2 国家海洋环境预报中心, 北京100081
2 National Marine Environmental Forecasting Center, Beijing 100081
近年来,在热带气旋(TC)风雨影响及气候 变化趋势方面国内外学者开展了较多的研究工 作。如,Emanuel(2005)定义TC中心附近最大风速3次方的时间和空间积分为TC潜在破坏力指数(PDI),研究发现1949年至2003年北大西洋和西太平洋TC的PDI有明显增大。尽管Emanuel(2005)的结论还存在许多争论,但其研究表明TC过程中近中心最大风速和气候变化(特别是海洋表面温度的变化)密切相关。张庆红等(2010)结合Emanuel(2005)的定义方式,综合考虑中国大陆TC的大风和强降水灾害,定义了TC尺度的总破坏力指数TDI和水汽总量指数TVI。研究发现,TC造成的经济损失与TDI、TVI的相关系数分别达到0.59和0.751,考虑水汽特征比单纯考虑传统意义上的强度更能表征TC影响力,说明TC降水的 影响是TC产生破坏力的一个不可忽视的因子。韦青等(2010)利用GPCP(Global Precipitation Climatology Project)逐日卫星降水资料和上海台风研究所西北太平洋TC最佳路径资料,分析了近10年的西北太平洋TC降水分布,发现该区域多年平均TC降水为175 mm,TC降水占总降水的比例为12%。王咏梅等(2008)分析了中国TC的降水特征,发现TC降水自东南沿海至西北内陆逐渐减少,从时间上看,一般出现在4~& lt;/ span>12月,峰值出现在8月,但自1957~2004年期间,TC降水呈下降趋势。
从区域影响方面来看,乐群等(2000)通过对1884~1996年TC资料的分析,认为华南沿海登陆TC主要集中在6~11月,华东沿海主要集中在7~9月,且华南沿海登陆台风有明显的30、15、5年的变化周期,而华东有15、3~4年的变化周期,两者具有明显的区别。田辉等(1999)通过研究也得出相似的结论,同时他们指出副高脊线位置与华南沿海6~7月登陆TC数有显著的相关。钮学新等(2005)对1956~2000年间影响华东地区的TC降水进行了分类,指出华东登陆和华南登陆北上转向的TC会给华东带来强降水,近海北上的TC也会给局部地区造成大暴雨。贺海晏等(2003)分析了1949~2000年以来登陆广东TC的气候特征,指出TC 对广东省7~9月份的降水有重要贡献,同时1970年代中期是广东登陆TC数的气候跃变期。虽然前述的研究工作也侧重于区域分析,但是目前针对影响我国关键经济区域,如长江三角洲和珠江三角洲(简称长三角、珠三角)的TC降水分析,特别是针对这些区域的TC降水极端性的气候分析工作并不多见。
由于华南及华东沿海地区城市群的不断发 展,珠三角和长三角地区成为中国的主要经济 区,而东南沿海也是我国最易遭受TC影响的区 域,该地区每年因TC造成的经济损失极为严 重。不仅如此,随着全球变暖,极端天气气候事件有增多的趋势,TC造成降水如何变化也是非常需要进一步深入研究的问题。本文利用1949~2010年以来共60年间影响中国及长三角、珠三角地区TC降水资料,分析我国关键经济区TC降水的变化趋势及其极端性变化的规律。 2 资料及方法
本文研究所用的降水资料来自中国气象局最佳路径数据集(1951~2010年),包括TC位置、强度、中心最大风速、风雨记录等,其中包括每一次TC影响我国过程中各测站的站名、影响时间、过程降水量、日最大值、降雨日数、暴雨日数、一小时降水最大值。
中国气象局《热带气旋年鉴》设定的影响标 准有三个,分别是:过程雨量≥50 mm;或平均风速≥7级或阵风≥8级;或过程雨量≥30 mm且 平均风速≥6级或阵风≥7级。确定一个TC是否 影响全国或某一特定的区域,是根据这些区域内测站是否达到以上影响条件。为了保证研究资料的 一致性和连续性,本文选取全国范围内所挑选的358个 测站。这些测站的数据资料在所研究的时 间范围内均保持完好的数据,并经过严格的质量 控制。
而影响我国关键经济区的标准与影响全国台风的标准一致,所不同的是所选测站不一样,即从358个测站中选出若干属于关键区域的站点。因 此,筛选影响长三角TC的指定判据测站为358个测站中分布在浙江、上海、江苏两省一市的测站 共32个,包括:杭州、定海、嵊泗、鄞县、石 浦、宁海、慈溪、临海、洪家、玉环、大陈岛、北几、洞头、绍兴、嵊县、诸暨、平湖、安吉、淳 安、龙华、南汇、青浦、崇明、引水船、南京、东台、南通、吕泗、苏州、江阴、扬州、溧阳测 站;筛选影响珠三角TC的指定判据测站有8个,包括:广州、深圳、珠海、中山、东莞、惠来、惠阳、高要测站。 3 影响全国及关键经济区TC降水的一般特征
将每年TC影响的测站记录的过程降雨量累加可以得到年总降雨量。全国范围内(图 1a、b),TC年总降水量以1951年最小为10978 mm,最大为1994年的67738 mm,降水最多年份和最少年份差异特别大,接近6倍,由此可见TC降水的年变化有非常大的差异,因此,TC降水对我国年降水量影响较大,特别是TC影响较大的华南、华东地区的夏秋季干旱与影响该地区的TC的关系极为密切。但从年代际演变趋势上看,年总降水有下降的趋势,这与王咏梅等(2008)的结论基本一致。长三角地区(图 1c、d),影响TC年总降水最多为1990年,达到11587 mm,年总降水量除1990年外还有两个明显的峰值,分别是1962年的11087 mm和2005年的10665 mm,而1970年代平均年总降水量最小,不足4000 mm。从年变化趋势看,呈现明显的波动变化。而珠三角地区(图 1e、f),影响TC年总降水量1964年最大为8049 mm,1956年最小仅为167 mm。从年代际变化来看,1950年代至1970年代有上升趋势,1980年代突然减少至年总降水量不足3000 mm,1990年代有所增加,而从1970年代到1980年代,TC年降水量经历了一次明显的变化过程,1980年代以后TC降水总量变化幅度明 显增大,无论是对于影响全国以及我国关键经济区,都存在明显的大幅度变化,因此,TC降水对我国的旱涝产生有较大影响,这也是值得研究的话题,但是超出了本文的研究范围。
经过小波分析,对影响全国及关键经济区的年降水总量的演变周期分析表明(图略),影响全国 的TC年总降水量存在15年左右变化周期,以1950年代至1990年代最为明显。1980年代中期以后还 存在4~6年的年际变化。影响长三角的TC年总 降水量也存在15年的变化周期,且该周期在1990年代以前比较明显。影响珠三角地区TC年总降水 量1950年代至1990年代期间年际变化周期为15年左右,1990年代之后存在明显的年际变化周期为6~8年。 4 TC降水的极端性及演变趋势 4.1 过程雨量年极值
根据1951年至2010年所有影响TC的台站记录,统计出每一TC过程的最大过程雨量,得到年极值并做年平均。图 2a为影响全国的TC过程雨量年极值的演变。过程雨量年极值平均为512 mm,其中最大年极值是2001年863 mm,为海南东方站记录的14号台风“Fitow”。年代际平均1970年代最大为 559 mm。自1980年代开始,过程雨量极值有上升趋势。影响长三角(图 2c、d)的TC过程雨量平均约为250 mm,其中最大为1951年台风“Marge”,浙江定海站记录过程雨量极值达到525 mm。从年代际变化来看(图 2b),自1950年代至1980年代末,过程降雨量极值不断下降,自1990年代开始有上升趋势。珠三角地区(图 3e、f)最大过程降雨量略大于长三角,平均约为 300 mm,最大1993年18号台风“Dot”过程降雨极值达到520 mm,为广东深圳站测得。自1950年代至1970年代末有明显的上升趋势,1980年代突然下降,1980年代之后有缓慢上升的趋势。这表明TC引起的极端性降水可能在增加,但是并不明显。
对影响全国的TC过程降雨量年极值做小波分析,可以看出过程雨量极值在1951~2005年之间主要变化周期(图 3a)为2~4年,1951~1980年间存在10~15年的周期,而1980年代之后则没有明显的年代际震荡,取而代之的是4~8年周期。影响长三角(图 3b)的TC过程雨量年极值虽然在1960年代至1990年代存在12~15年的年代变化,但是仍然以2~4年的变化周期为主。而影响珠三角地区(图 3c)过程雨量年极值在1960年代至1990年代之间有明显的年代振荡,周期约为15年左右。但是,1960年代至1970年代、198 0年代以后存在2~6年的变化周期。因此,过程雨量的极值的主要变化周期是2~4年,但也存在较长周期(15年左右)的变化,这些变化与大气环流的长期变化是否有关联,需要进一步研究。
参考天气学上暴雨、大暴雨和特大暴雨标准,将影响TC过程雨量等级划分阈值也定为50 mm、100 mm及250 mm,统计出不同降水等级TC的频数。由图 4a可以看出,过程降水量极值小于50 mm的TC频数在11至27个之间,1990年代最少而1980年代最多。过程降水量极值(图 4b)在50 mm至99.9 mm之间的TC年代频数1960年代最少为12个,1950年代最多为19个,自1980年代以来年代频数保持在15个。过程降水量极值为100 mm至249.9 mm之间的TC年代频数最多,平均比例在35%以上。其中1970年代最多,为55个,2000年以来较少,年代频数只有35个,并且自1970年代以来有明显的下降趋势。过程雨量极值大于250 mm的TC年代频数在45个左右(图 4d),自1960年代至1980年代有下降趋势,1980年代、1990年代频数最小,为41个,1990年代之后明显上升,近10年来达到最多52个。因此,虽然达到大暴雨(100 mm以上)的TC频数没有明显变化,但是,降水超过250 mm以上TC频数却有明显增加的趋势,也就是说,TC降水的极端性存在明显增加的趋势。
表 1给出了长三角地区不同等级过程雨量的TC频数,由表可以看出影响长三角的TC影响期间过程雨量极值小于50 mm的频数在11至28个之间,1950年代最少,2000年以来最多。过程雨量极值在50 mm至99.9 mm之间的TC年代频数最多为1990年代,达到15个,最少为1960年代,为6个。并且呈明显的年代际变化,表现为间隔10年的“多”、“少”演变。另外,如果仅考虑小于100 mm降水的TC频数,其年代变化非常小,但略有增多的趋势。100 mm至249.9 mm之间的TC年代频数较多,1950年代最多,达到20个,1990年代最少,有14个。过程雨量大于250 mm的TC较少,长三角地区年代频数均不超过10个,其中,影响TC年代频数最多为1960年代及2000年代,达到9个,最少为1970年代仅有5个。因此,从大量级降水(超过100 mm)的TC频数在本世纪前十年均有明显的增加(达到26个,比上世纪末十年18个,多出8个),但是并没有超过1950年代和1980年代,仍然呈现周期性现象看,影响长三角TC过程降水量极值并不呈现明显的增多或者减少趋势。
表 2给出了珠三角地区不同等级过程降雨量影响TC年代频数,由表可以看出,珠三角地区影响台风过程雨量极值小于50 mm的年代频数最大为6个,最少为1个。50~99.9 mm区间的年代频数最大为1970年代19个,最小为1980年代12个。自80年代开始有上升趋势。过程雨量极值为100 mm至299.9 mm的年代频数最大为1970年代,达到31个,最小为1980年代,仅有15个。自1950年代至1970年代不断上升,至1980年代突然减少至15个,而之后年代频数又开始上升。过程雨量极值超过250 mm的影响TC年代频数最大为12个,分别为1960年代及1990年代,1970年代及2000年代最少为9个。整体来看,珠三角地区影响TC造成的极端性降水频数自上世纪1980年代开始有增加的趋势。
图 5为影响TC日雨强极值年变化图。其中影响全国(图 5a)TC日雨强年极值平均为353 mm,最大极值为634 mm,为西沙岛测站记录的11号台风“Nina”,其次为1954年海南省屯昌站记录的台风“Nancy”,日降雨量极值达到611 mm。最小极值为2000年,仅有189 mm,1985年影响TC平均日降雨量年极值也较小,只有196 mm(图 5a)。从年代平均来看(图 5b),整体上没有明显的变化趋势,最大为1970年代,日降雨量年极值达392 mm,1980年代迅速下降至312 mm,同时1980年代之后日降水极值年代际平均明显小于1980年代之前。
对于长三角(图 5c),TC影响期间日降水量极值平均为177 mm,最大为1963年420 mm,为南汇站记录的12号台风“Gloria”,其次为1999年洪家站记录307 mm,为14号台风“DAN”。1967年、1970年、1983年、1996年、2003年影响台风日降水量平均极值不足80 mm,其中1983年最小,仅有53 mm。年代际变化较小,1950年代均值超过200 mm,达到206 mm,其他年代均值基本在160 mm至190 mm之间,没有明显的增多或减少的变化趋势(图 5d)。
珠三角地区TC影响日降雨量极值在71 mm至338 mm之间。其中最大值出现在1968年,达到338 mm,为珠海站记录的8号台风“Shirley”,日降雨极值超过300 mm的年份还有:1969、1974、1979、1981、1994和1999年。最小年极值出现在1987、2004年,为71 mm,其次为1956年仅有73 mm(图 5e)。年代际变化上看,1950年代、1980年代、2000年代日雨强极值较小,均在200 mm以下,最小为2000年代,年代平均仅有169 mm,而1960年代、1970年代较大,最大为1970年代达到227 mm(图 5f)。
影响全国的TC日雨量年极值没有明显的年代际变化周期,主要的年际变化周期约为6~8年(图 6a)。影响长三角地区TC日雨量年极值1950~1970年代存在约15年的变化周期(图 6b),1980年代以后存在8~10年的变化周期。此外,1950~1970年、1980年之后还存在2~4年的变化。影响珠三角TC日雨量年极值1950年至1975年间存在16年左右的年代变化(图 6c),1975年之后没有明显的年代变化周期。自1965年后存在6~8年的年际变化。
图 7给出了不同日雨强等级TC发生的频数分布,由图可以看出,全国范围内影响TC日降水极值小于50 mm、50~99.9 mm之间、100~249.9 mm以及超过250 mm的年代频数平均在21、20、60及20个左右,日雨强在100~250 mm之间TC频数最多,自1980年代后,其发生频率没有发生变化。而日降水量超过250 mm的TC频数,本世纪初有明显的增加。
对于长三角地区而言,如图 8所示,长三角地区影响TC日降水量极值小于50 mm的TC年代频数平均为24个,其中1960年代至1990年代略有下降趋势,2000年以后迅速增长至29个。长三角地区日雨强极值达50~99.9 mm的TC年代频数平均为13个,1970年代最多达到16个,自1970年代之后不断下降,本世纪初共有9个发生。日降雨量为100~249.9 mm的TC年代频数长三角地区约为16个,自1970年代后有明显的周期性变化,而且变化幅度较大。日降雨量大于250mm的TC频数较小,长三角地区年代频数不超过5个,主要发生在1950年代和最近20年内,特别是近10年有增多的趋势。
图 9显示了珠三角地区日降雨量不同等级TC频数的年代变化。珠三角日降水量极值小于50 mm的台风年代频数平均为12个,比长三角地区明显偏少。同时,不同于长三角地区,珠三角地区日降水量在50~250 mm之间的TC频数明显偏多。其中日雨强极值达50~99.9 mm的TC年代频数平均约有18个,最少为1980年代14个,自1980年后有明显的上升趋势,2001~2010年间最多有22个。日降雨量为100~249.9 mm的TC年代频数珠三角地区约为20个,其变化仍以1970年代和1980年代为分界,分别为两个上升阶段,其中1970年代达到最大,为25个,1980年代减少为17个,1980年代之后有所增加但变化不大。日降雨量大于250 mm的TC频数较少,年代频数平均不超过5个,但仍然多于长三角区域。因此,近三十年来,珠三角地区因TC造成的暴雨日数有增多的趋势,但总体来说仍然少于1960至1970年代。而日降水量达特大暴雨的日数并没有明显增加。
图 10显示了影响我国及关键经济区的TC1小时雨量极值年变化和年代际变化。其中影响全国的TC1小时降雨量年极值(图 10a、b)最小为35 mm(1954年,为广西北海站记录),最大为143 mm(2005年“龙王”台风,福建长乐站记录),全国范围内,TC造成的小时雨量极值有略微增加的趋势。小时降雨量极值的年代际平均为1950年代最小,平均为35 mm h−1,1960年代最大,为80 mm h−1,变化幅度较大。影响长三角地区的TC小时降雨量极值最大为103 mm(图 10c、d),由溧阳站记录的1965年13号台风“Mary”,最小为1983年15 mm(1993年长三角地区没有TC影响),从年代际变化来看,1950年代最小,自1960年代开始,小时降雨量极值略有下降。影响珠三角TC(图 10e、f)的小时降雨量极值平均约为55 mm,最大为1955 年99 mm,为中山站记录的台风“Billie”。年代际均值自1960年代至1980年代不断下降,1980年代后略有上升。因此,TC造成的小时雨强在全国范围内来看,其年代际变化不明显,但年变化差异比较显著。
图 11为影响TC小时降雨量不同等级(分大于50 mm和小于50 mm)TC频数的年代变化。其中全国范围小时降水量小于50 mm的影响TC年代频数平均为72个,自1960年代至1980年代为上升趋势,1980年代频数达到最大为87个,1980年代之后为下降趋势。小时降水量超过50 mm的TC年代频数平均为51个,1960年代频数最多,达到66个,1960年代至1990年代为下降趋势,1990年代之后频数增长至58个。长三角地区小时降水量小于50 mm的影响TC年代频数最小为46个,最多为54个。自1960年代至1980年代为上升趋势,1990年代突然减小至48个,之后又快速增加。长三角地区影响TC小时降水量大于等于50 mm的年代频数较小,平均仅有6个。其中1970年代仅有3个,2001~2010年间有8个。珠三角地区小时降水量小于50 mm的影响TC年代频数最少为1980年代35个,最多为1970年代,达到54个。自1950年代至1970年代为上升趋势,1980年代突然减少,而后缓慢升高。小时降水量超过50 mm的年代频数较小,最大为1990年代13个,最小为1950年代7个,且变化趋势不明显
本文利用中国气象局上海台风研究所整编的《热带气旋年鉴》数据集,研究了全国、长三角和珠三角关键经济区TC降水的气候变化趋势。分析了TC降水总量、TC过程降水量、日降水量、小时降水量变化的气候变化趋势及其极端性。研究表明,全国TC年总降水量年际变化幅度大,最多与最少年份相差6倍,特别是TC影响较大的华南、华东地区的夏秋季干旱与TC的影响关系极为密切,上世纪1980年代以后TC降水总量变化幅度明显增大,无论是对于影响全国以及我国关键经济区,都存在明显的大幅度震荡,台风降水对我国的旱涝将产生较大的影响。
长三角、珠三角地区受TC影响的过程雨量年极值自1970年代开始缓慢上升,表明近年来TC引起的降水在增加。全国范围内自1970年代开始过程平均雨量大于250 mm的TC频数也在增加,但长三角、珠三角地区发生极端性降水的TC频数并没有明显的增长。自1950年代至1980年代末,过程降雨量极值不断下降,自1990年代开始有上升趋势。珠三角地区最大过程降雨量略大于长三角。对于不同等级雨量发生的频数的进一步分析表明,过程雨量大于100 mm的TC频数,没有明显的变化,但是,过程平均降水超过250 mm降水的TC频数在明显增加,而100~250 mm降水的频数在减少,其降水多的台风频数有增多的趋势。另一方面,TC降水的测站数在减少,而降水范围在缩 小,因此,降水灾害风险在增加。
TC日雨强极值变化趋势不明显,其年变化呈现震荡的周期变化,其中1980年代全国范围内TC日降水极值存在跃变。长三角、珠三角地区日极端降水的TC频数自1980年代开始有所增加。全国范围、长三角、珠三角区域内,TC小时降雨量极值的年变化仍然呈现振荡的周期性变化,而在年代际尺度上并没有明显的变化趋势,只是在全国范围内自1980年代开始有非常缓慢增加趋势。周期分析表明,影响全国TC日雨量年极值没有明显的年代变化周期,主要的年际变化周期约为6~8年。影响长三角地区TC日雨量年极值1950~1970年代存在约15年的变化周期,1980年代以后存在8~10年的变化周期。此外,1950~1970年、1980年之后还存在2~4年的变化。影响珠三角的TC日雨量年极值1950年至1975年间存在16年左右的年代变化,1975年之后没有明显的年代变化周期。自1965年后存在6~8年的年际变化。
本文虽然对TC引起的降水极极值进行了分析,得出了一些初步的结论。但是,由于降水是非连续变化的,局地性强,受地形影响大,降水资料的代表性存在一定的不确定性,因此,TC降水极值的气候演变分析有一定的局限性。特别是近年来,由于雨量站的密度越来越大,测得的TC降水极值越来越大,TC降水的气候分析应该做深入的研究。另外,影响TC降水的因子之一是大气环流,一次TC过程降水的强弱还取决于其环流与其他天气系统的相互作用,环流的异常也会导致降水的变化,这种环流的异常变化的时间尺度从天气尺度到气候尺度都存在,甚至从几天的变化周期到ENSO变化周期,因此,台风降水的气候演变特征还需要从环流演变等机理上进一步认识,这是本文今后要开展的工作。
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