福建省臺風降雨的小時尺度響應特征

劉青靈, 簡文彬

(1. 福州大學紫金礦業學院，福建 福州 350108； 2. 福州大學環境與資源學院，福建 福州 350108； 3. 國土資源部丘陵山地地質災害防治重點實驗室(福建省地質災害重點實驗室)，福建 福州 350108)

0 引言

福建省地處中國東南沿海，是中國遭受臺風災害影響最嚴重的地區之一，受臺風影響，該地區是臺風暴雨型滑坡的易發區和重點防治區[1]. 研究表明，臺風暴雨型滑坡與臺風的路徑和臺風降雨過程密切相關[2-4]，降雨過程是該類型滑坡災變機理研究和滑坡預警的工作基礎，如何在更精確的時間尺度上研究臺風降雨過程對福建沿海地區滑坡災害的預警和防災減災工作具有重要意義.

在臺風降雨過程的時空特征研究方面，任福民等[5]等通過分析中國臺風極端降水，指出臺風暴雨是我國東南沿海地區重要的極端強降水事件. 韓暉[6]基于臺風路徑數據，對近50 a(1951—2001)的臺風暴雨研究認為，長期來看，臺風的頻次和強度雖然呈上升趨勢，降雨的頻次和強度存在一些周期，但這些規律在統計上是不顯著的，即臺風降雨過程具有很強的隨機性. 蔡澤宏[7]基于臺風路徑數據研究了閩東南的臺風暴雨特征，在小時時間尺度上指出，臺風暴雨6 h降雨量占全天降雨的30%～80%. 林小紅等[8]對1960—2005 年共46 a間影響福建的臺風降水進行時空分析，采用成熟的熱帶氣旋降水客觀識別法從1958—2012年的臺站降水中識別出我國大陸東南沿海(浙江、 福建、 上海)的臺風降水數據，指出臺風暴雨與臺風特征，地形密切相關，在時間和空間上的分布是不均勻的，給出了較大影響東南沿海的一般臺風登陸路徑方向.

臺風降雨過程是研究臺風暴雨型滑坡災變機理的基礎，現有對臺風降雨過程的研究主要停留在臺風降雨具有“降雨中心降雨強度大、 歷時短、 雨量集中”等定性的特征認識上[9-10]，當采用模型實驗和數值模擬方法研究臺風暴雨型滑坡的災變機制時，由于對臺風降雨的時程響應特征缺乏認識，降雨過程的實驗和模擬與真實臺風降雨過程相差甚遠[11]. 此外，基于統計方法得出的降雨閾值滑坡預警曲線以及臺風暴雨型滑坡具有“即雨即滑”特征的研究結論，主要以天為時間尺度進行臺風暴雨型滑坡的研究后給出，并不具備臺風暴雨型滑坡在更小時間尺度上進行臨滑預警的理論基礎.

本文基于近5 a登陸福建沿海的臺風最佳路徑，采集臺風登陸地點臺風登陸前后3 d(總計7 d)1 747個氣象監測站的降雨時程數據，在小時時間尺度上，運用數理統計方法分別比較研究臺風降雨雨型，累積降雨量時程響應特征，峰值降雨強度以及降雨的時間尺度特征.

1 研究材料和方法

本文根據近5 a直接登陸福建沿海的臺風最佳路徑，在小時時間尺度上，獲得區域臺風登陸前后3 d(總計7 d)的氣象站降雨監測數據. 圖1是近5 a登陸福建省沿海最佳臺風路徑圖, 表1是近5 a直接登陸福建的沿海臺風登陸參數情況. 圖1和表1表明，泉州近鄰區域臺風直接登陸4次，廈門近鄰區域2次，福州區域3次，共計9次.

圖1 近5 a登陸福建省沿海最佳臺風路徑Fig.1 Best track data of typoon landed in Fujian Province in five years

分別提取臺風登陸區域各氣象站的時程降雨數據，對區域的降雨特征進行識別提取，獲取不同臺風登陸鄰近區域降雨過程的雨型、 雨強、 持續時間、 累積降雨量時程特征，并進行比較研究. 根據文獻[12]，小時時間尺度上的降雨等級分為6類. 1)小雨為0.1～1.5 mm； 2)中雨為1.6～6.9 mm； 3)大雨為7.0～14.9 mm； 4)暴雨為15.0～39.9 mm； 5)大暴雨為40.0～49.9 mm； 6)特大暴雨為>50 mm.

2 結果和討論

2.1 臺風降雨雨型特征

考慮臺風降雨極端情況和臺風登陸區域累積降雨量，分別提取臺風登陸累積降雨總量前十位的氣象監測站降雨信息，分析不同降雨等級對應的降雨量與降雨過程總累積降雨量的占比情況，見圖2.

圖2(a)是福州近鄰區域3次(201709，201710，201808)臺風降雨過程中，不同降雨等級對應的降雨量與降雨過程總累積降雨量的占比情況. 圖2(a)表明，考慮極端降雨情況，福州近鄰區域登陸的臺風其主要降雨量源自于暴雨等級雨強的降雨，降雨的雨型集中于暴雨等級. 201709、 201710號臺風，暴雨等級雨強(>15 mm·h-1)的降雨量占比最大，為0.38； 特大暴雨等級雨強(>50 mm·h-1)的降雨量占比0.24. 201808號臺風特大暴雨等級雨強(>50 mm·h-1)降雨量占比最大，為0.31； 大暴雨等級雨強(40～50 mm·h-1)降雨量占比0.29.

圖2(b)是廈門近鄰區域1次(201614)臺風降雨過程中，不同降雨等級對應的降雨量與降雨過程總累積降雨量的占比情況. 201614號臺風帶來暴雨等級雨強(>15 mm·h-1)的降雨量占比最大，達到0.44； 特大暴雨等級雨強(>50 mm·h-1)的降雨量占比0.24. 廈門與福州同為沿海區域，極端臺風降雨的主要降雨量源自于暴雨等級雨強的降雨，降雨的雨型集中于暴雨、 大暴雨、 特大暴雨等級.

圖2(c)是泉州近鄰區域4次(201513，201521，201601，201617)臺風降雨過程中，不同降雨等級對應的降雨量與降雨過程總累積降雨量的占比情況. 圖2(c)表明，該區域臺風極端降雨與福州、 廈門近鄰區域不同，大暴雨和特大暴雨等級的降雨較少，其主要降雨量源自于中雨和大雨(<15 mm·h-1)、 暴雨(15～40 mm·h-1)等級雨強的降雨，降雨的雨型集中于強降雨等級.

圖2 各次臺風降雨的雨型特征Fig.2 Characteristics of rainfall distribution triggered by typoon

2.2 累積降雨量時程特征

考慮臺風降雨極端情況，分別提取臺風登陸累積降雨總量第一的氣象監測站降雨信息，分析福州、 廈門、 泉州近鄰區域的降雨時程特征. 同時，選取安溪縣西坪鎮滑坡遠程監測點2020/3/1～2020/4/1的降雨信息作為對比.

圖3(a)是201709納沙和201710海棠臺風登陸福州近鄰區域時，累積降雨量第1的氣象監測站的累積降雨和降雨強度的時間序列曲線. 圖3(a)表明，福州近鄰區域臺風登陸時，臺風降雨過程呈現多峰形態，5個峰值特征點的降雨強度達到暴雨(>15 mm·h-1)等級. 臺風降雨的時程形態影響滑坡的演化規律[13]，目前相關學者主要基于單峰降雨，兩峰降雨工況對滑坡過程進行了研究，得出了滑坡的演化機理.

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圖3(b)是201614號莫蘭蒂臺風登陸廈門區域時的降雨時程特征，臺風降雨過程累積降雨達到445.0 mm. 臺風登陸導致的臺風降雨過程同樣呈現多峰形態，3個峰值特征點的降雨強度達到大暴雨降雨強度等級.

圖3(c)是201617號鲇魚臺風登陸泉州近鄰區域時的降雨時程特征，累積臺風降雨量為357.0 mm，臺風降雨過程呈現雙峰形態，2個峰值特征點的降雨強度達到大暴雨降雨強度等級.

圖3(d)是安溪縣西坪鎮滑坡遠程監測點的降雨時程特征，圖3(d)表明，臺風降雨與春雨的降雨過程、 雨型特征顯著不同，春雨降雨經過1個月不斷連續的降雨，累積降雨量為64.4 mm，且降雨強度等級均處于小雨(0.1～1.5 mm·h-1)、 中雨(1.6～6.9 mm·h-1)之間的等級.

圖3 典型臺風降雨的時程響應特征Fig.3 Characters of accumulative rainfall triggered by typoon

圖4(a)是福建省近5 a 8次登陸臺風區域的最大累積降雨量，累積降雨量最大值為福州近鄰區域登陸的臺風降雨，為541.0 mm，原因在于這是納沙和海棠兩次臺風登陸帶來的疊加降雨天氣，登陸地點一致，且登陸時間僅相差21 h. 圖4(a)表明，福建沿海地區臺風登陸導致的降雨過程，其累積降雨量至少200 mm.

圖4(b)是臺風登陸當日的降雨量與總累積降雨量的占比情況，8次臺風登陸當天的降雨量占臺風全降雨過程累積降雨量的60%～98%； 201808瑪莉亞臺風帶來的臺風降雨當日降雨占比98%，即該次臺風降雨基本在當天完成. 圖4(b)表明，臺風降雨過程總累積降雨量主要集中在臺風登陸當日. 以201614莫蘭蒂臺風為例，由于臺風降雨具有多峰形態，臺風登陸第2、 3、 4天仍然存在大暴雨雨強等級的降雨，但第2、 3、 4天的降雨雨型較登陸當天的雨型更加集中，降雨量較登陸當天降雨量少，占總降雨量的2%～40%.

圖4 各次登陸臺風的最大累積降雨量與占比情況Fig.4 Maximum accumulative rainfall and its ratio details

2.3 峰值降雨強度

圖5(a)是各臺風登陸近鄰區域的最大降雨強度峰值，201614莫蘭蒂臺風登陸時帶來的臺風降雨強度峰值最大，為101.5 mm·h-1. 圖5(a)表明，相較于泉州近鄰區域登陸的臺風降雨強度，福州和廈門近鄰區域登陸的臺風降雨強度更大，將達到約2倍于特大暴雨雨強，具有極強的破壞能力.

圖5 各次臺風降雨峰值強度與占比情況Fig.5 Rainfall peak intensity of typoon and its ratio details

2.4 降雨時間尺度特征

圖6為福建省各次臺風降雨的時間尺度特征，圖6(a)是近5 a各次臺風登陸福建沿海區域的總持續降雨時間(降雨量>0.1 mm·h-1). 201808瑪莉亞登陸福州近鄰區域的臺風降雨總歷時最短，為21.7 h. 由于兩次臺風疊加，201709納沙和201710海棠帶來的臺風降雨歷時最長，達到47.5 h. 圖6(a)表明，夏季臺風登陸福建沿海區域帶來的極端降雨天氣，其降雨過程總歷時較短，在24～48 h之間.

圖6 福建省各次臺風降雨的時間尺度特征Fig.6 Time scale characteristics of typhoon in Fujian Province

圖6(b)是各次臺風降雨強度達到暴雨等級的持續降雨時間(>15 mm·h-1). 201513蘇迪羅登陸泉州近鄰區域的臺風降雨過程中，降雨強度達到暴雨等級的降雨歷時最短，為2.9 h. 同樣由于兩次臺風疊加，201709納沙和201710海棠帶來的暴雨等級臺風降雨歷時最長，達到9.7 h. 圖6(b)表明，福建沿海地區登陸臺風帶來的極端降雨天氣，暴雨等級降雨強度歷時雖然僅占降雨全過程總歷時15%～30%，但貢獻了60%～80%的降雨量，印證了登陸臺風降雨具有降雨強度大，歷時短，降雨集中的特征.

圖6(c)是各次臺風降雨最大峰值降雨強度時刻與臺風登陸時刻的時間差，時間正值表示臺風降雨最大峰值降雨強度時刻滯后于臺風登陸時刻，反之為超前于臺風登陸時刻. 福州近鄰區域登陸的納沙和海棠的疊加臺風，臺風降雨最大峰值強度出現在第二個臺風登陸時刻之后8 h. 圖6(c)臺風登陸帶來的區域性極端降雨強度的發生時刻會滯后或超前臺風登陸時間，兩者的時間差為-4～2 h之間，即臺風降雨的峰值強度時刻約匹配于臺風登陸時刻. 結合各次登陸臺風降雨時程特征，福建沿海區域由于臺風登陸引發的臺風降雨天氣，如果峰值雨強時刻滯后于臺風登陸時刻，臺風登陸之前的降雨量是極少的，平均占比在2.03%～12.88%之間； 當峰值降雨強度對應時刻超前于臺風登陸時刻，臺風登陸之前的降雨量占比大，平均占比57.60%～78.64%. 多峰形態的持續極端的臺風峰值強度是造成滑坡等地質災害發生的關鍵因素，因此依據24，48 h臺風登陸警戒線進行提前預警可作為丘陵山地滑坡防災減災的有效策略.

3 結語

臺風降雨具有獨特的響應特征，福州、 廈門近鄰區域登陸的臺風降雨雨型特征主要集中于暴雨、 大暴雨、 特大暴雨等級，而泉州近鄰區域登陸的臺風降雨雨型在大暴雨和特大暴雨等級的降雨分布較少. 福建省沿海城市臺風降雨過程總累積降雨量在200 mm以上，臺風降雨過程呈現多峰形態. 降雨強度大是臺風降雨過程的一個重要特征，臺風降雨全過程累積降雨量很大部分來源于暴雨等級(>15 mm·h-1)的降雨量. 臺風登陸帶來的區域性極端降雨強度的發生時刻會滯后或超前臺風登陸時間，兩者的時間差為-4～2 h之間，其降雨全過程總歷時較短，在24～48 h之間.

致謝: 感謝安溪縣氣象局對本文研究工作的大力支持，同時感謝審稿人和編輯有益的建議.