b) No.43 members of ECMWF ensemble models initiated from 20:00 BT 30 June 2022

在臺風(fēng)的影響系統(tǒng)復(fù)雜且多數(shù)模式出現(xiàn)預(yù)報偏差時,預(yù)報員對模式的訂正十分困難,但是通過以下三個方面的改進(jìn),可以在今后業(yè)務(wù)中遇到類似情況時提供一些思路:(1)積累預(yù)報經(jīng)驗,通過天氣學(xué)分析確定影響臺風(fēng)的關(guān)鍵系統(tǒng)并及時追蹤關(guān)鍵系統(tǒng)的預(yù)報調(diào)整;(2)深度挖掘集合預(yù)報資料,及時針對集合成員的預(yù)報進(jìn)行檢驗,通過對不同時刻起報的集合成員的檢驗,及時調(diào)整預(yù)報,增加與實況更接近集合成員的權(quán)重;(3)研發(fā)確定關(guān)鍵系統(tǒng)的客觀方法。

3.2 臺風(fēng)梅花登陸后陸上路徑預(yù)報難點分析

臺風(fēng)梅花登陸后陸上路徑預(yù)報出現(xiàn)明顯偏差(圖10a),造成偏差出現(xiàn)的原因主要是模式對影響“梅花”路徑的引導(dǎo)氣流預(yù)報偏差所致,下文將從環(huán)流形勢演變和引導(dǎo)氣流變化對預(yù)報難點進(jìn)行分析。

圖10 2022年臺風(fēng)梅花(a)實況路徑(藍(lán))及預(yù)報路徑(紅)和(b)9月12日20:00起報的CMA、ECMWF、NCEP集合預(yù)報路徑Fig.10 (a) Observed (blue) and forecast (red) tracks of Typhoon Muifa and (b) the ensemble forecast tracks from CMA, ECMWF and NCEP initiated at 20:00 BT 12 September 2022

臺風(fēng)梅花登陸的前一日和登陸當(dāng)日(9月13—14日),集合和確定性模式預(yù)報“梅花”將在登陸后轉(zhuǎn)向偏西方向移動(圖10b),其中CMA集合全部成員均預(yù)報“梅花”將在浙江溫嶺到舟山一帶沿海登陸,且登陸后繼續(xù)向偏西方向深入內(nèi)陸;ECMWF和NCEP的集合預(yù)報的大部分成員的也預(yù)報出現(xiàn)西調(diào),只有少部分成員預(yù)報了偏北移動的趨勢。中央氣象臺在綜合分析后選取了多數(shù)模式的預(yù)報,認(rèn)為“梅花”登陸后將轉(zhuǎn)向偏西方向移動,并可能在江蘇、安徽等地緩慢移動或長時間滯留,但檢驗表明主觀路徑預(yù)報明顯偏于實況路徑西側(cè)。

從環(huán)流形勢分析可見,“梅花”登陸后的路徑預(yù)報出現(xiàn)偏差,多數(shù)模式預(yù)報“梅花”將在登陸后移入弱引導(dǎo)氣流環(huán)境,出現(xiàn)長時間回旋或在陸上滯留的可能性比較大。預(yù)報員考慮到9月13日500 hPa東亞槽(圖略)將減弱東退,導(dǎo)致大陸高壓將與西北太平洋副熱帶高壓合并。因此根據(jù)東側(cè)有熱帶系統(tǒng)發(fā)展有利于西側(cè)熱帶系統(tǒng)路徑西行的預(yù)報經(jīng)驗,將“梅花”的預(yù)報路徑向西做了調(diào)整,登陸點調(diào)整至寧波象山沿海,登陸后將繼續(xù)向西北方向移動,進(jìn)入弱引導(dǎo)氣流區(qū)。這導(dǎo)致預(yù)報路徑偏向?qū)崨r西側(cè),出現(xiàn)了較大誤差。

根據(jù)13日08:00的500 hPa形勢(圖略),模式高度場預(yù)報跟實況比較接近,西北太平洋副熱帶高壓較預(yù)報略強,副熱帶高壓和大陸高壓脊合并加強后比較有利于“梅花”13日白天轉(zhuǎn)向西北行,但從500 hPa的風(fēng)場來看,“梅花”中心南側(cè)的偏西急流實況較預(yù)報偏強4 m·s-1,亦略強于北側(cè)的偏東急流,這不利于“梅花”出現(xiàn)西行的分量,此外13日08:00“梅花”上空北側(cè)存在非常強盛的西南急流出流,“梅花”本體附近的偏南引導(dǎo)氣流更明顯,而在14日起“梅花”800 hPa以上引導(dǎo)氣流明顯加強,整層平均引導(dǎo)氣流更是達(dá)到10 m·s-1以上,這有利于“梅花”加速北上,并沒有出現(xiàn)模式預(yù)報的回旋甚至滯留現(xiàn)象。

因此,預(yù)報員在預(yù)報臺風(fēng)路徑時,不僅要關(guān)注形勢場的演變,同時也需要關(guān)注引導(dǎo)氣流的強弱,同時結(jié)合影響臺風(fēng)路徑的關(guān)鍵系統(tǒng)演變對模式的預(yù)報方向和速度進(jìn)行訂正,可減小類似的預(yù)報偏差。

3.3 臺風(fēng)軒嵐諾的路徑和強度預(yù)報難點分析

近幾十年來,全球各海域熱帶氣旋的路徑和強度預(yù)報均有所改進(jìn)。但數(shù)值模式對熱帶氣旋在路徑和強度中出現(xiàn)突變的預(yù)報能力依然不足。路徑和強度突變問題對主客觀預(yù)報都是一個具有挑戰(zhàn)性的問題(Elsberry et al,2013)。尤其是強度突變,如強度快速加強或快速減弱(Fei et al,2020;Wang et al,2022),對主觀預(yù)報具有很大挑戰(zhàn)性。2022年11號臺風(fēng)軒嵐諾是一個罕見的臺風(fēng)個例,當(dāng)前臺風(fēng)研究領(lǐng)域的諸多前沿問題在其生命史中均有體現(xiàn)。在其發(fā)生發(fā)展的不同階段,“軒嵐諾”先后經(jīng)歷了生成初期強度快速增強、路徑突變、雙渦旋合并、尺度顯著增大、強度快速減弱、雙眼墻結(jié)構(gòu)、眼壁替換及典型的變性過程(Wang et al,2023),而且“軒嵐諾”的路徑、強度及結(jié)構(gòu)變化之間存在復(fù)雜的相互作用。

“軒嵐諾”生成于海表面溫度高于29℃的廣闊暖洋面上,生成初期即開始快速增強,直至發(fā)展成為超強臺風(fēng),在琉球群島以東達(dá)到其極值強度(62 m·s-1,915 hPa),24 h內(nèi)最大加強速率高達(dá)27 m·s-1,其快速增強過程長達(dá)54 h,在“軒嵐諾”達(dá)到最大強度的過程中,外層雙眼墻逐漸形成,并在24 h內(nèi)完成眼壁替換過程,眼壁替換后,中國、美國、日本各家主觀預(yù)報發(fā)布的定強結(jié)果均表示“軒嵐諾”的強度略有下降。

在“軒嵐諾”增強及眼壁替換過程中,出現(xiàn)了雙渦旋的相互作用和渦旋合并現(xiàn)象。在此過程中,“軒嵐諾”的移動速度高達(dá)30 km·h-1,臺風(fēng)尺寸也呈增大趨勢,在高速移動過程中尺度增加是比較罕見的現(xiàn)象。8月30日下午至9月1日,“軒嵐諾”和其南側(cè)的熱帶低壓發(fā)生互旋合并,導(dǎo)致其出現(xiàn)歷史罕見的路徑、強度和結(jié)構(gòu)突變。由于“藤原效應(yīng)”,“軒嵐諾”和其南側(cè)的熱帶低壓發(fā)生氣旋式互旋,2個系統(tǒng)的距離由805 km(8月30日14:00)減小至408 km(9月1日08:00),最終熱帶低壓并入“軒嵐諾”東北方向,絲縷化成為其外圍螺旋雨帶的一部分(王皘和董林,2022)。由圖11衛(wèi)星可見光圖像可見,“軒嵐諾”云系的直徑從320 km擴大到約520 km。根據(jù)美國聯(lián)合臺風(fēng)警報中心發(fā)布的臺風(fēng)風(fēng)圈半徑數(shù)據(jù),合并后“軒嵐諾”的8級大風(fēng)的第四象限平均半徑有所增加。同時,其10級大風(fēng)半徑也有所增加,即臺風(fēng)內(nèi)核和外核尺寸在渦旋合并的過程中都有所增大(Wang and Wang,2013)。

圖11 2022年(a)8月31日14:00和(b)9月1日08:00 FY-4A衛(wèi)星可見光云圖Fig.11 FY-4A visible imagery (0.65 μm) at (a) 14:00 BT 31 August and (b) 08:00 BT 1 September 2022

在上述渦旋合并后,“軒嵐諾”螺旋云帶范圍擴大,移速逐漸減慢?！败帊怪Z”的移動路徑呈現(xiàn)西—西偏南—西南—南—北—東北的“V型”特征,其中8月31日至9月2日在臺灣以東停滯或回旋,在此階段“軒嵐諾”位于副熱帶高壓內(nèi),在巴士海峽以東的海上徘徊(圖12a),并導(dǎo)致其所經(jīng)海域出現(xiàn)明顯的冷尾流(Wang et al,2023)。吞并南側(cè)的熱帶低壓后,“軒嵐諾”強度快速減弱,其中心附近底層最大風(fēng)速由62 m·s-1(9月1日14:00)下降到38 m·s-1(9月2日20:00),強度減弱速率為24 h減弱22 m·s-1,是一次強度快速減弱過程。隨著副熱帶高壓形態(tài)的演變,“軒蘭諾”逐漸向偏北方向移動(圖12b),并在我國東海再度加強為超強臺風(fēng)(圖12c),之后在與中緯度系統(tǒng)的相互作用下經(jīng)歷變性過程,最終于9月6日20:00在日本海海面轉(zhuǎn)化為溫帶氣旋。

注:加粗等值線表示588 dagpm線。圖12 2022年9月(a)1日08:00,(b)3日08:00和(c)5日08:00的200 hPa 急流(填色: > 30 m· s-1)、500 hPa高度場(等值線,單位:dagpm)和850 hPa風(fēng)場(風(fēng)羽)Fig.12 The 200 hPa jet (colored: > 30 m· s-1), 500 hPa geopotential height (contour, unit: dagpm), and 850 hPa wind field (barb) at (a) 08:00 BT 1, (b) 08:00 BT 3, and (c) 08:00 BT 5 September 2022

對于“軒嵐諾”復(fù)雜的路徑和強度變化,中央氣象臺成功預(yù)報了其早期的快速加強、渦旋合并和大“V”型路徑轉(zhuǎn)折。但也出現(xiàn)了多處預(yù)報偏差,一是對早期快速增強速率的預(yù)測偏小,導(dǎo)致快速加強過程中的24、36、48 h強度預(yù)報分別出現(xiàn)-20、-27、-34 m·s-1的負(fù)偏差;二是在其眼墻替換的過程中,外眼墻收縮、內(nèi)眼墻減弱消散造成的強度波動亦未能在預(yù)報中很好地體現(xiàn)。從以上分析可以看出,在業(yè)務(wù)中準(zhǔn)確預(yù)測臺風(fēng)強度和結(jié)構(gòu)的快速變化依然面臨巨大挑戰(zhàn)。

4 結(jié)論與討論

對2022年西北太平洋和南海臺風(fēng)的活動特征和預(yù)報難點進(jìn)行了分析和總結(jié),主要結(jié)論如下:

(1)2022年臺風(fēng)源地整體偏北,其中有15個臺風(fēng)生成于20°N以北,非常罕見;臺風(fēng)群發(fā)性特征明顯,25個臺風(fēng)中有20個均伴有多臺風(fēng)活動。共有4個臺風(fēng)登陸我國,其中3個登陸廣東西部,1個登陸浙江;平均登陸強度略強于多年平均,除臺風(fēng)木蘭外,首次登陸強度均達(dá)到了臺風(fēng)級及以上;自2019年以來,已連續(xù)4年登陸臺風(fēng)個數(shù)偏少。

(2)預(yù)報誤差分析表明,在臺風(fēng)生成初期、臺風(fēng)與西風(fēng)帶結(jié)合后轉(zhuǎn)向以及多臺風(fēng)(低壓)活動期間的路徑預(yù)報誤差較大;從誤差分解上看,臺風(fēng)移速誤差大于移向誤差;從誤差方位看,路徑預(yù)報總體偏向?qū)崨r南側(cè);主要的強度預(yù)報誤差來源于強度突變個例,既包括快速增強也包括快速減弱階段。

進(jìn)一步對“暹芭”“梅花”“軒嵐諾”3個臺風(fēng)的預(yù)報難點分析發(fā)現(xiàn):①模式對“暹芭”北側(cè)的大陸高壓和高層急流的預(yù)報偏差是導(dǎo)致后期路徑預(yù)報出現(xiàn)調(diào)整的主要原因,可以通過天氣分析、實時檢驗和關(guān)鍵系統(tǒng)識別等多方面的工作推進(jìn)對預(yù)報偏差的及時訂正;②“梅花”出現(xiàn)登陸后陸上預(yù)報偏差是模式對引導(dǎo)氣流的預(yù)報偏差所致,預(yù)報員不僅要及時分析環(huán)流形勢的演變和調(diào)整,也需關(guān)注引導(dǎo)氣流等臺風(fēng)路徑和強度診斷量的預(yù)報;③“軒嵐諾”的路徑和強度變化復(fù)雜,中央氣象臺在其生成初期快速加強、渦旋合并和大“V”型轉(zhuǎn)折路徑的預(yù)報中把握較好,但是對快速加強和快速減弱的速率、結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的強度波動和尺度變化等方面有預(yù)報偏差,這種復(fù)雜臺風(fēng)的準(zhǔn)確預(yù)報依賴于臺風(fēng)機理方面的研究進(jìn)展和數(shù)值預(yù)報對臺風(fēng)結(jié)構(gòu)的精細(xì)預(yù)報能力的提升。

此外,2022年臺風(fēng)預(yù)報中還存在不少預(yù)報難點和科學(xué)問題:在路徑預(yù)報方面,中央氣象臺對“馬鞍”“尼格”等登陸點或影響范圍在不同的預(yù)報階段均進(jìn)行了較大調(diào)整;另外,遠(yuǎn)海轉(zhuǎn)向臺風(fēng)馬勒卡、洛克的預(yù)報誤差較大,本文限于篇幅原因不能逐一開展分析,待未來開展進(jìn)一步研究。在強度預(yù)報方面,雖然預(yù)報準(zhǔn)確率的提升不大,但近年來越來越多的研究開始關(guān)注臺風(fēng)強度突變與其內(nèi)部結(jié)構(gòu),以及多尺度相互作用的關(guān)系,期待在相關(guān)領(lǐng)域取得研究進(jìn)展并應(yīng)用于實際預(yù)報,以提高對臺風(fēng)的預(yù)報和服務(wù)能力,減輕災(zāi)害損失。