海南島熱帶氣旋極端降水的特征及其成因

蔣賢玲 任福民 蔡親波

（1 海南省氣象臺，海口 570203；2 海南省南海氣象防災減災重點實驗室，海口 570203；3 中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室，北京 100081；4 海南省氣象局，海口 570203）

0 引言

熱帶氣旋（TC）是發生在熱帶海洋上的一種旋轉的猛烈的風暴。TC極端降水屬于TC暴雨的范疇，關于TC極端降水的研究，國內外學者已做了較多的工作。研究主要集中在以下兩個方面。

一方面，對TC暴雨個例研究較多。陶詩言等[1]對7707號TC的研究表明，上海特大暴雨主要與東風氣流中中尺度云團和中尺度輻合線等有關。Wu[2]的研究指出，臺灣島地形使得在臺風Gladys臨近時在背風坡一側可激發出誘生低壓。Murata[3]的結果顯示，臺風Meari登陸日本時山脈地形對暴雨形成有明顯作用。于玉斌[4]研究臺風桑美時指出，臺風寶霞殘渦并入“桑美”是導致“桑美”近海增強的重要原因。Wu等[5]表明，熱帶風暴 Paul的存在對Rachel的降水和運動造成了很大的影響。馮文等[6]在研究海南TC中尺度強降水時得出，登陸前后，中尺度強降水基本均出現在氣旋中心西南到東南側 100～200 km，表現出明顯的南北不對稱。

另一方面，對區域TC極端降水的研究集中在統計特征。侯建忠等[7]研究表明，陜西的極端暴雨與近海TC活動的相關率接近 87 %；7、8兩個月TC影響最為顯著。Shepherd等[8]研究發現，主要颶風產生大部分的極端日降水，而熱帶低壓或風暴則對累計季節性降水產生明顯影響。羅伯良等[9]的結果顯示，影響湖南的TC登陸地點以廣東、福建最多，強度達強熱帶風暴或以上的TC可造成極端暴雨降水，主要出現在8月；20世紀 90年代以后暴雨強度呈加大趨勢。李海鷹等[10]發現7—10月中山出現的暴雨主要是由TC造成的，且TC距中山800 km范圍內才能給中山造成暴雨。趙珊珊等[11]研究表明，中國日降水量和過程降水量的極值站數在1960 年代最多。吳慧等[12]研究表明，登陸海南TC暴雨與登陸時TC強度和登陸維持時間分別有顯著的負相關和顯著的正相關關系，但登陸時TC強度對暴雨的影響強于登陸維持時間。

海南是受熱帶氣旋影響最多的省份之一，關于海南TC暴雨的研究也有一些。毛夏等[13]指出，海南的小時特大暴雨絕大部分集中分布在熱帶氣旋的西南部，一般在3個緯距以內。近40年，單個TC在海南島產生的極端降水量和日數明顯增加[14]。西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱副高）（或其他高值系統）和熱帶擾動的相互作用建立了熱帶擾動引發的華南暴雨的雙重正反饋機制[15]。蔡小輝等[16]認為1117號強臺風納沙造成海南島特大暴雨的原因包括西南季風和地形。其他研究[17-18]也強調了海南島地形的重要性。

由以上可知，關于TC極端降水的研究，集中研究TC個例，專門針對區域的研究較少。然而，在做預報時，往往是針對某個區域做出相應的天氣預測。因此，針對區域TC極端降水進行研究，并找出其規律是極其重要的。

值得提出的是，海南島是我國沿海最多TC登陸的地方之一[19]。登陸海南島的TC一般都產生暴雨，還有相當多的TC雖然未登陸海南島，但亦對海南島有影響，也帶來暴雨。基于此及以上存在的問題，研究海南島的TC極端降水是極具意義的。本研究首先統計分析海南島TC極端降水的空間分布特征和時間變化特征；其次，進一步探討其產生的可能原因。

1 資料和方法

本文所用的臺站降水資料包括中國氣象局國家氣象信息中心提供的1958—2013年海南島19個站點的日資料、上海臺風研究所提供的西北太平洋TC資料以及NCEP/NCAR再分析數據。

TC降水的分離利用的是任福民等[20-22]提出的成熟的T C降水識別方法，即客觀天氣圖分析法（OSAT）。

本文研究的TC包括熱帶低壓及以上級別的所有TC。影響海南的TC，包括登陸海南島和未登陸海南島且對海南島造成影響的TC。規定當海南島地區有1個臺站出現TC降水時，則該TC就定義為影響海南島的TC。

TC極端降水是指TC日降水量在統計上達到極端強度的降水。確定極端降水事件需要首先確定極端降水閾值，極端降水閾值包括兩種閾值，即相對閾值和絕對閾值。本文計算了99 %極端降水閾值，圖1表示海南島近幾十年第99百分位降水量閾值，可以發現，海南島極端降水閾值有兩個中心，分別位于東部和西部，東部中心是萬寧站，閾值是139.4 mm，西部中心站是昌江站，閾值達到137.5 mm。每個臺站的極端降水閾值均超過了100 mm。

然而，氣象部門在預報中，將24 h降水量達到50～100 mm的降雨過程定義為暴雨，將24 h降水量達到100～250 mm的降雨過程定義為大暴雨，將24 h降水量達到或超過250 mm的降雨過程定義為特大暴雨。因此，為了與天氣預報一致，結合相對降水閾值，本文主要選取特大暴雨作為TC極端降水的研究對象。

2 海南島TC極端降水的特征

為了了解海南島TC極端降水的分布特征，分析海南島TC日降水的極值分布規律是必要的。

2.1 海南島TC日降水的極值分布特征

為了找出海南島TC日降水的極值分布特征，本文計算了1958—2013年影響海南島的TC在所有站點產生的最大日降水量（海南島TC最大日降水，圖2）。可以看出，TC在整個海南島地區產生的最大日降水均很大，均超過了300 mm；其中，日降水量達到400 mm以上的區域主要在海南島的東部、西部和中部的局部地區。TC最大日降水量的地區差異很大，最大相差超過300 mm，東部和西部分別有兩個大值中心，分別位于海南島的西部昌江縣和東部瓊海市，分別達到644.6和614.7 mm，分別是200114號臺風菲特及2010年的熱帶低壓產生。

圖2 海南島1958—2013年TC最大日降水的空間分布Fig. 2 Spatial distribution of TC maximum daily rainfall from 1958 to 2013 over Hainan Island

為了詳細了解海南島的TC日降水極值的分布區間，選取每個TC產生最大降水的站點的降水量（TC最大單站降水量）進行分析，生成TC最大單站日降水量-頻數分布圖（圖3）。經計算，1958—2013年共有491次TC過程影響海南島。TC降水極值隨著降水區間的增加而顯著遞減；處于0～100 mm的有273次，占了55.6 %；達到100～250 mm的有171次，比例為34.8 %；達到250～500 mm的有45次，比例為9.2 %；≥500 mm的只有2次。總體看來，TC最大單站日降水量在0～250 mm的共有444次，產生頻數達到90.4 %，占了絕大部分。

圖3 海南島TC最大單站日降水量-頻數分布Fig. 3 TC maximum single daily rainfall amount-frequency distribution over Hainan Island

為了研究TC日降水的年極值的年際變化，本文挑選出每年的TC單站最大降水，繪制成序列圖（圖4）。可以發現，1958—2013年，年最大TC日降水的長期趨勢是增加的，即年最大TC日降水趨于極端化，平均每10年增加10.4 mm。其年代際變化也非常明顯。從9年滑動平均來看，有著弱的年代際波動；其波動振幅也有明顯的轉變，20世紀80年代之前波動振幅較大，而之后波動卻較小，直到21世紀之后，波動又突然增大。從降水量來看，年最大TC日降水在2004、1961、1969和1959年達到較小的極值，降水極值分別是28.7、91.3、116.0和120.4 mm，而在2001、2010、1977和1958年達到較大的極值，降水極值分別為644.6、614.7、490.3和471.9 mm。

圖4 海南島年最大TC日降水的逐年變化Fig. 4 Interannual changes of annual maximum TC rainfall over Hainan Island

2.2 海南島TC極端降水的特征

圖5a表示近50年來在海南島各個臺站產生極端降水的頻數的空間分布，可以發現，臺站TC極端降水頻數在西北部較多，東南部相對較少；頻數排名前6的分別是昌江縣、白沙縣、臨高縣、五指山市、東方市、屯昌縣，分別是10、9、8、8、7和7次，而保亭縣和瓊中縣最少，分別只有2次，定安縣、陵水縣的也比較少，分別只有3次。

將每個TC產生的大于或等于250 mm的臺站的日降水量都繪制在橫坐標為年的坐標軸上，就得到了極端降水隨時間的散點圖（圖5b）。經分析，1958—2013年共有104次極端降水，降水主要集中在250～400 mm，只有個別臺站的降水超過400 mm。個別臺站降水趨于極端化，如2001年、2010年的單站降水分別達到644.6、614.7 mm，這是近50年來最大的兩次單站日降水，而之前的最大單站降水不到500 mm。TC極端降水中排名前五的年份除了2001和2010年外，還有1977、1958和1976年，降水量分別是490.3、471.9和457.6 mm。

圖5 1958—2013年海南島TC極端降水統計量（a）臺站頻數分布，（b）降水量逐年分布，（c）年頻數變化Fig. 5 Statistics of TCERs from 1958 to 2013 over Hainan Island(a) station frequency distribution, (b) rainfall amount interannual distribution, (c) interannual frequency changes

從圖5c可以看到，TC極端降水的頻數的長期趨勢是弱的增加；年際波動很大，例如，可以從1996年的9次降到1997年的0次，從1995年的1次升到1996年的9次；其中，1996、1963、2001、1970和2009年分別達到9、7、7、6和6次，而很多年份并沒有產生TC極端降水，如2004、1959、1961、1962和2013年。從9年滑動平均曲線看，其年代際變化明顯，20年左右的震蕩周期非常顯著，20世紀70年代末至80年代初、90年代末到21世紀前5年減少，20世紀80年代末至90年代初、2005年之后增加明顯。

綜合以上（圖5）的分析，海南島極端降水的頻數在西北部出現最多，東南部出現較少；TC極端降水的極端趨勢在增加。

3 海南島TC極端降水的成因分析

3.1 影響海南島極端降水TC的背景場特征

前面已經分析到，1958—2013年共有47個TC產生極端降水。在計算過程中，選取這47個TC產生單站最大降水的日期，進行TC環流場的合成。由于大氣環流場有明顯的季節轉換，且產生極端降水的TC集中在7—10月，故選取1958—2013年7—10月環流場的多年平均作為氣候平均場。

產生極端降水的條件之一就是源源不斷的水汽供應，分析合成的850 hPa水汽通量（圖6a～6b）可以發現，T C環流場有更強的水汽通量相連，≥8 g·s?1·hPa?1·cm?1的范圍向東延伸到105°E附近，它一方面可以為強降水提供充分的水汽，另一方面也使未來暴雨區的底層大氣增溫增濕，為暴雨積累大量不穩定能量，有利于產生對流不穩定。而與氣候平均場相連的水汽通量相對較小，≥8 g·s?1·hPa?1·cm?1的范圍相對小很多，≥8 g·s?1·hPa?1·cm?1的范圍向東延伸到95°E附近。這些條件可能會導致TC環流場低層水汽更強的輻合上升，從而釋放出更多的潛熱來維持TC的暖心結構。從850 hPa的水汽通量散度（圖6c～6d）可以證明這一點，對于TC環流場，在海南島及其附近海域有很明顯的水汽通量輻合，中心超過8個單位（10?8g·s?1·hPa?1·cm?1）；而對于氣候平均場，在海南島及其附近海域并沒有明顯的輻合。由上可知，強的西南水汽通量是產生TC極端降水的重要條件。

按照傳統的定義[23]，將500 hPa上5880 gpm線包圍的區域作為副高強度指標，緯向風U=0線作為脊線，5880 gpm線的西伸脊點經度作為西伸指數。分析500 hPa高度場（圖7a），對于TC環流場，副高偏西偏強，5880 gpm線西伸脊點在120°E附近；對于氣候平均場，副高則偏東偏弱，5880 gpm線西伸脊點在130°E附近，比TC環流場偏東約10個經度左右。

另外，南亞高壓依照張瓊等[24]的定義，將100 hPa上16800 gpm 線包圍的區域作為南亞高壓強度指標，風速零線作為脊線，16800 gpm線的東部脊點經度作為東伸指數。從100 hPa高度場（圖7b）來看，TC環流場的南亞高壓偏強，東伸指數在117°E附近，16800 gpm線南部邊緣在華南沿海，南亞高壓偏強，有利于海南島高層氣流的輻散，從而為強降水提供有利的動力條件。而氣候平均場的南亞高壓相對偏弱，16800 gpm線的東伸指數在113°E附近，16800 gpm線南部邊緣在華中一帶，距離海南島較遠，從而不利于海南島高層氣流的輻散。從200 hPa散度場（圖7c～7d）可以看出，TC環流場中海南島及其附近海域有很明顯的輻散場，大于等于8個單位，而氣候平均場中海南島及其附近輻散場較弱，只有2～4個單位。

圖6 850 hPa水汽通量（a，b，單位：g·s?1·hPa?1·cm?1）和水汽通量散度（c，d，單位：10?8 g·s?1·hPa?1·cm?1）（a，c表示氣候平均；b，d表示TC環流）Fig. 6 850 hPa water vapor flux (a, b, unit: g·s?1·hPa?1·cm?1) and water vapor flux divergence (c, d, unit: 10?8 g·s?1·hPa?1·cm?1)(a and c represent the climatic average; b and d represent the TC circulation)

圖7 500 hPa副高位置（a）、100 hPa南亞高壓位置（b）以及200 hPa散度（c、d）（其中，a、b中，藍色表示氣候平均，紅色表示TC場，a中等值線表示5880 gpm線，b中等值線表示16800 gpm線，單位：gpm；c表示氣候平均場，d表示TC場，單位：10?6 s?1 ）Fig. 7 The NWPSH position at 500 hPa (a), the SAH position at 100 hPa (b) and wind divergence at 200 hPa (c, d)(In a and b, blue solid lines indicate climate average, and red solid lines indicate TC field. In a, the contour indicates 5880 gpm line. In b, the contour indicates 16800 gpm line, unit: gpm. c indicates climate average field, and d indicates TC field,unit: 10?6 s?1 )

通過以上的分析可知，當海南島出現TC極端降水時，南亞高壓和副高距離很近，即南亞高壓偏東偏強，副高偏西偏強。

3.2 海南島地形對TC極端降水的作用

根據實際預報經驗及海南島的地形特征，將海南島分為北部、西部、東部、中部和南部5個區域（圖8）。

圖8 海南島的臺站分區（陰影部分表示海拔高度）Fig. 8 Station division of Hainan Island (shaded areas indicate altitude)

根據產生極端降水的TC最大日降水臺站所在區域的不同，將極端降水分為五種降水型。將最大日降水臺站在北部、西部、東部、中部和南部的降水型分別稱為北部降水型、西部降水型、東部降水型、中部降水型和南部降水型。為了探究海南島地形對TC極端降水落區的作用，繪制了各個降水型所對應的產生最大日降水當天的TC路徑圖（圖9）。由于1966年之前一些臺站缺測較多，本部分使用的降水和TC路徑資料時間段是1966—2013年。

圖9 1966—2013年各降水型對應的TC最大日降水當日路徑（箭頭表示移動方向，陰影部分表示海拔高度）（a）北部，（b）西部，（c）東部，（d）中部，（e）南部Fig. 9 TC tracks on the maximum daily rainfall day for each rainfall type from 1966 to 2013(arrows indicate moving directions, shaded areas indicate altitude)(a) north, (b) west, (c) east, (d) middle, (e) south

分析各個降水型所對應的產生最大日降水當天的TC路徑（圖9）可知，不同降水型的共同點是路徑基本都向西北偏西行或是西北行，且都在海南島上或附近。同時，各降水型又各有自己的規律。北部降水型的路徑基本上是西北偏西行，除了南部沿海有一個，其他均在五指山以北登陸，路徑的陸上部分基本都在五指山以北，只有一個在五指山以南，結合海南島地形（圖8）可知，海南島北部距離TC中心最近，更容易受到臺風眼壁的影響，且大多處于TC路徑的向岸風面，容易受到海陸風摩擦輻合的影響，進而產生強降水。西部降水型路徑較集中，登陸點集中在五指山以北到雷州半島一帶，也是西北偏西行，但偏西分量比北部降水型大，路徑的陸上部分除了有一個穿過五指山，其余的均在五指山以北，結合海南島地形（圖8），海南島西部處于TC路徑的向岸風面或五指山的迎風坡，在海陸風摩擦輻合或五指山抬升輻合的作用下，容易造成強降水的增幅。東部降水型的路徑則偏東偏南，陸上部分在海南島南半部，路徑長度較短，規律較差，結合海南島地形，海南島東部大多處于TC路徑的向岸風面或五指山的迎風坡（只有一個TC路徑偏北，不屬于此類型），在海陸風摩擦輻合或五指山抬升輻合的作用下，同樣容易造成強降水的增幅。中部降水型路徑較一致，大部分是西北偏西行，陸上部分較均勻地分布于海南島的各個區域。南部降水型的路徑偏南，路徑的陸上部分主要在五指山及其以南，路徑較分散，結合海南島地形，海南島南部距離TC路徑較近或處于五指山的迎風坡，有利于形成強降水。從TC個數來看，西部降水型TC最多，達到13個，其次是北部降水型，有9個，再次是中部降水型，有7個，較少的是南部降水型和東部降水型，分別是6個、4個，由此進一步說明海南島西北部是極端降水頻數的大值中心。通過以上分析可知，在TC路徑和低層風場結構的配合下，海南島地形對極端降水的落區起關鍵性作用，在做極端降水落區預報時，不可忽視海南島地形的影響。

4 結論

利用中國氣象局國家氣象信息中心提供的海南島19個臺站的日降水數據、中國氣象局上海臺風研究所的熱帶氣旋最佳路徑數據集和NCEP/NCAR再分析數據， 探討了海南島TC極端降水的空間分布和時間變化特征，并進一步診斷分析了極端降水產生的可能成因，所得結論如下。

1）TC在整個海南島地區產生的最大日降水均超過了300 mm，東部和西部分別有兩個大值中心，分別位于海南島的西部昌江縣和東部瓊海市，分別達到644.6和614.7 mm。TC最大單站日降水隨著降水區間的增加而顯著遞減，在0～250 mm的共有444次，產生頻數達到90.4 %，占了絕大部分。年最大TC日降水趨于極端化，平均每10 年增加10.4 mm。

2）海南島TC極端降水在西北部出現最多，東南部出現較少；無論從TC極端降水量級還是從TC極端降水頻數，TC極端降水的極端趨勢均在增加。

3）1958—2013年共有47個TC產生極端降水，平均每年有0.8個，全部發生在5—11月，集中在7—10月，8、9月的頻數最多，均有12個。

4）充足的西南水汽通量輸送是產生TC極端降水的重要條件；當海南島出現TC極端降水時，南亞高壓和副高相距很近，即南亞高壓偏東偏強，副高偏西偏強；在TC路徑和低層風場結構的配合下，海南島地形對極端降水的落區起關鍵性作用。

需要指出的是，TC極端降水的成因十分復雜，除本文提出的影響因子外，還有很多其他動力學和熱力學方面的影響因子。因此，本文對TC極端降水的成因分析不夠深入，下一步將使用天氣學診斷和數值模擬相結合的方法對海南島TC極端降水的成因做進一步的研究。