高空冷涡对台风烟花(2106)路径的影响

2023-09-28王海平

应用气象学报 2023年5期

王海平

(国家气象中心, 北京 100081)

引言

数值模式对台风路径预报误差的产生存在诸多原因[1],如由副热带高压、高空冷涡、槽脊移动速度的预报误差、多系统相互作用以及台风尺度和结构的不确定性等引起的台风路径预报偏差等[2]。针对高空西风槽或热带对流层上层槽切断冷涡[3]等高空系统对台风路径预报影响的研究发现,数值模式和主观综合判断均难以准确预报高空冷涡及其切断过程,而高空冷涡的出现会对台风周围的引导气流产生重大影响,导致台风路径发生突变[4-5],如2010年莫兰蒂(1010)[6]、2018年云雀(1812)[7]等,均是受到高空冷涡影响导致路径异常。平均每年有大约73%的台风与高空冷涡相伴,其中又有20%高空冷涡与台风的距离在1.5°之内[8-9]。通过分段位涡反演技术[10-12]的敏感性试验发现,高空冷涡的存在严重影响台风的路径或强度[13-14]。因此,高空冷涡导致台风路径异常变化仍是目前国内外业务预报及科研面临的重要挑战之一。

高空冷涡通过改变台风上层环境引导气流进而影响台风移动[15-17]。依据位涡倾向方程诊断分析发现[18-19],当台风与高空冷涡南北向耦合时,台风趋向于位涡水平平流项的正值区[20],同时高空冷涡下层也易产生不稳定能量增强,两者均有利于台风向高空冷涡所在区域移动[5]。也有一些研究认为高空冷涡的强度变化并不总是台风北翘的决定因子[21]。另外,当台风和高空冷涡均较强,且相对距离在一定范围内时,两者易产生类似双台风的藤原效应[22]。近年各国热带气旋预报预警中心逐渐重视高空冷涡对台风路径和强度的影响,认为高空冷涡易导致台风移动方向和移动速度发生突然变化[4]。

2021年7月18日凌晨台风烟花(2106)(简称烟花)在西北太平洋生成,并向西偏北转西偏南方向缓慢移动。7月22日开始折向北偏西方向移动,25日12:30(北京时,下同)在浙江舟山沿海登陆,登陆后继续向西北方向缓慢移动,并于28日折向偏北方向移动,30日早晨在河北黄骅进入渤海并逐渐变性为温带气旋。烟花移动路径复杂多变,风雨影响范围广、强度大、持续时间长。数值预报与各国综合预报多次大幅度调整烟花预报路径,路径预报误差较大,特别是登陆点预报误差较大,对防灾减灾工作造成一定影响[23]。因此,本文将通过分析影响烟花路径的关键系统,特别是其与北侧高空冷涡活动的关系,找出模式误差的主要形成原因,研究西北太平洋高空冷涡对台风路径的影响,以期提高台风路径业务预报水平,并为数值模式改进提供依据。

1 数据与方法

本文用于分析台风活动特征所使用的实况数据为中国气象局台风最佳路径数据、FY-4A卫星云图水汽通道数据;用于分析台风模式预报的数据来自中国气象局区域中尺度台风数值预报系统(CMA-TYM,水平分辨率为0.09°×0.09°,垂直方向为68层)[24]、欧洲中期天气预报中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF,水平分辨率为0.25°×0.25°,垂直方向为19层)、美国环境预报中心(National Center for Environmental Prediction,NCEP,水平分辨率为0.5°×0.5°,垂直方向为17层)的台风确定性预报。ECMWF提供51个成员的集合预报产品,预报时效为12～120 h,水平分辨率为0.5°×0.5°;用于实况形势场和物理量场分析的是ECMWF发布的第5代全球气候再分析数据集ERA5,水平分辨率为0.25°×0.25°,垂直方向为37层,时间分辨率为1 h。高空冷涡中心的确定是参考卫星云图水汽通道图像,并根据ERA5风场数据得到水平流场,将200 hPa 上气旋性环流中心定为高空冷涡的中心[18]。

2 台风烟花北折路径的模式预报概况

2021年7月19日20:00起报的各国综合预报、模式确定性预报以及集合预报的绝大多数成员均预计烟花西行,并于24日在浙闽交界附近沿海登陆[23]。图1a为烟花7月19日20:00—24日20:00的最佳路径与7月19日20:00起报的ECMWF,NCEP和CMA-TYM确定性预报的0～120 h路径预报对比。由图1a可以看到,预报路径的方向和移动速度与实况差距较大。模式预报未能体现烟花在22日的移速减慢(图1c)和移动方向的南落,也未能表现之后的西北折,导致对登陆时间预报偏早,登陆地点预报偏南。7月20日20:00模式预报均调整为先西行再转为西北行,并在浙江北部沿海登陆(图1b),预报的登陆时间和登陆地点接近实况。因此,数值模式7月19日20:00起报的预报产生较大误差,120 h预报误差达到400～800 km,而7月20日20:00起报的预报误差明显减小,120 h预报误差为0～300 km (图1d),其中ECMWF确定性路径预报与实况最为接近。

图1 2021年7月19日20:00—24日20:00台风烟花最佳路径与数值模式120 h预报(a)7月19日20:00起报的路径预报比较,(b)7月20日20:00起报的路径预报比较,(c)7月19日20:00起报的移动速度与最佳路径移动速度比较,(d)7月19日与20日20:00起报的12～120 h路径预报误差比较Fig.1 The best track and numerical model 120 h track forecast of Typhoon In-Fa from 2000 BT 19 Jul to 2000 BT 24 Jul in 2021 (a)initiated at 2000 BT 19 Jul,(b)initiated at 2000 BT 20 Jul,(c)speed of the best track moving and numerical model forecast initiated at 2000 BT 19 Jul,(d)12-120 h track errors of numerical model initiated at 2000 BT 19 Jul and 2000 BT 20 Jul

续图1

3 台风烟花移动过程中高空冷涡的活动

在卫星水汽云图上,高空冷涡通常为较浅薄且云顶温度较低的卷云[25-26]。图2为2021年7月14日、17日、19日与22日08:00 FY-4A卫星水汽通道获得的烟花及其附近高空冷涡的图像。由图2可以看到,7月14日位于日本以南洋面附近的热带对流层上层出现高空冷涡,此后冷涡逐渐向我国黄海至东海东北部海域移动。冷涡东南侧、菲律宾以东洋面上的对流云团逐渐增强,并发展为台风。7月19日高空冷涡在我国黄海上空并入西风槽系统,结构较为松散,且云层厚度较为浅薄。此时烟花位于其东南方向约1400 km的洋面上。7月22日高空冷涡中心位于朝鲜半岛南部海面上空,水平尺度收缩减小,但云层结构更加厚实和紧密。烟花向西移动至台湾岛以东洋面,位于高空冷涡偏南方向约1100 km 处,强度已达到强台风级。

图2 2021年 7月14日、17日、19日与22日08:00 FY-4A卫星水汽云图(T表示台风烟花中心,C表示高空冷涡中心)Fig.2 FY-4A water vapor satellite imagery of Typhoon In-Fa at 0800 BT on 14 Jul,17 Jul,19 Jul and 22 Jul in 2021(T denotes the center of Typhoon In-Fa,C denotes the center of upper-tropospheric cold low)

由图3a可以看到,高空冷涡始终位于烟花的西北侧至北侧,且烟花并未像台风云雀(1812)和台风莫兰蒂(1010)一样向高空冷涡的方向移动,而是在7月18—19日生成初期缓慢向西北方向移动,19日08:00—20日08:00烟花移动距离约60 km,平均移动速度小于2.5 km·h-1,此时高空冷涡也向西北方向移动。7月22日02:00—23日02:00烟花向西偏南转西北方向缓慢移动,移动距离约为85 km,平均移动速度约为3.6 km·h-1,此时高空冷涡也向偏南或西偏南方向移动。

图3 台风烟花最佳路径(实线)与高空冷涡移动路径(虚线)(a)以及两者中心相对距离(b)Fig.3 The best track of Typhoon In-fa(the solid line) and the track of upper-tropospheric cold low(the dashed line)(a) and distance between their centers(b)

高空冷涡中心与台风中心的相对距离始终维持在1000～1500 km(图3b)。烟花生成初期向西偏北方向移动阶段,与高空冷涡中心的距离逐渐增大,由1300 km增大到1500 km,此时烟花的移动受高空冷涡影响可能减弱,以平均大约10～15 km·h-1的速度向偏西方向移动。尔后两者距离再次持续减小,由1500 km减小到1000 km, 烟花可能受到高空冷涡的影响移动速度再次减慢,并向西偏南方向移动。Patla等[5]认为两者距离在15°以内,且距离逐渐减小时,易发生相互作用。高空冷涡移动路径为近似顺时针方向。7月23日后高空冷涡逐渐减弱消失,烟花向北偏西方向移动,移动速度逐渐加快。

4 台风烟花异常路径成因

4.1 形势场

由2021年7月19日08:00 200 hPa位势高度场(图4a)可以看到,生成初期的烟花在高层的闭合环流弱,其西北侧上空是向南伸展至我国华东沿海且水平尺度较为宽广的西风槽系统,槽内冷涡向下伸展较浅,在500 hPa位势高度场上未见闭合环流,随后冷涡向下伸展的高度进一步收缩(图略)。副热带高压位于烟花北侧,范围覆盖日本海及日本以南洋面的上空。虽然高空冷涡中心与台风中心的水平距离约为1400 km,两者可能发生相互作用,但由于此时烟花强度较弱,向上伸展高度较低,其西北侧的高空冷涡向下伸展也较浅,烟花的移动并未直接受到高空冷涡的影响,而是主要受到副热带高压西南侧的东南气流引导,向西北方向移动。

图4 2021年7月19日08:00,22日08:00和23日20:00 200 hPa(蓝色等值线)和500 hPa(红色等值线)位势高度场(单位:gpm)Fig.4 Height of 200 hPa(the blue contour) and 500 hPa(the red contour) at 0800 BT 19 Jul and 22 Jul,and 2000 BT 23 Jul of in 2021(unit:gpm)

烟花强度逐渐加强至强台风级,对流高度也逐渐向上伸展。由7月22日08:00 500 hPa位势高度场(图4b)可以看到,烟花北侧的块状副热带高压再向北收缩至日本海上空,对烟花移动路径的引导进一步减弱。200 hPa高度场已清楚可见烟花的气旋性环流,其北侧的高空冷涡尺度收缩,但强度增强,结构趋于对称。此时高空冷涡与烟花的水平尺度相近,位置由烟花的西北侧移动至其偏北方向,并且与烟花的距离由1400 km减小到1000 km。研究发现,位于高空冷涡南侧向偏西方向移动的热带气旋路径受冷涡系统影响一般会偏向模式预报路径的左侧,且移动速度偏慢[4],这与烟花此时情形相符。且烟花的环流中心位于东西两个高压中间,这也限制了烟花的经向移动。因此,中层副热带高压引导偏弱和高层系统对烟花移动的牵制是导致烟花停滞少动的原因。

由7月23日20:00 500 hPa高度场(图4)可见,位于日本海上空的副热带高压继续向东北方向收缩,对烟花的引导作用较之前更加微弱。在200 hPa上,烟花北侧的高空冷涡进一步收缩直至减弱消散,高空冷涡所在西风槽继续加深,经向度增加。烟花受西风槽前西南气流与中层东南气流共同影响转向北偏西方向移动,移动速度逐渐增加。因此,高空冷涡存在并向偏南方向缓慢移动期间,烟花并未被吸引北上,高空冷涡减弱消失后,西风槽前偏南引导气流进一步增强。由此可见,高层引导对烟花路径的北折起重要作用。

4.2 引导气流

台风移动主要受引导气流影响,而能够影响台风移动的引导气流厚度取决于台风强度[27-29]。本文采用距离台风中心5～7个经纬距圆环平均环境风计算引导气流[30-31]。由烟花活动过程中各层引导气流(图5)可以看到,在台风生成初期(7月17—20日),强度为热带风暴级时,虽然高层存在西风槽南侧强的偏西风引导气流,但由于烟花向上伸展高度低于200～300 hPa,因此其移动主要受500 hPa以下的中低层引导气流影响,向西北方向移动。

当烟花增强到强台风等级时(7月22日),伸展高度已经达到200 hPa以上,其移动受到整层引导气流的影响,但由图5可以看到,此时烟花的整层引导气流明显偏弱。高空冷涡位于烟花正北侧,使得200 hPa引导气流存在较弱的北偏西分量(图5b,黑色方框内),对烟花路径的影响是向偏东南方向的引导,抑制其西行。因此,烟花路径移动缓慢且出现向偏南方向移动分量。23日后对流层中下层为弱的东南风引导,高层为相对较强的偏南气流引导,烟花转向北偏西方向移动,移动速度加快。

图5 2021年 7月17—29日ECMWF确定性模式分析场计算得到的1000 hPa至100 hPa平均引导气流(蓝线)(红线为台风路径)(a)以及整层引导气流分布(b)Fig.5 Mean steering flow(the blue line) from 1000 hPa to 100 hPa(the red line denotes the track of typhoon)(a) and vertical steering flow distribution(b) of Typhoon In-Fa based on ECMWF deterministic model from 17 Jul to 29 Jul in 2021

4.3 相对涡度

由7月19日08:00和22日08:00穿过烟花中心和高空冷涡中心的相对涡度垂直剖面(图6)可以看到,7月19日08:00高空冷涡虽然水平尺度大,但强度较小,冷涡中心最大值为1×10-4s-1,位于200 hPa,0.5×10-4s-1等值线向下伸展至350 hPa。烟花也处于强度较弱阶段,200 hPa最大涡度值约为1.5×10-4s-1。因此,该阶段高空冷涡对烟花的影响并不明显。7月22日08:00烟花已加强为强台风级,200 hPa最大涡度增大到约3×10-4s-1。此时高空冷涡中心最大值增大到约2.5×10-4s-1,仍位于200 hPa,与烟花的距离减小。0.5×10-4s-1等值线向下伸展至600 hPa,且冷涡垂直结构向烟花一侧倾斜,与烟花产生相互引导的可能性明显增强。

图6 2021年7月19日和22日08:00经过台风中心和高空冷涡中心连线的相对涡度垂直剖面(单位:10-4 s-1)Fig.6 Vertical profile of relative vorticity passing the line between the typhoon center and the upper-tropospheric cold low center at 0800 BT on 19 Jul and 22 Jul in 2021(unit:10-4 s-1)

5 影响台风烟花路径关键系统的数值预报

将ECMWF集合预报分别在7月19日20:00与7月20日20:00起报的所有集合成员分为西行组(共62个成员)、西北行组(共17个成员)和北上或转向组(共13个成员)(图7),分别将西行组成员和西北行组成员的200 hPa流场72 h预报进行合成(图8)发现,西行组集合预报对烟花北侧西风槽系统预报较浅,西北行组集合预报对烟花北侧高空冷涡系统预报较强,明显更接近实况,因此对烟花移动速度和折向偏北方向移动的位置把握较好。可见,数值模式对高空冷涡系统的预报质量是决定烟花路径预报质量的重要方面。

由ECMWF确定性数值模式在不同高度层的平均引导气流(图9)可见,7月19日20:00预报的西行路径引导气流的中高层(500 hPa至100 hPa)平均和中低层(1000 hPa至500 hPa)平均较为一致的指向偏西方向,直到靠近台湾岛后转为指向西北方向。7月20日20:00预报的引导气流在烟花西行阶段较19日预报明显偏弱,特别是高层引导不明显,烟花在中低层弱引导下向偏西方向移动。在折向北偏西方向移动过程中,高低层引导气流差异明显,低层引导气流指向西偏北方向,而高层引导气流指向北偏东方向,高低层气流的共同引导作用是导致烟花移动路径出现更明显偏北分量的原因。

由上述分析可知,模式对烟花初次登陆点预报的误差主要源于高空冷涡预报不佳以及对流层中下层引导气流预报偏强。通过比较7月19日20:00 500 hPa 高度场的预报与分析场发现,对烟花预报移速偏快,路径偏西,对高空冷涡预报偏弱的成员,预报的位于日本海上空的副热带高压略偏强,烟花北侧的5840 gpm等值线位置预报明显偏南(图10)。对烟花移速和移动方向预报接近实况,对高空冷涡预报质量较好的成员,预报的副热带高压相对较弱,更接近实况,烟花北侧5840 gpm等值线的位置预报也接近分析场。对台风莫兰蒂(1010)[6]和菲特(1323)[32]的研究也证明高空冷涡的发展有利于副热带高压的东退。

图10 ECMWF在2021年7月19日20:00起报的西行组(a)和西北行组(b)的72 h 500 Pa高度场集合预报(红色等值线)和分析场(蓝色等值线)(单位:gpm)(黑线为最佳路径,棕线为预报路径)Fig.10 Composited 500 hPa height of forecast(the red contour) and analysis field(the blue contour) for westbound group members(a) and northwest group members(b) in ECMWF 72 h forecast initiated at 2000 BT 19 Jul 2021(unit:gpm)(the black curve denotes the best track,the brown curve denotes the forecast track)

因此,数值模式确定性预报和集合预报均显示,对高空冷涡预报偏弱的模式均预报烟花偏西行,产生严重路径预报误差。成功预报高空冷涡位置和强度的模式均较好地预报了烟花的西北行路径。可见高空冷涡的预报质量严重影响了台风路径预报的准确性(图略)。目前数值模式对高空冷涡的预报质量仍然存在较大误差,难以预报或预报偏弱[5]。对烟花路径预报过程中也发现,台风的移动对于高空冷涡的形态和位置较为敏感。因此,提高数值模式对高空冷涡的预报质量[33],是改进数值模式台风路径预报的重要方面。

为加强国产数值预报模式的检验评估和应用[34-36],对比分析了CMA-TYM与ECMWF模式对烟花北侧高空冷涡的预报质量。由200 hPa流场和风速图(图11)可以看到,CMA-TYM模式7月19日20:00起报的72 h烟花预报较ERA5分析场明显偏强,而对高空冷涡的预报并不清楚。ECMWF模式7月19日20:00起报的72 h烟花预报强度明显偏弱,其北侧的高空槽预报较为平直,高空冷涡强度也较弱,且位置较实况明显偏东。

图11 2021年7月22日200 hPa流场(流线)和风速(填色)(a)CMA-TYM 19日20:00起报,(b)ECMWF 19日20:00起报,(c)CMA-TYM 20日20:00起报,(d)ECMWF 20日20:00起报,(e)ERA5 22日20:00分析场Fig.11 200 hPa wind stream field(the streamline) on 22 Jul 2021 and wind speed diagram(the shaded)(a)CMA-TYM forecast initiated at 2000 BT 19 Jul,(b)ECMWF forecast initiated at 2000BT 19 Jul,(c)CMA-TYM forecast initiated at 2000 BT 20 Jul,(d)ECMWF forecast initiated at 2000 BT 20 Jul,(e)analysis fields of ERA5 at 2000 BT 22 Jul

CMA-TYM模式7月20日20:00起报的48 h烟花强度预报仍明显偏强,而对北侧高空冷涡系统有所体现,但强度预报较实况仍明显偏弱,位置偏西(图11c)。ECMWF模式对烟花高层的强度预报与实况较为接近,对北侧高空冷涡的预报比CMA-TYM强,但较实况场仍偏弱(图11d)。可见,与文献[5]一致,数值模式对高空冷涡的预报效果仍然较差,即使在48 h时效仍存在较大预报误差,需要进一步改进。