福建沿海熱帶氣旋的時空分布特征及其影響分析

陳橙，杜飛，李梓萱，閆慧，肖鴻，李焱

(福州大學土木工程學院，福建 福州 350108)

0 引言

熱帶氣旋屬于低壓天氣系統，是常發生在熱帶、亞熱帶地區海面上的氣旋性環流，屬于地球物理環境中最具破壞性的天氣系統之一[1].風暴潮、臺風浪等是我國海域發生頻率最高的海洋災害[2]，而熱帶氣旋是引起海洋災害最主要的因素之一[3].據統計，全球每年平均發生80～100個熱帶氣旋，造成大量的人員傷亡和經濟損失[4].

福建省是受熱帶氣旋影響較為嚴重的地區之一，極端天氣的影響下，福建省海域水位暴漲，各汊道波浪傳播方向紊亂，還會引起嚴重的洪澇和風暴潮等災害[5].熱帶氣旋登陸的地點和時間難以預測，移動路徑變化較大，不同路徑下福建省各汊道的波浪入射方向和有效波高分布也有所不同.近年來，登陸我國的熱帶氣旋個數呈現上升趨勢，因此對近75 a來影響福建省海域的熱帶氣旋進行分類統計，總結出福建省海域熱帶氣旋的時空分布特性，對福建省防災減災工作具有重要的意義.

眾多學者已對熱帶氣旋的生成、移動路徑、登陸過程及時空分布等方面進行了大量研究，但由于熱帶氣旋活動的復雜性及不確定性，前人的研究成果也不盡相同[6-9].曹楚等[10]分析1949—2002年西北太平洋熱帶氣旋資料，認為受到全球溫度持續上升的影響，西北太平洋熱帶氣旋頻數明顯減小；楊亞新等[11]利用西北太平洋2006—2015年的熱帶氣旋資料，對其生成源地、移動路徑、移動速度和登陸情況等進行全面分析；周群等[12]研究指出，2017年7月西北太平洋熱帶氣旋的活動異常很可能源于同期異常強大的北極濤動的影響；楊呂玉慈等[13]研究發現，熱帶氣旋的生成位置在冷暖事件中發生變化，強臺風和超強臺風在暖事件年生成位置偏東偏南，在冷事件年生成位置偏西偏北.本文統計分析福建省沿海地區的熱帶氣旋的活動規律、時空分布特征及災害損失情況，以期提高福建省熱帶氣旋災害防御能力和減災水平.

1 熱帶氣旋時間變化規律

1.1 熱帶氣旋年際變化規律

1.1.1 頻數變化

對于登陸頻數，在統計年限(1945—2019年)內，熱帶氣旋在福建省共登陸129次，年均登陸頻數為1.72次.其中，1990年與2010年的登陸頻數最大，達到5次，占總數3.88%；有12個年份的登陸頻數達到最小值0次，占總數的16.00%；登陸頻數大于3的年份有6個，占總數的8.00%；小于3的年份有53個，占總數70.67%.

采用移動平均法對登陸頻數的年際變化進行分析，為盡量消除熱帶氣旋活動的周期變動及隨機波動的影響，移動平均年限選為3 a.圖1為登陸型熱帶氣旋年際頻數分布圖.由圖1可知，登陸頻數在年均值附近劇烈波動.變化趨勢大致可劃分為3個增長階段與3個減小階段：1945—1960年、1988—1992年、2004—2007年登陸頻數整體呈增長趨勢；1961—1987年、1993—2003年、2008—2019年登陸頻數整體呈下降趨勢.由此總結出近75 a來福建省熱帶氣旋登陸頻數年際變化整體呈現“增-減-增-減-增-減”趨勢，波動未有明顯周期變化規律.從中可預測未來幾年福建省熱帶氣旋登陸頻數減小，且登陸頻數將小于年均登陸值.

圖1 登陸型熱帶氣旋頻數分布圖Fig.1 Frequency distribution of landfall tropical cyclones

對于影響頻數，在統計年限(2004—2019年)內，福建省共發生36次影響型熱帶氣旋，年均登陸頻數2.25次.其中，2004年影響型頻數達到最大值6次，占總數16.67%；在2010年達到最小值0次；影響型頻數大于3次的年份有3個，占總年數的18.75%；小于3次的年份有11個，占總年數的68.75%.

圖2為影響型熱帶氣旋頻數年際分布圖.由圖2可知，影響頻數整體上略有下降，預測福建省未來幾年影響頻數將保持下降趨勢，且小于年均值.本文僅對近16 a的影響型熱帶氣旋資料進行特征分析，資料的時間長度較小且數據較新，與時間尺度大的觀測資料相比，由于近代觀測技術更先進，短時間尺度小的數據資料存在精確度較高的優點，但數據量較少，影響頻數的年際變化趨勢不夠明顯，在日后的研究中可適當提高觀測數據的時間尺度.

圖2 影響型熱帶氣旋頻數年際分布圖Fig.2 Interannual distribution of the frequency of influential tropical cyclones

1.1.2 強度變化

圖3為登陸型熱帶氣旋強度年際變化圖.有熱帶氣旋登陸的年份，1949年熱帶氣旋的平均風速最小,為9 m·s-1；1985年平均風速最大，為45 m·s-1.圖中實際值與預測值在年均值附近劇烈波動，兩曲線的波動趨勢相近，大體上分為3個上升期與3個下降期：1951—1963年、1993—2007年、2012—2018年熱帶氣旋強度整體上升；1945—1950年、1964—1992年、2008—2011年熱帶氣旋強度整體下降.由此得知1945—2019年熱帶氣旋強度整體變化趨勢呈現“減-增-減-增-減-增”變化，與登陸頻數變化規律恰好相反，無明顯周期波動規律.整體上可判斷近75 a來福建省熱帶氣旋強度呈上升趨勢，預測未來幾年熱帶氣旋強度整體上持續增大.

圖3 登陸型熱帶氣旋強度年際變化圖Fig.3 Interannual variation of landfall tropical cyclone intensity

1.2 熱帶氣旋月際變化規律

1.2.1 頻數變化

圖4為福建省登陸型熱帶氣旋頻數的月際分布圖(圖中略去登陸頻數為0的月份).由圖4可知，福建省熱帶氣旋集中發生在5月至10月期間.其中，7、8、9月熱帶氣旋活動最為頻繁，登陸頻數總計112次，占總數的86.82%，年平均1.49次；在8月份頻數達到最大值44次，占總數的34.11%，年平均0.59次.值得一提的是，熱帶氣旋在5、6、10月活動較平靜，僅占總數的13.19%.其中5月頻數最小，僅發生3次，占總數的2.33%.

圖4 登陸型頻數月際分布圖Fig.4 Month distribution of landing frequency

圖5反映了福建省影響型熱帶氣旋頻數的月際分布情況(圖中略去影響頻數為0的月份).由圖5可知，影響型熱帶氣旋在6—10月及12月期間活動，且集中活躍于7—9月，在這三個月內影響頻數總和達28次，占總數77.78%，年平均1.75次.影響頻數在9月達到最大值13次，占總數36.11%；在12月達到最小值1次，占總數的2.78%.

圖5 影響型頻數月際變化圖Fig.5 Monthly variation of influencing frequency

1.2.2 強度變化

圖6反映了各個強度等級的熱帶氣旋登陸頻數的月際變化.由圖6可知，熱帶氣旋集中分布在5—10月.其中熱帶低壓、熱帶風暴與臺風的月際變化趨勢大致相似，呈現“A字型”，且三者登陸頻數都在8月份達到峰值.熱帶氣旋強度為臺風的峰值最大，在8月份達到19次，占總數14.73%；熱帶風暴次之，峰值為12次，占總數9.30%；熱帶低壓峰值最小，僅有5次，占總數3.88%.強熱帶風暴月際分布趨勢則有所不同，月際分布呈現“雙A型”，第一個峰值的頻數為12次，出現在7月，占總數9.30%，隨后登陸頻數在8月份有所下降(登陸頻數為8次，占總數6.20%)，又在9月份出現第二個峰值，頻數為11次，占總數8.53%，兩個峰值的頻數相差不大.

圖6 登陸頻數月際變化圖Fig.6 Monthly variation of landing frequency

1.2.3 初臺與終臺

初臺時間指每年第一個臺風的登陸時間；終臺時間指每年最后一個臺風的登陸時間.

對于登陸型熱帶氣旋，在統計年限內，最早初臺時間為5月9日20時(200601號臺風)；最遲初臺時間為9月30號14時(194924號臺風)；最早終臺時間為7月4號20時(201808號臺風)；最遲終臺時間為10月23日13時(201013號臺風).每年的初臺時間一般出現在5—9月，終臺時間出現在7—10月.

對于影響型熱帶氣旋，在統計年限內，最早初臺時間為5月9日20時(200601號臺風)；最遲初臺時間為9月18日2時(201416號臺風)；最早終臺時間為7月4日20時(201808號臺風)；最遲終臺時間為12月1日8時(201808號臺風).每年的初臺時間一般出現在5—9月，終臺時間出現在7—12月.

2 熱帶氣旋空間變化規律

2.1 登陸地

圖7為登陸型熱帶氣旋登陸地頻數分布圖.福建省熱帶氣旋的登陸地按照地理位置由北至南分別為寧德市、福州市、莆田市、泉州市、廈門市、漳州市.由圖7可知，福建省熱帶氣旋在登陸地上的分布呈現“三峰型”，分別在福州市、泉州市、漳州市達到峰值.其中福州市為福建省熱帶氣旋最頻繁的登陸地，在統計年間共登陸39次，占總數30.23%，年均0.52次.其中強度等級為臺風的熱帶氣旋在福州市的登陸次數最多，75 a以來共登陸19次，占福州登陸總數的48.72%，年均登陸0.25次；熱帶低壓在福州市登陸次數最少，僅有2次，占福州市登陸總數的5.13%，年均0.03次.熱帶氣旋在泉州市登陸32次，占總數24.81%，年均登陸0.43次；在漳州市登陸20次，占總數15.50%，年均0.27次.由統計資料可知，熱帶氣旋強度越大，登陸次數越多.其中臺風登陸次數最多，共登陸55次，占總數42.64%，年均0.73次；熱帶低壓登陸次數最少，登陸13次，占總數10.08%，年均0.17次.由于廈門市地處福建省東南沿海，受到大小金門和大擔島這兩大天然“屏障”的保護，故熱帶氣旋正面登陸的頻數最少，在75 a間僅僅登陸3次，占總數2.33%，年均0.04次.

圖7 登陸型熱帶氣旋登陸地頻數分布圖Fig.7 Frequency distribution of landfall tropical cyclones

圖8為登陸型熱帶氣旋在各登陸地登陸時的強度.將各登陸地的熱帶氣旋登陸時的風速按照由小到大排列，分別將各登陸地的登陸氣旋風速的上四分位數、下四分位數、中位數繪于圖上.矩形盒內的叉點表示各登陸地登陸時風速的平均值；矩形盒外上下兩條邊緣線則分別代表登陸時風速的極大值和極小值.由圖可知，廈門矩形箱的高度最大、中位數位置最高，且上下邊緣線與矩形上下邊界相重合.這是由于在統計年限中，在廈門登陸的臺風次數太少(僅有3次)，矩形箱受單次數據的影響較大，從而數據波動劇烈，故不將該地區的登陸強度與其他地區的數據進行對比分析.福州與寧德的矩形箱關于中位數對稱，表明這兩個地區的數據呈現標準正態分布.福州的矩形箱最窄，表明該地區熱帶氣旋強度波動最穩定.相反，泉州、莆田、漳州的中位數偏離矩形箱中心線，表明這些地區數據呈現偏態分布.莆田、漳州地區中位數偏離矩形箱中心線較遠，則代表在這兩個地區登陸的熱帶氣旋強度分布呈現較強的偏態性.泉州、莆田、漳州的熱帶氣旋風速范圍較接近，且上四分位數相等，但泉州矩形箱的中位數位置較高，表明該地區強度較大的熱帶氣旋登陸較多；而漳州矩形箱較窄，表明在該地區登陸的熱帶氣旋強度波動較穩定.除廈門外，寧德的中位數最大，且其矩形箱在縱軸上的分布偏上，上邊緣線最高，故可推斷在寧德登陸的熱帶氣旋整體強度最大.

圖8 登陸型熱帶氣旋強度箱型圖Fig.8 Box diagram of landfall tropical cyclone intensity

2.2 生成源地

福建省熱帶氣旋大部分生成于西北太平洋，于南海生成的較少.登陸型熱帶氣旋在西北太平洋海域生成次數達114次，占總數的88.37%，年平均1.52次；在南海生成頻數為15次，僅占總數的11.63%，年平均0.20次.對影響型熱帶氣旋，在西北太平洋海域生成33次，占總數的91.67%，年平均2.06次；在南海生成3次，占總數的8.33%，年平均0.19次.

2.3 移動方向

福建省登陸型熱帶氣旋路徑主要有東北路徑、北上路徑、西北路徑、西上路徑與西南路徑5種.其中熱帶氣旋向西北方向移動的頻數最多，有82次，占總數63.57%；路徑方向為西行方向的次數有22次，占總數17.05%；北上、東北以及西南方向分別有10、9與6次，分別占總數7.75%、6.98%和4.65%.由此可得，大部分熱帶氣旋在福建省沿海地區登陸后移動至內陸地區，只有極少數熱帶氣旋從外海登陸至福建省內陸地區后再重返海域.

2.4 強度變化

本文采用0.1°×0.1°經緯度網格對福建省登陸型熱帶氣旋移動過程的強度變化進行統計分析.空間移動范圍為22.8°N ～28.5°N，116.0°E ～123.1°E.圖9為登陸型熱帶氣旋強度彩色氣泡圖.根據彩色氣泡在圖中的分布規律，可大致將氣泡圖劃分為左上三角區域與右下三角區域.明顯地，在圖的左上三角區，氣泡小且分布較為分散，以紅色與黃色氣泡居多；在圖右下三角區域分布的氣泡主要以藍色與黑色居多，氣泡大而密集；而兩三角區域相融合的三角斜邊在地理位置上貼合福建省海岸線.圖9中登陸型熱帶氣旋強度彩色氣泡的分布情況如表1所示.在左上三角區域，風力等級在10級以下的熱帶氣旋占85.53%;在右下三角區域，風力等級達到10級以上的熱帶氣旋占73.81%.即在內陸地區強度多為10級以下，在沿海地區強度多為10級以上.

圖9 登陸型熱帶氣旋強度彩色氣泡圖Fig.9 Colored bubbles in intensity of landfall tropical cyclone

表1 登陸型熱帶氣旋強度彩色氣泡分布情況Tab.1 Color bubble distribution of landfall type tropical cyclone intensity (%)

由于強度彩色氣泡圖只能反映熱帶氣旋每個移動點的強度變化，卻無法得知具體移動方向及移動路徑，從上文對福建省熱帶氣旋移動方向的特征分析可知熱帶氣旋從陸地返回海域的情況屬極少數.因而可得出結論：熱帶氣旋從海域登陸福建省內陸的行進過程中，熱帶氣旋在福建省海岸線以外區域活動頻繁而劇烈，并以臺風與強熱帶風暴為主；而到了海岸線以內的內陸地區，熱帶氣旋活動稍平緩且強度通常較小.熱帶氣旋從外海移動至內陸，由于陸地的摩阻效應，熱帶氣旋強度明顯減弱.

蒲福風力等級表記錄了不同的風力級數表現出的不同陸地地面現象：當熱帶氣旋風力達到8～9級時，人們開始行走受阻且陸地建筑物開始出現輕微的損壞現象，本文將此種情況熱帶氣旋導致的災情定義為一般；當風力等級達到10～11級時，大樹可被連根拔起且陸地建筑物出現廣泛的嚴重破壞現象，定義此種情況熱帶氣旋導致的災情為較重；當風力達到12級及以上時，熱帶氣旋摧毀力極強，定義為嚴重災情.圖10為熱帶氣旋受災情況分布圖.圖中顏色由淺至深表示了熱帶氣旋災害等級，小于一般等級的熱帶氣旋用最淺的顏色表示，認為此種情況熱帶氣旋對福建省造成的損害較小，不對此關注.由圖10可知，熱帶氣旋從外海向福建省內陸地區移動過程中熱帶氣旋強度逐漸減小，嚴重災情在北部出現的頻數較南部高.可以得出閩北地區及沿海城市在臺風過境時所受災害更為嚴峻，因此從防災減災的角度考慮建議福建省防汛減災工作應當重點放在福建省沿海的北部地區，可以更有針對性地對福建省臺風災害進行布防布控.

圖10 熱帶氣旋受災分布圖Fig.10 Tropical cyclone disaster distribution map

3 結語

1) 1945—2019年福建省熱帶氣旋登陸型頻數年際分布大致呈現“增-減-增-減-增-減”變化.同時通過移動平均法可預測未來幾年福建省熱帶氣旋登陸頻數將減小.然而，登陸型熱帶氣旋強度年際分布呈現相反趨勢，即強度變化趨勢為“減-增-減-增-減-增”.預測未來幾年福建省熱帶氣旋強度將繼續增大.

2) 福建省登陸型熱帶氣旋在8月份登陸次數最多，其中尤以登陸強度為臺風的熱帶氣旋次數最多.由熱帶氣旋登陸地空間變化規律可知，福州市為登陸次數最多的城市，75 a共登陸39次，且登陸強度呈現標準正態分布；寧德市登陸型熱帶氣旋強度整體最大.

3) 從防災角度出發，熱帶氣旋的風力等級在內陸地區強度多為10級以下，占85.53%；在沿海地區強度多為10級以上，占73.81%.即熱帶氣旋由海域向陸域移動過程中，強度逐漸減小；內陸熱帶氣旋強度要小于沿海地區，且南部要小于北部.