要预判台风的威力,得给它量量“三围”

百家 作者:果壳 2021-07-24 15:30:58 阅读:350

今年第6号台风“烟花”与第7号台风“查帕卡”相继在西太平洋上出现,预计将登陆我国沿海地区,这里大院er提醒各地的小伙伴,时刻关注天气信息,尤其是台风登陆区域的朋友们,一定要做好相关防范措施~


不知道大家有没有注意到这样的信息:在7月20日14时, “烟花”的七级风圈半径为180-300公里,十级风圈半径为60公里;“查帕卡”的七级风圈半径80-100公里,十级风圈半径40公里,十二级风圈半径20公里。(以上数据均来源于http://typhoon.zjwater.gov.cn/default.aspx)


图片来源 | 中央气象台


台风各级风圈大小就是台风的“三围”了,关注它们对我们评估台风致灾影响范围和程度非常重要,那么,台风的“三围”是怎么测量出来的?


风场长啥样?当局者迷,登高者清


台风风圈与台风低层风场密切相关,在解答“台风风圈是什么”这个问题之前,需要先了解台风低层风场的分布形态。


早在宋徽宗宣和五年,徐兢在《宣和奉使高丽途径》中就描述了台风的来势汹汹:“痴风之作,连日怒号不止,四方莫辨”。除了台风的路径与强度之外,人们发现台风引起的风暴潮、沿海漫滩等次生灾害主要与台风的低层风场有关,台风低层风场的变化也逐渐受到人们的重视。


2019年9号台风“利奇马”登陆前后的卫星云图 | @中央气象台 微博


正所谓“当局者迷”,早年间并没有卫星观测这样的“天眼”存在,在台风裹挟下的人们只能感其凶悍,但难辨其形。最早解开台风低层风场形态的是1879年时任上海徐家汇观象台台长的能恩斯(Marcus Dechvrens),他通过上海徐家汇观象台的自记仪器所记录的台风过境时的风压等数据,极富想象力地手绘出该台风的风场结构图。令人称奇的是,在有限的观测资料下,这一凭借想象力与感知力绘出的台风结构图与现代气象卫星云图上呈现出的台风形态极为相像。


1879年(a)台风过境上海前后的气压记录以及(b)能恩斯手绘的该台风结构图 | 雷小途《中国台风科研业务百年发展历程概述》


随着观测技术水平的不断提高,高时空分辨率的台风观测资料使人们能够进一步了解台风低层风场的精细结构。与“水往低处流”的规律相似,在没有施加其他外力的前提下,大气中的气流从高压区域流向低压区域。而台风中心是个低压中心,因此气流会从四面八方涌来,不断向台风中心汇集,在北半球呈现出逆时针旋转的涡旋形态,并且台风中心气压越低,近中心附近涌入的气流风速也越大。


2021年南半球22号热带气旋Marian 3月6日06时(世界时)风场图 | Multiplatform Tropical Cyclone Surface Winds Analysis NOAA)


基于精细观测资料绘制出的台风风场中布满了密密麻麻的风向标,不仅让不少人看得头晕眼花,还有可能引发密集恐惧症。有没有更为简单明了的方式能够刻画台风低层风场的结构呢?答案是肯定的。


在将台风的结构近似视为对称规则的圆形后,人们把方位平均后的低层风场风速画在一个以台风中心为原点,以半径为横轴,风速为纵轴的坐标系中,这样就得到了台风低层风场的径向分布廓线。通过这条曲线,便能直观地把握台风低层风速是如何随离台风中心的距离而变化的——靠近台风中心位置是个无风区,随半径向外风速近似成线性增长,在达到最大风速后,随半径向外风速又逐渐衰减直至趋近于0。


两条形态不同的台风低层风场径向分布图


都知道乾坤圈、甜甜圈那风圈是个什么圈?


如果你掌握了上述台风低层风场的径向分布廓线,那么我们就可以来解答“台风风圈是什么”这个问题啦。


根据风速径向廓线,在最大风速半径外,当方位平均风速衰减至一定大小时,与之对应的是距离台风中心的半径大小。若在台风中心以该半径画一个圈,便得到一个风圈,表示的就是最大风速半径外,台风低层风场中大于某一特定风速的风场所覆盖的范围。


像健美专家用三围来衡量模特人体形态一样,台风低层风场的结构特征也可以用特殊的“三围”——不同的风圈大小来描述。在业务中,台风的“三围”分别指其12级、10级和7级风圈的半径大小,即在最大风速半径外,近地面风速衰减至32.7、24.5以及17.2m/s时离台风中心的距离。


在台风低层风场风速径向廓线上确定7级(绿线)、10级(蓝线)、12级(红线)风圈大小示意图


从形状上来看,风圈并不是规则对称的圆圈。由于与台风相互作用的环境系统以及下垫面的复杂性,大部分台风风场都呈现出非对称结构。为了简洁地描述这种非对称性,台风风圈被分成了四个象限(即东北、西北、西南、东南象限)。西北太平洋上的台风大多活跃于副热带高压的西部到西南部,而台风又是个低压系统,相较于台风西部风场,其东部具有更大的气压差,因此造成了台风最外围7级风圈的平均东部风圈大于西部风圈。


不同象限台风(a)7级(b)10级(c)12级平均风圈半径箱线图(图片来源:向纯怡等《多平台热带气旋表面风场资料在台风结构分析中的应用》)


不同强度的风圈具有不同的预报指示意义:7级风圈表示台风主体环流所带来的大风的影响范围,一般以其半径来衡量台风尺度;10级风圈反映台风强风暴的影响范围,是台风防御的重要参考指标;12级风圈的出现意味着达到了台风级别,是判断台风强灾害范围和影响程度的重要依据。


2019年9号台风“利奇马”8月7号17时各级风圈大小 | 中国天气


收集不同台风的“三围”,能估计台风的身材


在了解台风低层风场结构后,如何预报未来风场的变化,做好预警,就是气象预报员们重点要关注的问题了。但登场的台风各具秉性脾气,各有各的不同,预报员们该如何是好呢?


如荀子所言:“千举万变,其道一也”。虽然每个台风风场不尽相同,根据每时每刻变化的风场都能得到一条不一样的径向风速廓线。但这些廓线的基本特征是一致的,也就能用数学方程组来进行描述。在掌握近似刻画台风低层风场的廓线方程后,只要调控方程中的关键参数,就能对看似变化莫测的台风风场有大致把握。


改进的二维低层风场方程组,V表示风速,r表示与台风中心的距离,θ表示方位角,表示最大风速,表示最大风速半径,a表示一波不对称程度,x为形状参数


风廓线方程的部分参数与台风中心的位置、移动速度以及强度有关,反映的是台风的“个性”;而另一部分通过历史资料拟合得到的参数,反映的是同一个大洋上台风的“共性”。进一步研究发现,台风风圈变化通常不会十分迅速,其大小具有一定的持续性。因此,基于气候性和持续性这两个特性,科研人员构建了风圈预报的“气候持续性模型”(CLIPER),能根据实时的风圈数据预报未来的风圈变化。


利用“气候持续性”模型(CLIPER)对2005年6月23日的Franklin飓风的风圈预报结果。| Knaff et al. Statistical Tropical Cyclone Wind Radii Prediction Using Climatology and Persistence.2007)


随着人们对“台风之谜”的刨根问底,影响台风风场变化的因子一个个浮出水面(如台风的中心位置、强度、环境湿度、海表温度、以及环境背景环流等)。观测资料的不断丰富与积累,也使人们能够尝试从统计的角度构建台风风圈预报的数学模型。例如,大气物理研究所陈光华研究员团队将最佳子集线性多元回归模型运用到台风的风圈预报上,该成果已在《气候与环境研究》2021年第一期上发表。模型对7级风圈未来12小时的趋势预报和大小预报具有较好的效果,但当对7级风圈未来24小时的变化趋势进行预报时,只对某一尺度范围内的台风具有较好的预报效果。


各个物理因子与台风尺度变化的相关情况。| 饶晨泓等《最佳子集多元线性回归模型在热带气旋风圈变化预报中的应用》2021)


由于自然世界的复杂性,在目前有限的理论知识和观测数据的基础上,人们只能通过把握主要矛盾、简化问题的做法来认识复杂多变的台风风场结构。以上介绍的风圈预报方法虽然从不同的角度出发,且预报的准确性还有待提高,但都在实际的预报业务中派上了用场。也许在未来的某一天,随着对台风认识的不断深入,我们不仅能准确测量台风的“三围”,还能了解更多台风的秘密。


参考文献

[1] Knaff, John, A, et al. Statistical Tropical Cyclone Wind Radii Prediction Using Climatology and Persistence[J]. Wea. Forecasting, 2007, 22(4):781-791.

[2] 饶晨泓, 陈光华, 陈可鑫, 等. 最佳子集多元线性回归模型在热带气旋风圈变化预报中的应用[J]. 气候与环境研究, 2021, 26(1): 115−122.

[3] 向纯怡, 吴立广, 田伟,等. 多平台热带气旋表面风场资料在台风结构分析中的应用[J]. 气象, 2016, 042(011):1315-1324.

[4] 雷小途. 中国台风科研业务百年发展历程概述[J]. 中国科学:地球科学, 2020(03):321-338.


作者单位:中国科学院大气物理研究所


本文经授权转载自中科院官方科普微平台科学大院(ID:kexuedayuan),如需二次转载请联系原作者。

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