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(qiáng)天氣研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳 518040）

深圳地處華南沿海，臺風(fēng)災(zāi)害影響嚴(yán)重［1］，臺風(fēng)預(yù)報預(yù)警倍受市民和防災(zāi)減災(zāi)部門重視。隨著科技的發(fā)展，我國臺風(fēng)預(yù)報業(yè)務(wù)取得長足的進(jìn)步，臺風(fēng)路徑預(yù)報水平基本達(dá)到國際先進(jìn)水平［2］，集合數(shù)值預(yù)報方法以及釋用技術(shù)的研究和應(yīng)用日趨成熟［2-4］，學(xué)者們在臺風(fēng)大風(fēng)和暴雨落區(qū)方面的研究取得了許多的進(jìn)展［5-10］。在利用歷史資料方面，相似臺風(fēng)預(yù)報方法也為臺風(fēng)風(fēng)雨預(yù)報提供一定的參考［11-12］。在深圳臺風(fēng)決策服務(wù)中發(fā)現(xiàn)，為科學(xué)地進(jìn)行各區(qū)防災(zāi)資源的分配調(diào)度，防災(zāi)部門對臺風(fēng)風(fēng)雨精細(xì)化預(yù)報需求日益增加，主要包括風(fēng)雨的空間分布形態(tài)及中心風(fēng)險區(qū)域等信息，對精細(xì)化程度的要求也不斷加大，而目前臺風(fēng)風(fēng)雨落區(qū)的精細(xì)化預(yù)報仍是業(yè)務(wù)中的難點(diǎn)。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(fēng)風(fēng)雨精細(xì)化預(yù)報加持？基于此思考，本研究通過一種統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行臺風(fēng)風(fēng)雨預(yù)估，為預(yù)報員進(jìn)一步精細(xì)化的臺風(fēng)風(fēng)雨分布形態(tài)和中心區(qū)的預(yù)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(fēng)研究所整編的最佳臺風(fēng)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(fēng)速資料。為了分析臺風(fēng)在近海區(qū)域不同位置對深圳風(fēng)雨影響空間分布情況，將1997—2017年期間對深圳有影響的臺風(fēng)按路徑位置進(jìn)行網(wǎng)格處理，網(wǎng)格區(qū)域?yàn)?10°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(fēng)路徑點(diǎn)，對應(yīng)的N組深圳風(fēng)雨實(shí)況作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，按照一定的統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到一組統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，即經(jīng)過該網(wǎng)格的臺風(fēng)對深圳風(fēng)雨影響的氣候統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

1.1 對深圳有風(fēng)雨影響臺風(fēng)

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

1.2 統(tǒng)計(jì)方法

本研究的基本思路為對多組樣本的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括實(shí)況排名、統(tǒng)一量級、按站點(diǎn)平均、數(shù)值量級匹配等步驟，具體如圖1所示。第1步實(shí)況排名，經(jīng)過某一個網(wǎng)格的臺風(fēng)路徑點(diǎn)為N個，每個臺風(fēng)路徑點(diǎn)對應(yīng)一組風(fēng)（雨）實(shí)況數(shù)據(jù)（6 h累計(jì)雨量或6 h內(nèi)極大風(fēng)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(shí)況數(shù)據(jù)（第2列），對同一個數(shù)據(jù)組內(nèi)的實(shí)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(shí)況數(shù)據(jù)（第2列）做平均，并將平均值替代原實(shí)況數(shù)據(jù)（第2列）；第3步按站點(diǎn)平均，在第2步處理后的數(shù)組基礎(chǔ)上，將N個站號相同的實(shí)況數(shù)據(jù)（第2列）做平均，最終獲得一組統(tǒng)計(jì)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(dāng)前臺風(fēng)路徑點(diǎn)的強(qiáng)度，從網(wǎng)格內(nèi)挑選強(qiáng)度相差在1級以內(nèi)的歷史臺風(fēng)路徑點(diǎn)，并從這些臺風(fēng)對應(yīng)的實(shí)況數(shù)據(jù)中挑選最大值M1，與K（P）中的最大值M2對應(yīng)，得到系數(shù)R＝M1／M2，K′（P）＝R×K（P），K′（P）可作為臺風(fēng)經(jīng)過該網(wǎng)格時深圳風(fēng)雨分布和中心風(fēng)險區(qū)域的估算。

圖1 計(jì)算原理示意圖

1.3 網(wǎng)格主方向

由于臺風(fēng)路徑是影響臺風(fēng)風(fēng)雨分布的關(guān)鍵因子之一［3］，本研究中通過對臺風(fēng)移動方向與網(wǎng)格主方向一致性的判斷，確定上述統(tǒng)計(jì)方法是否適用，從而進(jìn)一步提升統(tǒng)計(jì)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(fēng)路徑移動方向進(jìn)行分類。當(dāng)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(fēng)個例分析

2.1 臺風(fēng)信息

2018—2019年期間共有3個臺風(fēng)嚴(yán)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(yán)重，為1983年以來對深圳風(fēng)雨綜合影響最嚴(yán)重的臺風(fēng)。

圖2 2018—2019年嚴(yán)重影響深圳的臺風(fēng)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(fēng)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(fēng)。

（2）“艾云尼”于2018年6月2日14：00在南海北部加強(qiáng)為熱帶風(fēng)暴，先后在湛江徐聞、海南海口和陽江海陵島3次登陸，受其和西南季風(fēng)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(fēng)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(fēng)。

2.2 臺風(fēng)網(wǎng)格主方向

對于臺風(fēng)“山竹”、“艾云尼”和“韋帕”，統(tǒng)計(jì)每個路徑點(diǎn)前后3 h內(nèi)深圳全市平均雨量值和平均最大陣風(fēng)值，并選取每個臺風(fēng)過程中對深圳影響最嚴(yán)重的3個路徑點(diǎn)。對比臺風(fēng)移動方向與網(wǎng)格主方向（表1），在9個臺風(fēng)路徑點(diǎn)中，有5個路徑點(diǎn)的臺風(fēng)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(fēng)路徑點(diǎn)都經(jīng)過網(wǎng)格編號21，且臺風(fēng)移動方向相反。

表1 臺風(fēng)移動方向與網(wǎng)格主方向?qū)?yīng)

2.3 效果分析

在網(wǎng)格主方向與臺風(fēng)移動方向不一致時，統(tǒng)計(jì)方法的預(yù)估結(jié)果與實(shí)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(qiáng)臺風(fēng)“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(yù)報、統(tǒng)計(jì)方法預(yù)估均與實(shí)況較一致，能較好的反映出深圳風(fēng)雨自東向西加強(qiáng)、14：00有60 mm以上降雨和13級以上陣風(fēng)等特征。從分布形態(tài)細(xì)節(jié)上看，統(tǒng)計(jì)方法預(yù)估對風(fēng)雨分布的刻畫比EC預(yù)報結(jié)果更精細(xì)，特別是對強(qiáng)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(fēng)中心落區(qū)由大鵬區(qū)、鹽田區(qū)向西擴(kuò)展至羅湖、福田等中心城區(qū)的描繪，更接近實(shí)況；從量級上看，EC預(yù)報和統(tǒng)計(jì)方法預(yù)估與實(shí)況均存在一定差異，且風(fēng)雨較弱時量級差異更明顯。

圖3 “山竹”期間深圳降雨實(shí)況和統(tǒng)計(jì)方法預(yù)估的降雨分布（單位：mm）

2）熱帶風(fēng)暴“韋帕”：31日14：00、20：00臺風(fēng)“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(jì)方法雖然也能預(yù)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(yù)估表現(xiàn)明顯較“山竹”期間偏差。

圖4 “山竹”期間深圳陣風(fēng)實(shí)況和統(tǒng)計(jì)方法預(yù)估的陣風(fēng)分布（單位：m／s）

圖5 “韋帕”期間深圳降雨實(shí)況和統(tǒng)計(jì)方法預(yù)估的降雨分布（單位：mm）

3）同網(wǎng)格下不同臺風(fēng)移動方向：臺風(fēng)“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(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法給出的預(yù)估結(jié)果與實(shí)況分布較一致，均呈西北-東南分布，且最強(qiáng)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(yù)估結(jié)果幾乎與降雨實(shí)況走向垂直。

綜合以上分析可知，當(dāng)網(wǎng)格主方向與路徑點(diǎn)移向一致時，統(tǒng)計(jì)結(jié)果總體上與實(shí)況分布較一致，部分風(fēng)雨分布的刻畫甚至比EC預(yù)報結(jié)果更精細(xì)。另外，對于不同起報時次的數(shù)值預(yù)報穩(wěn)定性較差的情況下，該統(tǒng)計(jì)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(yù)報深圳雨帶為東南-西北走向，而30日20：00預(yù)報為東北-西南走向，本研究所用的統(tǒng)計(jì)方法支持31日的預(yù)報，結(jié)果也確實(shí)證明了統(tǒng)計(jì)方法的預(yù)估結(jié)果和31日的預(yù)報更接近實(shí)況。

圖6 臺風(fēng)降雨實(shí)況和統(tǒng)計(jì)方法預(yù)估降雨分布

3 結(jié)論

1）在9個試驗(yàn)對象中，有5個臺風(fēng)路徑點(diǎn)的移動方向與網(wǎng)格主方向一致，這些路徑點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果均較好。路徑點(diǎn)所在網(wǎng)格對應(yīng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果與實(shí)況總體較一致，能大致捕捉到風(fēng)雨中心區(qū)域，部分細(xì)節(jié)刻畫甚至比EC模式預(yù)報更精細(xì)，對于精細(xì)化落區(qū)預(yù)報具有一定的參考性，但在量級預(yù)估上與實(shí)況存在一定差異，特別是風(fēng)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(jì)方法結(jié)果作為臺風(fēng)風(fēng)雨分布預(yù)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(jì)方法在一定程度上能幫助預(yù)報員進(jìn)行綜合判斷。由于歷史和檢驗(yàn)樣本均比較少，試驗(yàn)可能存在一定的不確定性，且對于部分臺風(fēng)大風(fēng)、降雨的量級預(yù)估存在明顯偏差，統(tǒng)計(jì)風(fēng)雨分布形態(tài)和模式預(yù)報的風(fēng)雨量級相結(jié)合，將是下一步試驗(yàn)的方向。