福建省短歷時(shí)強(qiáng)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(xué)研究所，福建 福州 350001)

短時(shí)強(qiáng)降水是福建省最為常見的強(qiáng)對流天氣之一，常引起山洪、泥石流和城市內(nèi)澇等次生災(zāi)害，常常造成重大的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。福建是我國臺(tái)風(fēng)災(zāi)害最嚴(yán)重的省份之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年福建省遭受“尼伯特”、“莫蘭蒂”和“鲇魚”3個(gè)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的正面襲擊。臺(tái)風(fēng)較常年個(gè)數(shù)偏多、強(qiáng)度偏強(qiáng)，給福建省造成了嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。臺(tái)風(fēng)帶來的短時(shí)強(qiáng)降水的突發(fā)性、局地性和極端性是最主要的致災(zāi)因子。作為新中國成立以來登陸我國最強(qiáng)的1號(hào)臺(tái)風(fēng)和7月登陸我國的最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，2016年臺(tái)風(fēng)“尼伯特”發(fā)生時(shí)，福州市閩清縣和永泰縣出現(xiàn)極端短時(shí)強(qiáng)降水。據(jù)監(jiān)測，7月9日永泰縣赤岸、丹云兩地1小時(shí)最大雨強(qiáng)超過100mm，永泰縣4個(gè)區(qū)域站3小時(shí)雨強(qiáng)超過200mm，閩清和永泰兩縣16個(gè)區(qū)域站6小時(shí)雨強(qiáng)超過200mm。極端短時(shí)強(qiáng)降水致閩江流域的福州市梅溪、大樟溪發(fā)生超警戒水位洪水，梅溪更是出現(xiàn)了歷史最大洪水，多處山洪溝暴發(fā)山洪，閩清、永泰2個(gè)縣城出現(xiàn)大面積內(nèi)澇，災(zāi)情尤為嚴(yán)重。據(jù)分析研究，3小時(shí)和6小時(shí)極端強(qiáng)降水是此次臺(tái)風(fēng)最主要致災(zāi)因子。

非臺(tái)風(fēng)暴雨也經(jīng)常引發(fā)福建省短時(shí)強(qiáng)降水，其持續(xù)性、區(qū)域性和極端性是最主要的致災(zāi)因子，如2010年6月13-26日，受低層切變線影響，閩北出現(xiàn)雨季期間持續(xù)時(shí)間最長、范圍最廣、雨量最多、強(qiáng)度最大、災(zāi)害最重的持續(xù)性暴雨至大暴雨過程，歷史少見，南平市多個(gè)縣市主城區(qū)受淹嚴(yán)重，其中18日南平市順昌縣3小時(shí)、6小時(shí)、12小時(shí)雨量分別達(dá)到121.5mm、209mm、260.2mm，均創(chuàng)當(dāng)?shù)貧v史極值。據(jù)分析研究，12小時(shí)和24小時(shí)極端強(qiáng)降水是此次非臺(tái)風(fēng)持續(xù)性暴雨至大暴雨過程最主要致災(zāi)因子。由此可見，加強(qiáng)對短時(shí)強(qiáng)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(xué)者研究了短歷時(shí)強(qiáng)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(shí)雨量資料，分析了杭州短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生規(guī)律，發(fā)現(xiàn)杭州短時(shí)強(qiáng)降水雨量極值大多出現(xiàn)在臺(tái)汛期間，短時(shí)強(qiáng)降水平均每年發(fā)生9.6次，高峰期為7—8月，且短時(shí)強(qiáng)降水容易發(fā)生在凌晨及午后兩個(gè)時(shí)段。王國榮等[18]利用北京地區(qū)2006—2010年187個(gè)觀測站的逐5分鐘觀測資料，對北京地區(qū)夏季短時(shí)強(qiáng)降水過程進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，指出北京地區(qū)的短時(shí)強(qiáng)降水主要分布在山前及山前的平原地區(qū)。郭凌曜等[19]基于湖南省97個(gè)地面氣象觀測站1981—2010年自記降水資料，研究了湖南短時(shí)強(qiáng)降水事件的氣候特征，發(fā)現(xiàn)湖南省1小時(shí)、3小時(shí)、12小時(shí)強(qiáng)降水事件的出現(xiàn)頻率存在日變化、季節(jié)差異和趨勢演變特征。沈澄等[20]利用2008—2012年南京自動(dòng)氣象站逐時(shí)降水量的觀測資料對南京短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生規(guī)律進(jìn)行了探討，結(jié)果表明南京雨強(qiáng)大于50mm/h的致災(zāi)性、短時(shí)強(qiáng)降水過程的發(fā)生次數(shù)呈顯著增長的趨勢。陳秋萍等[21]綜合地面逐時(shí)降水資料、常規(guī)天氣資料、雷達(dá)資料、衛(wèi)星資料以及臺(tái)風(fēng)年鑒資料，對39個(gè)登陸福建不同地段的臺(tái)風(fēng)短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空分布特征及其與登陸時(shí)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度關(guān)系開展研究，進(jìn)一步揭示了臺(tái)風(fēng)登陸福建引起的短時(shí)強(qiáng)降水規(guī)律，結(jié)果顯示登陸中部臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降水站數(shù)雖多，但單站強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間最短。登陸北部臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降水站數(shù)雖少，但單站強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間最長。

本文利用1961—2018年福建省66個(gè)國家級(jí)地面氣象站降水信息化資料，采用氣候統(tǒng)計(jì)方法和對比分析法對全省短歷時(shí)強(qiáng)降水歷史極值的氣候特征進(jìn)行分析研究，旨在揭示福建省短歷時(shí)強(qiáng)降水歷史極值的時(shí)空分布特征和典型案例等關(guān)鍵氣候背景信息，對短時(shí)強(qiáng)降水的風(fēng)險(xiǎn)研判與評估具有一定的指導(dǎo)意義和較好的應(yīng)用價(jià)值，可為福建省短歷時(shí)強(qiáng)降水極端事件的氣象預(yù)報(bào)預(yù)警與防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)抗災(zāi)決策氣象服務(wù)提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)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(gè)國家級(jí)地面氣象站降水信息化資料。全省66個(gè)氣象臺(tái)站有降水自記紙觀測記錄以來的逐分鐘降水資料，各臺(tái)站降水自記紙觀測起始時(shí)間不同，較早的臺(tái)站于20世紀(jì)50年代，而多數(shù)臺(tái)站降水自記紙觀測到20世紀(jì)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(dòng)站自動(dòng)記錄。

對于早期降水自記紙數(shù)據(jù)，使用中國氣象局組織編制的降水自記紙彩色掃描數(shù)字化處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化處理。該系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)掃描、圖像處理、數(shù)據(jù)處理，將氣象站降水自記紙圖像進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，成為逐分鐘降水量，并經(jīng)人工審核或修正后，錄入數(shù)據(jù)庫。

1961—1979年數(shù)據(jù)是從降水自記紙信息化文件中得到逐分鐘降水?dāng)?shù)據(jù)，再利用滑動(dòng)統(tǒng)計(jì)法得到各歷時(shí)降水極大值；1980—2018年數(shù)據(jù)是從66個(gè)國家級(jí)臺(tái)站年報(bào)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(dòng)統(tǒng)計(jì)各歷時(shí)降水極值，本文降水極值歷時(shí)主要分為10分鐘、30分鐘、60分鐘和3小時(shí)、6小時(shí)、12小時(shí)、24小時(shí)。

2 短歷時(shí)強(qiáng)降水歷史極值時(shí)空分布特征

2.1 短歷時(shí)強(qiáng)降水歷史極值空間分布特征

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

(a) (b) (c)

2.2 短歷時(shí)強(qiáng)降水歷史極值時(shí)間變化特征

2.2.1 極值年代分布特征

由福建省短歷時(shí)降水歷史極值頻數(shù)年代分布表(表1)可見，不同歷時(shí)降水極值累積出現(xiàn)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(shí)強(qiáng)降水極端事件越來越多發(fā)。20世紀(jì)60年代和70年代極值出現(xiàn)頻數(shù)均較少，分別為26和33站次，21世紀(jì)00年代最多，達(dá)137站次，其次是21世紀(jì)10年代(統(tǒng)計(jì)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(shí)降水歷史極值頻數(shù)/站數(shù)年代分布

各歷時(shí)降水極值出現(xiàn)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(jì)80年代和90年代、21世紀(jì)00年代和10年代，30分鐘極值主要集中在20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)10年代，60分鐘極值主要集中在20世紀(jì)90年代、21世紀(jì)00年代、21世紀(jì)10年代，3小時(shí)極值主要集中在21世紀(jì)00年代和10年代，6小時(shí)極值主要集中在21世紀(jì)00年代和10年代，12小時(shí)極值主要集中在21世紀(jì)00年代和10年代，24小時(shí)極值主要集中在21世紀(jì)00年代和10年代。

2.2.2 極值年際分布特征

福建省短歷時(shí)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(xiàn)強(qiáng)降水極值。從20世紀(jì)60年代的數(shù)據(jù)可見，1963年、1965年、1967年、1969年短歷時(shí)強(qiáng)降水歷史極值出現(xiàn)較多(3-5站次)，并有準(zhǔn)2年周期變化特征，該年代3小時(shí)和6小時(shí)強(qiáng)降水歷史極值出現(xiàn)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(shí)強(qiáng)降水歷史極值出現(xiàn)頻數(shù)較多(5-8站次)，周期變化不明顯，30分鐘和60分鐘強(qiáng)降水歷史極值出現(xiàn)頻數(shù)較多(分別為10站次和7站次)，這一時(shí)期整體頻數(shù)相對偏少。

圖2 福建省短歷時(shí)降水歷史極值年際變化圖

表2 福建省1961-2018年短歷時(shí)降水歷史極值頻數(shù)逐年分布

續(xù)表

從20世紀(jì)80年代的數(shù)據(jù)可見，1981年、1983年、1988年、1989年、1990年短歷時(shí)強(qiáng)降水歷史極值出現(xiàn)較多(8-10站次)，1988—1990年連續(xù)3年多發(fā)，該年代10分鐘、6小時(shí)、12小時(shí)和24小時(shí)強(qiáng)降水歷史極值出現(xiàn)較多(10-14站次)。90年代的1994年、1996年、1997年、1999年、2000年短歷時(shí)強(qiáng)降水歷史極值出現(xiàn)較多(9-25站次)，其中1996年多達(dá)25站次，成因是1996年7號(hào)、8號(hào)、10號(hào)臺(tái)風(fēng)，半個(gè)月內(nèi)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(qiáng)降水歷史極值出現(xiàn)較多，分別為16站次、20站次和15站次，其中最大值出現(xiàn)在1996年有5站次。

從21世紀(jì)00年代的數(shù)據(jù)可見，2002年、2003年、2005年、2006年、2008年、2010年強(qiáng)降水歷史極值出現(xiàn)較多(10-36站次)，其中2005—2006年連續(xù)2年多發(fā)(35站次和36站次)，2005年短時(shí)強(qiáng)降水偏多是由于當(dāng)年6月17-24日福建北部遭遇持續(xù)性強(qiáng)降雨和臺(tái)風(fēng)“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(qū)遭遇持續(xù)性強(qiáng)降雨所致，閩江主要支流和干流發(fā)生歷史少見的洪水，建甌城區(qū)受淹。3小時(shí)、6小時(shí)、12小時(shí)和24小時(shí)強(qiáng)降水歷史極值出現(xiàn)較多(21-28站次)，其中24小時(shí)28站次最多。21世紀(jì)10年代，除2012年僅6站次外，其余年份強(qiáng)降水歷史極值出現(xiàn)均較多(10-23站次)，其中2015年和2016年連續(xù)2年超過22站次。2015年是因?yàn)榍把雌诰值赜陝菝停l(fā)生了旱澇急轉(zhuǎn)，入夏后非臺(tái)風(fēng)影響導(dǎo)致短歷時(shí)強(qiáng)降水頻發(fā)。2016年則是由于福建遭遇了“尼伯特”、“莫蘭蒂”、“鲇魚”3個(gè)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)登陸所致。該年代10分鐘、30分鐘、60分鐘和3小時(shí)強(qiáng)降水極值出現(xiàn)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(shí)強(qiáng)降水歷史極值整體呈現(xiàn)明顯增多趨勢，增長率為2.7站次/10年。2005—2006年出現(xiàn)高峰期，1996年和2015—2016年出現(xiàn)2個(gè)次高峰期，1989年以前為偏少期，1989年以后進(jìn)入偏多期，偏多期內(nèi)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(shí)強(qiáng)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(shí)強(qiáng)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(qiáng)降水所致。其次為8月，有114站次，由臺(tái)風(fēng)登陸或嚴(yán)重影響所致。冬季(12月-次年2月)未出現(xiàn)強(qiáng)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(qiáng)降水8月最多，1小時(shí)、3小時(shí)強(qiáng)降水6月和8月最多，6小時(shí)、12小時(shí)、24小時(shí)強(qiáng)降水6月最多。

表3 福建省短歷時(shí)強(qiáng)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(shí)強(qiáng)降水歷史極值存在明顯日變化。如圖3所示，有2個(gè)峰值，主峰出現(xiàn)在15∶00至23∶00，16∶00達(dá)到峰值(47站次)，次峰值為早晨5時(shí)。

圖3 福建省短歷時(shí)強(qiáng)降水歷史極值日變化圖

3 短時(shí)強(qiáng)降水造成城市嚴(yán)重內(nèi)澇典型案例

3.1 臺(tái)風(fēng)“龍王”登陸概況

2005年第19號(hào)臺(tái)風(fēng)“龍王”于10月2日5時(shí)15分在臺(tái)灣花蓮登陸，10時(shí)在臺(tái)中西南部入海，隨之減弱為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，于23時(shí)40分在廈門市再次登陸，中心最低氣壓920hPa，近中心最大風(fēng)速60m/s，是10月份登臺(tái)入閩臺(tái)風(fēng)中最強(qiáng)之一。受臺(tái)風(fēng)“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(xiàn)12級(jí)以上的瞬時(shí)大風(fēng)，長樂市極大風(fēng)速達(dá)38m/s，海島下嶼自動(dòng)站達(dá)45.6m/s。10月2-3日沿海地區(qū)大部分縣市出現(xiàn)暴雨或大暴雨。統(tǒng)計(jì)2日20時(shí)-4日20時(shí)的過程雨量，共有28個(gè)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(dá)到334mm，為最大。

3.2 短歷時(shí)強(qiáng)降水極值特征分析

“龍王”臺(tái)風(fēng)登陸福建時(shí)，由于與冷空氣共同作用，出現(xiàn)臺(tái)前颮線和短時(shí)強(qiáng)降水，其短時(shí)強(qiáng)降水極值為歷史上登陸和影響福建省臺(tái)風(fēng)短時(shí)強(qiáng)降水極值之最，見表4。

表4 2005年第19號(hào)臺(tái)風(fēng)“龍王”短歷時(shí)強(qiáng)降水極值

從表4可見，這次短時(shí)強(qiáng)降水過程主要集中在福州市的城區(qū)、長樂、閩侯、羅源4個(gè)縣市區(qū)，其中福州城區(qū)6個(gè)歷時(shí)(10分鐘、30分鐘、60分鐘、3小時(shí)、6小時(shí)、12小時(shí))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(qiáng)降水造成了福州城區(qū)發(fā)生嚴(yán)重內(nèi)澇。福州市周邊的長樂、閩侯、羅源4個(gè)歷時(shí)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(tái)風(fēng)中，致災(zāi)最為嚴(yán)重的一次。由此可見，2005年臺(tái)風(fēng)“龍王”60分鐘短時(shí)強(qiáng)降水極端性強(qiáng)、致災(zāi)性重。

3.3 福州城區(qū)嚴(yán)重內(nèi)澇災(zāi)情分析

受臺(tái)風(fēng)“龍王”影響，福州城區(qū)遭遇嚴(yán)重內(nèi)澇，福州長樂國際機(jī)場被迫關(guān)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(qū)停水、停電、停氣，福州某指揮學(xué)校訓(xùn)練基地受到山洪襲擊，全省直接經(jīng)濟(jì)損失約74.78億元。

4 結(jié)論與討論

綜合以上分析得出以下結(jié)論:

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

②在全球氣候變暖的背景下，1961年以來短歷時(shí)強(qiáng)降水歷史極值出現(xiàn)頻數(shù)呈明顯增多趨勢，表明短歷時(shí)強(qiáng)降水極端事件越來越頻發(fā)，2005—2006年出現(xiàn)高峰期，1996年和2015—2016年出現(xiàn)2個(gè)次高峰期。從年代變化來看，短歷時(shí)強(qiáng)降水歷史極值主要集中在21世紀(jì)以后，目前最多出現(xiàn)在21世紀(jì)00年代，達(dá)到137站次。

③短歷時(shí)強(qiáng)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(qiáng)對流天氣所致。其次是8月，有114站次，由登陸或嚴(yán)重影響福建的臺(tái)風(fēng)所致。冬季(12月-次年2月)未出現(xiàn)強(qiáng)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(qiáng)降水極值8月最多，1小時(shí)、3小時(shí)強(qiáng)降水極值6月和8月最多，6小時(shí)、12小時(shí)、24小時(shí)強(qiáng)降水極值6月最多。

④短歷時(shí)強(qiáng)降水歷史極值存在明顯日變化，有2個(gè)峰值。主峰出現(xiàn)在15∶00～23∶00，16∶00達(dá)到峰值，共有47站次，次峰值為早晨5時(shí)。

⑤2005年“龍王”臺(tái)風(fēng)登陸福建時(shí)，由于與冷空氣共同作用，出現(xiàn)臺(tái)前颮線和短時(shí)強(qiáng)降水，其短時(shí)強(qiáng)降水極值為歷史上登陸和影響福建省臺(tái)風(fēng)短時(shí)強(qiáng)降水極值之最，60分鐘短時(shí)強(qiáng)降水極端性強(qiáng)、致災(zāi)性重。