泉州市臺(tái)風(fēng)降水分布特征及異常原因分析*

林雄軍 王聰曉

(晉江市氣象局，福建 泉州 362000)

0 引 言

泉州市位于福建省東南沿海，東臨臺(tái)灣海峽，1981—2013年平均每年影響泉州市的臺(tái)風(fēng)有5.3個(gè)，臺(tái)風(fēng)災(zāi)害已是泉州市最主要的氣象災(zāi)害之一。隨著防臺(tái)減災(zāi)工作越來(lái)越受到重視，對(duì)臺(tái)風(fēng)災(zāi)害特別是臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降水的研究也越來(lái)越多。林毅等[1]分析了2016年第1號(hào)臺(tái)風(fēng)“尼伯特”造成福建特大暴雨的中尺度對(duì)流系統(tǒng)的特征和形成機(jī)制，結(jié)果表明，造成臺(tái)風(fēng)特大暴雨的中尺度系統(tǒng)是在臺(tái)風(fēng)外圍強(qiáng)風(fēng)速帶觸及福建沿海時(shí)形成的地面中尺度輻合線上發(fā)展的。王倩云等[2]分析了1702號(hào)臺(tái)風(fēng)“苗柏”登陸后福建東部降水的特征及成因，結(jié)果表明這次強(qiáng)降水是不穩(wěn)定的氣層在低空急流快速發(fā)展形成的動(dòng)力強(qiáng)迫下,激發(fā)出此次對(duì)流天氣降水。關(guān)于2016年14號(hào)臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”，同樣有學(xué)者做了諸多分析，王立誠(chéng)等[3]研究表明，環(huán)流形勢(shì)的不對(duì)稱分布使正相對(duì)渦度增加,是引起臺(tái)風(fēng)急劇增強(qiáng)的一種動(dòng)力機(jī)制。臺(tái)風(fēng)降水取決于臺(tái)風(fēng)的結(jié)構(gòu)、路徑、強(qiáng)度等多方面因素，造成臺(tái)風(fēng)降水異常的原因也受到人們的關(guān)注。吳幸毓等[4]通過(guò)對(duì)影響福建的早臺(tái)風(fēng)特征分析得出，早臺(tái)風(fēng)暴雨影響程度與臺(tái)風(fēng)登陸地點(diǎn)以及登陸后路徑密切相關(guān)。蔡義勇等[5]分析了臺(tái)風(fēng)極端強(qiáng)降水的時(shí)空分布及環(huán)流形勢(shì)特征，表明臺(tái)風(fēng)降水強(qiáng)度并不隨臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度減弱而減，熱帶風(fēng)暴、熱帶低壓影響下出現(xiàn)的極端強(qiáng)降水常比強(qiáng)熱帶風(fēng)暴和臺(tái)風(fēng)強(qiáng)。本文通過(guò)對(duì)1981—2013年影響泉州市的臺(tái)風(fēng)降水進(jìn)行分析，得出臺(tái)風(fēng)降水的氣候分布特征，以期為臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)提供參考。

1 資料處理與方法

1.1 氣象數(shù)據(jù)的來(lái)源及處理

資料來(lái)源：泉州市晉江、崇武、南安、安溪、永春和德化6個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站(如圖1所示)1981—2013年逐日降水資料，以及NCEP/NCAR 第2版的日平均再分析資料，空間分辨率為2.5°×2.5°，包括位勢(shì)高度場(chǎng)、水平風(fēng)場(chǎng)、濕度場(chǎng)、美國(guó)海洋大氣管理局的外逸長(zhǎng)波輻射OLR(Outgoing Longwave Radiation)日平均資料、中國(guó)臺(tái)風(fēng)網(wǎng)的熱帶氣旋最佳路徑集。臺(tái)風(fēng)降水的分離采取的是固定圓方法[6]，使用臺(tái)風(fēng)最佳路徑集中臺(tái)風(fēng)定位的中心位置，通過(guò)公式6370×(arccos(cosb×cosy×cos(a-x)+sinb×siny))，其中a、b為站點(diǎn)的經(jīng)緯度，x、y為臺(tái)風(fēng)中心的經(jīng)緯度，分別計(jì)算臺(tái)風(fēng)中心與各站點(diǎn)的距離，當(dāng)24小時(shí)內(nèi)有6小時(shí)距離小于500km,則計(jì)為臺(tái)風(fēng)影響日，臺(tái)風(fēng)影響日內(nèi)的降水計(jì)為臺(tái)風(fēng)降水。

圖1 泉州地區(qū)6個(gè)氣象站點(diǎn)位置信息

1.2 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解(EOF)

經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解(Empirical Orthogonal Function,EOF)又稱主分量分析，能夠把隨時(shí)間變化的氣象要素場(chǎng)分解為空間函數(shù)部分和時(shí)間函數(shù)(主分量)部分?？臻g函數(shù)部分概括場(chǎng)的地域分布特點(diǎn)，不隨時(shí)間變化；時(shí)間函數(shù)部分則由空間點(diǎn)的線性組合構(gòu)成，稱為主分量，這些主分量的頭幾個(gè)占有原空間點(diǎn)總方差的很大部分。因此，研究主分量隨時(shí)間變化的規(guī)律可以代替對(duì)場(chǎng)的隨時(shí)間變化的研究。主分量的順序?qū)?yīng)于矩陣特征值的排列順序，最大特征值對(duì)應(yīng)的主分量為第一主分量簡(jiǎn)稱PC1，即第一模態(tài)的時(shí)間序列。各模態(tài)的方差貢獻(xiàn)為該模態(tài)的方差與總方差之比，用來(lái)表示該空間分布模態(tài)解釋原要素場(chǎng)分布情況的百分率。

1.3 臺(tái)風(fēng)生成潛在指數(shù)

臺(tái)風(fēng)生成潛在指數(shù)[7](即GPI)的計(jì)算公式為：

GPI=|105A|3/2(f/50)3(Vm/70)3(1+0.1Vshear)-2

其中,A為850hPa的絕對(duì)渦度，f為600hPa的相對(duì)濕度，Vm為最大可能強(qiáng)度，Vshear為風(fēng)速垂直切變。GPI構(gòu)建了一個(gè)熱帶氣旋生成的經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，可以將離散的臺(tái)風(fēng)生成數(shù)量用格點(diǎn)化的指數(shù)來(lái)表示，有利于進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和更精細(xì)的預(yù)報(bào)。圖2中左圖為1981—2013年7～9月生成的臺(tái)風(fēng)總數(shù)，可以看出，臺(tái)風(fēng)多生成于南海地區(qū)和菲律賓以東洋面上，右圖為7～9月的GPI，大值區(qū)同樣為南海和菲律賓以東洋面。以1981—2013年逐年的臺(tái)風(fēng)生成數(shù)為左場(chǎng)，以逐年的GPI為右場(chǎng)，進(jìn)行奇異值分解，得到左右場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)為0.89，通過(guò)了99%的信度檢驗(yàn)，表明兩場(chǎng)整體上有很好的相關(guān)性。因此下文將以GPI來(lái)研究臺(tái)風(fēng)的生成源地。

圖2 1981—2013年7～9月生成的臺(tái)風(fēng)總數(shù)、平均GPI

2 泉州市臺(tái)風(fēng)降水的分布特征

圖3為1981—2013年泉州市年平均臺(tái)風(fēng)降水量空間分布圖，由圖3可見(jiàn)，泉州市年平均臺(tái)風(fēng)降水量最大區(qū)域位于中部和西南部地區(qū)，而沿海地區(qū)反而是臺(tái)風(fēng)降水較少區(qū)域，其中年平均最大值為安溪站254.1mm，最小值為崇武站164.9mm，臺(tái)風(fēng)降水具有明顯的空間分布不均勻特點(diǎn)。

圖3 1981—2013年泉州市年平均臺(tái)風(fēng)降水量空間分布圖

圖4為泉州市臺(tái)風(fēng)降水量的時(shí)間分布圖，左圖為逐月的年平均降水量分布，右圖為7～9月逐年的臺(tái)風(fēng)降水量。從左圖可以看出,臺(tái)風(fēng)降水集中于7～9月，逐月年平均降水量峰值為8月份，達(dá)83.9mm,有明顯的季節(jié)變化。從逐年臺(tái)風(fēng)降水量可以看出，臺(tái)風(fēng)降水量有明顯的年際變化，1990年610mm，為降水量最大年份，降水量最少年份為1983年，僅有5.3mm。

(a)1981—2013年泉州市臺(tái)風(fēng)降水量年平均逐月分布圖 (b)1981—2013年泉州市臺(tái)風(fēng)降水量逐年分布圖

圖5為7～9月臺(tái)風(fēng)降水EOF分析第一特征向量及其時(shí)間系數(shù)，方差貢獻(xiàn)高達(dá)85.4%，因?yàn)榈谝惶卣飨蛄康姆讲钬暙I(xiàn)很大，所以第一特征向量可以概括臺(tái)風(fēng)降水量場(chǎng)的地域分布特點(diǎn)，即左圖第一特征向量的空間分布是1981—2013年臺(tái)風(fēng)降水的主要空間分布模態(tài)，其分布形式與多年平均的空間分布大體一致，大值中心位于安溪縣，沿海地區(qū)值最小。第一特征向量的時(shí)間系數(shù)(PC1)與逐年平均臺(tái)風(fēng)降水量的相關(guān)系數(shù)為0.99，研究第一特征向量隨時(shí)間變化的規(guī)律，即時(shí)間系數(shù)的變化，就可以代替對(duì)降水量場(chǎng)的隨時(shí)間變化的研究。將PC1進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，可以得出降水異常偏多年份為1990、2005、2006和2013年，異常偏少年份為1983、1993和2003年。下文將以PC1為研究對(duì)象，使用相關(guān)分析方法，了解其異常原因。

3 泉州市降水的異常原因分析

通過(guò)固定圓方法可以得出每個(gè)站點(diǎn)的臺(tái)風(fēng)影響天數(shù)，由圖6可見(jiàn)，臺(tái)風(fēng)影響天數(shù)與PC1的相關(guān)系數(shù)為0.77，超過(guò)99%的信度檢驗(yàn)。這表明與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度相比，臺(tái)風(fēng)降水量主要與臺(tái)風(fēng)影響天數(shù)有密切關(guān)系，這與蔡義勇等[5]的研究結(jié)果相同，所以了解臺(tái)風(fēng)影響天數(shù)的異常可以很好地解釋臺(tái)風(fēng)降水異常的原因。

(a)7～9月臺(tái)風(fēng)影響天數(shù)

(b)標(biāo)準(zhǔn)化天數(shù)與PC1圖6

西北太平洋是臺(tái)風(fēng)生成最多的源地，其中南海中部、菲律賓以東洋面和關(guān)島附近洋面又是三個(gè)相對(duì)集中區(qū)。使用1981—2013年的臺(tái)風(fēng)影響日數(shù)與1981—2013年的GPI做相關(guān)分析，得出的相關(guān)系數(shù)分布圖如圖7所示。圖中橙色表示正相關(guān)區(qū)域，即該區(qū)域GPI較大時(shí)，臺(tái)風(fēng)影響日數(shù)較多，表示當(dāng)該地生成臺(tái)風(fēng)較多時(shí)，影響泉州市的臺(tái)風(fēng)天數(shù)較多，藍(lán)色區(qū)域則相反。圖中陰影為通過(guò)95%信度檢驗(yàn)區(qū)域，三個(gè)臺(tái)風(fēng)生成源地中為正相關(guān)且通過(guò)信度檢驗(yàn)的為菲律賓以東洋面，說(shuō)明當(dāng)菲律賓以東的洋面上生成的臺(tái)風(fēng)較多時(shí)，影響泉州市的臺(tái)風(fēng)天數(shù)較多,造成泉州市臺(tái)風(fēng)降水異常偏多。因此當(dāng)菲律賓以東洋面有臺(tái)風(fēng)生成時(shí)，需要特別關(guān)注其動(dòng)態(tài)。

圖7 臺(tái)風(fēng)影響天數(shù)與GPI相關(guān)系數(shù)分布圖

當(dāng)知道了臺(tái)風(fēng)的主要源地，臺(tái)風(fēng)影響天數(shù)的另一個(gè)主要因素就是路徑的差異，臺(tái)風(fēng)的路徑主要是受副高的位置和西風(fēng)槽的共同影響。500hPa的高度場(chǎng)可以很好地表示副高和西風(fēng)槽的位置。使用1981—2013年的臺(tái)風(fēng)影響日數(shù)與1981—2013年平均500hPa高度場(chǎng)相關(guān)分析，得出的相關(guān)系數(shù)分布圖如圖8所示。

圖8 臺(tái)風(fēng)影響天數(shù)與500hPa高度場(chǎng)相關(guān)系數(shù)分布圖

其中，橙色為正相關(guān)區(qū)域，陰影表示通過(guò)95%的信度檢驗(yàn)。圖中正相關(guān)區(qū)域表示當(dāng)500hPa高度偏高時(shí)，影響泉州市的臺(tái)風(fēng)天數(shù)較多。500hPa高度場(chǎng)偏大時(shí)，表示副熱帶高壓的位置偏強(qiáng)偏北，臺(tái)風(fēng)將在副熱帶高壓西南側(cè)的東南氣流引導(dǎo)下呈西北走向，是最容易影響泉州市的臺(tái)風(fēng)路徑。

4 結(jié)論

①7～9月泉州市臺(tái)風(fēng)降水的主要模態(tài)為全區(qū)一致型，年平均臺(tái)風(fēng)降水量最大區(qū)域位于中部和西南部地區(qū)，而沿海地區(qū)反而是臺(tái)風(fēng)降水較少區(qū)域。

②泉州市逐月年平均臺(tái)風(fēng)降水量峰值為8月，臺(tái)風(fēng)降水具有明顯年際變化，異常偏多年份為1990年、2005年、2006年和2013年，異常偏少年份為1983年、1993年和2003年。

③7～9月臺(tái)風(fēng)降水與臺(tái)風(fēng)影響天數(shù)有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，當(dāng)菲律賓以東洋面臺(tái)風(fēng)生成較多，且副熱帶高壓位置偏北偏強(qiáng)，有利于臺(tái)風(fēng)路徑呈西北向，進(jìn)而影響泉州市，造成臺(tái)風(fēng)降水偏多。