廣西臺風(fēng)極端強降水特征及環(huán)境參數(shù)異常性分析

鄭鳳琴，王盛繁，趙金彪，姚 才，賴 晟

（1.廣西壯族自治區(qū)氣候中心，南寧 530022；2.貴港市氣象局，廣西 貴港 537100；3.廣西壯族自治區(qū)氣象臺，南寧 530022；4.廣西壯族自治氣象局，南寧 530022）

引言

極端強降水對某一地區(qū)而言是個小概率事件，但因其降水量太大，時常引發(fā)山洪、泥石流和城市內(nèi)澇，造成重大人員傷亡和經(jīng)濟損失［1－3］。2021 年7 月17—22 日，河南遭遇歷史罕見的持續(xù)性極端強降水事件，鄭州站24h 降水量（624.1mm）超過當(dāng)?shù)?019年全年降水量，1h 降水量（201.9mm）突破我國大陸小時雨量歷史極值，極端強降水導(dǎo)致河南302 人遇難，50 人失蹤，直接經(jīng)濟損失超千億元［4－7］。由于極端強降水天氣過程具有突發(fā)性、局地性和罕見性等特點［8］，對其開展深入分析研究非常有必要，這對加深極端強降水形成機理的認(rèn)識和強化防災(zāi)減災(zāi)避災(zāi)工作具有重要意義。

臺風(fēng)是最強的暴雨天氣系統(tǒng)［9］。隨著經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展，我國臺風(fēng)災(zāi)害尤其是臺風(fēng)暴雨災(zāi)害的損失非常嚴(yán)重［10］：2009 年的“莫拉克”臺風(fēng)對臺灣南部造成了重大災(zāi)難，除經(jīng)濟損失外，還導(dǎo)致約700 人死亡或失蹤［11－12］；2013 年的“菲特”臺風(fēng)引起浙江中北部沿海極端降水和風(fēng)暴潮，導(dǎo)致余姚等城市被淹超過一周時間［13］；2019 年超強臺風(fēng)“利奇馬”登陸浙江溫嶺后北上，對我國東部沿海及內(nèi)陸造成嚴(yán)重影響，造成71 人死亡或失蹤，直接經(jīng)濟損失超過530億元［14］。許多科學(xué)工作者對臺風(fēng)極端強降水事件的研究，主要聚焦于極端強降水的確定、個例的多尺度天氣系統(tǒng)相互作用、復(fù)雜地形對強降水的影響以及物理量的極端性特征等方面，并取得了豐富的成果。江漫等［15］利用百分位法分析了1959—2012 年單站臺風(fēng)降水日雨量，指出極端降水閾值總體上呈現(xiàn)由東南沿海向西北內(nèi)陸減少的趨勢。夏麗花等［16］開展了地形對1011 號臺風(fēng)“凡亞比”影響的數(shù)值試驗，發(fā)現(xiàn)臺灣中部山脈地形對臺風(fēng)低層流場的阻擋抬升作用對臺風(fēng)降水具有明顯的增幅作用，造成臺灣島降水分布呈南部、東部強而西北部弱的不對稱分布。極端強降水的物理量異常性特征方面，楊舒楠和端義宏［17］發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)“溫比亞”極端強降水過程中存在極端低層輻合和高空輻散，同時假相當(dāng)位溫、整層可降水量和水汽通量散度均具有顯著極端性。

廣西地處低緯地區(qū)，南臨北部灣，臺風(fēng)影響頻繁，災(zāi)害損失嚴(yán)重，每年影響廣西的臺風(fēng)平均5 個［18］。長期以來，臺風(fēng)強降水天氣過程研究都是廣西臺風(fēng)研究的重要內(nèi)容，并取得了許多對實際預(yù)報非常有意義的研究成果［19-21］。趙金彪等［22］對兩次臺風(fēng)暴雨的研究表明，強降水分布與低層濕位渦負值區(qū)有較好的對應(yīng)關(guān)系；覃麗等［23］指出垂直風(fēng)切變矢量和水汽輻合條件是臺風(fēng)暴雨落區(qū)預(yù)報的一個有效判據(jù)；蘇玉婷等［24］通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)十萬大山地形的動力抬升、山前中尺度地形輻合線的發(fā)展和維持是導(dǎo)致臺風(fēng)“威馬遜”沿海強降水的主要原因。但以往的研究多是針對1～2 次臺風(fēng)個例的暴雨成因或特定天氣系統(tǒng)對臺風(fēng)暴雨的影響，缺乏基于多次臺風(fēng)強降水過程尤其是極端強降水的研究。為加強對廣西臺風(fēng)極端強降水天氣過程的認(rèn)識，本文利用1981—2020 年廣西臺風(fēng)逐日降水量和歐洲中心ERA5 再分析資料，以1981—2010 年30a 資料作為歷史氣候態(tài)，采用百分位法建立廣西臺風(fēng)極端強降水閾值和區(qū)域性極端強降水過程，對廣西臺風(fēng)極端強降水的特征和區(qū)域性極端強降水過程的環(huán)境參數(shù)進行初步分析，以期加深對廣西臺風(fēng)降水的極端性認(rèn)識。

1 資料與方法

1.1 資料說明

選用廣西1981—2020 年國家地面氣象站降水觀測資料，1981—2010 年30a 整編資料來自國家氣候中心質(zhì)量控制后的地面氣象站基本氣象要素日值數(shù)據(jù)集（V3.0）逐日20 時至次日20 時的24h 日雨量資料；臺風(fēng)數(shù)據(jù)采用中國上海臺風(fēng)研究所提供的熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集，包括臺風(fēng)強度、中心位置等信息。

選用歐洲中心ERA5 再分析資料，年限為1981—2020 年，水平分辨率為1°×1°，垂直分辨率為1000～1hPa 共19 層，每日24 個時次，資料要素包括位勢高度、風(fēng)場、溫度和比濕。

1.2 臺風(fēng)極端強降水的確定方法

目前極端強降水尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和定義。廣西由于巖溶發(fā)育和石林較多，降水分布極不均勻，若使用統(tǒng)一固定的日降水量簡單確定廣西極端強降水事件不夠科學(xué)，因此參照翟盤茂等［25］提出的百分位法計算廣西極端強降水閾值：將廣西1981—2010 年30a 逐年日降水量序列的第99 個百分位值的30a 平均值設(shè)定為極端強降水事件閾值，當(dāng)某站受臺風(fēng)影響某日降水量超過本站極端強降水事件閾值時，稱其為該站的一次臺風(fēng)極端強降水事件；若某日受臺風(fēng)影響廣西范圍內(nèi)有超過25%的測站發(fā)生極端強降水事件時，稱其為一次區(qū)域性臺風(fēng)極端強降水過程。

圖1 是利用百分位法計算的廣西92 個氣象臺站極端強降水閾值分布，可以看出廣西極端強降水閾值呈現(xiàn)出自南部沿海地區(qū)向內(nèi)陸減小的趨勢，極端強降水閾值高值區(qū)位于南部沿海的東興、欽州和北海，普遍高于90mm，最大值出現(xiàn)在東興達116.3mm；次高值區(qū)位于桂東北的永福、融安、融水附近，以及桂西的都安、馬山一帶，閾值為70～80mm；而低值區(qū)位于桂西北的隆林和西林，閾值低于50mm，最小值出現(xiàn)在隆林為46.1mm，最大值是最小值的2.5 倍多。極端強降水閾值的分布特征與孫桂凱等［26］研究的1961—2016 年極端降水閾值分布特征較相近。

圖1 1981—2010 年廣西各站極端強降水閾值分布（單位：mm）

1.3 標(biāo)準(zhǔn)化異常

定義標(biāo)準(zhǔn)化異常（Ds）為環(huán)境參數(shù)偏離氣候態(tài)的程度：

式（1）中，F(xiàn) 為某一時刻某一環(huán)境參數(shù)的值，M為該環(huán)境參數(shù)同時刻前后5d 的30a 氣候平均，濾去了小波動對氣候場的影響，σ 為氣候標(biāo)準(zhǔn)差。Ds值代表某環(huán)境參數(shù)異常達氣候標(biāo)準(zhǔn)差的倍數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 臺風(fēng)極端強降水分布特征

2.1.1 時間分布特征

從1981—2020 年極端降水逐年分布來看（圖2），廣西出現(xiàn)極端強降水的臺風(fēng)個數(shù)年平均為2.975個，最多為6 個，出現(xiàn)在1994 年、1995 年和2013年。1994 年影響廣西的臺風(fēng)偏多（8 個）；1995 年有4個臺風(fēng)進入廣西內(nèi)陸，分別是9506“Irving”、9509“Kent”、9515“Sibyl”和9516“Ted”；2013 年11 號臺風(fēng)“尤特”給廣西造成重大人員傷亡和經(jīng)濟損失。臺風(fēng)極端強降水出現(xiàn)日數(shù)最多的為1994 年（26d），其次是2006 年（18d），年平均7.8d。2001 年和2006 年出現(xiàn)極端強降水的臺風(fēng)個數(shù)都是5 個，屬于次多，但臺風(fēng)降水強度強、持續(xù)時間長（如0103“榴蓮”、0104“尤特”、0604“碧利斯”、0606“派比安”），出現(xiàn)極端強降水的天數(shù)就多。

圖2 出現(xiàn)極端強降水的臺風(fēng)個數(shù)（a）和臺風(fēng)極端強降水的日數(shù)（b）逐年變化

從前5a 的滑動平均值來看，出現(xiàn)極端強降水的臺風(fēng)個數(shù)呈弱上升趨勢，臺風(fēng)極端強降水的出現(xiàn)日數(shù)呈弱下降趨勢，但是近年來兩者均有緩慢增長的趨勢，這可能與氣候變暖導(dǎo)致極端事件頻發(fā)有關(guān)。

從1981—2020 年極端強降水出現(xiàn)次數(shù)的逐月分布來看，廣西臺風(fēng)極端強降水在5—11 月都有發(fā)生，40a 來共2244 站次出現(xiàn)了極端強降水，5 月、11月出現(xiàn)較少，占總站次的3%，97%出現(xiàn)在6—10 月，以后汛期7—9 月為集中時段，占總站次的80.1%，其中又以7 月出現(xiàn)頻率最高，占總站次34.3%，8 月次之，占總站次的28%。

2.1.2 空間分布特征

圖3 分析了1981—2020 年廣西臺風(fēng)極端強降水出現(xiàn)次數(shù)的線性變化趨勢的空間分布，只有少數(shù)站的臺風(fēng)極端強降水出現(xiàn)次數(shù)呈弱減少趨勢，大多數(shù)臺站臺風(fēng)極端強降水出現(xiàn)次數(shù)為正值，即臺風(fēng)極端強降水次數(shù)增加，但在統(tǒng)計上多不具有顯著意義。從空間分布來看，中部和南部地區(qū)增加更明顯，而桂北大部地區(qū)呈現(xiàn)弱減少趨勢。

圖3 廣西臺風(fēng)極端強降水出現(xiàn)次數(shù)線性變化趨勢空間分布

2.2 區(qū)域性臺風(fēng)極端強降水過程的環(huán)境參數(shù)異常性分析

臺風(fēng)降水預(yù)報一直是臺風(fēng)業(yè)務(wù)的難點，極端強降水的發(fā)生往往具有異常的水汽和動力條件［27］，而目前數(shù)值模式對極端強降水的預(yù)報能力仍比較有限，因此，將著重針對區(qū)域性臺風(fēng)極端強降水過程的環(huán)境參數(shù)異常特征進行分析，以尋找臺風(fēng)極端強降水產(chǎn)生的前期信號，為廣西臺風(fēng)極端強降水預(yù)報提供參考。

2.2.1 過程選取

參考廣西臺風(fēng)極端強降水的時空分布特點，選取每年5—11 月為研究時段，根據(jù)1.2 節(jié)中區(qū)域性臺風(fēng)極端強降水的定義，共挑選出1981—2020 年區(qū)域性臺風(fēng)極端強降水過程共16 次（見表1），其中2001 年臺風(fēng)“榴蓮”極端強降水過程中，2001 年7月3 日有42 站降水量超過閾值出現(xiàn)了區(qū)域性極端強降水過程，而2006 年的臺風(fēng)“碧利斯”影響期間連續(xù)兩天出現(xiàn)極端強降水過程，這兩個都是發(fā)生在7 月份的造成區(qū)域性極端強降水過程的臺風(fēng)。從各個月份的極端臺風(fēng)強降水過程來看，7 月和9 月發(fā)生臺風(fēng)極端強降水過程的概率相對較大。廣西各月的環(huán)境條件不同，但是相同月份的氣候環(huán)境場一般比較相似，采用歐洲中期天氣預(yù)報中心1981—2020年逐日1h 間隔1°×1°再分析資料（ERA5）診斷分析環(huán)境參數(shù)的氣候特征及其在極端強降水過程中的異常表現(xiàn)。

表1 1981—2020 年廣西臺風(fēng)極端強降水過程概況

2.2.2 環(huán)境參數(shù)氣候平均值

選取表征環(huán)境水汽、動力、熱力、不穩(wěn)定等特征的物理參數(shù)共11 個，分別是850hPa 比濕、850hPa水汽通量、850hPa 水汽通量散度、整層大氣可降水量、700hPa 垂直速度、850hPa 渦度、200hPa 散 度、850hPa 假相當(dāng)位溫、K 指數(shù)、850hPa 與500hPa 假相當(dāng)位溫、200hPa 與850hPa 垂直風(fēng)切變。分別計算了1981—2010 年30a 廣西各環(huán)境參數(shù)逐月氣候平均值，結(jié)果顯示大多數(shù)環(huán)境參數(shù)具有明顯的月變化特征，整層大氣可降水量、850hPa 比濕、850hPa 水汽通量等表征水汽的參數(shù)自5 月起明顯增大，7—8 月為最大，9 月開始明顯下降，如5 月整層可降水量的氣候平均值40mm 以上，7—8 月則超過60mm；700hPa 上升運動也是7 月、8 月為最盛，該參數(shù)7—8 月30a 氣候平均值小于0，說明動力上升運動在盛夏季節(jié)降水中扮演著重要角色；K 指數(shù)的氣候平均值更是在7 月達到30℃，而200hPa 與850hPa 垂直風(fēng)切變在盛夏則為一年中較小值。各環(huán)境參數(shù)的逐月變化特征表明，7 月和8 月是水汽充足、上升運動最強、不穩(wěn)定能量最大的時段，也是出現(xiàn)強降水最有利的時段。

2.2.3 異常性分析

區(qū)域性臺風(fēng)極端強降水過程中，環(huán)境參數(shù)與氣候平均值相比具有什么樣的異常特征？一般可通過對環(huán)境參數(shù)偏離氣候平均態(tài)的程度進行判斷，偏離2倍以上標(biāo)準(zhǔn)差意味著小概率事件發(fā)生的可能性［28-30］。因此，選取1981—2010 年作為歷史氣候態(tài)，計算了近40a 來廣西16 次臺風(fēng)極端強降水過程中相應(yīng)環(huán)境參數(shù)相對于氣候態(tài)標(biāo)準(zhǔn)差的倍數(shù)。

圖4 給出了1981—2020 年廣西16 次臺風(fēng)極端強降水過程中出現(xiàn)極端降水站點的環(huán)境參數(shù)箱線圖。水汽條件是臺風(fēng)登陸后強降水持續(xù)的主要原因之一［17］，由圖4a 可見，極端強降水過程中，整層大氣可降水量標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)波動很大，達到0.5～3.0 倍，平均值為2.0 倍，其中2006 年7 月16 日（碧利斯）、2014 年9 月17 日（海鷗）和2016 年10 月19 日（莎莉嘉）的相較于其它個例，表現(xiàn)出更高程度異常，標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)中位數(shù)達到2.5 倍以上，臺風(fēng)“碧利斯”極端強降水過程中大氣可降水量標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)甚至超過了3 倍；而850hPa 水汽通量的標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)在-2.0～7.0 倍（圖4b），平均值為3 倍，其中2011 年9 月30日（納沙）、2014 年9 月17 日（海鷗）和2016 年10月19 日（莎莉嘉）的標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)中位數(shù)超過5 倍，表現(xiàn)出持續(xù)的極端水汽特征；從表征動力因子的環(huán)境參數(shù)200hPa 散度、700hPa 垂直速度的箱線值特征來看（圖4c、d），700hPa 垂直速度的標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)為負值，有些個例甚至出現(xiàn)-10 倍的標(biāo)準(zhǔn)差，說明上升運動強烈，而200hPa 散度標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)平均值為2.0倍；圖4e 和圖4f 分析了K 指數(shù)、850hPa 與500hPa假相當(dāng)位溫差的標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)變化特征，K 指數(shù)與歷史氣候態(tài)相比較，標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)基本上在1 倍左右，但是2006 年7 月16 日（碧利斯）出現(xiàn)了最大值達到2.5 倍，850hPa 與500hPa 假相當(dāng)位溫差的標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)波動非常大，有些個例為負值，有些出現(xiàn)正直，規(guī)律不明顯。

圖4 1981—2020 年廣西16 個臺風(fēng)極端強降水環(huán)境參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)箱線圖

從以上分析可見，環(huán)境參數(shù)的箱線值特征有明顯差異，有的過程中，僅有個別環(huán)境參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)異常偏高，而有些極端強降水過程中，則有多個環(huán)境參數(shù)均表現(xiàn)異常?？傮w來說，整層大氣可降水量、850hPa 水汽通量、200hPa 散度和700hPa 垂直速度，均具有顯著的極端性，一般偏離2 倍標(biāo)準(zhǔn)差，對廣西臺風(fēng)極端強降水預(yù)報具有一定的指示意義；而大氣穩(wěn)定度因子如K 指數(shù)、850hPa 與500hPa 假相當(dāng)位溫差偏離氣候態(tài)較小。

3 結(jié)論

（1）采用1981—2010 年廣西各氣象站點日降水量序列的99%分位定義了極端降水閾值，不同地區(qū)極端降水閾值差異很大，基本上呈現(xiàn)出南部沿海地區(qū)向內(nèi)陸減小的趨勢，極端降水閾值最大值出現(xiàn)在東興市達116.3mm，最小值出現(xiàn)在隆林為46.1mm，最大值為最小值的2.5 倍多。

（2）1981—2020 年平均每年出現(xiàn)極端強降水的臺風(fēng)個數(shù)為2.975 個，最多6 個；出現(xiàn)臺風(fēng)極端強降水日數(shù)為7.8d，最多26d。無論是出現(xiàn)極端強降水的臺風(fēng)個數(shù)還是臺風(fēng)極端強降水的出現(xiàn)日數(shù)，變化趨勢均不明顯，但從空間分布來看，廣西中部和南部地區(qū)臺風(fēng)極端強降水多有增加，桂北大部地區(qū)為減少。

（3）整層大氣可降水量、850hPa 水汽通量、200hPa 散度和700hPa 垂直速度均具有顯著的極端性，一般偏離2 倍標(biāo)準(zhǔn)差，對廣西臺風(fēng)極端強降水預(yù)報具有一定的指示意義；而大氣穩(wěn)定度因子如K指數(shù)、850hPa 與500hPa 假相當(dāng)位溫差偏離氣候態(tài)較小。