福建沿海热带气旋的时空分布特征及其影响分析

陈橙，杜飞，李梓萱，闫慧，肖鸿，李焱

(福州大学土木工程学院，福建 福州 350108)

0 引言

热带气旋属于低压天气系统，是常发生在热带、亚热带地区海面上的气旋性环流，属于地球物理环境中最具破坏性的天气系统之一[1].风暴潮、台风浪等是我国海域发生频率最高的海洋灾害[2]，而热带气旋是引起海洋灾害最主要的因素之一[3].据统计，全球每年平均发生80～100个热带气旋，造成大量的人员伤亡和经济损失[4].

福建省是受热带气旋影响较为严重的地区之一，极端天气的影响下，福建省海域水位暴涨，各汊道波浪传播方向紊乱，还会引起严重的洪涝和风暴潮等灾害[5].热带气旋登陆的地点和时间难以预测，移动路径变化较大，不同路径下福建省各汊道的波浪入射方向和有效波高分布也有所不同.近年来，登陆我国的热带气旋个数呈现上升趋势，因此对近75 a来影响福建省海域的热带气旋进行分类统计，总结出福建省海域热带气旋的时空分布特性，对福建省防灾减灾工作具有重要的意义.

众多学者已对热带气旋的生成、移动路径、登陆过程及时空分布等方面进行了大量研究，但由于热带气旋活动的复杂性及不确定性，前人的研究成果也不尽相同[6-9].曹楚等[10]分析1949—2002年西北太平洋热带气旋资料，认为受到全球温度持续上升的影响，西北太平洋热带气旋频数明显减小；杨亚新等[11]利用西北太平洋2006—2015年的热带气旋资料，对其生成源地、移动路径、移动速度和登陆情况等进行全面分析；周群等[12]研究指出，2017年7月西北太平洋热带气旋的活动异常很可能源于同期异常强大的北极涛动的影响；杨吕玉慈等[13]研究发现，热带气旋的生成位置在冷暖事件中发生变化，强台风和超强台风在暖事件年生成位置偏东偏南，在冷事件年生成位置偏西偏北.本文统计分析福建省沿海地区的热带气旋的活动规律、时空分布特征及灾害损失情况，以期提高福建省热带气旋灾害防御能力和减灾水平.

1 热带气旋时间变化规律

1.1 热带气旋年际变化规律

1.1.1 频数变化

对于登陆频数，在统计年限(1945—2019年)内，热带气旋在福建省共登陆129次，年均登陆频数为1.72次.其中，1990年与2010年的登陆频数最大，达到5次，占总数3.88%；有12个年份的登陆频数达到最小值0次，占总数的16.00%；登陆频数大于3的年份有6个，占总数的8.00%；小于3的年份有53个，占总数70.67%.

采用移动平均法对登陆频数的年际变化进行分析，为尽量消除热带气旋活动的周期变动及随机波动的影响，移动平均年限选为3 a.图1为登陆型热带气旋年际频数分布图.由图1可知，登陆频数在年均值附近剧烈波动.变化趋势大致可划分为3个增长阶段与3个减小阶段：1945—1960年、1988—1992年、2004—2007年登陆频数整体呈增长趋势；1961—1987年、1993—2003年、2008—2019年登陆频数整体呈下降趋势.由此总结出近75 a来福建省热带气旋登陆频数年际变化整体呈现“增-减-增-减-增-减”趋势，波动未有明显周期变化规律.从中可预测未来几年福建省热带气旋登陆频数减小，且登陆频数将小于年均登陆值.

图1 登陆型热带气旋频数分布图Fig.1 Frequency distribution of landfall tropical cyclones

对于影响频数，在统计年限(2004—2019年)内，福建省共发生36次影响型热带气旋，年均登陆频数2.25次.其中，2004年影响型频数达到最大值6次，占总数16.67%；在2010年达到最小值0次；影响型频数大于3次的年份有3个，占总年数的18.75%；小于3次的年份有11个，占总年数的68.75%.

图2为影响型热带气旋频数年际分布图.由图2可知，影响频数整体上略有下降，预测福建省未来几年影响频数将保持下降趋势，且小于年均值.本文仅对近16 a的影响型热带气旋资料进行特征分析，资料的时间长度较小且数据较新，与时间尺度大的观测资料相比，由于近代观测技术更先进，短时间尺度小的数据资料存在精确度较高的优点，但数据量较少，影响频数的年际变化趋势不够明显，在日后的研究中可适当提高观测数据的时间尺度.

图2 影响型热带气旋频数年际分布图Fig.2 Interannual distribution of the frequency of influential tropical cyclones

1.1.2 强度变化

图3为登陆型热带气旋强度年际变化图.有热带气旋登陆的年份，1949年热带气旋的平均风速最小,为9 m·s-1；1985年平均风速最大，为45 m·s-1.图中实际值与预测值在年均值附近剧烈波动，两曲线的波动趋势相近，大体上分为3个上升期与3个下降期：1951—1963年、1993—2007年、2012—2018年热带气旋强度整体上升；1945—1950年、1964—1992年、2008—2011年热带气旋强度整体下降.由此得知1945—2019年热带气旋强度整体变化趋势呈现“减-增-减-增-减-增”变化，与登陆频数变化规律恰好相反，无明显周期波动规律.整体上可判断近75 a来福建省热带气旋强度呈上升趋势，预测未来几年热带气旋强度整体上持续增大.

图3 登陆型热带气旋强度年际变化图Fig.3 Interannual variation of landfall tropical cyclone intensity

1.2 热带气旋月际变化规律

1.2.1 频数变化

图4为福建省登陆型热带气旋频数的月际分布图(图中略去登陆频数为0的月份).由图4可知，福建省热带气旋集中发生在5月至10月期间.其中，7、8、9月热带气旋活动最为频繁，登陆频数总计112次，占总数的86.82%，年平均1.49次；在8月份频数达到最大值44次，占总数的34.11%，年平均0.59次.值得一提的是，热带气旋在5、6、10月活动较平静，仅占总数的13.19%.其中5月频数最小，仅发生3次，占总数的2.33%.

图4 登陆型频数月际分布图Fig.4 Month distribution of landing frequency

图5反映了福建省影响型热带气旋频数的月际分布情况(图中略去影响频数为0的月份).由图5可知，影响型热带气旋在6—10月及12月期间活动，且集中活跃于7—9月，在这三个月内影响频数总和达28次，占总数77.78%，年平均1.75次.影响频数在9月达到最大值13次，占总数36.11%；在12月达到最小值1次，占总数的2.78%.

图5 影响型频数月际变化图Fig.5 Monthly variation of influencing frequency

1.2.2 强度变化

图6反映了各个强度等级的热带气旋登陆频数的月际变化.由图6可知，热带气旋集中分布在5—10月.其中热带低压、热带风暴与台风的月际变化趋势大致相似，呈现“A字型”，且三者登陆频数都在8月份达到峰值.热带气旋强度为台风的峰值最大，在8月份达到19次，占总数14.73%；热带风暴次之，峰值为12次，占总数9.30%；热带低压峰值最小，仅有5次，占总数3.88%.强热带风暴月际分布趋势则有所不同，月际分布呈现“双A型”，第一个峰值的频数为12次，出现在7月，占总数9.30%，随后登陆频数在8月份有所下降(登陆频数为8次，占总数6.20%)，又在9月份出现第二个峰值，频数为11次，占总数8.53%，两个峰值的频数相差不大.

图6 登陆频数月际变化图Fig.6 Monthly variation of landing frequency

1.2.3 初台与终台

初台时间指每年第一个台风的登陆时间；终台时间指每年最后一个台风的登陆时间.

对于登陆型热带气旋，在统计年限内，最早初台时间为5月9日20时(200601号台风)；最迟初台时间为9月30号14时(194924号台风)；最早终台时间为7月4号20时(201808号台风)；最迟终台时间为10月23日13时(201013号台风).每年的初台时间一般出现在5—9月，终台时间出现在7—10月.

对于影响型热带气旋，在统计年限内，最早初台时间为5月9日20时(200601号台风)；最迟初台时间为9月18日2时(201416号台风)；最早终台时间为7月4日20时(201808号台风)；最迟终台时间为12月1日8时(201808号台风).每年的初台时间一般出现在5—9月，终台时间出现在7—12月.

2 热带气旋空间变化规律

2.1 登陆地

图7为登陆型热带气旋登陆地频数分布图.福建省热带气旋的登陆地按照地理位置由北至南分别为宁德市、福州市、莆田市、泉州市、厦门市、漳州市.由图7可知，福建省热带气旋在登陆地上的分布呈现“三峰型”，分别在福州市、泉州市、漳州市达到峰值.其中福州市为福建省热带气旋最频繁的登陆地，在统计年间共登陆39次，占总数30.23%，年均0.52次.其中强度等级为台风的热带气旋在福州市的登陆次数最多，75 a以来共登陆19次，占福州登陆总数的48.72%，年均登陆0.25次；热带低压在福州市登陆次数最少，仅有2次，占福州市登陆总数的5.13%，年均0.03次.热带气旋在泉州市登陆32次，占总数24.81%，年均登陆0.43次；在漳州市登陆20次，占总数15.50%，年均0.27次.由统计资料可知，热带气旋强度越大，登陆次数越多.其中台风登陆次数最多，共登陆55次，占总数42.64%，年均0.73次；热带低压登陆次数最少，登陆13次，占总数10.08%，年均0.17次.由于厦门市地处福建省东南沿海，受到大小金门和大担岛这两大天然“屏障”的保护，故热带气旋正面登陆的频数最少，在75 a间仅仅登陆3次，占总数2.33%，年均0.04次.

图7 登陆型热带气旋登陆地频数分布图Fig.7 Frequency distribution of landfall tropical cyclones

图8为登陆型热带气旋在各登陆地登陆时的强度.将各登陆地的热带气旋登陆时的风速按照由小到大排列，分别将各登陆地的登陆气旋风速的上四分位数、下四分位数、中位数绘于图上.矩形盒内的叉点表示各登陆地登陆时风速的平均值；矩形盒外上下两条边缘线则分别代表登陆时风速的极大值和极小值.由图可知，厦门矩形箱的高度最大、中位数位置最高，且上下边缘线与矩形上下边界相重合.这是由于在统计年限中，在厦门登陆的台风次数太少(仅有3次)，矩形箱受单次数据的影响较大，从而数据波动剧烈，故不将该地区的登陆强度与其他地区的数据进行对比分析.福州与宁德的矩形箱关于中位数对称，表明这两个地区的数据呈现标准正态分布.福州的矩形箱最窄，表明该地区热带气旋强度波动最稳定.相反，泉州、莆田、漳州的中位数偏离矩形箱中心线，表明这些地区数据呈现偏态分布.莆田、漳州地区中位数偏离矩形箱中心线较远，则代表在这两个地区登陆的热带气旋强度分布呈现较强的偏态性.泉州、莆田、漳州的热带气旋风速范围较接近，且上四分位数相等，但泉州矩形箱的中位数位置较高，表明该地区强度较大的热带气旋登陆较多；而漳州矩形箱较窄，表明在该地区登陆的热带气旋强度波动较稳定.除厦门外，宁德的中位数最大，且其矩形箱在纵轴上的分布偏上，上边缘线最高，故可推断在宁德登陆的热带气旋整体强度最大.

图8 登陆型热带气旋强度箱型图Fig.8 Box diagram of landfall tropical cyclone intensity

2.2 生成源地

福建省热带气旋大部分生成于西北太平洋，于南海生成的较少.登陆型热带气旋在西北太平洋海域生成次数达114次，占总数的88.37%，年平均1.52次；在南海生成频数为15次，仅占总数的11.63%，年平均0.20次.对影响型热带气旋，在西北太平洋海域生成33次，占总数的91.67%，年平均2.06次；在南海生成3次，占总数的8.33%，年平均0.19次.

2.3 移动方向

福建省登陆型热带气旋路径主要有东北路径、北上路径、西北路径、西上路径与西南路径5种.其中热带气旋向西北方向移动的频数最多，有82次，占总数63.57%；路径方向为西行方向的次数有22次，占总数17.05%；北上、东北以及西南方向分别有10、9与6次，分别占总数7.75%、6.98%和4.65%.由此可得，大部分热带气旋在福建省沿海地区登陆后移动至内陆地区，只有极少数热带气旋从外海登陆至福建省内陆地区后再重返海域.

2.4 强度变化

本文采用0.1°×0.1°经纬度网格对福建省登陆型热带气旋移动过程的强度变化进行统计分析.空间移动范围为22.8°N ～28.5°N，116.0°E ～123.1°E.图9为登陆型热带气旋强度彩色气泡图.根据彩色气泡在图中的分布规律，可大致将气泡图划分为左上三角区域与右下三角区域.明显地，在图的左上三角区，气泡小且分布较为分散，以红色与黄色气泡居多；在图右下三角区域分布的气泡主要以蓝色与黑色居多，气泡大而密集；而两三角区域相融合的三角斜边在地理位置上贴合福建省海岸线.图9中登陆型热带气旋强度彩色气泡的分布情况如表1所示.在左上三角区域，风力等级在10级以下的热带气旋占85.53%;在右下三角区域，风力等级达到10级以上的热带气旋占73.81%.即在内陆地区强度多为10级以下，在沿海地区强度多为10级以上.

图9 登陆型热带气旋强度彩色气泡图Fig.9 Colored bubbles in intensity of landfall tropical cyclone

表1 登陆型热带气旋强度彩色气泡分布情况Tab.1 Color bubble distribution of landfall type tropical cyclone intensity (%)

由于强度彩色气泡图只能反映热带气旋每个移动点的强度变化，却无法得知具体移动方向及移动路径，从上文对福建省热带气旋移动方向的特征分析可知热带气旋从陆地返回海域的情况属极少数.因而可得出结论：热带气旋从海域登陆福建省内陆的行进过程中，热带气旋在福建省海岸线以外区域活动频繁而剧烈，并以台风与强热带风暴为主；而到了海岸线以内的内陆地区，热带气旋活动稍平缓且强度通常较小.热带气旋从外海移动至内陆，由于陆地的摩阻效应，热带气旋强度明显减弱.

蒲福风力等级表记录了不同的风力级数表现出的不同陆地地面现象：当热带气旋风力达到8～9级时，人们开始行走受阻且陆地建筑物开始出现轻微的损坏现象，本文将此种情况热带气旋导致的灾情定义为一般；当风力等级达到10～11级时，大树可被连根拔起且陆地建筑物出现广泛的严重破坏现象，定义此种情况热带气旋导致的灾情为较重；当风力达到12级及以上时，热带气旋摧毁力极强，定义为严重灾情.图10为热带气旋受灾情况分布图.图中颜色由浅至深表示了热带气旋灾害等级，小于一般等级的热带气旋用最浅的颜色表示，认为此种情况热带气旋对福建省造成的损害较小，不对此关注.由图10可知，热带气旋从外海向福建省内陆地区移动过程中热带气旋强度逐渐减小，严重灾情在北部出现的频数较南部高.可以得出闽北地区及沿海城市在台风过境时所受灾害更为严峻，因此从防灾减灾的角度考虑建议福建省防汛减灾工作应当重点放在福建省沿海的北部地区，可以更有针对性地对福建省台风灾害进行布防布控.

图10 热带气旋受灾分布图Fig.10 Tropical cyclone disaster distribution map

3 结语

1) 1945—2019年福建省热带气旋登陆型频数年际分布大致呈现“增-减-增-减-增-减”变化.同时通过移动平均法可预测未来几年福建省热带气旋登陆频数将减小.然而，登陆型热带气旋强度年际分布呈现相反趋势，即强度变化趋势为“减-增-减-增-减-增”.预测未来几年福建省热带气旋强度将继续增大.

2) 福建省登陆型热带气旋在8月份登陆次数最多，其中尤以登陆强度为台风的热带气旋次数最多.由热带气旋登陆地空间变化规律可知，福州市为登陆次数最多的城市，75 a共登陆39次，且登陆强度呈现标准正态分布；宁德市登陆型热带气旋强度整体最大.

3) 从防灾角度出发，热带气旋的风力等级在内陆地区强度多为10级以下，占85.53%；在沿海地区强度多为10级以上，占73.81%.即热带气旋由海域向陆域移动过程中，强度逐渐减小；内陆热带气旋强度要小于沿海地区，且南部要小于北部.