热带气旋活动对我国大陆降水影响的统计分析

余锦华,卢 莹

(1.南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室,江苏南京 210044;2.南京信息工程大学大气科学学院,江苏南京 210044)

热带气旋是影响我国的主要灾害性天气系统.热带气旋降水是我国沿海地区降水的重要组成部分,占其强降水的比例有的年份可达50%以上.在酷暑的夏季,热带气旋降水也会给我国沿海及内陆一些省份带来凉爽的天气和水分,起到解除旱情的作用,在区域性气候和水资源分布变化中占有重要的地位.

有关热带气旋活动对我国大陆降水的影响已做了很多研究工作[1-5].钮学新等[1-2]分析了华东地区各类台风路径、降水的气候概况和影响降水的因素,提出冷空气入侵、地形作用、水汽条件及影响时间的长短等都能影响台风的降水量,并对0216号台风降水及其影响机制做了数值模拟研究;笔者[3]对华北地区的热带气旋降水进行了气候诊断分析.随着我国经济的发展和人口的增加,热带气旋降水引起的洪涝灾害将会带来更大的经济损失,特别是沿海省份,比如2006年04号强热带风暴“碧利斯”带来的强降雨,使我国浙江、福建、江西、湖南、广东、广西等地相继因强降雨发生严重洪涝灾害,一些房屋、农田、公路被毁,造成820多人死亡和失踪,直接经济损失达266亿元.从短期来看,热带气旋降水引起的洪涝灾害取决于热带气旋过程降水的多少,短期天气过程都是在一定的时空间背景下产生的.研究热带气旋降水特征随时间的演变规律,对于热带气旋活动引起的洪涝灾害的预防具有重要的应用价值和战略意义.气候变暖背景下,热带气旋强度变化是当今国际台风界研究和争论的焦点,Knutson等[6-7]的数值试验表明,热带气旋强度增强会使与热带气旋活动有关的降水量增加.本文利用上海台风研究所根据天气图识别的大陆热带气旋降水资料,对热带气旋降水特征的变化及成因作详细的分析,并分析我国大陆热带气旋降水与热带气旋活动之间的统计关系.

1 研究资料和研究方法

1950—1988年的热带气旋降水资料摘自上海台风研究所整编出版的《台风年鉴》,1989后的热带气旋降水资料从上海台风研究所内部交流获取.热带气旋强度(近中心最大风速)资料来自上海台风研究所整编出版的《台风年鉴》(1950—1988年)和《热带气旋年鉴》(1989—2004年)每间隔6h的热带气旋定位时次资料(该资料可从网站http://www.typhoon.gov.cn/下载),共有1467个站点,时间从1950—2004年,共计55a.本文热带气旋降水指的是热带气旋眼壁区域、螺旋云带、热带气旋倒槽以及热带气旋与其他系统(如中纬度系统)相互作用产生的降水.地形高度资料来自常用的美国中尺度天气预报模式WRF(weather research forecast)提供的地形数据,空间分辨率为1°×1°.在计算我国大陆区域平均降水时,利用地形高度资料,将海洋去除,以获得真实的大陆降水.

利用Barnes[8]改进的权重内插方案,将站点降水内插到1°×1°的网格点上.方案中权重因子基于大气变量二维分布可以表述为无数独立的波动函数之和来确定,通过多次迭代过程将站点降水内插到1°×1°的格点上,使反向内插与原站点值最接近,从而也使内插得到的格点降水代表环绕格点1°×1°区域内的平均降水.格点区域面积的计算公式为

式中:r——地球半径,km;φ——格点中心纬度.给定格点上的降水量为

式中:Pgrid——观测的站点降水量内插到格点上的降水量,mm;P′——环绕格点1°×1°区域内的降水量(即本文计算所用的格点降水量),km3.

将一次热带气旋过程引起的各格点降水量累加即为一次热带气旋过程产生的降水量(简称过程降水,单位同P′).一年内所有热带气旋过程产生的降水累加即为热带气旋降水年总量.所有有降水的格点区域面积Agrid的累加即为一次热带气旋过程覆盖的降水面积.年平均过程降水量是热带气旋降水年总量除以该年热带气旋过程降水频数,是反映热带气旋过程降水平均值的一个指标.一年中如果热带气旋过程降水频数多,并且平均过程降水量又大,则该年的降水总量就大,反之就小.年平均过程降水面积等于所有过程降水影响的面积之和除以过程降水频数.一次过程降水的平均降水深度(即通常所说的降水量,简称过程降水深度或强度)等于该次过程产生的降水量除以该次过程降水覆盖的面积,它反映了一次过程降水在降水覆盖区域面积上的平均降水强度.年平均过程降水深度等于热带气旋降水年总量除以所有过程降水覆盖的降水面积总和,也即年平均过程降水量除以年平均过程降水面积,是反映一年内平均热带气旋降水强度的一个指标.

文中的标准化序列都是针对1960—1989年进行的.

2 结果分析

2.1 我国大陆区域热带气旋降水的时间演变特征

我国大陆热带气旋降水年总量的55a平均为495.39km3,如果把它均匀地分配到全国土地面积上,约相当于52mm的降水量.实际热带气旋降水的空间分布很不均匀,主要集中在沿海地区,向内陆逐渐减少,西北内陆省份更难有机会得到它的惠顾[4].热带气旋降水年总量的时间变化显示(图1),从20世纪50年代至今并没有表现出一致的增加或减少的线性演变趋势,而是体现出显著的年际和年代际变化特点,这与大西洋飓风活动对美国大陆降水影响的变化特征相似[9].20世纪60年代前期、70年代中期至90年代初为热带气旋降水偏多时期,50年代、60年代后期到70年代初期以及90年代中以来为热带气旋降水偏少时期.年际变化特征更加突出,1985年为热带气旋降水最多年,达1107.45km3,是平均年总量的2.2倍,1986年、1987年依次减少为684.28km3和367.56km3,最少的1950年只有58.18km3,是平均年总量的12%.

图1 我国大陆热带气旋降水年总量的时间序列及其9a高斯平滑Fig.1 Time series of TC precipitation over Chinese Mainland and Gauss smoothed in 9 years

图2是热带气旋降水年总量经奇异谱分析(SSA)后的2个具有显著周期信号的重建标准化序列.由图2可见,热带气旋降水隐含较显著的5～6a周期振荡(图2(a)),占方差贡献的23.6%.这一振荡信号在20世纪50和60年代较弱,在80年代以后逐渐增强.另一较显著的周期信号为准4a振荡(图2(b)),占方差贡献的14.1%.该信号在20世纪70和80年代较强,90年代中期以后是最弱的.这些振荡信号是热带气旋降水年总量在20世纪70和80年代以及90年代前期年际变化强(图1)的主要原因.这2个显著的振荡信号与赤道太平洋ENSO区海温最显著的振荡信号特征相一致[10]并非偶然,因为已有研究表明西北太平洋热带气旋活动以及登陆我国热带气旋活动与ENSO都具有密切的联系[11-12].

热带气旋降水年总量多少与2个影响因素有关,一是产生降水的热带气旋活动过程频数,另一是热带气旋过程降水量.在1950—2004年的55a间,我国大陆共发生热带气旋降水过程765次,年平均13.9次,最多的22次,发生在1978年和1985年,最少为7次,发生在1969年和1997年.平均过程降水量是33.96km3,最大过程降水量是264.52km3,发生在1985年的8月19—31日,该过程前后降水时间持续13d.降水频数、年平均过程降水与降水年总量序列的相关系数分别为0.6703和0.6879(都超过0.001置信水平).

图2 热带气旋降水年总量经奇异谱分析后的重建标准化序列Fig.2 Reconstructed components of TCprecipitation series by SSA

图3是热带气旋降水年总量、降水频数和平均过程降水量的年际(图3(a))和年代际(图3(b))的标准化序列.由图3可见,影响热带气旋降水的2个因子的年代际变化与热带气旋降水年总量的变化很相似,降水频数和平均过程降水与热带气旋降水年总量的相关系数分别为0.8398和0.7348(超过0.001置信水平).20世纪50年代和90年代中期以来,热带气旋降水量偏少的主要原因是热带气旋降水频数和平均过程降水量都偏少(图3(b)),特别是90年代中期以来,年代际变化使热带气旋降水频数和平均过程降水量处于最小的时期,相应热带气旋降水量也处于最少的时期.20世纪60年代后期降水量偏少的主要原因是平均过程降水量偏少.降水量最大的1985年(图3(a))是热带气旋降水频数和平均过程降水的年际(图略)与年代际(图3(b))变化共同处于正位相的结果.

图3 热带气候降水年总量、降水频数和平均过程降水量的时间演变Fig.3 Series of TCP,TCP frequency and mean TCP

图4 热带气旋年平均过程降水面积及降水强度序列Fig.4 Mean TCP area series and mean TCP intensity series

一次热带气旋过程降水量的多少取决于2个因素,一是热带气旋过程降水面积,二是区域平均降水深度(降水强度).年平均过程降水量与年平均过程降水面积和降水深度序列的相关系数分别为0.7730和0.7637,是它们之间关系的体现.过程降水面积随时间具有线性下降趋势(图4(a)),而过程降水强度则具有线性上升趋势,特别是从20世纪50年代到70年代的上升趋势较强,70年代之后表现出很强的年际和年代际振荡(图4(b)).在年代际变化上,平均过程降水量与平均过程降水面积和降水深度的相关系数小于原序列,分别是0.3846(0.01置信水平)和0.5609(超过0.001置信水平).图5显示,不同年代过程降水量大小的原因是不同的,20世纪50年代过程降水量小主要是降水深度小,即热带气旋降水最弱之故;90年代中期以来,过程降水量偏小是过程降水面积偏小和过程降水偏弱2个因素共同作用所造成的.这些结果反映了我国热带气旋降水影响的面积在逐渐减小的同时,对其能够影响的区域,过程降水的强度却具有增强的趋势,且年际变化增大,表明热带气旋降水在有些年份越来越集中于我国沿海地区,容易造成沿海省份的洪涝灾害.

图5 热带气旋平均过程降水量、平均过程降水面积和平均过程降水强度的9a高斯平滑序列Fig.5 Gauss smoothed series during 9 years of mean TCP,mean TCP area and mean TCP intensity

年平均过程降水量反映了热带气旋产生降水多少的一个平均情况,在水文、气象过程中起重要作用的往往是一些大的降水过程.时间短、强度大的降水容易引起局部地区的洪涝灾害.由常规气象观测站观测的降水深度(强度)就是能说明这一水文、气象特征的一个降水指标.每一次降水过程,从所有有热带气旋降水的测站中,挑出测站观测得到的日最大降水量(深度),在一年所有过程降水得到的样本中再挑选最大值,即为测站的日最大降水量.一年里,从每次过程降水的平均降水深度样本中,挑选出最大值,称为最大过程降水深度.图6显示了它们的时间演变,可见,日最大降水量表现出2个明显的特点(图6(a)),一是随时间具有线性增大的趋势,二是年际振荡显著,特别是进入20世纪90年代以来,表现更为突出.如1999年为347mm,2000年增大为700mm.这一降水特征也应引起关注.过程降水深度(强度)更能反映一次热带气旋过程在其影响区域的一个整体的降水强度指标,由图6(b)可见,该指标整个序列有线性增强趋势,其最主要的特点还是年际和年代际变化,20世纪50年代、60年代和90年代前期是其年际变化偏弱时期,但是90年代中期以来,年际变化幅度有越来越大的趋势,如90代中期的1995年、1996年和1997年分别为89.11 mm,138.91mm和81.54mm,前后相差分别是49.80mm和57.37mm;2000年、2001年和2002年分别为62.01mm,184.54mm和59.95mm,前后相差分别是122.53mm和124.59mm,年际变化幅度增大的趋势可见一斑.

图6 测站日最大降水量和最大过程降水强度的时间演变Fig.6 Daily maximum precipitation series at stations and maximum precipitation intensity series

2.2 热带气旋降水与热带气旋活动的联系

2.2.1 热带气旋降水频数与热带气旋发生频数的关系

影响我国大陆的热带气旋降水频数变化与西北太平洋热带气旋的发生频数具有密切联系.热带风暴以上强度的热带气旋发生频数最高峰是在20世纪60年代和90年代前期,到了90年代后期,热带气旋活动又进入非活跃时期(图7).影响我国大陆的热带气旋降水频数与西北太平洋热带气旋发生频数具有显著的正相关性,相关系数为0.3346,达到了0.02的置信水平,其平滑后序列的相关系数是 0.477 8(0.001置信水平);特别是20世纪50年代和90年代中期以后,我国大陆热带气旋降水频数的减少与西北太平洋热带气旋发生频数的减少具有很好的对应关系(图7).

图7 西北太平洋热带风暴强度以上年发生频数和热带气旋年降水频数的高斯平滑序列Fig.7 Gauss smoothed series of frequencies of TC intensity larger than tropical storms and of annual TC precipitation over Northwestern Pacific Ocean

2.2.2 热带气旋降水特征与热带气旋强度的关系

降水是一个很复杂的过程,涉及不同系统、不同因子间的相互作用.热带气旋强度是影响热带气旋降水的一个重要因素.为了分析热带气旋降水与其对应热带气旋强度的关系,把热带气旋活动在我国大陆产生的降水分为两部分:一部分是登陆热带气旋形成的降水,另一部分是没有登陆,其外围在大陆上产生的降水.据统计,我国大陆热带气旋降水的主要贡献是登陆热带气旋降水,约占83.3%,下面重点分析登陆热带气旋引起的降水与登陆时热带气旋强度以及热带气旋生命史上极大强度间的联系.

在1950—2004年的765次降水过程中,登陆热带气旋有464次,年均8.44次,占60.7%,其平均过程降水量为48.88km3,多年平均降水量为412.38km3;登陆时强度在台风以上(最大风速大于12级或32.7m/s)的有300次,占登陆热带气旋总数的64.7%,比例最高,其平均过程降水量为54.62km3.热带风暴和强热带风暴有98次,占登陆热带气旋总数的21.6%,平均过程降水量为52.54km3;热带低压有66次,占登陆热带气旋总数的14.2%,平均过程降水量为26.00km3.可见,最小的热带低压产生的降水量是最少的,强度在台风以上的降水量最大,热带低压与热带风暴以上强度的降水量差异大,而热带风暴强度以上之间的差异小,反映了热带气旋降水与热带气旋强度之间的非线性关系.

以降水量为标准来统计两者之间的关系也表现出同样的特点.登陆热带气旋共有49次过程降水量超过100km3,对应的热带气旋风速极值(热带气旋生命史中最大强度)平均为45.41m/s,属于强台风类;过程降水量在21～99km3的有304次,相对应的热带气旋风速极值平均为38.77m/s,属于台风类别;过程降水量在20km3以下的有111次,平均对应的热带气旋风速极值为32.14m/s,属于强热带风暴类.可见,在我国大陆产生热带气旋降水的热带气旋风速极值平均在强热带风暴以上,强台风和超强台风是产生强降水的必要条件,反过来,强台风和超强台风不一定都会引起强的热带气旋降水.

3 结 论

a.我国大陆热带气旋降水年总量在1950—2004年的时间演变中,并没有一致的增加或减少的趋势,而是表现出显著的年际和年代际变化特征.20世纪60年代前期以及70年代中期到90年代初期为降水的偏多期;20世纪50年代、60年代后期到70年代初期以及90年代中期以来为热带气旋降水偏少时期.20世纪50年代和90年代中期以来,热带气旋降水量偏少的主要原因是热带气旋降水频数和平均过程降水量都偏少,60年代后期降水量偏少的主要原因是热带气旋降水频数少.其年际变化幅度大并具有明显的4～6a年准周期振荡信号.

b.热带气旋平均过程降水面积与降水强度具有相反的线性变化趋势,前者随时间而减少,后者随时间而增强,并且年际变化幅度自20世纪90年代后期以来具有逐渐增大的趋势.最大过程降水强度也表现出同样的特征.

c.影响我国大陆的热带气旋降水频数与西北太平洋热带气旋发生频数具有显著的正相关性.登陆热带气旋降水与登陆热带气旋生命史上的极大强度具有显著的正相关关系.

d.热带气旋活动对我国大陆降水的影响表现出自20世纪90年代中期以来,一方面降水年总量和平均过程降水面积减少,另一方面,对局地气象、水文过程有重要影响的降水指标,如热带气旋平均过程降水强度、最大过程降水强度等年际振荡增强.这一热带气旋降水特征给我们提出警示,在热带气旋活跃季节,要提高我国沿海地区的预防能力,增强抵御登陆热带气旋强降水引起的洪涝灾害的能力.

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