海南臺風(fēng)暴雨的時(shí)空分布特征

陸桂榮,王文,鄭美琴,蔡親波

(1.南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210044;2.日照市氣象局,山東 日照 276826;3.海南省氣象臺,海南 ?？?570203)

海南臺風(fēng)暴雨的時(shí)空分布特征

陸桂榮1,2,王文1,鄭美琴2,蔡親波3

(1.南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210044;2.日照市氣象局,山東 日照 276826;3.海南省氣象臺,海南 ?？?570203)

摘要：根據(jù)1966—2013年海南臺風(fēng)(熱帶氣旋)個(gè)例資料和18個(gè)代表站的逐日降水資料,對影響海南的臺風(fēng)暴雨進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明:1)20世紀(jì)80年代以前為海南臺風(fēng)影響高峰期,以后為影響低發(fā)期。2)近48 a海南臺風(fēng)暴雨的年均發(fā)生頻次、降水量、降水量占全年總降水量的平均比例和最大比例都呈減少趨勢,而臺風(fēng)過程最大降水量和日最大降水量則呈弱增加趨勢。3)中路類登陸臺風(fēng)出現(xiàn)大暴雨以上降水的機(jī)率最大。4)EOF第一、第二特征向量場的空間分布分別為全區(qū)一致型、南北相反型。近48 a海南臺風(fēng)暴雨降水呈現(xiàn)一種波動(dòng)下降的趨勢,具有準(zhǔn)17 a、8 a和3 a的周期。

關(guān)鍵詞：臺風(fēng)暴雨;時(shí)空分布;氣候特征;海南

中圖分類號：

文章編號：1674-7097(2015)05-0710-06P4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：碼：A

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20141230001

Abstract:Based on the typhoon(tropical cyclone) cases influencing Hainan during 1966—2013 and the daily precipitation data of 18 stations,statistical analysis shows that:1)The effect of Hainan typhoon is peak before 1980s,but it is opposite after 1980s.2)The annual average occurrence frequency and precipitation of Hainan typhoon rainstorm during 1966—2013,and the average and maximum proportions of typhoon precipitation to annual total precipitation decrease,but the typhoon process maximum precipitation and daily maximum precipitation weakly increase.3)The middle-path landing typhoon can make more heavy rainstorm.4)The first and second eigenvector fields of EOF modes are the consistent positive or opposite pattern in all areas and the north-south opposite pattern,respectively.The precipitation of Hainan typhoon rainstorm shows a decreasing trend with fluctuation during 1966—2013,with quasi 17,8 and 3-yr periodic variations.

收稿日期：2014-03-09；改回日期：2014-10-15

基金項(xiàng)目:江蘇省氣象局科研基金面上項(xiàng)目(KM201213)

通信作者：王群,高級工程師,研究方向?yàn)樘鞖忸A(yù)報(bào)和短期氣候預(yù)測,qunwang2006@163.com.

Spatial and temporal distribution characteristics of typhoon

precipitation in Hainan

LU Gui-rong1,2,WANG Wen1,ZHENG Mei-qin2,CAI Qin-bo3

(1.School of Atmospheric Sciences,NUIST,Nanjing 210044,China;

2.Rizhao Meteorological Bureaus,Rizhao 276826,China;3.Hainan Meteorological Obervatory,Haikou 570203,China)

Key words:typhoon rainstorm;spatial and temporal distributions;climate characteristics;Hainan

0引言

我國是世界上臺風(fēng)登陸最多、災(zāi)害最重的國家之一,平均每年登陸我國的臺風(fēng)約有7～8個(gè)(陳聯(lián)壽和丁一匯,1979),對我國沿海地區(qū)的人畜造成生命威脅,使財(cái)產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)遭受嚴(yán)重?fù)p失(Zhang et al.,2013;陶麗等,2013)。臺風(fēng)暴雨作為臺風(fēng)災(zāi)害的主要表現(xiàn)形式之一,是我國中東部地區(qū)的一種重要降水類型。近年來從氣候角度研究臺風(fēng)降水受到越來越多的關(guān)注(Knutson et al.,2010;Wang et al.,2011;Ying et al.,2011;張潤宇和李志強(qiáng),2015)。韓暉(2005)分析指出1951—2001年間中國臺風(fēng)暴雨的地理分布存在很大的空間差異,暴雨發(fā)生頻次的總體特征是由東南沿海向西北內(nèi)陸逐漸減少,在同一緯度沿海地區(qū)的頻次最高。王詠梅等(2008)研究發(fā)現(xiàn)1957—2004年臺風(fēng)降水在中國大部分地區(qū)為減少趨勢。劉通易等(2013)指出1965—2010年夏季(7—9月)熱帶氣旋降水主要影響中國東部和南部。自1965年以來,夏季影響中國的熱帶氣旋降水呈現(xiàn)華東及東南沿海增多,華南沿海、海南島以及西南地區(qū)減少的變化趨勢。

我國臺灣、華南和華東沿海是世界上受熱帶氣旋襲擊最頻繁和災(zāi)害深重的區(qū)域之一(Lu and Zhao,2013;于潤玲等,2013),處于最南端的海南省臺風(fēng)暴雨災(zāi)害尤為嚴(yán)重,學(xué)界對此有不少相關(guān)研究,如周光益等(2004)研究發(fā)現(xiàn)不同路徑臺風(fēng)或熱帶風(fēng)暴對海南尖峰嶺強(qiáng)降水影響較大;吳勝安等(2007)研究指出海南熱帶氣旋降水在年降水中的地位舉足輕重;馮文等(2009)用個(gè)例證明登錄海南的熱帶氣旋強(qiáng)降水在空間和時(shí)間上都具有明顯的中尺度特征;蔡小輝等(2012)分析了1117號強(qiáng)臺風(fēng)“納沙”引發(fā)海南島特大暴雨的過程。

臺風(fēng)暴雨個(gè)例大約是臺風(fēng)降水的一半,而臺風(fēng)暴雨雨量約占臺風(fēng)降水的90%以上,因此對臺風(fēng)暴雨的研究顯得更為重要。本文選取1966—2013年海南臺風(fēng)個(gè)例和相關(guān)降水資料研究海南臺風(fēng)暴雨的氣候特征,以期為業(yè)務(wù)部門臺風(fēng)暴雨預(yù)報(bào)提供有益的參考。

1資料和方法

由于海南各站建站時(shí)間長短不一,考慮資料的完整性,主要選取1966年1月—2013年12月海南省氣象臺提供的臺風(fēng)影響個(gè)例資料和18個(gè)代表站的逐日降水資料。按海南省氣象臺的業(yè)務(wù)規(guī)定,凡臺風(fēng)中心進(jìn)入106～114°E、15～23°N區(qū)域達(dá)2個(gè)觀測時(shí)次以上,便屬于影響海南省的臺風(fēng)。本文所定義的臺風(fēng)降水是受臺風(fēng)的直接或間接影響,在海南臺風(fēng)影響區(qū)域產(chǎn)生的降雨過程。臺風(fēng)暴雨則是日降水量大于或等于50 mm的臺風(fēng)降水。

為分析海南臺風(fēng)暴雨的時(shí)空分布特征,采用了線性趨勢分析方法、經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解(EOF)方法(施能,2012)和Morlet小波分析(魏鳳英,2007)。

2海南臺風(fēng)暴雨的時(shí)間特征

2.1　海南臺風(fēng)暴雨的年代際特征

1966—2013年海南共有315個(gè)影響臺風(fēng),平均每年6.6個(gè)。對海南產(chǎn)生降水的臺風(fēng)共311個(gè),有287個(gè)是臺風(fēng)暴雨,暴雨概率達(dá)92.3%;登陸臺風(fēng)99個(gè),有97個(gè)是臺風(fēng)暴雨,占臺風(fēng)暴雨總頻數(shù)的33.8%。

從表1中可以看到,1966—2013年海南各地臺風(fēng)暴雨年均發(fā)生頻次為3.3次,年均降水量為449.3 mm。在各年代的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中,20世紀(jì)70年代的年均發(fā)生頻次、年均降水量分別為4.4次、606.2 mm。21世紀(jì)00年代的過程最大降水量、日最大降水量分別為1275.9 mm、644.6 mm,均為各年代最多;20世紀(jì)80年代的年均發(fā)生頻次、年均降水量分別為3.8次、482.2 mm。20世紀(jì)70年代的過程最大降水量、日最大降水量分別為727.2 mm、490.3 mm,均為各年代次多。21世紀(jì)00年代的年均發(fā)生頻次、20世紀(jì)60年代的年均降水量、2011—2013年的過程和20世紀(jì)90年代的日最大降水量分別為2.4次、341.8 mm、403.6 mm、353.8 mm,均為各年代最少。由此可見,20世紀(jì)80年代以前為臺風(fēng)影響高峰期,以后為影響低發(fā)期。21世紀(jì)00年代的年均發(fā)生頻次最少、過程和日最大降水量卻最多,這說明海南臺風(fēng)暴雨發(fā)生的概率降低但強(qiáng)度偏大。

表1　海南臺風(fēng)暴雨年代際統(tǒng)計(jì)值

2.2　海南臺風(fēng)暴雨的年際特征

2.2.1年均發(fā)生頻次和年均降水量的年際變化

圖1為1966—2013年海南臺風(fēng)暴雨的年均發(fā)生頻次和年均降水量?？梢?近48 a的年均發(fā)生頻次和年均降水量呈減少趨勢,平均分別減少0.28次/(10 a)和28.2 mm/(10 a)。其中年均發(fā)生頻次減少趨勢更為明顯,通過信度為0.10的顯著性檢驗(yàn)。年均發(fā)生頻次和降水量的年際變化較大,1973年最多,分別為8.4次和1 031.6 mm;2004年最少,因?yàn)闆]有臺風(fēng)影響,年均發(fā)生頻次和降水量皆為零。

圖1　1966—2013年海南臺風(fēng)暴雨的年均發(fā)生頻次和降水量(單位:mm)Fig.1　Annual average occurrence frequency and precipitation(units:mm) of Hainan typhoon rainstorm from 1966 to 2013

2.2.2過程和日最大降水量的年際變化

圖2為近48 a中海南受臺風(fēng)影響的過程和日最大降水量。可見,近48 a海南臺風(fēng)過程和日最大降水量呈弱增加趨勢,分別增加6.9 mm/(10 a)和3.8 mm/(10 a)。受2001年0114號熱帶風(fēng)暴影響,海南大部地區(qū)出現(xiàn)大暴雨,昌江過程降水量高達(dá)1 275.9 mm,降水日數(shù)多達(dá)15 d,8月30日的日降水量高達(dá)644.6 mm,為歷史少見。過程最大降水量最少為三亞137.8 mm(受2010年1002號臺風(fēng)影響)。日最大降水量最少為萬寧77.3 mm(受1969年6908號臺風(fēng)影響)。

圖2　1966—2013年臺風(fēng)過程最大降水量和日最大降水量(單位:mm)Fig.2　Typhoon process maximum precipitation and daily maximum precipitation from 1966 to 2013(units:mm)

2.2.3臺風(fēng)暴雨降水量占全年總降水量的比例年際變化

圖3給出海南臺風(fēng)暴雨降水量占全年總降水量的平均和最大比例。近48 a的平均百分率為24.4%,平均最大百分率為42.5%。有47.9%的年份占年降水的平均比重超過25%,其中1971、1973、1975和1989年超過40%。有52.1%的年份占年降水的最大比重超過45%,其中1977年高達(dá)84.4%。可見海南臺風(fēng)暴雨在年降水中占有較大比重,對年降水起到了非常重要的作用。此外,海南臺風(fēng)暴雨降水量占全年總降水量的平均和最大比例呈弱減少趨勢,分別減少3.1%/(10 a)和2.2%/(10 a)。

圖3　臺風(fēng)暴雨降水量占全年總降水量的平均比例和最大比例Fig.3　Average and maximum proportions of typhoon precipitation to annual total precipitation

以上分析表明,近48 a海南臺風(fēng)暴雨的年均發(fā)生頻次和降水量皆呈減少趨勢,這與王詠梅等(2008)、韓暉(2005)、劉通易等(2013)的結(jié)論一致,其中臺風(fēng)暴雨年均發(fā)生頻次減少顯著。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),海南臺風(fēng)暴雨年均發(fā)生頻次與降水量相關(guān)性較好,相關(guān)系數(shù)為0.908,顯著性水平在99.99%以上。這說明海南臺風(fēng)暴雨平均年降水量與發(fā)生頻次存在顯著的正相關(guān)關(guān)系,即海南臺風(fēng)暴雨偏多的年份一般影響臺風(fēng)數(shù)也多,反之亦然。這表明影響海南臺風(fēng)頻數(shù)的減少是臺風(fēng)暴雨減少的主要原因。

2.2.4臺風(fēng)暴雨與路徑的關(guān)系

登陸海南的臺風(fēng)暴雨與路徑關(guān)系密切。臺風(fēng)暴雨的分布一般是不對稱的。暴雨中心常位于臺風(fēng)路徑的右側(cè),部分位于臺風(fēng)路徑的左側(cè)。本文把臺風(fēng)影響路徑分為3類:在文昌一帶沿海登陸定為北路類,在文昌以南、陵水以北一帶沿海登陸定為中路類,在陵水以南一帶沿海登陸定為南路類。

北路類臺風(fēng)有30個(gè),產(chǎn)生≥200 mm的暴雨有18個(gè),占影響總數(shù)的60%,其中≥400 mm的占10%。臺風(fēng)登陸后由南向西北偏北方向移動(dòng),從?？谝粠С龊！?/p>

中路類臺風(fēng)有39個(gè),產(chǎn)生≥200 mm的暴雨有25個(gè),占影響總數(shù)的64%,其中≥400 mm的占18%。最大過程雨量達(dá)600 mm以上的共出現(xiàn)4次。臺風(fēng)登陸后大多數(shù)向西或西北方向移行,橫穿五指山、黎母山區(qū),從瓊西地區(qū)出海。

南路類臺風(fēng)有30個(gè),產(chǎn)生≥200 mm的暴雨有18個(gè),占影響總數(shù)的60%,其中≥400 mm的占0.7%。最大過程雨量達(dá)600 mm以上的共出現(xiàn)1次。臺風(fēng)登陸后向西北方向移行,穿越島嶼后至昌江、東方一帶出海。

由此可見臺風(fēng)影響的路徑不同,大暴雨以上量級降水出現(xiàn)的機(jī)率差異很大,中路類臺風(fēng)出現(xiàn)的機(jī)率最大。

3海南臺風(fēng)暴雨的空間特征

3.1　EOF分析

對1966—2013年海南臺風(fēng)暴雨降水距平場進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)EOF分解,得到反映其空間變化和時(shí)間變化的第一、第二特征向量場和時(shí)間系數(shù)(圖4)。第一主分量的解釋方差為66.8%,對應(yīng)的第一特征向量場表明海南全島受臺風(fēng)暴雨影響區(qū)域處于相同的正位相,尤其是中東部地區(qū)(瓊海、萬寧一帶)位相值最大,反映了空間變化的整體一致性。第一時(shí)間系數(shù)的變化呈現(xiàn)下降的趨勢。因此,近48 a海南臺風(fēng)暴雨降水場的主要變化是海南全島呈現(xiàn)下降趨勢,在臺風(fēng)暴雨降水最大的中東部地區(qū)的下降趨勢最明顯;第二主分量解釋方差為12.2%,其對應(yīng)的第二特征向量場表明,瓊海、屯昌和白沙一線以北的地區(qū)與以南地區(qū)的位相相反,降水南多北少,反映了空間變化的南北差異性。第二時(shí)間系數(shù)表現(xiàn)出明顯的波動(dòng)特征。第二特征向量場和時(shí)間系數(shù)反映了海南臺風(fēng)暴雨降水場的波動(dòng)變化特征。因此,由上可知,近48 a臺風(fēng)暴雨降水呈現(xiàn)一種波動(dòng)下降的趨勢,其波動(dòng)特征在不同地區(qū)表現(xiàn)不同。

圖4　海南臺風(fēng)暴雨降水距平場的EOF分析　　a.第一特征向量場;b.第二特征向量場;c.第一時(shí)間系數(shù);d.第二時(shí)間系數(shù)Fig.4　EOF analysisi of precipitation anomaly field of Hainan typhoon rainstorm　　a.the first eigenvector field;b.the second eigenvector field;c.the first time coefficient;d.the second time coefficient

3.2　小波分析

由于第一時(shí)間系數(shù)的變化大致代表了臺風(fēng)暴雨年均降水量的時(shí)間變化,因此用Morlet小波方法分析第一時(shí)間系數(shù)的周期性變化(圖5),表示標(biāo)準(zhǔn)化距平小波變換的實(shí)部,橫坐標(biāo)為年份,縱坐標(biāo)與周期有關(guān),等值線圖中標(biāo)有正值為高值中心,負(fù)等值線閉合中心為低值中心。分析發(fā)現(xiàn),第一時(shí)間系數(shù)的變化存在明顯的年代際、年際尺度的周期性變化。年代際變化的主周期為17 a,表現(xiàn)為3個(gè)偏多期和3個(gè)偏少期。震蕩變化的6個(gè)階段分別為:1970年以前為相對偏少、1971—1979年相對偏多、1980—1987年相對偏少、1988—1994年相對偏多、1995—2004年相對偏少、2005年以后增加。這與前面年代際、年際變化的階段性分析也比較吻合。年際變化的主周期為8 a,次周期為3 a。

圖5　第一EOF模態(tài)時(shí)間系數(shù)的小波分析Fig.5　Wavelet analysis of time coefficient of the first EOF mode

4結(jié)論

1)20世紀(jì)80年代以前為臺風(fēng)影響高峰期,以后為影響低發(fā)期。70年代的臺風(fēng)暴雨年均發(fā)生頻次、年均降水量,21世紀(jì)00年代的臺風(fēng)過程最大降水量、日最大降水量為各年代最多。

2)近48 a海南臺風(fēng)暴雨的年均發(fā)生頻次和年均降水量皆呈減少趨勢,其中臺風(fēng)暴雨年均發(fā)生頻次減少顯著。臺風(fēng)暴雨降水量占全年總降水量的平均和最大比例呈弱減少趨勢,而臺風(fēng)過程和日最大降水量呈弱增加趨勢。

3)登陸臺風(fēng)影響路徑分為北路類、中路類和南路類,中路類臺風(fēng)出現(xiàn)大暴雨以上降水的機(jī)率最大。

4)EOF第一、第二特征向量場空間分布分別為全區(qū)一致型、南北相反型。近48 a海南臺風(fēng)暴雨降水呈現(xiàn)一種波動(dòng)下降的趨勢,具有準(zhǔn)17 a、準(zhǔn)8 a和準(zhǔn)3 a的周期。

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