图片来源| 中央气象台
台风各级风圈的大小就是台风的“三圈”。 关注它们对于我们评估台风灾害影响的范围和程度非常重要。 那么，台风的“三圈”是如何测量的呢？
风电场是什么样的？当权者迷茫，登高者清晰
台风风圈与台风低空风场密切相关。 在回答“什么是台风风圈？”这个问题之前，我们首先需要了解台风低层风场的分布规律。
早在宋徽宗宣和五年，徐靖在《宣和使过朝》中就描述了台风的凶猛：“是狂风之作，连续咆哮数天，无法辨别四个方向。” 除了台风的路径和强度外，人们发现台风引发的风#潮、沿海漫滩等次生灾害主要与台风的低空风场有关。 台风低空风场的变化逐渐引起人们的关注。
2019年第9号台风“利奇马”登陆前后卫星云图| @中央气象台微博
正所谓“当局者迷”。 早些年，还没有卫星观测这样的“天眼”。 台风下的人们只能感受到它的凶猛，却很难辨别它的形状。 第一个揭开台风低空风场格局的人是1879年时任上海徐家汇天文台台长的能恩斯（Nerns），他通过台风自记录仪记录了台风经过时的风压等数据。上海徐家汇天文台，非常有想象力。 李丽丽手绘了台风的风场结构图。 令人惊奇的是，在有限的观测数据下，这张凭想象和感知绘制的台风结构图与现代气象卫星云图中显示的台风形状非常相似。
1879年（a）台风经过上海前后的气压记录和（b）Nerns手绘的台风结构图| 雷晓图《中国台风科研事业百年发展概述》
随着观测技术的不断进步，高时空分辨率的台风观测数据使人们能够进一步了解台风低空风场的精细结构。 与“水往低处流”的规律类似，大气中的气流在不施加其他外力的情况下，从高压区流向低压区。 台风中心是低压中心，因此气流会从四面八方而来，不断向台风中心汇聚，在北半球呈现逆时针涡旋形状。 台风中心的气压越低，中心附近气流的风速越快。 大的。
2024年3月6日（世界时间）06:00南半球22号热带气旋风场图 | 风（美国国家海洋和大气局）
根据精确观测数据绘制的台风风场，风向标密密麻麻，不仅让很多人头晕目眩，还可能引发密集恐惧症。 有没有更简单、更清晰的方式来描述台风低层风场的结构？ 答案是肯定的。
人们将台风的结构近似视为一个对称规则的圆后，将方位平均低空风速绘制在以台风中心为原点、半径为横轴、风速为风速的坐标系中。垂直轴，从而得到台风低层风场的径向分布剖面。 通过这条曲线，我们可以直观地掌握台风的低空风速如何随距台风中心距离的变化而变化——台风中心附近有无风区，风速随距台风中心距离近似线性增加。半径向外。 达到最大风速后，风速随半径向外逐渐减小，直至接近0。
两次不同形状的台风低空风场径向分布图
我们都知道什么是乾坤阵和甜甜圈风阵？
如果你掌握了上述台风低空风场的径向分布剖面，那么我们就可以回答“什么是台风风圈？”的问题了。
根据风速径向剖面，在最大风速半径之外，当方位平均风速衰减到一定值时，对应于距台风中心的半径。 如果以台风中心为半径画一个圆，就会得到一个风圈，代表台风低空风场中大于室外一定风速的风场所覆盖的范围最大风速半径。
就像健美专家用人体测量来测量模特的人体形态一样，台风低层风场的结构特征也可以通过特殊的“测量”——不同的风圈大小来描述。 商业上，台风的“三围”分别是指其12级、10级、7级风圈的半径，即在最大风速半径之外，近地表风速衰减为32.7级、24.5级、24.5级。距台风中心17.2m/s。 距离。
低空台风风场风速径向剖面上7级（绿线）、10级（蓝线）、12级（红线）风圈大小确定示意图
从形状上来说，风圈并不是一个规则对称的圆圈。 由于与台风及下垫面相互作用的环境系统的复杂性，大多数台风风场呈现出不对称的结构。 为了简洁地描述这种不对称性，台风风圈被分为四个象限（即东北、西北、西南和东南象限）。 西北太平洋的台风大多在副热带高压西侧至西南侧活跃，台风也属于低压系统。 与台风西部风场相比，东部气压差较大，导致台风最外缘出现7级风圈。 平均东风圈大于西风圈。
不同象限台风平均风圈半径箱线图（a）7级（b）10级（c）12级（图片来源：向春毅等《多平台热带气旋地面风场数据在台风中的应用》）结构分析”）
不同强度的风圈在预报中具有不同的意义：7级风圈代表台风主环流带来的强风的影响范围，一般用其半径来衡量； 10级风圈反映了强台风的影响范围。 是防御台风的重要参考指标； 12级风圈的出现意味着已经达到台风级别，是判断强台风灾害范围和影响的重要依据。
2019年第9号台风“利奇马”8月7日17:00各级风圈大小| 中国天气
收集不同台风的“测量数据”，估算台风的大小
了解了台风低空风场的结构后，如何预测未来风场变化并提供预警是天气预报人员的关键问题。 然而，每一次出现的台风都有自己的气质和不同的特征。 预报员应该做什么？
正如荀子所说：“事物万变，而其道却是不变的”。 虽然每个台风的风场不同，但根据每时每刻变化的风场，可以获得不同的径向风速剖面。 然而，这些剖面的基本特征是一致的，并且可以用数学方程组来描述。 掌握了近似描述台风低层风场的廓线方程后，只要调整方程中的关键参数，就能对看似不可预测的台风风场有一个粗略的把握。
改进的二维低层风场方程，V表示风速，r表示距台风中心的距离，θ表示方位角，表示最大风速，表示最大风速半径，a表示风速大小波的不对称性，x 是形状参数
风廓线方程的一些参数与台风中心的位置、移动速度和强度有关，反映了台风的“个性”； 而通过历史数据拟合得到的其他参数则反映了同一海域台风的“个性”。 进一步研究发现，台风风圈通常变化不会很快，其大小具有一定的持续性。因此，基于气候和持续性两个特征，研究人员构建了台风风圈的“气候持续性模型”风圈预测（），可以根据实时风圈数据预测未来的风圈变化。
使用“气候持续性”模型 () 得出的 2005 年 6 月 23 日飓风的风圈预测结果。 | 纳夫等人。 风半径使用和.2007）
随着人们对“台风之谜”的水落石出，影响台风风场变化的因素也一一浮出水面（如台风中心位置、强度、环境湿度、海面温度、环境背景等）。循环等）。 观测数据的不断丰富和积累，也使得人们尝试从统计的角度构建台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应用于台风风圈预报。 研究结果已发表在《气候与环境研究》2024年第1期上。该模型对未来12小时7级风圈的趋势预测和大小预测有良好的效果。 但在预测未来24小时7级风圈变化趋势时，只对一定规模内的台风有利。 预测效果。
各种物理因素与台风规模变化的相关性。 | 饶晨红等. 《最佳子集多元线性回归模型在预测热带气旋风圈变化中的应用》2024）
由于自然界的复杂性，基于目前有限的理论知识和观测数据，人们只能通过抓住主要矛盾、将问题简单化来认识复杂多变的台风风场结构。 虽然以上介绍的风圈预报方法基于不同的视角，预报的准确性有待提高，但都已应用于实际预报业务中。 或许未来的某一天，随着我们对台风认识的不断深入，我们不仅能够准确测量台风的“尺寸”，还能了解到更多台风的秘密。
参考
[1] 约翰·A·纳夫 (Knaff) 等人。 风半径的利用与研究[J]． 威。 , 2007, 22(4):781-791。
[2] 饶陈红，陈光华，陈可欣，等。 最优子集多元线性回归模型在热带气旋风圈变化预测中的应用[J]. 气候与环境研究，2024，26(1)：115−122。
[3] 项春义，吴立光，田伟，等． 多平台热带气旋地面风场数据在台风结构分析中的应用[J]. 气象，2016，042（011）：1315-1324。
[4] 雷晓图. 我国台风科研事业100年发展史综述[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
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