【天文台科普】預測熱帶氣旋路徑 天氣預報員要咁樣提高精確度…

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(原文取自天文台網頁,大小標題、引言及內文,經過香港01編輯修訂)

要確定一個熱帶氣旋的強度,就需要知道風暴中心附近的風力資料。可是,除非在中心附近有地面氣象站,或在個別情況下,有船舶在附近水域作氣象觀測,否則中心風力的資料不是容易得到的。1987年8月後,北太平洋西部再沒有飛機作氣象偵察飛行,因此更少了一個重要資料來源。由於直接的數據有限,熱帶氣旋的強度分析就只有倚靠經加工處理的紅外線衛星圖片,藉著雲頂溫度的分佈和變化而作出間接推斷。

在廣闊的海洋上要確定風暴中心位置,衛星雲圖擔當了一個重要的角色。每小時收到的衛星圖片成為對熱帶氣旋步步追蹤的觀測基礎。

有清晰的風眼標記風暴中心的位置,事情倒易辦。但假如沒有風眼的話,就要根據螺旋雨帶的形狀,或是風暴中心附近雲塊的相對移動,來推斷風暴中心的位置。

颱風約克(York, 1999)同時間的衛星。(香港天文台)

颱風約克(York, 1999)同時間的雷達圖。(香港天文台)

當熱帶氣旋進入了氣象雷達的有效探測範圍,也可以套用上述方法來分析雷達屏上的雨回波,測定風暴中心的位置。氣象雷達因為波長、功率以及掃描天線的高度各有差異,有效的探測距離亦各有不同。天文台在大老山的氣象雷達可觀測及追蹤在香港500公里以內的熱帶氣旋。

雖然衛星及雷達科技不斷改進,傳統的氣象圖分析仍然是天氣預報員的基本工具。當有熱帶氣旋接近本港的時候,地面氣象圖每小時分析一次,而高空氣象圖則每6小時繪畫一次。

分析氣象圖不但能夠提供風暴位置、移動趨勢和風暴強度等資料,而且讓天氣預報員對當前大尺度天氣形勢的轉變有更深切的了解。這些轉變與風暴的動向有密切的關係,如果能夠準確判斷及預測這些變化,天氣預報員就能夠更準確地預測風暴的未來動向及強度的轉變了。

在北半球,若是任由一個熱帶氣旋自由移動,它是有向西北飄移的慣性傾向。不過,風暴移動通常是受外力操縱居多的。所謂外力主要是指環境流場對熱帶氣旋的引導作用,這就好比一個在河裏轉動的旋渦隨着河流的方向漂移一樣。在北太平洋西部,大部分的風暴是在副熱帶高壓脊的南側或西南側形成,受到向西北的氣流操縱,這與風暴移動的慣性趨勢相符,正好解釋為何大部份風暴的移動路徑都是趨向西北方。

風暴的路徑,亦顯示了太平洋高壓脊的重要引導作用。例如,當太平洋高壓脊未能西伸至台灣時,熱帶氣旋就會繞過高壓脊的西端而走向東北,這就是一般所說的「轉向」。如果高壓脊能夠一直向西伸展,風暴便會保持在東風流場的引導下,直趨華南。要是脊線南移,風暴則會在低緯度向西掠過。

假若太平洋高壓脊能控制大局,大尺度天氣形勢變化不大,熱帶氣旋的移動路徑就較為簡單。但實際情況並沒有這麼簡單!在熱帶氣旋短短的一生裏,大尺度天氣形勢往往會出現多次改變及波動,其他引導因素的比重可能出現變化,產生此消彼長的效果,風暴的路徑便會變得飄忽不定及沒有規則了。1986年颱風韋恩(Wayne)就是其中一個極端的例子。

以下是一些預測風暴移動路徑時需要考慮的因素:

熱帶氣旋的典型移動路徑。(香港天文台)

憑過去及現時的天氣狀況去預測熱帶氣旋路徑,天氣預報員必須有足夠的技巧和豐富的經驗。除此之外,還有很多客觀方法給預報員提供指引。

預報熱帶氣旋移動路徑的主流客觀方法是基於氣候學及統計學,其本概念是歸納過往的資料去預測未來。當中的假設是:一個熱帶氣旋的變化和過去在相似環境下(以月份、地點和盛行大氣狀況劃分)的風暴比較,應相差不遠。最後的產品離不開一些平均值、概率、外推路徑、列線圖或是一些相關公式。這些方法除了提供風暴的變化外,也會對地區性天氣給予有用的提示。

另一類較重要的方法是綜合利用統計學和動力學,這些方法考慮到引導風暴移動的有關動力學因子。

用一個數值模式去模擬真實的大氣是一個較複雜但卻日趨普遍的方法。原始數據經過小心篩選後被仔細地納入電腦模式內,箇中「數學大氣層」便依循既定的物理定律及經驗法則來演變。運算過程中涉及的龐大計算量,要倚靠高速電腦來完成,可是,只有一些主要的氣象中心才配備有這類高速電腦。除了收取這些氣象中心所發出的全球性數值天氣預報資料外,天文台在業務預報上亦採用一套區域性的數值模式。在處理大尺度環流和較高緯度的天氣系統方面,各數值模式的表現都不錯。但是,在預測熱帶地區的天氣以及較小尺度的天氣系統方面,例如熱帶氣旋,成效並不顯著,連貫性和可靠性一般也未如理想。數值天氣預報仍是熱門的學術研究領域,氣象學家們都務求提高這些預報方法的精確度。隨着預報模式的不斷改良,相信預報技巧亦會相應提高。

用近似法預報熱帶氣旋動向的圖例。此方法試圖從過去的記錄中抽取大氣環境近似的熱帶氣旋作參考。(香港天文台)

熱帶氣旋預測這門學問還有漫長的路要走。影響風暴路徑的因素多而繁複,當中有些機制還未能夠完全掌握,有些機制亦只能粗略地代進各個預測方法中(很多時候受制於業務上的可行性)。此外,熱帶氣旋反覆無常的特性,以及在移動及強度方面固有的波動性,亦令預測工作更加困難。

訂定熱帶氣旋初始位置難免有誤差,很多氣象專家認為這是預測錯誤的其中一個主要原因。風暴現時的位置,除了是熱帶氣旋警告中出現的數字外,對預測風暴未來的動向亦起相當大的作用。道理其實很簡單,因為無論用任何預測方法,假如輸入不準確的數據(例如現時位置),怎能盼望會有準確的輸出數據呢(例如風暴的預測位置)?在估計風暴的初始位置時,並不是所有風暴都有明確的風眼方便定位的,有些甚至欠缺明顯的螺旋雲帶來確定環流中心。組織不完整的風暴,水平結構會有不對稱及不規則的現象,而垂直結構也可能出現扭曲的情況。

1989年7月熱帶風暴荷貝(Hope)的紅外線衛星圖片(左圖)及同時間的可見光衛星圖片(右圖)。可見光圖像較清楚地顯示風暴的螺旋雲帶,有助測定環流中心的位置。可惜夜間沒有陽光,不能拍攝這類圖片。遇到這樣情況,夜更預報員便感到若有所失。(香港天文台)

另一個難題是和香港的地理位置有關的。大部份移向華南海岸的熱帶氣旋,是按西北偏西路徑移動的,海岸線的走向和風暴路徑形成一個狹窄的斜角,而香港只是彈丸之地,風暴路徑只要偏差十度,便足以使本應正面吹襲香港的風暴移到海南島去了。

熱帶氣旋路徑只要偏差十度,香港的天氣狀況便會明顯地不同。(香港天文台)

面對不明確和不斷改變的情況,天氣預報員必須細心觀察,按需要作出恰當的修正和明智的決定。同樣地,市民亦應明白其中所涉及的可能誤差,根據最新的熱帶氣旋警告而採取適當的預防措施。

原文:熱帶氣旋的監察和預測

作者:香港天文台



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