1960—2013年福建省臺風暴雨時空特征研究

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(1.福建師范大學地理科學學院,福建福州350007；2.福建省陸地災害監測評估工程技術研究中心,福建福州350007)

近年來隨著氣候變化愈加劇烈，極端天氣事件頻發，給人民生活和社會經濟建設造成了極大的負面影響。極端氣候事件成為國際社會的關注焦點[1]。IPCC第五次評估報告指出，過去50多年來，包括強降水在內的極端氣候事件頻率和強度呈現增多趨勢，未來極端降水事件的影響地區可能更加廣泛，影響程度趨于嚴重[2-3]。孔鋒等[4]采用1961—2015年中國659個站點數據，發現中國暴雨雨量和雨日隨著年代推移在迅速增長，東南沿海增長快，而西北內陸增長慢。

臺風暴雨作為強降水的重要組成部分以及臺風災害的主要表現形式，長期以來受到國內外學者的廣泛關注。Emanuel[5-6]和Holland[7]關注臺風帶來的暴雨災害，發現暴雨強度與臺風強度的緊密聯系。Robert等[8]對Bonnie颶風的數值研究表明，垂直風切變的顯著變化對降水分布有重要影響。Charmaine等[9]指出，臺風螺旋雨帶和中尺度系統之間存在的相互正反饋作用使得暴雨強度增強。很多研究圍繞著影響深遠的暴雨臺風個例進行,例如在臺灣造成持久強降水的臺風莫拉克(0908)，Wang等[10]認為，西南季風與臺風環流的相互作用、中尺度對流和特殊地形的存在是造成大暴雨的關鍵因素。

東南沿海的極端降水事件大都受熱帶氣旋活動直接或間接的影響[11]，該區域人口稠密、經濟發達、社會財富高度密集，每年受臺風災害的損失十分嚴重[12]。陳香[13]根據福建省氣候資料，發現1980—2005年期間臺風年均造成福建近百人死亡和25億元的直接經濟損失，而且呈明顯上升趨勢。林毅等[14]分析1601號臺風“尼伯特”發現，有利于強對流發展的諸多因素的同步疊加和臺灣島地形共同導致了特大臺風暴雨。陳秋萍等[15]分析發現登陸福建中部的臺風帶來強降水站點雖多但是單站強降水站點最少，而登陸福建北部的臺風帶來強降水站點雖少但是單站強降水站點最多。朱志存等[16]發現7—9月登陸中國臺風的暴雨頻數較大值分布在福建沿海，其中柘榮站最高，達到45次。上述研究對于臺風暴雨的氣象因素、演進規律、空間分布等方面已有較多認識，但是大多以單個站點或者單個區域進行分析，而對臺風暴雨在空間上的連續分布和強度變化的研究尚且不足。韓暉[17]對近50 a中國臺風暴雨進行分析，發現在空間上臺風暴雨年均發生頻次、總體分布呈現從東南沿海向西、向北減少，在時間上臺風暴雨頻數和平均臺風暴雨年降水量分別存在17.8%/10a和17.5%/10a的上升趨勢。

綜上所述，目前還缺乏對福建省臺風暴雨的系統研究，尤其是長時間序列多臺風樣本的深入研究尚很缺乏。本研究基于1960—2013年福建省27個氣象站點的逐日降水數據和中國氣象局(CMA)熱帶氣旋最佳路徑數據集數據，采用客觀天氣圖分析法分離得到臺風降水，進而設置閾值得到臺風暴雨，對臺風暴雨事件的空間分布與時間特征進行分析。采用強度-面積-持續時間(IAD)方法，研究臺風暴雨事件的強度、面積與最強中心，以期為東南沿海臺風災害的防災減災工作提供科學依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

日降水數據來源于中國氣象局中國氣象科學數據共享服務網(http://data.cma.cn/)，選取了1960—2013年福建省境內具有代表性的27個氣象站點的數據(圖1)。所有站點的數據都經過了嚴格篩選，保證了資料的連續性和完整性。收集整理的一次降水數據是站點24 h內(北京時間前日晚8時到當日晚8時)的累積降水量。

圖1 研究區及氣象站點分布

臺風數據來自于中國臺風網(http://tcda-ta.typhoon.org.cn/)提供的熱帶氣旋最佳路徑數據集[18]。提取和整理熱帶氣旋的編號、名稱、熱帶氣旋中心每6 h的經緯坐標和中心最大風速的信息。本文所論述的臺風是指在福建境內產生臺風降水的熱帶低壓及其以上強度的熱帶氣旋。

1.2 研究方法

1.2.1識別臺風降水

采用客觀天氣圖分析法(Objective Synoptic Analysis Technique, OSAT)[19]分離得到臺風降水。運用該方法首先要進行自然雨帶的分離，從降水場的結構入手，將降水場劃分為不同的雨帶；接著進行臺風雨帶的識別，以臺風中心與雨帶、各降水臺站之間的距離關系來確定臺風降水，進而得到受臺風影響下的雨帶內的氣象站點。在進行臺風雨帶的識別時，根據現有氣象站點距離的應用表現情況，經過實驗對比將鄰站的距離標準由原來的200 km調整為160 km。

1.2.2臺風暴雨閾值設定

在識別臺風降水的基礎上得到臺風暴雨，關鍵是確定臺風暴雨的閾值。閾值的選擇主要是集中在相對閾值和絕對閾值2種方法。絕對閾值的方法認為超過某一固定數值的降水為暴雨，一般是定義日降水量在50 mm及以上的降水為暴雨[20-21]，這也與中國氣象局頒布的降水等級劃分標準匹配。相對閾值的方法一般是將降水序列進行排布，將第n個百分位對應的日降水量作為臨界值，大于該值視為暴雨，臨界的百分位常見的是取第90、95和99百分位等[22-24]。

考慮到研究區地形復雜，降水在地域上的差異明顯。出于增強對比性和量化研究的需求，使用相對閾值的方法。王曉等[25]使用百分比法并取概率95%作為降水閾值定義“單站熱帶氣旋極端降水閾值”和“中國熱帶氣旋極端降水閾值”；江漫等[26]采用95%的閾值來定義極端臺風降水；趙琳娜等[27]定義臺風小時雨量超過95%累積概率的雨量值為極端臺風小時降水。綜合前人研究，本研究中對于各個氣象站點，將其1960—2013年期間日臺風降水量大于0.1 mm的數據提取并進行升序排列，以第95百分位對應的降水量作為該站點的臺風暴雨閾值。

以27個氣象站點臺風暴雨閾值數值為依托，采用薄盤樣條法(Thin Plate Spline,TPS)進行插值。薄盤樣條可以被認作是標準多變量線性回歸的歸納或一般化，它只將空間分布作為觀測數據的函數，而不需要其先驗知識和物理過程，可以有效提高插值的實用性和準確度[28]。使用基于薄盤樣條理論編寫的針對氣候數據曲面擬合的專用軟件ANUSPLIN[29]，參考前人的研究[30-31]，以廣義交叉驗證(Generalized Cross Validation, GCV)最小化為標準，經過多次實驗，選定以經度和緯度作為自變量，得到以福建省為研究區的0.03°×0.03°臺風暴雨閾值柵格場。福建省各區域臺風暴雨閾值差異顯著，臺風暴雨閾值范圍介于39.0～47.5 mm，見圖2。高閾值區域集中在閩東南地區，低閾值區域集中在閩東北地區。

圖2 1960—2013年福建臺風暴雨閾值的空間分布

1.2.3強度-面積-持續時間方法

強度-面積-持續時間方法(Intensity-Area-Duration, IAD)是將強度、面積、持續時間這3個反映臺風暴雨事件的特征聯系起來進行分析的手段。在此基礎上可進一步使用包絡線的形式，對最強的區域性臺風暴雨事件進行判別分析。該方法已在區域性暴雨[32]和干旱[33]事件的研究中得到廣泛應用。

強度表示的是柵格降水量與該柵格臺風暴雨閾值的差值，相對于其閾值的倍數。柵格降水量必須是大于其臺風暴雨閾值。面積表示的是各個柵格對應的實地面積大小。研究區內的強度為涉及柵格強度的平均值，面積為涉及柵格的面積之和。由于本文研究未涉及臺風暴雨事件的持續性，因此以1 d中的1次區域性臺風暴雨事件構成1條IAD曲線。

圖3表示的是IAD曲線與包絡線的繪制過程。尋找圖3a中強度最大的柵格，作為“最強中心”記錄,繪制其強度與面積于圖上(圖3b)；其次在“最強中心”周圍連續格點中搜索強度次強的柵格作為“次強中心”加入，并記錄與繪制此時的強度與面積(圖3c)；重復此過程直到連續格點上的暴雨柵格均被搜索和記錄，形成一次區域性臺風暴雨事件(圖3d)。重復上述步驟尋找和記錄區域內所有臺風暴雨事件。將提取和記錄到的反映一次區域性臺風暴雨事件強度與面積關系的點連接，繪制成1條曲線，作為該臺風暴雨事件的IAD曲線。將所有IAD曲線上面積相同時強度最大的點連接，形成1條所有IAD曲線最上方的包絡曲線(圖3e)，即IAD包絡線，用以反映在不同影響面積下，臺風暴雨事件能夠達到的最大暴雨強度。

圖3 IAD曲線與包絡線繪制示意

2 結果與分析

2.1 臺風暴雨空間分布

多年平均臺風暴雨天數反映臺風暴雨出現的頻率，日均臺風暴雨降水量則對應臺風暴雨影響的強度，它們的空間分布(圖4)是反映區域性臺風暴雨影響的重要特征。圖4a顯示，多年平均臺風暴雨天數的高值區主要出現在東部沿海地區，一般大于1.5 d，最高值出現在閩北沿海地區，多年平均約有2.4 d出現臺風暴雨，低值區主要位于閩西北地區，一般接近于0.2 d。圖4b反映的是日均臺風暴雨降水量的空間分布，高值區同樣出現在閩北沿海地區，可以達到100 mm以上，而臺風暴雨影響弱的中部及西北內陸地區日均降水量在50 mm以下，僅僅是接近于閾值降水量。

a)多年平均臺風暴雨天數圖4 1960—2013年多年平均臺風暴雨天數和日均臺風暴雨降水量的空間分布

多年平均臺風暴雨天數和日均臺風暴雨降水量的高值區集中在東部沿海地區，低值區主要分布在西北內陸地區。數據在中部地區變化顯著，這可能與山脈的分隔和阻礙作用有關。由鷲峰山脈、戴云山脈和博平嶺山脈組成的東北—西南走向的閩中大山帶斜貫福建省中部，臺風由東南—西北方向迎著山脈進入，受地形增幅作用在山脈迎風坡氣流的抬升作用下加上臺風帶來充沛水汽使得強對流云團在迎風坡發展和滯留，則山脈以東的迎風坡臺風降水較背風坡明顯偏多[34]。此外對比圖4a、4b，不難發現福建省沿海地區多年平均臺風暴雨天數相近，但是中部和南部沿海地區的日均臺風暴雨降水量均遠不及北部沿海地區。邱文玉[35]在解釋位于閩北的柘榮站易出現臺風極值降水時，認為是由于柘榮縣城位于太姥山脈，處于一個三面環山的“口袋式”特殊地形環境中，十分有利于抬升運動和降水增強。

b)日均臺風暴雨降水量續圖4 1960—2013年多年平均臺風暴雨天數和日均臺風暴雨降水量的空間分布

2.2 臺風暴雨時間特征

2.2.1年代際特征

1960—2013年期間，共有384個臺風對福建省造成降水影響，其中引發臺風暴雨的臺風有201個，占比為52.3%。臺風產生的降水天數有1 008 d，其中暴雨天數有341 d，占比為33.8%。為了更好地將降水與影響面積聯系起來進行考慮，引入和使用體積降水量[36]的統計。從表1中可以看到，影響福建省的多年平均暴雨臺風為3.7個，臺風暴雨為6.3 d，臺風暴雨體積降水量為15.2 km3。按年代進行區分統計，1980—1989年的臺風暴雨3項統計值均為各年代最低，臺風暴雨的影響較弱。年均臺風暴雨頻數最高值出現在1970—1979年，為4.1個。1990—1999年和2000—2013年的年均臺風暴雨天數出現了各年代最多的7.1 d。1990—2000年出現16.5 km3的最大年均臺風暴雨體積降水量。

對每年的臺風暴雨數據進行Pearson相關分析，結果顯示在0.01顯著性水平上，臺風暴雨體積降水量與暴雨臺風頻數的相關性為0.586，而體積降水量與臺風暴雨天數的相關性達到了0.791，表明使用臺風暴雨天數比使用暴雨臺風頻數研究臺風暴雨體積降水更具合理性。

表1 福建臺風暴雨年代際統計

2.2.2年際特征

每年臺風暴雨在福建省的體積降水量和發生天數見圖5。二者均呈現增加的趨勢，分別為0.262km3/10a和0.139 d/10a。1990年臺風暴雨發生天數最多，達到16 d，體積降水量也是最多，達到35.16 km3。由于沒有達到臺風暴雨閾值的標準，1993年臺風暴雨體積降水量和發生天數均為0。

圖5 1960—2013年臺風暴雨體積降水量和臺風暴雨天數

2.2.3年內變化

1960—2013年月均臺風暴雨體積降水量與臺風暴雨天數見圖6。臺風暴雨對福建省的影響自5月開始，持續到12月。其中7—9月為臺風暴雨影響嚴重的時期，體積降水量占全年臺風暴雨體積降水量的81.0%，臺風暴雨天數占全年臺風暴雨天數的79.6%。8月是受臺風暴雨影響最嚴重的月份，體積降水量占全年臺風暴雨體積降水量的41.9%，臺風暴雨天數占全年臺風暴雨天數的35.3%。臺風暴雨體積降水量與臺風暴雨天數二者的Pearson相關性達到了0.978且通過了0.01水平的顯著性檢驗，顯示出極強的相關性。發生在5月的臺風暴雨天數相比6月更少，但是其體積降水量相比卻來得多。這主要是由于1961年第3號臺風Alice帶來的強降水在5月臺風暴雨體積降水量中占據較大比重所致。發生在9月的臺風暴雨天數相較于7月更多，但是其體積降水量卻少于7月，表明9月臺風暴雨的強度大體上弱于7月。

圖6 1960—2013年月均臺風暴雨體積降水量與臺風暴雨天數

2.2.4過程極端臺風暴雨和日極端臺風暴雨

每年臺風暴雨在福建省造成的過程最大體積降水量和日最大體積降水量見圖7。二者均呈現增加的趨勢，但是過程最大體積降水量的增加趨勢不明顯，僅為0.029 km3/10a，可以說是幾無變化。日最大體積降水量則呈現比較明顯的增加趨勢，達到了0.375 km3/10a。過程最大體積降水量的極大值出現在1990年8月。1990年第12號臺風Yancy在穿過臺灣島后，進入臺灣海峽，在福建沿海打轉，多次登陸，最后轉入閩西南消散在粵東北。受此影響，福建境內出現持續4 d的臺風暴雨，影響面積廣大，累計體積降水量達到17.56 km3。日最大體積降水量的極大值則出現在1961年5月20日。該日1961年第3號臺風Alice自閩西南進入，沿東北方向橫穿福建省，臺風路徑極為特殊，各地普遍暴雨。27個氣象站點中有多達20個站點記錄到大于50 mm的降水量，有5個站點的降水量甚至在100 mm以上，該日體積降水量達到8.25 km3。

圖7 1960—2013年每年臺風暴雨過程最大體積降水量和日最大體積降水量

2.3 臺風暴雨強度與影響面積分析

將福建境內1 d中的1個臺風暴雨事件的平均強度和最大影響面積繪制成1個點，形成1960—2013年福建省臺風暴雨事件的散點(圖8)。有12.4%臺風暴雨事件的最大影響面積在5萬km2以上，影響面積最大的事件發生在1961年5月20日，影響面積達到118 400 km2，占研究區總面積的97.4%。有9.8%臺風暴雨事件的平均強度在1.0以上，平均強度最大的事件發生在2005年7月19日，達到2.06。

將1960—2013年劃分成5個年代時段，繪制各個時段的臺風暴雨事件的包絡線(圖9)。1960—1969年臺風暴雨事件最大影響面積為118 400 km2，最大強度為6.14；1970—1979年臺風暴雨事件最大影響面積為95 800 km2,最大強度為6.18；1980—1989年臺風暴雨事件最大影響面積為72 100 km2，最大強度為5.72；1990—1999年臺風暴雨事件最大影響面積為101 100 km2，最大強度為6.37；2000—2013年臺風暴雨最大影響面積為81 300 km2，最大強度為8.47。可以看出，1980—1989年臺風暴雨的影響程度較弱，這也與表1的內容有所呼應。

圖8 1960—2013年福建省臺風暴雨事件散點

圖9 1960—2013年各時段臺風暴雨事件IAD包絡線

1960—2014年的臺風暴雨的包絡線(圖10)主要是由7個時段的事件組成。影響面積為0～7 600 km2的最強事件發生在2005年，影響面積為7 600～14 500 km2的最強事件發生在1971年，事件的最強中心均出現在福鼎市；影響面積為14 500～45 700 km2的最強事件發生在1963年，事件的最強中心出現在仙游縣，影響面積為45 700～76 900 km2的最強事件發生在1992年，事件的最強中心出現在晉安區，影響面積為76 900～79 600 km2的最強事件發生在1990年，影響面積為79 600～83 900 km2的最強事件發生在1996年，影響面積為83 900～118 400 km2的最強事件發生在1961年，事件的最強中心均出現在福鼎市。不同影響面積下的臺風暴雨最強事件的最強中心均分布在沿海縣市，尤其是在閩浙交界的福鼎市出現頻次較多。

圖10 1960—2013年臺風暴雨事件IAD包絡線

3 結論

a) 多年平均臺風暴雨天數和日均臺風暴雨降水量大值區主要出現在福建省東部沿海地區，小值區主要出現在福建省西北內陸地區，數值由沿海向內陸逐漸減小，在閩中大山帶兩側變化顯著。

b) 1960—2013年期間臺風暴雨體積降水量和臺風暴雨天數均呈現增加的趨勢，分別為0.262 km3/10a和0.139 d/10a。日最大體積降水量同樣呈現增加趨勢，達到了0.375 km3/10a，而過程最大體積降水量的增加趨勢不明顯，僅為0.029 km3/10a。

c) 1980—1989年是臺風暴雨影響較弱的時期。臺風暴雨對福建省的影響從5月持續到12月，其中7—9月是影響嚴重的時期，并在8月達到頂峰。

d) 臺風暴雨事件最大強度為8.47，最大影響面積為118 400 km2。臺風暴雨事件最強中心均分布在沿海縣市，尤其是在閩浙交界的福鼎市出現頻繁。

本研究尚存在一些不足之處，例如采用IAD方法分析區域性臺風暴雨事件時，缺少對于持續時間這一特征進行劃分的研究。此外，對于臺風的移動路徑、登陸地點等臺風特點與降水的聯系方面考慮較為欠缺，對于臺風暴雨諸多統計值的周期變化特征、突變特點的描述不足。這部分內容將在后續研究中逐步完善。需要指出的是，臺風暴雨的時空特征與變化的原因非常復雜，需要從海溫環境、大氣環流等多方面進行分析。未來將進一步探究臺風暴雨災害風險評估與區劃等相關議題，并評估未來氣候變化情景下臺風暴雨事件的風險演變。