近60年来登陆华南热带气旋降水的气候变化特征及其成因

罗小莉，姚才，肖志祥，张成扬

（1. 广西壮族自治区气候中心，广西南宁530022；2. 广西壮族自治区气象科学研究所，广西南宁530022）

1 引言

华南地区位于南海北部，是我国受热带气旋（Tropical Cyclone，TC）影响最多的地区，由TC 产生的降水也是该地区降水的重要组成部分[1]。台风对我国最大的影响表现在台风降水方面，中国最大的暴雨主要是由TC 造成的。2009 年8 月6—10 日0908 号台风“莫拉克”给中国台湾造成了特大暴雨，阿里山站3天的累积降水量高达3 004.5 mm，9日的日降水量为1 165.5 mm[2]。中国大陆的特大暴雨也有一部分是由台风造成的，例如7503号台风“尼娜” 给河南省造成了特大暴雨，过程总降水达1 631 mm，驻马店地区的泌阳县林庄最大日降雨量达1 062 mm。如此大的暴雨通常会引发江河泛滥、水库决堤、山洪和泥石流等重大灾难，造成惨重损失[3]。因此TC降水及其预测一直是气象研究的热点，也是防灾减灾关注的重点工作。

当前大多关于热带气旋降水（Tropical Cyclone Precipitation，TCP）的研究工作主要是针对中国区域开展的，分别从整个中国或分区域等不同的角度分析了TCP 的特征[4-8]。刘通易等[8]指出，1965—2010年我国TCP 呈现华东和东南沿海增多、华南减少的变化趋势。匡礼勇等[1]对增暖环境下华南区和华北区的TCP 进行了对比分析，发现：1957—2004 年华南区TCP 呈下降趋势，而且比全国下降趋势更为显著，华南TCP 极值呈准12 a 的周期振荡，华南区与华北区TCP 极值呈反位相。而登陆华南地区的TCP在华南3省的分布也各有特点，袁金南等[9]发现登陆广东TCP 存在明显的年际变化，主要有3 种空间振荡模态。吴胜安等[4]计算海南TCP 平均占年总降水量的30%，但呈3%/10a 的显著线性下降趋势；覃卫坚等[10]指出在TC影响下，广西沿海地区发生暴雨的可能性最大，北部山区最小，路径和中心滞留广西境内的时间影响发生暴雨的概率。

上述研究工作虽然给出了华南TCP 整体或局部的一些特征，但由于侧重角度、分析区域、资料来源、资料序列长度以及分析方法不尽相同，因此研究结果也有些差异。另外，还存在以下几个问题：（1）上述研究大部分是将华南作为中国的一个部分去研究，或者是从华南的各个部分去研究，将华南单独作为一个整体去研究的工作尚少；（2）在分析影响TCP 因子的研究工作中，大部分是选择月季尺度的环流因子进行分析，而TCP 主要与天气过程有关，TCP 对这些因子在季节尺度的响应可能不如日变化影响显著；（3）研究分析资料序列长度不一样，但是罗小莉等[11]的研究表明，近10 a 来登陆华南的台风的极端强度有增强的趋势，那么登陆华南TCP是否也随之发生了相应的变化？

因此华南区TCP 的一些规律还有待做系统深入的分析，主要有以下几个问题：第一，目前全国观测监测网密度日益加大，补充了新的地面降水资料，在更多台站更长的降水序列中，用台风降水客观分离得出的登陆华南TCP 的时空特征发生了怎样的变化？第二，登陆华南TCP 的长期变化趋势是怎样的？是否存在突变特征？主要受哪些因子的影响？本文采用Ren 等[6]提出的改进的客观天气图分 析 法（Objective Synoptic Analysis Technique，OSAT），用最新的TC 和台站逐日降水资料，并且将资料序列延长到2016 年，研究登陆华南TCP 的特征。分析时不包括从沿海经过但未登陆的TC 造成的降水，并在此基础上着重研究上述存在的两个问题。这些工作将对登陆华南TCP 的预测研究提供很好的参考依据。

2 资料与方法

2.1 资料

本文所用的TC 路径资料为中国气象局上海台风研究所以及中国气象局编制的西北太平洋TC 年鉴资料（1960—2016 年，网址：http://tcdata.typhoon.org.cn/zjljsjj_sm.html）。本文研究的华南地区TCP指的是西北太平洋（包括南海）生成的TC 登陆华南所造成的降水，由于热带低压登陆时同样能产生很强的降水，因此本文讨论TC时考虑中心最大风速大于10.8 m/s的TC，即强度为热带低压及其以上的TC。

降水资料来自中国气象局气象数据中心提供的1951—2016 年824 站逐日站点资料（网址：http://data. cma. cn / data / cdcdetail / dataCode / SURF_CLI_CHN_MUL_DAY_V3.0.html），日降水量为前一日20 时—当日20 时的累积降水。考虑台站资料形成初期连续建站等原因，1951—1959 年华南区域台站数目呈现激增趋势，因此本研究开始的年份选取为1960 年；同时考虑站点数目的稳定性和某些台站观测资料的缺测情况，挑选出华南地区包括海南、广东和广西3 省的67 个台站（见图1）的逐日降水资料，其中广东35个、广西24个、海南8个。

图1 华南67个观测降水台站分布图

大气环流分析使用美国国家环境预报中心以及美国国家大气研究中心（National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research，NCEP/NCAR）的逐日再分析资料，包括风场、比湿场、高度场和表面气压场等资料，分辨率2.5°× 2.5°，美国国家海洋大气局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）的第五版扩展再分析海表温度资料（网址：https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.noaa.ersst.v5.html），分辨率2°×2°。

2.2 方法

本文使用的方法有：线性趋势、滑动平均、显著性检验、经验正交函数（Empirical Orthogonal Function，EOF）分解和OSAT[6，12]。OSAT方法主要分为两个步骤，分别是自然雨带的分离和TC 雨带的识别。其中TC 雨带的识别主要是根据各雨带的雨量加权中心与TC中心距离的关系筛选出可能的TC雨带。该方法一个明显的优点就是TC 登陆时，TC雨带与TC 中心距离的控制阈值会随TC 强度等级变化而变化，分离出来的TCP 数据可靠。本文研究的登陆华南TCP 指的是一年中所有由于登陆华南TC引起辖区内观测站的日降水的总和。

文中对引导气流、高度场、水汽通量场、水汽通量散度场的合成分析均是取台风降水日的平均。由于海温的日变化较小，对于海温场的合成分析取台风出现频数较多的5—10 月的平均值。另外，本研究的引导气流选取850～300 hPa共6个标准层风速的加权平均[13]，水汽通量和水汽通量散度是采用NCEP/NCAR 的日平均风场、比湿场和表面气压场计算整层积分，积分层次选择由地面积分至500 hPa高度层，参与积分的标准层共6个。

3 登陆华南TCP的空间分布特征

图2a 为多年平均的华南TCP 年降水分布图。从图中可以看出，华南区TCP 存在显著的地域差异，TCP 梯度呈东南-西北走向。具体表现在：沿海最大，往西往北递减，最大降水量出现在南部沿海和海南岛，均超过300 mm/a，其中珠江口附近和粤东局地超过450 mm/a，纬度较高的一些地区，TCP也大部在200 mm/a以上，只有广西北部部分地区降水在150 mm/a以下。

为了衡量TCP 在全年总降水中的重要程度，图2b 给出了登陆华南TCP 占全年总降水的百分比。从图中可以看出，华南大部TCP 占总降水的比重在10% 以上，其中广东沿海和海南大部TCP 占总降水的比重在20% 以上，大值中心主要位于粤东沿海、珠江口附近、湛江南部、海口和海南西部，海南西部沿海超过30%。

台风带来的灾害主要有大风、暴雨和风暴潮，其中台风暴雨灾害是上述3种灾害中发生最为频繁的灾害[14]。图3给出了1960—2016年华南地区年平均TCP 暴雨量和暴雨日数的分布。从图3a 可以看出，华南大部每年因TC 引起的暴雨量与TCP 具有类似的分布特征，从东南向西北内陆递减，最大暴雨出现在华南沿海，沿海有25个台站年均暴雨超过了200 mm/a（占37%），最多的高达362.1 mm/a，100～200 mm 的有18 个站（占27%）。从图3b 可以看出，广东、广西沿海和海南省年平均由TC 造成的暴雨日数超过2 d，并且年平均暴雨日数从沿海往内陆递减，其中广东沿海有4 站年均暴雨日数超过3 d，而广西内陆大部、广东西北部不到1 d。

为了分析整个华南区TCP 空间变化情况，本文对1960—2016 年华南67 个台站的TCP 距平场进行EOF 展开。表1 给出了前3 个模态特征向量的方差贡献和累积方差贡献的百分比，第一特征向量的方差贡献占总方差的48.76%，远远大于其它各个特征向量的方差贡献，它反应了登陆华南TCP 最主要的信息。前3 个模态特征向量的累积方差贡献达70.6%，因此它们所对应的各个降水的空间振荡基本上能反应华南TCP距平场最主要的空间振荡型态。

图2 1960—2016年登陆华南TCP的空间分布特征

图3 1960—2016年华南67站暴雨情况统计

图4 1960—2016年华南地区67个台站的TCP距平场EOF分析（图a、b、c的等值线扩大100倍，单位：mm；图d的等值线缩小100倍）

表1 华南TCP距平场EOF分析前3个特征向量的方差贡献（单位：%）

图4 给出了EOF 展开TCP 距平场的前3 个模态的特征向量和它们的时间系数变化。从图4a 可以看出，第一模态特征向量在整个华南区域均是正值区，最大正值区位于珠江口到阳江一带，这说明整个华南地区TCP 距平场的空间振荡型态是同相变化的，华南TCP 变化比较一致。这是由于通常TC的降水区域比较大，而登陆华南的TC 大部分会同时影响到广东、广西和海南省，因此登陆华南TCP最主要的表现为整体偏多或者整体偏少，其中以广东中部沿海变化最为敏感。第二模态特征向量以台山-梧州-柳城一线为界，以东以北为正值区，以西以南为负值区。这说明广东中部、东北部和广西东北部与其它地区呈反位相的变化，变化敏感的区域为粤东沿海、广西沿海和海南岛。第三模态特征向量的负值区主要位于广西东南部、珠江口以西湛江以北的地区，其它地区为正值区。这表明华南TCP第三特征向量对应的空间振荡在广西东南部、珠江口以西湛江以北的地区与其它地区是反位相的。

3 个模态的时间系数变化趋势不显著，将时间系数序列进行5 a 滑动平均，去掉年际变化后，发现序列的下降趋势也不显著（图略）。

4 登陆影响TCP的长期变化趋势

图5 给出了1960—2016 年登陆华南地区67 个台站的年平均TCP 以及TC 暴雨的年变化，同时为了突出近60 a TCP 的年代际变化趋势，对TCP 进行了5 a滑动平均处理，并对处理后的降水序列作趋势分析。结果发现：1960—1995 年的TCP 年平均值（301.3 mm/站）远远高于1996—2016 年的平均值（247.7 mm/站），两者差值54.6 mm/站，而两者的TC暴雨量差别不大，平均每年在150 mm/站左右。经5 a滑动平均后TCP也呈现显著的下降趋势，这一趋势通过了信度为0.05 的显著性检验；而TC 暴雨则没有显著的下降趋势。这说明近几十年登陆华南TC 造成的极端降水并没有减少，这与Su 等[15]和Qiu等[16]指出的东南沿海TC 极端降水在近几十年呈明显增强趋势的结论相一致，其可能原因将在后面小节中继续讨论。

表2 为登陆华南TCP 的年代际变化特征，结果表明TCP 最多的5 a 是19 世纪60 年代初，TCP 最少的是19世纪90年代末；而TC暴雨最多的是19世纪90 年代初，最少的是19 世纪60 年代末。从TC 暴雨占TCP 的百分比可以看出，1995 年前后发生了一次突然变化，1995 年后TC 暴雨占TCP 的百分比均在56% 以上。由图5 可知，这主要由于1995 年以后TCP 下降明显，而TC 暴雨量变化不明显造成的。但是1995 年之后TC 暴雨量并没有明显减少，能否说明近几十年登陆华南TC 极端降水增加了?如果是极端降水增加了，那么是由登陆华南的TC 频数变化引起还是强度变化或者其它因素引起的?这些是我们后续研究值得关注的问题。

图5 1960—2016年华南地区TCP和TC暴雨年际变化趋势图

表2 登陆华南TCP的年代际变化特征表

5 华南TCP突变的影响因子分析

由第4 节分析可知，1960—1995 年与1996—2016 年两个时段的TCP 平均值发生了突变，本研究将1960—2016 年的数据资料分为两个时期：1960—1995 年与1996—2016 年。从登陆华南TC 的频数、西太平洋副热带高压（以下简称“副高”）、海表温度、引导气流以及水汽通量等方面分两个时段进行比较分析（差值场均是由1996—2016年间台风降水日的平均值减去1960—1995 年间台风降水日的平均值），分析两个时段登陆华南TCP 突变的可能原因。

5.1 登陆华南热带气旋频数的长期变化趋势

华南区TCP 的变化与影响该地区的热带气旋频数的变化密切相关[1]。王咏梅等[7]指出在时间变化上，过去几十年全国台风降水总量显著下降，主要原因是这段时间内影响中国的台风频数呈现明显减少趋势。本研究计算登陆华南TC 频数与华南地区TCP 的相关系数发现，相关系数高达0.657 8，通过了99.9% 的显著性检验。图6 给出了1960—2016 年登陆华南TC（包括热带低压）的频数变化情况。1960—2016 年登陆热带气旋共312 个，平均每年5.5个，年际变化显著，最多的一年有9个，最少的为2 个，均方差为2.1 个/a。为了突出其年代际变化趋势，对序列作5 a滑动平均，去掉其年际变化，发现登陆华南区TC 频数有减少的趋势，气候趋势通过了信度为0.01的显著性检验。

图6 1960—2016年登陆华南地区热带气旋频数变化趋势图

1960—1995 年平均每年登陆华南TC 有6.2 个，而1996—2016年平均每年登陆华南TC 为4.2个，两个时段的登陆华南的TC 数相差两个。这可能与1995 年之后中国南海和华南一带TC 活动频数明显减少有关，这与刘通易等[8]研究的1995 之后该区域TC活动频数之和明显减少的结论一致。

5.2 副高变化特征

图7 给出了1996—2016 年与1960—1995 年台风降水日平均的500 hPa 高度差值场。从图上可以看出，1995 年以前西太平洋副高西边界的平均位置位于128°E 附近，1995 年以后西太平洋副高明显西伸，其西边界位置伸到中国东南沿海约120°E附近，而且西太平洋副高的控制范围较1995 年以前明显扩大，脊线位置也略向南移。Zhou 等[17]认为副高西伸的一个可能原因是西太平洋和赤道印度洋的增暖以及与季风相关的非绝热加热作用。

为了进一步验证副高的这种变化，计算了两个时段5—10 月平均的海表温度差值场（见图8）。结果表明：1995年之后全球大部海表温度较1995年之前有明显的上升，升温最明显的区域在南印度洋、南太平洋和大西洋的西北部，太平洋中部和北部海温也有明显升高。分别计算赤道印度洋海温距平、NINO1+2、NINO3、NINO4、NINO3+4 区平均海温距平与华南67站降水的相关系数（图略），赤道印度洋海温距平、NINO1+2 区海温距平与华南67 站降水均呈显著的负相关，其中NINO1+2区海温距平与华南67 台站降水相关更密切，有41 个站通过信度为0.05 的显著性检验（占61.2%），而赤道印度洋海温距平有21个台站通过信度为0.05的显著性检验（占31.3%）。说明海温除了影响副高西伸之外，对华南台风降水也有一定的影响。

5.3 引导气流变化特征

图7 1996—2016年与1960—1995年台风降水日平均的500 hPa高度差值场（单位：位势米，实线和虚线分别为1960—1995年和1996—2016年台风降水日平均的5 870位势米线）

图8 1996—2016年与1960—1995年5—10月平均海表温度差值场（单位：℃）

图9 1996—2016年与1960—1995年5—10月台风降水日引导气流差值场（单位：m/s）

图10 1996—2016年与1960—1995年水汽输送变化特征

热带气旋运动由大尺度环境引导气流与气旋环流以及β效应的相互作用共同决定[18-20]。Wu等[21]指出，平均引导气流是热带气旋盛行路径转变的主要原因。图9 给出了1996—2016 年与1960—1995年台风降水日平均的引导气流差值场。从图中可以看出，中国东海-南海-华南一带出现了一个气旋性环流。说明1995 年之后较1995 年以前的东风气流减弱（图略），差值场上南海北部的西风气流不利于热带气旋在这一带西行登陆华南，而台湾岛以东的偏南气流有利于热带气旋向北转向，这与Wu等[21]和Wang等[22]的研究结果基本一致。

5.4 影响华南的水汽输送变化特征

刘通易等[8]指出30°N 以南的TCP 变化既与TC频数变化有关，又受到水汽输送的影响，因为海上输送到华南的暖湿气流和水汽的变化会影响登陆该地区TC的发展与维持，进而影响TCP。

从1996—2016 年与1960—1995 年台风降水日平均的水汽通量差值场来看（见图10a），中国受TC影响的大部地区均出现了自南向北的水汽通量。这说明1995 年之后原本自南向北输送的水汽通量较1995年之前变大（图略），其中华南地区中东部最为显著，而华南南部差值场上是自西向东的水汽通量，华南西部则是自东向西的水汽通量，说明台风降水与水汽通量的关系并无明显的对应关系；但是从1996—2016 年与1960—1995 年台风降水日平均的水汽通量散度差值场（见图10b）来看，华南的中东部地区水汽通量散度差值为正，有1个大值中心，位于广东的东北部，其中心值高达8×10-6kg/(m2·s)，而华南西部和南部的水汽通量散度为负，负值区的范围和强度不如华南中东部明显，总体上可以说明华南地区1995 年之后较1995 年之前水汽辐合较减弱，不利于降水的生成。

6 结论与讨论

（1）华南区TCP 存在显著的地域差异，沿海最大，往西往北递减，最大降水量出现在南部沿海和海南岛，均超过300 mm/a，纬度较高的一些地区，TCP 也大部在200 mm/a 以上。EOF 展开TCP 的距平场前3 个模态特征向量的累积方差贡献达70.6%，其中第一模态整个区域表现为一致的偏多或偏少。

（2）华南区TCP 和TC 频数年代际变化特征明显，1960—1995 年的TCP 年平均值（301.3 mm/站）远远高于1996—2016 年的平均值（247.7 mm/站），两者差值54.6 mm/站，平均登陆TC 频数两者相差1.4个。

（3）1995 年前后台风降水日平均的副高和引导气流均发生了明显的变化。1995 年之后，西太平洋副高脊线明显西伸，西边界从128°E 附近西伸到东南沿海约120°E附近，脊线位置略有南落，副高范围明显增强，这与全球海温变暖有密切关系。1995 年之后较1995年之前南海北部的偏东气流减弱，不利于热带气旋在这一带西行登陆华南。

（4）1995 年前后台风降水日平均的水汽输送均发生了明显的变化，但登陆华南台风降水与水汽通量的关系不显著，主要受水汽通量散度的影响较大；1995 年之后在华南中东部的水汽通量辐合明显减小，而华南西部和南部水汽辐合略有增加，总体的水汽通量辐合减小导致华南地区TCP减少。

上述分析表明，1995 年之后，全球海温异常增暖导致西太平洋副高偏强偏西，南海北部的偏东气流减弱，西行登陆华南TC 频数减少，同时水汽在华南一带的辐合明显减少，从而使得登陆华南TCP 较1995 之前明显减少。由于热带气旋活动的变化不仅包括路径的变化，其强度的变化以及维持时间尤其是陆上的维持时间等对TCP 的影响也是值得考虑的，而陆上持续时间又可能与地形、地表摩擦、垂直风切变等因子关系密切，这也是将来需要研究的重要方面。