基于一種統(tǒng)計方法的近海臺風風雨分布應用

鄭群峰，王蕊，陳潛，趙春陽，王書欣，李明華

（1.深圳市氣象臺，廣東深圳 518040；2.深圳市國家氣候觀象臺，廣東深圳 518040；3.深圳南方強天氣研究重點實驗室，廣東深圳 518040）

深圳地處華南沿海，臺風災害影響嚴重［1］，臺風預報預警倍受市民和防災減災部門重視。隨著科技的發(fā)展，我國臺風預報業(yè)務取得長足的進步，臺風路徑預報水平基本達到國際先進水平［2］，集合數(shù)值預報方法以及釋用技術(shù)的研究和應用日趨成熟［2-4］，學者們在臺風大風和暴雨落區(qū)方面的研究取得了許多的進展［5-10］。在利用歷史資料方面，相似臺風預報方法也為臺風風雨預報提供一定的參考［11-12］。在深圳臺風決策服務中發(fā)現(xiàn)，為科學地進行各區(qū)防災資源的分配調(diào)度，防災部門對臺風風雨精細化預報需求日益增加，主要包括風雨的空間分布形態(tài)及中心風險區(qū)域等信息，對精細化程度的要求也不斷加大，而目前臺風風雨落區(qū)的精細化預報仍是業(yè)務中的難點。那么在區(qū)域自動站監(jiān)測網(wǎng)日益完善的背景下，如何利用高密度歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)為臺風風雨精細化預報加持？基于此思考，本研究通過一種統(tǒng)計方法進行臺風風雨預估，為預報員進一步精細化的臺風風雨分布形態(tài)和中心區(qū)的預報提供多一種參考。

1 資料與方法

本研究所用資料包括1997—2019年上海臺風研究所整編的最佳臺風路徑集［13］和深圳區(qū)域氣象自動站的小時雨量和小時極大風速資料。為了分析臺風在近海區(qū)域不同位置對深圳風雨影響空間分布情況，將1997—2017年期間對深圳有影響的臺風按路徑位置進行網(wǎng)格處理，網(wǎng)格區(qū)域為110°E—120°E，18°N—28°N，網(wǎng)格分辨率為0.5°×0.5°，共100個網(wǎng)格，將經(jīng)過同一網(wǎng)格的N個臺風路徑點，對應的N組深圳風雨實況作為基礎數(shù)據(jù)，按照一定的統(tǒng)計方法進行數(shù)據(jù)處理，得到一組統(tǒng)計數(shù)據(jù)，即經(jīng)過該網(wǎng)格的臺風對深圳風雨影響的氣候統(tǒng)計結(jié)果。

1.1 對深圳有風雨影響臺風

按照深圳市氣象臺的業(yè)務規(guī)定，對深圳有明顯風雨影響的臺風可以分為明顯風雨影響等級和嚴重風雨影響等級［1］。

1.2 統(tǒng)計方法

本研究的基本思路為對多組樣本的數(shù)據(jù)進行處理，包括實況排名、統(tǒng)一量級、按站點平均、數(shù)值量級匹配等步驟，具體如圖1所示。第1步實況排名，經(jīng)過某一個網(wǎng)格的臺風路徑點為N個，每個臺風路徑點對應一組風（雨）實況數(shù)據(jù)（6 h累計雨量或6 h內(nèi)極大風速），則共有N個數(shù)據(jù)組，每個數(shù)據(jù)組包含站號信息（第1列）和實況數(shù)據(jù)（第2列），對同一個數(shù)據(jù)組內(nèi)的實況數(shù)據(jù)按數(shù)值從大到小排序，排名值賦予第3列；第2步統(tǒng)一量級（按排名平均），將N個排名相同的實況數(shù)據(jù)（第2列）做平均，并將平均值替代原實況數(shù)據(jù)（第2列）；第3步按站點平均，在第2步處理后的數(shù)組基礎上，將N個站號相同的實況數(shù)據(jù)（第2列）做平均，最終獲得一組統(tǒng)計數(shù)據(jù)K（P），其中P為區(qū)域自動氣象站的站數(shù)；第4步數(shù)值量級匹配，根據(jù)當前臺風路徑點的強度，從網(wǎng)格內(nèi)挑選強度相差在1級以內(nèi)的歷史臺風路徑點，并從這些臺風對應的實況數(shù)據(jù)中挑選最大值M1，與K（P）中的最大值M2對應，得到系數(shù)R＝M1／M2，K′（P）＝R×K（P），K′（P）可作為臺風經(jīng)過該網(wǎng)格時深圳風雨分布和中心風險區(qū)域的估算。

圖1 計算原理示意圖

1.3 網(wǎng)格主方向

由于臺風路徑是影響臺風風雨分布的關鍵因子之一［3］，本研究中通過對臺風移動方向與網(wǎng)格主方向一致性的判斷，確定上述統(tǒng)計方法是否適用，從而進一步提升統(tǒng)計方法的可參考性。按照NW（90°—180°）、NE（0°—90°）、SW（180°—270°）、SE（270°—360°）4個方位對網(wǎng)格內(nèi)的臺風路徑移動方向進行分類。當網(wǎng)格內(nèi)某一種移動方向數(shù)目超過網(wǎng)格內(nèi)全部方向數(shù)目的1／2時，將該移動方向稱為該網(wǎng)格的主方向。

2 臺風個例分析

2.1 臺風信息

2018—2019年期間共有3個臺風嚴重影響深圳（圖2），分別為1804號“艾云尼”、1822號“山竹”以及1907號“韋帕”，其中“山竹”影響最嚴重，為1983年以來對深圳風雨綜合影響最嚴重的臺風。

圖2 2018—2019年嚴重影響深圳的臺風路徑

（1）“山竹”于2018年9月7日在西北太平洋洋面上生成，16日17：00（北京時，下同）在廣東省臺山海宴鎮(zhèn)登陸，登陸時中心附近最大風力14級（45 m／s），造成深圳出現(xiàn)大暴雨，局部特大暴雨的降水和14～16級最大陣風。

（2）“艾云尼”于2018年6月2日14：00在南海北部加強為熱帶風暴，先后在湛江徐聞、海南?？诤完柦Ａ陯u3次登陸，受其和西南季風疊加影響，深圳連續(xù)3 d出現(xiàn)大暴雨。

（3）“韋帕”于2019年7月30日17：00在南海生成，先后以熱帶風暴等級在海南文昌、湛江坡頭區(qū)登陸，受其外圍環(huán)流影響，深圳出現(xiàn)大暴雨和9～10級最大陣風。

2.2 臺風網(wǎng)格主方向

對于臺風“山竹”、“艾云尼”和“韋帕”，統(tǒng)計每個路徑點前后3 h內(nèi)深圳全市平均雨量值和平均最大陣風值，并選取每個臺風過程中對深圳影響最嚴重的3個路徑點。對比臺風移動方向與網(wǎng)格主方向（表1），在9個臺風路徑點中，有5個路徑點的臺風移動方向與網(wǎng)格主方向一致，分別經(jīng)過網(wǎng)格編號4、13、21、26和34，值得注意的是，其中有2個臺風路徑點都經(jīng)過網(wǎng)格編號21，且臺風移動方向相反。

表1 臺風移動方向與網(wǎng)格主方向?qū)?/p>

2.3 效果分析

在網(wǎng)格主方向與臺風移動方向不一致時，統(tǒng)計方法的預估結(jié)果與實況差異較大，這里暫不作分析，以下主要給出兩者方向一致時的效果分析。

1）強臺風“山竹”：16日08：00、14：00“山竹”分別位于深圳的東南方和偏南方，經(jīng)過網(wǎng)格編號26和34。從圖3和圖4可以看出，EC預報、統(tǒng)計方法預估均與實況較一致，能較好的反映出深圳風雨自東向西加強、14：00有60 mm以上降雨和13級以上陣風等特征。從分布形態(tài)細節(jié)上看，統(tǒng)計方法預估對風雨分布的刻畫比EC預報結(jié)果更精細，特別是對強降雨中心落區(qū)位于深圳東部和南部沿海地區(qū)和對于陣風中心落區(qū)由大鵬區(qū)、鹽田區(qū)向西擴展至羅湖、福田等中心城區(qū)的描繪，更接近實況；從量級上看，EC預報和統(tǒng)計方法預估與實況均存在一定差異，且風雨較弱時量級差異更明顯。

圖3 “山竹”期間深圳降雨實況和統(tǒng)計方法預估的降雨分布（單位：mm）

2）熱帶風暴“韋帕”：31日14：00、20：00臺風“韋帕”分別位于深圳西南方的網(wǎng)格編號4和13內(nèi)。從圖5可以看出，統(tǒng)計方法雖然也能預估出降雨中心均位于深圳南部和東部，但降雨量級明顯偏小，且對降雨分布形態(tài)的預估表現(xiàn)明顯較“山竹”期間偏差。

圖4 “山竹”期間深圳陣風實況和統(tǒng)計方法預估的陣風分布（單位：m／s）

圖5 “韋帕”期間深圳降雨實況和統(tǒng)計方法預估的降雨分布（單位：mm）

3）同網(wǎng)格下不同臺風移動方向：臺風“韋帕”和“艾云尼”均經(jīng)過了網(wǎng)格編號21。從圖6可以看出，對于移動方向與網(wǎng)格主方向一致的“韋帕”，運用統(tǒng)計方法給出的預估結(jié)果與實況分布較一致，均呈西北-東南分布，且最強降雨均在深圳中南部區(qū)域；而對于移動方向與網(wǎng)格主方向不一致的“艾云尼”，其預估結(jié)果幾乎與降雨實況走向垂直。

綜合以上分析可知，當網(wǎng)格主方向與路徑點移向一致時，統(tǒng)計結(jié)果總體上與實況分布較一致，部分風雨分布的刻畫甚至比EC預報結(jié)果更精細。另外，對于不同起報時次的數(shù)值預報穩(wěn)定性較差的情況下，該統(tǒng)計方法具有一定的參考價值。例如“韋帕”影響期間，31日20：00 EC預報深圳雨帶為東南-西北走向，而30日20：00預報為東北-西南走向，本研究所用的統(tǒng)計方法支持31日的預報，結(jié)果也確實證明了統(tǒng)計方法的預估結(jié)果和31日的預報更接近實況。

圖6 臺風降雨實況和統(tǒng)計方法預估降雨分布

3 結(jié)論

1）在9個試驗對象中，有5個臺風路徑點的移動方向與網(wǎng)格主方向一致，這些路徑點的試驗結(jié)果均較好。路徑點所在網(wǎng)格對應的統(tǒng)計結(jié)果與實況總體較一致，能大致捕捉到風雨中心區(qū)域，部分細節(jié)刻畫甚至比EC模式預報更精細，對于精細化落區(qū)預報具有一定的參考性，但在量級預估上與實況存在一定差異，特別是風雨影響較弱時。

2）在移動方向與網(wǎng)格主方向不一致時，將統(tǒng)計方法結(jié)果作為臺風風雨分布預估，可能出現(xiàn)較大偏差。

在不同起報時次的模式結(jié)果出現(xiàn)較大調(diào)整時，該統(tǒng)計方法在一定程度上能幫助預報員進行綜合判斷。由于歷史和檢驗樣本均比較少，試驗可能存在一定的不確定性，且對于部分臺風大風、降雨的量級預估存在明顯偏差，統(tǒng)計風雨分布形態(tài)和模式預報的風雨量級相結(jié)合，將是下一步試驗的方向。