福建省短歷時強降水歷史極值氣候特征分析*

李欣欣 白 龍 林 昕 廖 廓 鄭潮宇

(1.福建省氣候中心,福建 福州 350001；2.福建省氣象科學研究所，福建 福州 350001)

短時強降水是福建省最為常見的強對流天氣之一，常引起山洪、泥石流和城市內澇等次生災害，常常造成重大的人員傷亡和巨大的經濟損失。福建是我國臺風災害最嚴重的省份之一，據統計，2016年福建省遭受“尼伯特”、“莫蘭蒂”和“鲇魚”3個超強臺風的正面襲擊。臺風較常年個數偏多、強度偏強，給福建省造成了嚴重經濟損失。臺風帶來的短時強降水的突發性、局地性和極端性是最主要的致災因子。作為新中國成立以來登陸我國最強的1號臺風和7月登陸我國的最強臺風，2016年臺風“尼伯特”發生時，福州市閩清縣和永泰縣出現極端短時強降水。據監測，7月9日永泰縣赤岸、丹云兩地1小時最大雨強超過100mm，永泰縣4個區域站3小時雨強超過200mm，閩清和永泰兩縣16個區域站6小時雨強超過200mm。極端短時強降水致閩江流域的福州市梅溪、大樟溪發生超警戒水位洪水，梅溪更是出現了歷史最大洪水，多處山洪溝暴發山洪，閩清、永泰2個縣城出現大面積內澇，災情尤為嚴重。據分析研究，3小時和6小時極端強降水是此次臺風最主要致災因子。

非臺風暴雨也經常引發福建省短時強降水，其持續性、區域性和極端性是最主要的致災因子，如2010年6月13-26日，受低層切變線影響，閩北出現雨季期間持續時間最長、范圍最廣、雨量最多、強度最大、災害最重的持續性暴雨至大暴雨過程，歷史少見，南平市多個縣市主城區受淹嚴重，其中18日南平市順昌縣3小時、6小時、12小時雨量分別達到121.5mm、209mm、260.2mm，均創當地歷史極值。據分析研究，12小時和24小時極端強降水是此次非臺風持續性暴雨至大暴雨過程最主要致災因子。由此可見，加強對短時強降水極值氣候特征的研究顯得尤為重要和迫切。

近年來，我國許多氣象專家學者研究了短歷時強降水極端事件[1-16]。楊詩芳等[17]利用杭州市近20年的逐小時雨量資料，分析了杭州短時強降水的發生規律，發現杭州短時強降水雨量極值大多出現在臺汛期間，短時強降水平均每年發生9.6次，高峰期為7—8月，且短時強降水容易發生在凌晨及午后兩個時段。王國榮等[18]利用北京地區2006—2010年187個觀測站的逐5分鐘觀測資料，對北京地區夏季短時強降水過程進行了統計分析，指出北京地區的短時強降水主要分布在山前及山前的平原地區。郭凌曜等[19]基于湖南省97個地面氣象觀測站1981—2010年自記降水資料，研究了湖南短時強降水事件的氣候特征，發現湖南省1小時、3小時、12小時強降水事件的出現頻率存在日變化、季節差異和趨勢演變特征。沈澄等[20]利用2008—2012年南京自動氣象站逐時降水量的觀測資料對南京短時強降水的發生規律進行了探討，結果表明南京雨強大于50mm/h的致災性、短時強降水過程的發生次數呈顯著增長的趨勢。陳秋萍等[21]綜合地面逐時降水資料、常規天氣資料、雷達資料、衛星資料以及臺風年鑒資料，對39個登陸福建不同地段的臺風短時強降水時空分布特征及其與登陸時臺風強度關系開展研究，進一步揭示了臺風登陸福建引起的短時強降水規律，結果顯示登陸中部臺風強降水站數雖多，但單站強降水持續時間最短。登陸北部臺風強降水站數雖少，但單站強降水持續時間最長。

本文利用1961—2018年福建省66個國家級地面氣象站降水信息化資料，采用氣候統計方法和對比分析法對全省短歷時強降水歷史極值的氣候特征進行分析研究，旨在揭示福建省短歷時強降水歷史極值的時空分布特征和典型案例等關鍵氣候背景信息，對短時強降水的風險研判與評估具有一定的指導意義和較好的應用價值，可為福建省短歷時強降水極端事件的氣象預報預警與防災減災救災抗災決策氣象服務提供科學參考依據。

1 數據來源與處理

本文資料來源于福建省氣象信息中心1961—2018年福建省66個國家級地面氣象站降水信息化資料。全省66個氣象臺站有降水自記紙觀測記錄以來的逐分鐘降水資料，各臺站降水自記紙觀測起始時間不同，較早的臺站于20世紀50年代，而多數臺站降水自記紙觀測到20世紀80年代初才開始有觀測記錄。降水自記紙觀測記錄止于2002—2004年，2004年至今的逐分鐘降水資料為自動站自動記錄。

對于早期降水自記紙數據，使用中國氣象局組織編制的降水自記紙彩色掃描數字化處理系統進行數字化處理。該系統通過計算機掃描、圖像處理、數據處理，將氣象站降水自記紙圖像進行數字化轉換，成為逐分鐘降水量，并經人工審核或修正后，錄入數據庫。

1961—1979年數據是從降水自記紙信息化文件中得到逐分鐘降水數據，再利用滑動統計法得到各歷時降水極大值；1980—2018年數據是從66個國家級臺站年報資料的降水量極大值中，采用基于分鐘的降水資料，逐分鐘滑動統計各歷時降水極值，本文降水極值歷時主要分為10分鐘、30分鐘、60分鐘和3小時、6小時、12小時、24小時。

2 短歷時強降水歷史極值時空分布特征

2.1 短歷時強降水歷史極值空間分布特征

福建省10分鐘強降水歷史極值分布如圖1(a)所示，極值≥32mm的高值區出現在三明、永安、尤溪、龍巖、連城、德化、永泰區域和浦城、壽寧、屏南、長樂、漳州局部地區，15個站中，2000年以后出現9個，1978年以前未出現，表明10分鐘極端降水事件趨向多發。全省10分鐘降水極值之最為39.1mm，于1993 年9月23日17時50分出現在龍巖城區，因當年第18號臺風登陸廣東臺山—陽江影響所致。圖1b為福建省30分鐘強降水歷史極值分布，極值≥70mm的高值區出現在漳州、南靖、華安、龍巖區域和永安、永春、長樂局部地區，8個站中，2005年以后出現5個，1987年以前未出現。全省30分鐘降水極值之最為91.9mm，于2005年10月2日19時14分出現在福州長樂，由臺風“龍王”登陸所致。福建省60分鐘強降水歷史極值分布見圖1c，極值≥100mm的高值區出現在南靖、華安、同安區域和福州市區、長樂、福清區域及羅源、永安、東山局部地區，10個站中，2005年以后出現7個，1993年以前未出現。全省60分鐘降水極值之最為168.1mm，于2005年10月2日19時14分出現在福州長樂區，由臺風“龍王”登陸福建所致。

(a) (b) (c)

2.2 短歷時強降水歷史極值時間變化特征

2.2.1 極值年代分布特征

由福建省短歷時降水歷史極值頻數年代分布表(表1)可見，不同歷時降水極值累積出現頻次呈逐年代增多趨勢，表明了在全球氣候變暖的背景下，短歷時強降水極端事件越來越多發。20世紀60年代和70年代極值出現頻數均較少，分別為26和33站次，21世紀00年代最多，達137站次，其次是21世紀10年代(統計至2018年)有111站次，其年代際變化呈增多趨勢。

表1 福建省短歷時降水歷史極值頻數/站數年代分布

各歷時降水極值出現頻次的年代際分布略有不同。10分鐘極值主要集中在20世紀80年代和90年代、21世紀00年代和10年代，30分鐘極值主要集中在20世紀90年代和21世紀10年代，60分鐘極值主要集中在20世紀90年代、21世紀00年代、21世紀10年代，3小時極值主要集中在21世紀00年代和10年代，6小時極值主要集中在21世紀00年代和10年代，12小時極值主要集中在21世紀00年代和10年代，24小時極值主要集中在21世紀00年代和10年代。

2.2.2 極值年際分布特征

福建省短歷時降水歷史極值年際變化見表2和圖2，表中“-”表示該年份未出現強降水極值。從20世紀60年代的數據可見，1963年、1965年、1967年、1969年短歷時強降水歷史極值出現較多(3-5站次)，并有準2年周期變化特征，該年代3小時和6小時強降水歷史極值出現較多(分別為5站次和6站次)。70年代的1972年、1973年、1978年短歷時強降水歷史極值出現頻數較多(5-8站次)，周期變化不明顯，30分鐘和60分鐘強降水歷史極值出現頻數較多(分別為10站次和7站次)，這一時期整體頻數相對偏少。

圖2 福建省短歷時降水歷史極值年際變化圖

表2 福建省1961-2018年短歷時降水歷史極值頻數逐年分布

續表

從20世紀80年代的數據可見，1981年、1983年、1988年、1989年、1990年短歷時強降水歷史極值出現較多(8-10站次)，1988—1990年連續3年多發，該年代10分鐘、6小時、12小時和24小時強降水歷史極值出現較多(10-14站次)。90年代的1994年、1996年、1997年、1999年、2000年短歷時強降水歷史極值出現較多(9-25站次)，其中1996年多達25站次，成因是1996年7號、8號、10號臺風，半個月內密集登陸福建所致，史上少見。90年代10分鐘、30分鐘、60分鐘強降水歷史極值出現較多，分別為16站次、20站次和15站次，其中最大值出現在1996年有5站次。

從21世紀00年代的數據可見，2002年、2003年、2005年、2006年、2008年、2010年強降水歷史極值出現較多(10-36站次)，其中2005—2006年連續2年多發(35站次和36站次)，2005年短時強降水偏多是由于當年6月17-24日福建北部遭遇持續性強降雨和臺風“龍王”登陸廈門所致。2006年則是由于6月上旬中福建北部地區遭遇持續性強降雨所致，閩江主要支流和干流發生歷史少見的洪水，建甌城區受淹。3小時、6小時、12小時和24小時強降水歷史極值出現較多(21-28站次)，其中24小時28站次最多。21世紀10年代，除2012年僅6站次外，其余年份強降水歷史極值出現均較多(10-23站次)，其中2015年和2016年連續2年超過22站次。2015年是因為前汛期局地雨勢猛，發生了旱澇急轉，入夏后非臺風影響導致短歷時強降水頻發。2016年則是由于福建遭遇了“尼伯特”、“莫蘭蒂”、“鲇魚”3個超強臺風登陸所致。該年代10分鐘、30分鐘、60分鐘和3小時強降水極值出現較多，為16-21站次，其中最大值為60分鐘21站次。

圖2可見，在全球氣候變暖的背景下，短歷時強降水歷史極值整體呈現明顯增多趨勢，增長率為2.7站次/10年。2005—2006年出現高峰期，1996年和2015—2016年出現2個次高峰期，1989年以前為偏少期，1989年以后進入偏多期，偏多期內1995年、2001年、2004年、2007年和2009年為低谷年。

2.2.3 極值月際分布特征

福建省短歷時強降水歷史極值具有明顯的月際分布特征，從表3可見，短歷時強降水歷史極值主要集中在雨季(5-6月)和夏季 (7-9月)。6月最多，為123站次，由鋒面強降水所致。其次為8月，有114站次，由臺風登陸或嚴重影響所致。冬季(12月-次年2月)未出現強降水歷史極值。秋季(10-11月)和早春季(3-4月)均較少，分別為27站次和11站次。10分鐘、30分鐘強降水8月最多，1小時、3小時強降水6月和8月最多，6小時、12小時、24小時強降水6月最多。

表3 福建省短歷時強降水歷史極值各月分布

2.2.4 極值日變化特征

福建省短歷時強降水歷史極值存在明顯日變化。如圖3所示，有2個峰值，主峰出現在15∶00至23∶00，16∶00達到峰值(47站次)，次峰值為早晨5時。

圖3 福建省短歷時強降水歷史極值日變化圖

3 短時強降水造成城市嚴重內澇典型案例

3.1 臺風“龍王”登陸概況

2005年第19號臺風“龍王”于10月2日5時15分在臺灣花蓮登陸，10時在臺中西南部入海，隨之減弱為強熱帶風暴，于23時40分在廈門市再次登陸，中心最低氣壓920hPa，近中心最大風速60m/s，是10月份登臺入閩臺風中最強之一。受臺風“龍王”和弱冷空氣的共同影響，10月1日夜間至2日夜間，福建省中部沿海出現12級以上的瞬時大風，長樂市極大風速達38m/s，海島下嶼自動站達45.6m/s。10月2-3日沿海地區大部分縣市出現暴雨或大暴雨。統計2日20時-4日20時的過程雨量，共有28個縣市過程雨量超過100mm，其中羅源、閩侯、福州、長樂和龍海超過200mm，長樂達到334mm，為最大。

3.2 短歷時強降水極值特征分析

“龍王”臺風登陸福建時，由于與冷空氣共同作用，出現臺前颮線和短時強降水，其短時強降水極值為歷史上登陸和影響福建省臺風短時強降水極值之最，見表4。

表4 2005年第19號臺風“龍王”短歷時強降水極值

從表4可見，這次短時強降水過程主要集中在福州市的城區、長樂、閩侯、羅源4個縣市區，其中福州城區6個歷時(10分鐘、30分鐘、60分鐘、3小時、6小時、12小時)的降水量均打破本地有氣象記錄以來的歷史極值，并保持至今，極端強降水造成了福州城區發生嚴重內澇。福州市周邊的長樂、閩侯、羅源4個歷時的降水量，也打破了本地有氣象記錄以來的歷史極值。這是歷史上登陸和影響福建的臺風中，致災最為嚴重的一次。由此可見，2005年臺風“龍王”60分鐘短時強降水極端性強、致災性重。

3.3 福州城區嚴重內澇災情分析

受臺風“龍王”影響，福州城區遭遇嚴重內澇，福州長樂國際機場被迫關閉，航班取消，23條公交線路因澇停駛，部分民房、工廠、酒店、商店受淹，近十分之一城區停水、停電、停氣，福州某指揮學校訓練基地受到山洪襲擊，全省直接經濟損失約74.78億元。

4 結論與討論

綜合以上分析得出以下結論:

①10分鐘強降水歷史極值≥32mm的高值區，出現在三明、永安、尤溪、龍巖、連城、德化、永泰區域和浦城、壽寧、屏南、長樂、漳州局部地區；30分鐘強降水歷史極值≥70mm的高值區出現在漳州、南靖、華安、龍巖區域和永安、永春、長樂局部地區；60分鐘強降水歷史極值≥100mm的高值區，出現在南靖、華安、同安區域和福州市區、長樂、福清區域及羅源、永安、東山局部地區。

②在全球氣候變暖的背景下，1961年以來短歷時強降水歷史極值出現頻數呈明顯增多趨勢，表明短歷時強降水極端事件越來越頻發，2005—2006年出現高峰期，1996年和2015—2016年出現2個次高峰期。從年代變化來看，短歷時強降水歷史極值主要集中在21世紀以后，目前最多出現在21世紀00年代，達到137站次。

③短歷時強降水歷史極值主要集中在雨季(5-6月)和夏季(7-9月)。6月最多為123站次，由鋒面強對流天氣所致。其次是8月，有114站次，由登陸或嚴重影響福建的臺風所致。冬季(12月-次年2月)未出現強降水歷史極值，秋季(10-11月)有 27站次、早春季(3-4月)有11站次，均為較少。10分鐘、30分鐘強降水極值8月最多，1小時、3小時強降水極值6月和8月最多，6小時、12小時、24小時強降水極值6月最多。

④短歷時強降水歷史極值存在明顯日變化，有2個峰值。主峰出現在15∶00～23∶00，16∶00達到峰值，共有47站次，次峰值為早晨5時。

⑤2005年“龍王”臺風登陸福建時，由于與冷空氣共同作用，出現臺前颮線和短時強降水，其短時強降水極值為歷史上登陸和影響福建省臺風短時強降水極值之最，60分鐘短時強降水極端性強、致災性重。