海南島強臺風事件的氣候特征

吳勝安，邢彩盈，朱晶晶

(海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室, 海南 ?？?570203; 2.海南省氣候中心, 海南 ?？?570203)

每年我國東南和華南沿海地區(qū)都會受到熱帶氣旋(tropical cyclone，以下簡稱TC)的顯著影響[1]，其中海南島是受到明顯影響的地區(qū)之一[2,3]。據(jù)統(tǒng)計，年均影響海南島的熱帶氣旋個數(shù)超過6個，登陸的熱帶氣旋個數(shù)達2個。盡管其中影響海南島的強臺風數(shù)量相對較少，但是強臺風造成的災(zāi)害非常嚴重，例如“7314”號強臺風曾把瓊?！耙臑槠降亍?，而“0518”號強臺風“達維”和“1409”號超強臺風“威馬遜”給海南造成的直接經(jīng)濟損失均超百億元[4,5],可見強臺風是海南災(zāi)害性極端氣候事件的典型代表。深入認識強臺風發(fā)生發(fā)展的規(guī)律和機制，做好預(yù)測服務(wù)對科學地部署海南島的防災(zāi)減災(zāi)工作意義重大。

隨著全球變暖，部分極端氣候事件的發(fā)生越來越頻繁[6]，但不同重現(xiàn)期(不同強度)的極端事件對氣候變暖有不同的響應(yīng)[7]。王小玲等[8]的研究指出，1957—2004年間強熱帶氣旋頻數(shù)呈顯著減少趨勢，強度越強，減少趨勢越明顯。趙珊珊等[9]和曹楚等[10]關(guān)于西北太平洋熱帶氣旋頻數(shù)和強度的分析也得到類似的結(jié)論，即西北太平洋近中心最大風速≥58 m/s的超強臺風頻數(shù)有長期減少趨勢，西北太平洋熱帶氣旋頻數(shù)、平均強度和極端強度均呈下降趨勢,田榮湘[11]關(guān)于南半球氣候變暖對西北太平洋熱帶氣旋的影響研究也得到一致的結(jié)論。這些分析意味著全球變暖導致的西太平洋海表溫度升高并未直接造成超強臺風增多。此外，丑潔明[12]等在針對影響廣東省的TC特征分析中指出，影響廣東省TC頻次整體隨時間變化不大，強度低的TC頻次隨年際呈現(xiàn)較為明顯地減少變化趨勢，而強度高的TC頻次呈現(xiàn)較為明顯的逐年上升趨勢，它意味著不同區(qū)域影響的強臺風活動有不同的變化特征。那么，影響海南島的強臺風活動有何特征？有必要把影響海南島的強臺風做為一個整體來分析其氣候特征，從而了解其發(fā)生和變化規(guī)律，為進一步深入認識其影響海南的機理、做好預(yù)測服務(wù)提供參考。

1 資料方法

1.1 資料

主要使用了1949—2018年臺風資料、海南歷史災(zāi)情資料和再分析資料。臺風資料來自中國氣象局《臺風年鑒》[13]；海南歷史災(zāi)情資料來自《中國氣象災(zāi)害大典(綜合卷)》[14]和《海南年鑒》[4-5,15]。

文中用到的ENSO指數(shù)為BEST指數(shù)[16](Bivariate ENSO time series，Calculated from combining a standardized SOI and a standardized Nino3.4 SST time series，http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/climateindices/ from NOAA/ESRL)，再分析資料來自美國氣象環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)和美國國家大氣研究中心(NCAR)聯(lián)合制作的NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù)集[17]。

文中用到的潛在破壞力[18,19]指的是TC在海南省臺風業(yè)務(wù)影響區(qū)域圖(圖1)中嚴重影響區(qū)內(nèi)的累積能量，由各時次的最大風速平方與時間的積累加而得。

1.2 海南島強臺風事件的識別

根據(jù)海南臺風災(zāi)情發(fā)生實際和防臺減災(zāi)需要，定義海南島的強臺風事件(Hainan Island violent typhoon events，以下簡稱HNVTE)為：當熱帶氣旋在海南島嚴重影響區(qū)(圖1)以14級以上(強臺風)強度至少影響6 h，這樣一次事件稱為強臺風事件[20、21]。根據(jù)該定義，對嚴重影響海南島的臺風進行排查，1949—2018年HNVTE共發(fā)生24次(20年)(表1)。平均來看，HNVTE的發(fā)生頻率約為每3年一次。查閱《中國氣象災(zāi)害大典》和《海南年鑒》資料可見，這些強臺風事件均給海南帶來了非常嚴重的損失。

圖1 海南省臺風業(yè)務(wù)影響區(qū)域圖Fig.1 Affected area of typhoon operation in Hainan province

表1 1949-2018年海南島強臺風事件表Table1 Hainan Island violent typhoon events

2 氣候特征

2.1 時間分布

從HNVTE發(fā)生的年份(包含于表1臺風序列信息中)可見，HNVTE存在明顯的年際、年代際變化特征以及減少趨勢。首先，HNVTE出現(xiàn)頻次存在明顯的年代際變化特點，1950s和1960s年代各出現(xiàn)5次，1970s年代出現(xiàn)了4次，1980s年代出現(xiàn)3次，1990s年代則只出現(xiàn)了2次，而到2000s年代則只出現(xiàn)了1次，2010s年代又增多，截止2018年共出現(xiàn)了3次。1950s年代到2000s年代呈波動式減少趨勢。其次，HNVTE活躍和間歇的年際變化特征也很明顯，具有連續(xù)發(fā)生的特點，活躍時期和間歇時期的連續(xù)性都較高。1953—1956年連續(xù)4年出現(xiàn)HNVTE，1957—1962年連續(xù)6年未出現(xiàn)；1963—1966年集中出現(xiàn)4次，接下來連續(xù)3年未出現(xiàn)；1970—1974年連續(xù)5次出現(xiàn)，接下來是1975—1980年的間歇期；1981—1984年又集中出現(xiàn)了3次，之后的6年只出現(xiàn)了1次；1990s和2000s年代則是沉寂期，每個年代僅1年發(fā)生HNVTE；而2012—2014年又是活躍期，HNVTE集中出現(xiàn)了3次。

分析表1中臺風影響本島的初始日期可見，1949年以來，HNVTE均出現(xiàn)在下半年，最早7月初，最晚11月上旬。HNVTE發(fā)生最頻繁的月份為9月，1949年至2018年共出現(xiàn)7次(占比29%)，其次是10月，出現(xiàn)6次(占比25%)，再次是7月和8月，均各出現(xiàn)5次(占比21%)，11月僅出現(xiàn)過一次(占比4%)。從表中還可以看出，HNVTE的時間分布還有明顯的年代際變化特征：1970年以前(50年代和60年代)，10月份HNVTE只出現(xiàn)過一次，而8月和9月份HNVTE則出現(xiàn)了3次；1970s年代和1980s年代，10月份HNVTE出現(xiàn)了4次，還出現(xiàn)唯一的1次11月份HNVTE，其次9月份HNVTE出現(xiàn)2次，而8月和7月HNVTE各只出現(xiàn)過1次。說明1970s和1980s年代HNVTE活動較1950s和1960s年代明顯偏晚。而1990s年代以后HNVTE發(fā)生時間又較1970s和1980s年代偏早，主要是由于10月份的HNVTE出現(xiàn)概率降低所致(由1970s、1980s年代的20年4次降到1991—2018年共28年的1次)。

副熱帶高壓南側(cè)的引導氣流對臺風的加強發(fā)展和移動路徑有極其重要的作用，為了解西北太平洋副熱帶高壓氣候態(tài)遷移對HNVTE的影響，文中對1980年前后兩個30年的氣候態(tài)進行了比較分析。圖2所示的是1951—1980年和1981—2010兩個氣候態(tài)各月副高氣候態(tài)所處位置及1980年以前和之后HNVTE中TC源地坐標，由圖可見，新氣候態(tài)較之前30年副高有明顯的加強西伸，脊線和脊點南移，在新氣候態(tài)下，6月和11月的副高脊點已向南越過20°N，10月副高南界非常接近20°N。各月HNVTE的發(fā)生頻次及其變化與副高位置及其變化有很好的對應(yīng)關(guān)系。首先，上半年以及11月后，副高脊線接近20°N或以南，其南側(cè)活動的臺風很難移動至海南島；其次，8月HNVTE相對較少與其脊線和南界相對偏北(遠離海南島所在緯度)有關(guān)；第三，1980s年代中期后HNVTE在10月發(fā)生頻次變少以及11月從有至無，此時10月和11月份副高在變大變強后脊線接近20°N，而其南界也顯著南擴，不利于臺風移動至海南島，二者有很好對應(yīng)關(guān)系；第四，HNVTE發(fā)生頻次明顯減少，可能與副高變大變強后大壓縮了HNVTETC生成與活動的空間有關(guān)。

圖2 1951-1980年(a)和1981-2010(b)年氣候態(tài)各月副高位置及1980年前和1980年后HNVTETC源地(6月：紅線；7月：黃線；8月橙線；9月紫線；10月：綠線；11月藍線)Fig.2 Average subtropical high over the western north Pacific during 1951-1980 (a) and 1981-2010 (b) as well as TC original location of HNVTE before 1980 and after 1980

綜合上述分析可見，HNVTE在總體呈減少趨勢的基礎(chǔ)上，存在明顯的年代際變化特征，1950s、1960s年代偏多，1990s、2000s年代偏少；同時還存在表現(xiàn)為集中發(fā)生活躍期和長期沉寂間歇期的年際變化特征。HNVTE發(fā)生在下半年，高發(fā)月份是9月和10月，但10月發(fā)生的概率有明顯減少趨勢，HNVTE的減少可能與西太副高變大變強有關(guān)。

2.2 源地和路徑

分析HNVTE中TC源地(圖3、表1)可見，1949年以來，HNVTE的臺風僅1966年7月的強臺風源自南海，其余均源于西北太平洋，主要集中在150°E以西、15°N以南的菲律賓以東海域。源地緯向最西為120.8°E，最東為149.8°E，橫跨約30個經(jīng)度；經(jīng)向最南6.4°N，最北19.0°N，縱跨約14個緯度，但主要集中在10-15°E區(qū)間的5個緯度內(nèi)，占比72%；而10°N以南僅兩個，占比8%；15°N以北5個，占比20%。但1987年以后源地在15°N以北的概率在減少，而在10°N以南的概率可能會增加(各出現(xiàn)1次，各占比14%)。

圖3 1949—2018年HNVTE臺風生成源地及路徑Fig3 TC original locations and paths of HNVTE during 1949—2018

圖3還顯示了HNVTE臺風路徑。從中可見，HNVTE臺風路徑以西北偏西或西行路徑為主。圖中給出了A、B、C、D四個臺風活動較為密切的區(qū)域點，可見HNVTE臺風主體路徑大致為兩條：一類路徑，在A區(qū)域附近生成，西行至C區(qū)域附近，然后西北偏西行至D區(qū)域(海南島以東近海)；二類路徑，在A區(qū)域附近生成，西北偏西行至B區(qū)域附近，然后西北偏西行至D(海南島以東近海)。

分析表1中登陸點或擦過方位可見，海南島東部海岸是HNVTE熱帶氣旋正面襲擊地，其中文昌是HNVTE的最頻登陸點。1948年以來的HNVTE熱帶氣旋有8次在文昌登陸，占比33.3%；其次是瓊海，登陸4次，占比16.7%；第三是萬寧和三亞，各登陸2次，各占比8.3%。另外，未正面襲擊海南島的HNVTE有8次。從表中還可以看出，1970年以前，HNVTE除兩次從島南擦過外，基本都從瓊海以北登陸或擦過(10次中的8次)。在1971年以后，強臺風從萬寧以南登陸或擦過的概率明顯增大(14次中的8次，超過了瓊海以北登陸或擦過的頻次)。以上說明HNVTE影響有南移傾向，這很可能是圖2中所示的副高脊線和南界均南移所致。

圖3(b)～圖3(e)所示分別是7、8、9和10月HNVTE中TC路徑。從中可見，7月TC路徑相似性最好，基本上按先西行再西北行的路線移動；生成源地的緯向聚集度也最好。其次是9月，僅一個TC按一類路徑移動，其余按先西北行再西行的二類路徑移動。8月和10月路徑和生成源地的聚集度較7月和9月松散。

綜合上述分析可見，HNVTE中TC主要源自西北太平洋，大體在菲律賓以東海面生成后，先西行至菲律賓中部群島再西北行自海南島或先西北行至菲律賓北部再西行至海南島；7月和9月HNVTE中TC的臺風路徑有較好的聚集性；盡管文昌是HNVTETC的主要登陸點，但HNVTE影響有南移傾向。

2.3 發(fā)展變化與潛在破壞力

對HNVTE中熱帶氣旋在南海內(nèi)的發(fā)展變化進行分析(見表1：南海內(nèi)最大增速或降壓)可見，熱帶氣旋要在進入海南島嚴重影響防區(qū)達到強臺風等級，往往需在南海內(nèi)繼續(xù)加強。1948年以來的HNVTE中，只有1954年和1955年兩次事件中的熱帶氣旋在南海呈減弱趨勢，而這是因為其到達菲律賓東部近海南強度達到了最強，中心最大風速達85 m/s和65 m/s。除此之外的熱帶氣旋在南海大多表現(xiàn)出快速加強現(xiàn)象[22-23],在22次HNVTE中，有17次事件中的熱帶氣旋在南海急速加強(每6 h中心氣壓下降7 hPa)。中心氣壓下降最急劇的是“7314”號臺風，6 h降壓達40 hPa，其次是“0518”號和“1223”號臺風，6 h降壓達20 hPa；中心風速加強最快的是“7314”號和“1409”號臺風，6 h增速達20 m/s。

從表中還可以看出，1950s和1960s年代，HNVTE有兩次表現(xiàn)出在南海減弱的現(xiàn)象，其他8次事件中只有一次事件的熱帶氣旋中心風速6 h最大增速達10 m/s，其它均只有5 m/s。而1971年以后的HNVTE均有在南海加強現(xiàn)象，15次事件中有8次事件中熱帶氣旋中心風速6 h最大增速達到或超過10 m/s。

對比各HNVTE中熱帶氣旋生命史最大風速與海南島嚴重影響區(qū)最大風速的差異(圖4)可見，1970s年代以后HNVTETC生命史最大風速與海南島嚴重影響區(qū)最大風速的差異明顯小于此前的HNVTETC，特別是1990s年代后，這種差異已減少至0。也就是說，1990年后的HNVTETC是在進入海南島近海才發(fā)展至其最強狀態(tài)，這與前述1971年后HNVTETC在南海有快速發(fā)展的分析一致。

圖4 HNVTE各TC的生命史最大風速和在海南島嚴重影響區(qū)最大風速及兩者差Fig.4 The maximum wind speed of TC existence and that when moving in region where TC influence Hainan Island seriously as well as the difference of them

各HNVTETC在海南島嚴重影響區(qū)的最大風速總體接近，但仍可見各年代極大值隨時間是增大的(圖5)。1950s年代極值為50 m/s(1953和1955年),1970s年代極值為60 m/s(1973年),2010s年代極值達到72 m/s(2014年超強臺風“威馬遜”)。從圖4還可見，HNVTE各TC對應(yīng)的潛在破壞力也存在隨時間的增大趨勢，主要由個別極端性HNVTE引起，潛在破壞力最小事件發(fā)生在1954年，由于其只是從島北快速擦過，產(chǎn)生的潛在破壞力僅為6 075 h*m2/s2),而潛在破壞力最大事件發(fā)生在2014年，由超強臺風“威馬遜”造成，主要因為其明顯高于其他TC的風速所致。圖中還可見1980s年代后HNVTE破壞潛力的振幅有變大趨勢，這對HNVTE破壞力預(yù)測有一定指示意義。

圖5 HNVTE中TC在海南島嚴重影響區(qū)的潛在破壞力(h*m2/s2)和最大風速(m/s)Fig.5 TC destruction potential ((h*m2/s2) and the maximum wind speed (m/s) of HNVTE in region where TC influence Hainan Island seriously

綜上所述，HNVTETC需在南海繼續(xù)加強，1971年后更是在南海有快速發(fā)展。潛在破壞力極值隨時間有增大趨勢，振幅在1980s年代后有變大趨勢。

3 海溫背景

分析表1中HNVTE發(fā)生前近3月(當月、前1月和前2月)平均的ENSO指數(shù)可見，1980s年代后期后，HNVTE均出現(xiàn)在ENSO暖狀態(tài)年(ENSO指數(shù)為正)，而此前則主要出現(xiàn)在ENSO冷位相年(ENSO指數(shù)為負)。這說明HNVTE發(fā)生的海溫背景可能存在年代際變化，或者說發(fā)生了突變。

已有研究表明，大氣環(huán)流在1980s年代后期發(fā)生了突變[24-25]，圖2所示1980年前后兩個氣候態(tài)副高的差異也揭示了這點：隨著全球變暖，西太副熱帶高壓變大變強，脊點(脊線)南移，南界南移。另一方面，赤道東太平洋海溫偏暖有利于西太平洋副高脊線偏南、面積偏大和脊點偏西[26]。比較全球變暖和赤道東太平洋暖海溫對西太平洋副高的影響可見，兩者的作用效果是一致的，即全球變暖和厄爾尼諾事件均不有利于HNVTE的發(fā)生。這與隨著全球變暖，厄爾尼諾事件越來越頻繁，但海南島的強臺風事件卻越來越少的現(xiàn)象吻合。同時，這也說明：盡管1980s年代后期后，HNVTE均出現(xiàn)在赤道中東太平洋海溫偏暖年份，即相對中東太平洋冷狀態(tài)，暖狀態(tài)更有利于HNVTE的發(fā)生；但這并不意味著1980s年代后，厄爾尼諾是有利于HNVTE發(fā)生的影響因子，更有可能是冷暖狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換時期的中東太平洋海溫更有利于HNVTE的發(fā)生，表1中1987年后累積ENSO指數(shù)絕對值較小說明了這點。

南海熱狀況(表面氣溫、海表溫度)的氣候變化顯示夏、秋季突變發(fā)生在1980s年代，冬、春季的突變發(fā)生相對較晚，在1990s年代(圖略)。對南海和西太平洋西部(影響海南的強臺風生成和移動區(qū)域)海表溫度進行經(jīng)驗正交函數(shù)(EOF)分解(圖6)，得到第一模態(tài)的方差貢獻可達68.5%，遠大于第二模態(tài)的9.5%，說明它可以反映該場變化特征的主要信息。第一模態(tài)的空間分布(圖6(a))表現(xiàn)為全場一致型，中心區(qū)域位于菲律賓及其以東部洋面，這些區(qū)域正是西北太平洋熱帶氣旋活躍區(qū)，也正是影響海南島的強臺風生成源地。南海和西北太平洋海表溫度EOF分解第一模態(tài)的時間系數(shù)表現(xiàn)為明顯的年代際變化特征(圖6(b))，利用M-K檢驗，可見1980s年代后期為突變點(圖6(c))，之前年代際變化距平為負值，可以認為是冷期；之后年代際變化距平為正值，為暖期。陶麗等[27]指出，在不同年代際背景下，ENSO與WNPTC的關(guān)系不同，在1969-1988年(對應(yīng)前述冷期)強TC頻數(shù)與中國近海(包括南海)的SST呈顯著正相關(guān)；而在后一時期1989-2008年(對應(yīng)前述暖期)，強TC頻數(shù)與西北太平洋SST呈顯著負相關(guān)，而與熱帶中東太平洋呈(特別是熱帶中太平洋)顯著正相關(guān)。也就是說，在冷期，當中東太平洋處于拉尼娜狀態(tài)時，南海SST偏高(年際尺度)，對應(yīng)西北太平洋強TC偏多；在暖期，在中東太平洋處于厄爾尼諾狀態(tài)時，有利于西北太平洋強TC偏多。這與圖6所示的HNVTE的海溫背景是一致的：1987年之前，HNVTE多發(fā)生于拉尼娜狀態(tài)下，之后則幾乎只發(fā)生在厄爾尼諾狀態(tài)下。此外，由于南海和西北太平洋海溫在1987年后突變式升溫，根據(jù)在暖期強TC頻數(shù)與西北太平洋SST呈顯著負相關(guān)關(guān)系，可知強TC頻數(shù)將顯著減少，這與海南島1987年后HNVTE明顯減少也是一致的。

注：圖(b)中光滑黑色曲線為低頻濾波后的時間系數(shù)，圖(c)中黑色實線表示M-K檢驗的UF，綠色虛線為UB，紅色直線為a=0.05顯著水平臨界值。

綜上所述，HNVTE與海溫間的聯(lián)系有明顯的年代際差異，1987年前，中東太平洋冷狀態(tài)和南海-西太平洋偏暖有利于HNVTE發(fā)生，而1987年之后，中東太平洋弱的暖狀態(tài)有利于HNVTE的發(fā)生，但由于南海-西北太平洋海溫突變式升高導致HNVTE發(fā)生概率顯著降低。

4 結(jié)論

文中從時間分布、源地路徑、發(fā)展變化與破壞潛力以及海溫背景4個方面分析了HNVTETC的氣候特征，主要結(jié)論有：

(1)HNVTE在總體呈減少趨勢的基礎(chǔ)上，存在1950s、1960s年代偏多，1990s、2000s年代偏少的明顯年代際變化特征；同時還存在集中發(fā)生活躍期和長期沉寂間歇期的年際變化特征。HNVTE發(fā)生在下半年，高發(fā)月份是9月和10月，但10月發(fā)生的概率有明顯減少趨勢。

(2)HNVTETC主要源自西北太平洋，大體在菲律賓以東海南生成后，先西行至菲律賓中部群島再西北行自海南島，或先西北行至菲律賓北部再西行至海南島。HNVTETC的主要登陸點是文昌，但其影響也有南移傾向。

(3)HNVTETC需在南海繼續(xù)加強，特別是1971年后需在南海有快速發(fā)展；潛在破壞力極值隨時間有增大趨勢，振幅在1980s年代后有變大趨勢。

(4)HNVTE與海溫間的聯(lián)系有明顯的年代際差異，1987年前，中東太平洋冷狀態(tài)和南海-西太平洋偏暖有利HNVTE發(fā)生，而1987年之后，中東太平洋弱的暖狀態(tài)有利于HNVTE的發(fā)生，但由于南海-西北太平洋海溫突變式升高導致HNVTE發(fā)生概率顯著降低。

由于強臺風事件是極端天氣氣候事件，屬于小概率事件，樣本量相對較小，導致常規(guī)的氣候?qū)W診斷方法難以適用，進而影響結(jié)論的科學性。以上分析結(jié)論可對強臺風事件的預(yù)測工作能提供有意義的幫助，但其科學性需在實踐的業(yè)務(wù)工作中不斷訂正完善。