福建省台风降雨的小时尺度响应特征

刘青灵, 简文彬

(1. 福州大学紫金矿业学院，福建 福州 350108； 2. 福州大学环境与资源学院，福建 福州 350108； 3. 国土资源部丘陵山地地质灾害防治重点实验室(福建省地质灾害重点实验室)，福建 福州 350108)

0 引言

福建省地处中国东南沿海，是中国遭受台风灾害影响最严重的地区之一，受台风影响，该地区是台风暴雨型滑坡的易发区和重点防治区[1]. 研究表明，台风暴雨型滑坡与台风的路径和台风降雨过程密切相关[2-4]，降雨过程是该类型滑坡灾变机理研究和滑坡预警的工作基础，如何在更精确的时间尺度上研究台风降雨过程对福建沿海地区滑坡灾害的预警和防灾减灾工作具有重要意义.

在台风降雨过程的时空特征研究方面，任福民等[5]等通过分析中国台风极端降水，指出台风暴雨是我国东南沿海地区重要的极端强降水事件. 韩晖[6]基于台风路径数据，对近50 a(1951—2001)的台风暴雨研究认为，长期来看，台风的频次和强度虽然呈上升趋势，降雨的频次和强度存在一些周期，但这些规律在统计上是不显著的，即台风降雨过程具有很强的随机性. 蔡泽宏[7]基于台风路径数据研究了闽东南的台风暴雨特征，在小时时间尺度上指出，台风暴雨6 h降雨量占全天降雨的30%～80%. 林小红等[8]对1960—2005 年共46 a间影响福建的台风降水进行时空分析，采用成熟的热带气旋降水客观识别法从1958—2012年的台站降水中识别出我国大陆东南沿海(浙江、 福建、 上海)的台风降水数据，指出台风暴雨与台风特征，地形密切相关，在时间和空间上的分布是不均匀的，给出了较大影响东南沿海的一般台风登陆路径方向.

台风降雨过程是研究台风暴雨型滑坡灾变机理的基础，现有对台风降雨过程的研究主要停留在台风降雨具有“降雨中心降雨强度大、 历时短、 雨量集中”等定性的特征认识上[9-10]，当采用模型实验和数值模拟方法研究台风暴雨型滑坡的灾变机制时，由于对台风降雨的时程响应特征缺乏认识，降雨过程的实验和模拟与真实台风降雨过程相差甚远[11]. 此外，基于统计方法得出的降雨阈值滑坡预警曲线以及台风暴雨型滑坡具有“即雨即滑”特征的研究结论，主要以天为时间尺度进行台风暴雨型滑坡的研究后给出，并不具备台风暴雨型滑坡在更小时间尺度上进行临滑预警的理论基础.

本文基于近5 a登陆福建沿海的台风最佳路径，采集台风登陆地点台风登陆前后3 d(总计7 d)1 747个气象监测站的降雨时程数据，在小时时间尺度上，运用数理统计方法分别比较研究台风降雨雨型，累积降雨量时程响应特征，峰值降雨强度以及降雨的时间尺度特征.

1 研究材料和方法

本文根据近5 a直接登陆福建沿海的台风最佳路径，在小时时间尺度上，获得区域台风登陆前后3 d(总计7 d)的气象站降雨监测数据. 图1是近5 a登陆福建省沿海最佳台风路径图, 表1是近5 a直接登陆福建的沿海台风登陆参数情况. 图1和表1表明，泉州近邻区域台风直接登陆4次，厦门近邻区域2次，福州区域3次，共计9次.

图1 近5 a登陆福建省沿海最佳台风路径Fig.1 Best track data of typoon landed in Fujian Province in five years

分别提取台风登陆区域各气象站的时程降雨数据，对区域的降雨特征进行识别提取，获取不同台风登陆邻近区域降雨过程的雨型、 雨强、 持续时间、 累积降雨量时程特征，并进行比较研究. 根据文献[12]，小时时间尺度上的降雨等级分为6类. 1)小雨为0.1～1.5 mm； 2)中雨为1.6～6.9 mm； 3)大雨为7.0～14.9 mm； 4)暴雨为15.0～39.9 mm； 5)大暴雨为40.0～49.9 mm； 6)特大暴雨为>50 mm.

2 结果和讨论

2.1 台风降雨雨型特征

考虑台风降雨极端情况和台风登陆区域累积降雨量，分别提取台风登陆累积降雨总量前十位的气象监测站降雨信息，分析不同降雨等级对应的降雨量与降雨过程总累积降雨量的占比情况，见图2.

图2(a)是福州近邻区域3次(201709，201710，201808)台风降雨过程中，不同降雨等级对应的降雨量与降雨过程总累积降雨量的占比情况. 图2(a)表明，考虑极端降雨情况，福州近邻区域登陆的台风其主要降雨量源自于暴雨等级雨强的降雨，降雨的雨型集中于暴雨等级. 201709、 201710号台风，暴雨等级雨强(>15 mm·h-1)的降雨量占比最大，为0.38； 特大暴雨等级雨强(>50 mm·h-1)的降雨量占比0.24. 201808号台风特大暴雨等级雨强(>50 mm·h-1)降雨量占比最大，为0.31； 大暴雨等级雨强(40～50 mm·h-1)降雨量占比0.29.

图2(b)是厦门近邻区域1次(201614)台风降雨过程中，不同降雨等级对应的降雨量与降雨过程总累积降雨量的占比情况. 201614号台风带来暴雨等级雨强(>15 mm·h-1)的降雨量占比最大，达到0.44； 特大暴雨等级雨强(>50 mm·h-1)的降雨量占比0.24. 厦门与福州同为沿海区域，极端台风降雨的主要降雨量源自于暴雨等级雨强的降雨，降雨的雨型集中于暴雨、 大暴雨、 特大暴雨等级.

图2(c)是泉州近邻区域4次(201513，201521，201601，201617)台风降雨过程中，不同降雨等级对应的降雨量与降雨过程总累积降雨量的占比情况. 图2(c)表明，该区域台风极端降雨与福州、 厦门近邻区域不同，大暴雨和特大暴雨等级的降雨较少，其主要降雨量源自于中雨和大雨(<15 mm·h-1)、 暴雨(15～40 mm·h-1)等级雨强的降雨，降雨的雨型集中于强降雨等级.

图2 各次台风降雨的雨型特征Fig.2 Characteristics of rainfall distribution triggered by typoon

2.2 累积降雨量时程特征

考虑台风降雨极端情况，分别提取台风登陆累积降雨总量第一的气象监测站降雨信息，分析福州、 厦门、 泉州近邻区域的降雨时程特征. 同时，选取安溪县西坪镇滑坡远程监测点2020/3/1～2020/4/1的降雨信息作为对比.

图3(a)是201709纳沙和201710海棠台风登陆福州近邻区域时，累积降雨量第1的气象监测站的累积降雨和降雨强度的时间序列曲线. 图3(a)表明，福州近邻区域台风登陆时，台风降雨过程呈现多峰形态，5个峰值特征点的降雨强度达到暴雨(>15 mm·h-1)等级. 台风降雨的时程形态影响滑坡的演化规律[13]，目前相关学者主要基于单峰降雨，两峰降雨工况对滑坡过程进行了研究，得出了滑坡的演化机理.

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图3(b)是201614号莫兰蒂台风登陆厦门区域时的降雨时程特征，台风降雨过程累积降雨达到445.0 mm. 台风登陆导致的台风降雨过程同样呈现多峰形态，3个峰值特征点的降雨强度达到大暴雨降雨强度等级.

图3(c)是201617号鲇鱼台风登陆泉州近邻区域时的降雨时程特征，累积台风降雨量为357.0 mm，台风降雨过程呈现双峰形态，2个峰值特征点的降雨强度达到大暴雨降雨强度等级.

图3(d)是安溪县西坪镇滑坡远程监测点的降雨时程特征，图3(d)表明，台风降雨与春雨的降雨过程、 雨型特征显著不同，春雨降雨经过1个月不断连续的降雨，累积降雨量为64.4 mm，且降雨强度等级均处于小雨(0.1～1.5 mm·h-1)、 中雨(1.6～6.9 mm·h-1)之间的等级.

图3 典型台风降雨的时程响应特征Fig.3 Characters of accumulative rainfall triggered by typoon

图4(a)是福建省近5 a 8次登陆台风区域的最大累积降雨量，累积降雨量最大值为福州近邻区域登陆的台风降雨，为541.0 mm，原因在于这是纳沙和海棠两次台风登陆带来的叠加降雨天气，登陆地点一致，且登陆时间仅相差21 h. 图4(a)表明，福建沿海地区台风登陆导致的降雨过程，其累积降雨量至少200 mm.

图4(b)是台风登陆当日的降雨量与总累积降雨量的占比情况，8次台风登陆当天的降雨量占台风全降雨过程累积降雨量的60%～98%； 201808玛莉亚台风带来的台风降雨当日降雨占比98%，即该次台风降雨基本在当天完成. 图4(b)表明，台风降雨过程总累积降雨量主要集中在台风登陆当日. 以201614莫兰蒂台风为例，由于台风降雨具有多峰形态，台风登陆第2、 3、 4天仍然存在大暴雨雨强等级的降雨，但第2、 3、 4天的降雨雨型较登陆当天的雨型更加集中，降雨量较登陆当天降雨量少，占总降雨量的2%～40%.

图4 各次登陆台风的最大累积降雨量与占比情况Fig.4 Maximum accumulative rainfall and its ratio details

2.3 峰值降雨强度

图5(a)是各台风登陆近邻区域的最大降雨强度峰值，201614莫兰蒂台风登陆时带来的台风降雨强度峰值最大，为101.5 mm·h-1. 图5(a)表明，相较于泉州近邻区域登陆的台风降雨强度，福州和厦门近邻区域登陆的台风降雨强度更大，将达到约2倍于特大暴雨雨强，具有极强的破坏能力.

图5 各次台风降雨峰值强度与占比情况Fig.5 Rainfall peak intensity of typoon and its ratio details

2.4 降雨时间尺度特征

图6为福建省各次台风降雨的时间尺度特征，图6(a)是近5 a各次台风登陆福建沿海区域的总持续降雨时间(降雨量>0.1 mm·h-1). 201808玛莉亚登陆福州近邻区域的台风降雨总历时最短，为21.7 h. 由于两次台风叠加，201709纳沙和201710海棠带来的台风降雨历时最长，达到47.5 h. 图6(a)表明，夏季台风登陆福建沿海区域带来的极端降雨天气，其降雨过程总历时较短，在24～48 h之间.

图6 福建省各次台风降雨的时间尺度特征Fig.6 Time scale characteristics of typhoon in Fujian Province

图6(b)是各次台风降雨强度达到暴雨等级的持续降雨时间(>15 mm·h-1). 201513苏迪罗登陆泉州近邻区域的台风降雨过程中，降雨强度达到暴雨等级的降雨历时最短，为2.9 h. 同样由于两次台风叠加，201709纳沙和201710海棠带来的暴雨等级台风降雨历时最长，达到9.7 h. 图6(b)表明，福建沿海地区登陆台风带来的极端降雨天气，暴雨等级降雨强度历时虽然仅占降雨全过程总历时15%～30%，但贡献了60%～80%的降雨量，印证了登陆台风降雨具有降雨强度大，历时短，降雨集中的特征.

图6(c)是各次台风降雨最大峰值降雨强度时刻与台风登陆时刻的时间差，时间正值表示台风降雨最大峰值降雨强度时刻滞后于台风登陆时刻，反之为超前于台风登陆时刻. 福州近邻区域登陆的纳沙和海棠的叠加台风，台风降雨最大峰值强度出现在第二个台风登陆时刻之后8 h. 图6(c)台风登陆带来的区域性极端降雨强度的发生时刻会滞后或超前台风登陆时间，两者的时间差为-4～2 h之间，即台风降雨的峰值强度时刻约匹配于台风登陆时刻. 结合各次登陆台风降雨时程特征，福建沿海区域由于台风登陆引发的台风降雨天气，如果峰值雨强时刻滞后于台风登陆时刻，台风登陆之前的降雨量是极少的，平均占比在2.03%～12.88%之间； 当峰值降雨强度对应时刻超前于台风登陆时刻，台风登陆之前的降雨量占比大，平均占比57.60%～78.64%. 多峰形态的持续极端的台风峰值强度是造成滑坡等地质灾害发生的关键因素，因此依据24，48 h台风登陆警戒线进行提前预警可作为丘陵山地滑坡防灾减灾的有效策略.

3 结语

台风降雨具有独特的响应特征，福州、 厦门近邻区域登陆的台风降雨雨型特征主要集中于暴雨、 大暴雨、 特大暴雨等级，而泉州近邻区域登陆的台风降雨雨型在大暴雨和特大暴雨等级的降雨分布较少. 福建省沿海城市台风降雨过程总累积降雨量在200 mm以上，台风降雨过程呈现多峰形态. 降雨强度大是台风降雨过程的一个重要特征，台风降雨全过程累积降雨量很大部分来源于暴雨等级(>15 mm·h-1)的降雨量. 台风登陆带来的区域性极端降雨强度的发生时刻会滞后或超前台风登陆时间，两者的时间差为-4～2 h之间，其降雨全过程总历时较短，在24～48 h之间.

致谢: 感谢安溪县气象局对本文研究工作的大力支持，同时感谢审稿人和编辑有益的建议.