台风是影响中国的主要灾害性天气系统之一，每年平均有7—8个台风登陆中国大陆，对人民生命安全和财产造成巨大的威胁(张娇艳等，2011; Pielke，et al， 1998，2008; Zhang，et al，2009)。近年来，虽然台风业务的预报能力有了显著的提高(许映龙等，2010)，但对突然转向的异常路径预报的准确率还不够理想(陈联寿等，2001；倪钟萍等，2013)。如2010年的台风“鲇鱼”，在南海由向西北偏西方向移动突然转为向东北偏北方向移动，转向角度超过90°，而中国中央气象台的预报资料显示该时刻起报的路径预报，台风未来仍向西北方向移动，但实际台风向东北偏北方向移动(倪钟萍等，2013)。中央气象台对“鲇鱼”路径北翘的预报存在一定的偏差和滞后现象(许映龙，2011)，其中原因之一是导致台风路径突变的物理机制仍不太清楚，有证据显示台风路径突变与季风环流中的低频分量(10 d以上季节内振荡)有密切关系(苏源等，2011; Carr，et al，1995; Liang，et al，2011; Wu，et al， 2011a，2011b; Ko，et al，2009)。Carr等(1995)指出，台风与季风涡旋相互作用会导致台风路径突然北折，在其用正压模式模拟时发现，当台风进入季风涡旋并与之合并时，罗斯贝波能量频散会使台风南侧或东南侧的西南风突然加强，造成台风路径突然北折。Ko等(2009)指出，6—25 d的波动在处于大气季节内振荡的西风位相时，会沿着季风槽和副热带高压(副高)之间的东南气流向西北方向运动，经常发现有台风位于这个波动的气旋性环流中，并随之也向西北方向移动，当这个气旋性环流到达中国东海时会转向东北方向运动。Luo等(2011)指出，由于台风自身罗斯贝波能量频散作用，会在台风东南侧形成一个反气旋，这个反气旋与副高共同作用会使台风路径向北偏折甚至冲破副高向北转折。Wu等(2011a)对在东海突然北折的4个台风进行了研究，发现台风路径的突变总是伴随着准两周的低频季风涡旋。这些研究表明，理解台风路径的变化必须考虑台风环流与低频背景场的相互作用。

台风“艾利”和“米雷”分别生成于2004年8月和9月(图 1)，除了生成时间和位置略有不同外，在其生成后的一周左右，两个台风的路径极为相似，都是向西北方向移动，当快要进入东海时两个台风的移动路径均发生变化，“艾利”转向西南方向，形成倒抛物线形的路径，而“米雷”突然向东北方向转折。分析发现，对于“米雷”这类路径突然向北转折的台风预报误差仍然较大，而对“艾利”这类向西转折的路径预报误差较小(倪钟萍等，2013)。本研究选取“艾利”和“米雷”这两个路径变化特征截然不同的台风为对象，着重分析这两个台风及其环境场的特点，揭示导致这两个台风移动路径变化的原因，理解像“米雷”这样的突然北折路径预报的难点。

所用的主要资料包括：日本气象厅(JMA)提供的台风最佳路径资料和美国国家环境预报中心(NCEP)6 h一次的全球分析资料(FNL)。台风最佳路径资料为每6 h台风中心位置和强度(中心气压和最大风速)。NCEP的再分析资料，水平分辨率为1°× 1°，垂直方向上从1000到10 hPa共26层，包括地面气压、海平面气压、位势高度、温度、相对湿度以及风场等信息，主要利用其对流层中低层的资料。为了分析不同时间尺度环流对台风路径的影响，首先根据Kurihara等(1990)提出的滤波方法，去除FNL风场资料中的台风环流，然后利用低通Lanczos滤波方法(Lanczos，1956; Duchon，1979)，得到10 d以上的低频环流；而高频信号则是FNL全风场与低频环流的差，在文中称这部分包含台风在内的环流为天气尺度系统。

2004年8—9月有12个台风生成，向东北方向移动且登陆日本进而给日本带来较为严重灾害的台风有10个(Nakazawa，2006; Nakazawa，et al，2007)。2004年17号台风“艾利”于8月18日00时(世界时，下同)在菲律宾以东的西太平洋洋面上生成，生成后向西北方向移动，于20日00时加强为热带风暴，22日12时进一步加强为台风，24日接近台湾东北部海域时达到最大强度，近中心风速为41 m/s，中心气压955 hPa，并且，路径转为偏西方向移动，掠过台湾北部沿岸，进入台湾海峡移速加快，于25日在福建石狮沿海登陆，登陆时中心气压为975 hPa，中心最大风速35 m/s。登陆后转向西南沿着福建东南海岸线移动，26日减弱为热带风暴并进入广东。同年的0421号台风“米雷”于9月19日在关岛以东洋面生成后沿偏西方向移动，于20日达到热带风暴强度后转向西北方向移动，22日18时达到台风强度，24日达到最大强度，近中心风速43 m/s，中心气压940 hPa。越过琉球群岛后于26日18时路径突然向东北方向转折，并于29日登陆日本。从“艾利”和“米雷”的路径(图 1)可以发现，均是先向西北方向移动，虽然台风强度相差不大，当进入台湾东北部海域时两者路径却出现了很大差异，“艾利”向西南方向转向，而“米雷”突然向东北方向转折，“艾利”转折前后6 h内逆时针转折了35°，而“米雷”则顺时针转折了103°。

图 1 台风“艾利”2004年8月18日00时— 31日00时和“米雷”9月19日00时— 10月2日18时路径(时间间隔24 h， 8月24日12时为“艾利”路径转折时刻， 9月26日18时为“米雷”路径转折时刻) Fig. 1 Tracks of Typhoon Aere from 00：00 UTC 18 to 00：00 UTC 31 August 2004 and Typhoon Meari from 00：00 UTC 19 September to 18：00 UTC 2 October 2004， with dots indicating the 24 h center positions (The track of Typhoon Aere changed at 12：00 UTC 24 August， and Typhoon Meari experienced a sudden track change around 18：00 UTC 26 September 2004)

图选项

图 2显示距离台风中心5个纬距半径内的1000—300 hPa全风速和不同时间尺度引导气流。在“艾利”路径西折时，引导气流由整层的偏南气流转为明显的偏东气流(图 2a)，而在“米雷”北折时，引导气流从转折前18小时开始迅速减弱且整层气流由原来的东南风转为西南风(图 2d)。可见“艾利”和“米雷”路径的变化主要是由于引导气流的影响。从低频引导气流分量看，对“艾利”的影响由东南风转为偏东风，利于“艾利”西行(图 2b)。而影响“米雷”的低频引导气流经历了一次顺时针方向旋转，由转折前的东南气流逐渐变为偏北气流，并且，引导气流有所减弱(图 2e)。低频引导气流与“艾利”的路径变化一致，但与“米雷”的路径变化方向相反。进一步分析天气尺度的引导气流分量发现，天气尺度引导气流在“艾利”转折前24 h一直引导台风向东北方向运动，在转折时刻天气尺度引导气流明显较弱(图 2c)，可见“艾利”路径向西偏折不能由天气尺度引导气流的变化来解释； 但是，在“米雷”路径转折前18小时，由偏东气流转为偏南气流，有利于台风向北转折(图 2f)。可见“艾利”的路径变化主要是受低频引导气流影响，而天气尺度引导气流对“米雷”路径向东北转折起了关键作用。图 2说明了这两个台风的路径转折受到的引导气流在时间尺度上完全不同。因此，为了深入认识“艾利”和“米雷”路径变化的原因，需要分析影响这两个台风不同时间尺度的环流特征。

图 3是与“艾利”和“米雷”路径变化时相关的700 hPa低频环流形势。可见“艾利”路径变化时，台湾岛附近存在一个低频气旋性环流，季风槽从这个气旋性环流向东南方向延伸到(14°N，149°E)附近。台风位于这个低频气旋性环流中心附近，此时副高西伸明显，西脊点位于116°E。“艾利”一直处于副高的南侧，稳定的偏东气流不断引导台风向西移动(图 3a)。而“米雷”路径转折时，西北太平洋副高断裂，其主体位于台风的东侧，西脊点约在128°E附近，大陆高压出现闭合中心(图 3b)。进一步分析发现，在“艾利”的移动过程中，副高西伸明显，“艾利”一直处于副高南侧；“米雷”在其移动初期也是位于副高的南侧，但后期由于副高位置偏东，台风逐步移向副高的西侧(图略)，导致转折时刻“艾利”和“米雷”所对应的低频环流形势截然不同，后面的分析表明，这种不同的低频环流形势对两个台风路径变化有重要的影响。

图 2 距离台风“艾利”(a、b、c)、“米雷”(d、e、f)中心5个纬距半径内的引导气流 (a、d．全风速引导气流，b、ｅ．低频引导气流，c、ｆ．天气尺度引导气流；实心圆表示路径转折发生的时间) Fig. 2 Steering flow which is 550 km from the TC center as shown by total winds(a，d)，10-day lowpass filtered winds(b，e)， and 10-day highpass filtered winds(c，f)for Typhoon Aere(a-c) and Meari(d-f)，respectively (black dots denote the time for the occurrence of the track changes)

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图 3 路径转折时刻700 hPa的10 d低通滤波风场 (a．“艾利”，b．“米雷”；实心圆表示台风中心位置，下同) Fig. 3 10-day lowpass filtered wind fields at 700 hPa at the occurrence of the track changes for (a)Typhoon Aere and (b)Typhoon Meari(The black dots indicate the typhoon centers)

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图 4为“艾利”对应的700 hPa天气尺度风场，转折前36小时，“艾利”西北侧和东南侧都出现一个大风区，风速呈现二波结构，大风区的外围伴随有一个负涡度的大值区。之后，台风西北、东南侧的风速都有所增大，直至转折时刻，二波形式的风速结构继续维持，高频风场结构较为对称，导致台风西北侧和东南侧天气尺度引导气流的作用相互抵消，这是“艾利”路径转折过程主要受低频气流影响的主要原因。值得注意的是，台风西北侧的负涡度大值区范围逐步扩大，并且，位于台风的西侧和北侧。

图 4 台风“艾利”700 hPa的10 d高通滤波天气尺度风场(阴影表示>13 m/s大风区)及高频负涡度场(等值线，单位：10-5s-1) (a. 8月23日00时，b. 8月23日12时，c. 8月24日00时，d. 8月24日12时) Fig. 4 10-day highpass wind vectors(shading indicates the winds exceeding 13 m/s) and the corresponding negative vorticity(contour，unit: 10-5s-1) at 700 hPa for Typhoon Aere at 00：00 UTC 23(a)，12：00 UTC 23(b)，00：00 UTC 24(c)， and 12：00 UTC 24(d)August 2004

图选项

图 5为“米雷”对应的700 hPa天气尺度风场，转折前36小时，在“米雷”中心西北及东南侧也出现两个大风区，并且，伴随有两个负涡度大值区，但主要的大风区位于台风的西北侧。25日18时，西北侧风速达到最大。之后，西北侧大风区强度明显减弱，转折时(26日18时)风速由原来的二波结构变为一波结构，只存在位于台风东侧的一个大风区，风速呈非对称形式分布，台风东南侧的西南风增大，这是“米雷”转折时主要受天气尺度引导气流影响的主要原因。值得注意的是，在台风路径发生转折时(图 5d)，与台风东南侧西南风增大相对应，台风东南侧的负涡度明显增强。

图 5 同图 4，但为台风“米雷” (a. 9月25日06时，b. 9月25日18时，c. 9月26日06时，d. 9月26日18时) Fig. 5 As in Fig. 4 but for Typhoon Meari at 06：00 UTC 25(a)，18：00 UTC 25(b)，06：00 UTC 26(c)， and 18：00 UTC 26(d)September 2004(shading indicates the winds exceeding 5 m/s)

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如上所述，“艾利”和“米雷”路径变化与天气尺度环流密切相关，而天气尺度中的风速大值区又与其外围的负涡度紧密联系。为了探究低频风场和天气尺度环流相互作用导致“艾利”和“米雷”在天气尺度上不同的风场分布结构，计算了移动坐标系下高频涡度方程中各项的涡度趋势(公式和详细推导过程见附录)。

通过计算，发现天气尺度风场对低频涡度平流和低频风场对高频涡度平流项起了主要作用，这两项基本可以解释高频总的涡度趋势，其余项可忽略不计。为了突出与台风运动相联系的涡度趋势，这里只保留一波和二波分量。各时刻以台风中心做双线性插值，保证台风中心在格点上。图 6分别给出了“艾利”和“米雷”天气尺度总涡度趋势、天气尺度风场对低频涡度平流和低频风场对高频涡度平流项。圆环表示距离台风中心3°范围，大致表示台风的内部环流。台风中心330 km以外的西北侧及东南侧存在负涡度趋势区(图 6a)，这与“艾利”在转折时台风西北侧和东南侧较为明显的负涡度一致(图 4d)。“艾利”西北侧的负涡度主要是由天气尺度风场对低频涡度的平流所引起(图 6b)，这与低频环流中副高的西伸紧密联系(图 3a)。而“艾利”东南侧的负涡度主要是由低频风场对高频涡度平流所决定(图 6c)。对于台风“米雷”，主要的负涡度趋势出现在台风330 km以外的东南侧，一直延伸至台风中心以外700 km左右(图 6d)。此时，天气尺度风场对低频涡度的平流在“米雷”西北侧表现为正涡度趋势，而东南侧的负涡度主要由天气尺度风场对低频涡度平流决定(图 6e)。

图 6 “艾利”(a、b、c)和“米雷”(d、e、f)转折时刻700 hPa天气尺度涡度趋势(色阶) 及天气尺度风场(a、d. 天气尺度总涡度趋势，b、e. 天气尺度风场对低频涡度的平流， c、f. 低频风场对高频涡度的平流; 圆环表示距离台风中心3°范围) Fig. 6 (a，d)Total synoptic-scale vorticity tendency(shading)，(b，e)the low-frequency vorticity advection by synoptic-scale flows(shading)， and (c，f)the synoptic-scale vorticity advection by the low-frequency flows(shading) at 700 hPa at the occurrence of the track change for Typhoon Aere(a，b，c) and Meari(d，e，f)，superimposed with the 10-day highpass wind vectors(The circles indicate the radius of 330 km away from the center)

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许多研究表明，由于科里奥利力参数随纬度的改变，涡度方程中线性项-βv的作用，使台风中心东侧(西侧)产生负(正)涡度趋势，使得台风在东面压缩、西面拉伸，台风东南侧方向流场和涡度场夹角最大，从而增加了涡度方程中非线性项的作用，在台风东南侧产生负相对涡度平流，这种现象被称为台风涡旋的罗斯贝能量频散(Anthes，1982; Flierl，1984; Chan，et al，1987; Fiorino，et al，1989; Shapiro，et al，1990; Luo，1994; Luo，et al，2011; McDonald，1998)。Carr等(1995)发现，在一个正压无辐散模式中，罗斯贝波能量频散可以导致台风东南方向出现反气旋环流，使得台风东南侧的西南风明显加强。最近，在复杂模式中也发现有这种罗斯贝波能量频散(Liang，et al，2013)。通过计算高频涡度方程的涡度收支(图 6)，发现天气尺度上台风东南侧出现负的涡度趋势，这与罗斯贝波能量频散使得台风东南侧形成负涡度一致，因此，可以认为台风“艾利”和“米雷”东南侧负涡度趋势的产生与罗斯贝波能量频散有密切关系。

图 6表明，天气尺度风场对低频涡度的平流是台风“艾利”西北侧天气尺度总涡度趋势出现负涡度的主要原因，所以，这里着重分析了天气尺度风场对低频涡度平流项的演变。图 7给出了“艾利”和“米雷”路径转折前18小时和转折时刻700 hPa天气 尺度风场对低频涡度平流所引起的涡度趋势。直至“艾利”路径转折时，涡度趋势都基本维持明显的二波结构，接近转折过程中台风西北侧负涡度趋势明显，有利于台风西北侧负涡度的维持和加强(图 7a、b)。在路径转折前18小时，“米雷”还处于副高的南侧，天气尺度风场对低频涡度的平流(图 7c)与“艾利”中的二波结构基本相似(图 7a)。但随着台风逐 步向副高的西侧移动，天气尺度风场对副高低频分量的涡度平流逐步减弱，转折时刻台风西北侧的负涡度趋势已变为正的涡度趋势，并由二波结构向一波结构转变，一波的结构有利于引导台风向北转折(图 7d)。

图 7 700 hPa天气尺度风场对低频涡度的平流(色阶)及天气尺度风场 (a、b. “艾利”8月23日18时、24日12时，c、d. “米雷”9月26日00时、18时) Fig. 7 Synoptic-scale vorticity tendency(shading)at 700 hPa due to the advection of the low-frequency vorticity by the synoptic-scale flow for Typhoon Aere at 18:00 UTC 23(a)，12:00 UTC 24(b)August 2004 and for Meari at 00:00 UTC 26(c)， and 18:00 UTC 26(d)September 2004， superimposed with the 10-day highpass wind vectors

图选项

为什么负涡度会导致天气尺度风场加强？由于FNL资料水平分辨率的局限，虽然尚无法深入分析路径转折时刻台风结构的变化，但是，可以这样解释：位于台风东南侧的负涡度对应的反气旋性异常环流与台风环流叠加，使得台风东南侧的西南风增强，而在西北侧则增强台风的东北气流。台风周围的正涡度的作用也可以这样理解，不过其对气旋性异常环流起减弱的作用。因而，图 4、5中显示的台风的天气尺度气流特征可以通过台风与低频环流相互作用导致的负涡度来解释。

综上分析发现，对于西南转向的“艾利”，主要是在低频环流引导下向西南方向移动；对于东北转向的“米雷”，转向时刻只存在东南侧一个大风区，增强的天气尺度西南风引导台风向东北方向转折。

选取台风“艾利”和“米雷”作为研究对象，通过对这两个不同路径台风的低频环境场与台风的相互作用研究发现，转折时刻，“艾利”主要受低频环流引导向西南方向移动，而天气尺度引导气流对“米雷”路径的向北转折起了关键作用。进一步分析表明，对于西南转向的“艾利”台风，副高西伸明显，台风位于副高的南侧，天气尺度风场对副高低频分量的涡度平流，使得台风西北侧出现负涡度，同时由于罗斯贝波能量频散，台风东南侧出现负涡度，负涡度相联系的天气尺度异常环流导致台风西北侧和东南侧天气尺度引导气流都增强，台风主要在低频环流引导下向西南方向移动。台风“米雷”移动初期，也是位于副高的南侧，天气尺度风场对副高低频分量的涡度平流在台风西北侧产生负的涡度，台风西北侧也出现了风速大值区，“米雷”和“艾利”的移动轨迹在初期非常相似，但随着“米雷”逐步向副高的西侧移动，天气尺度风场对副高低频分量的涡度平流逐步减弱，转向时刻只有东南侧增强的天气尺度西南风，导致台风向东北转折。

高频涡度方程计算

p坐标中，不考虑摩擦情况下，移动坐标系中的涡度方程为

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气流可以看作是由10 d以上的低频分量(下标：L)和10 d以下的天气尺度分量(下标：H)所构成，即： V = V _L+ V _H，ζ=ζ_L+ζ_H，v=v_L+v_H，ω=ω_L+ω_H，η=η_L+η_H=ζ_L+f+ζ_H，C 为台风移速，代入式(A1)得

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对上述方程时间上求平均，假设在低频时间尺度上，天气尺度的局地变化为0，而低频环流变量的变化可以忽略，得到低频涡度方程

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涡度方程(A2)减去低频涡度方程(A3)得到高频涡度方程

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