周宇 凌芬曼 施晨曉

(1 海南省三沙市氣象局，三沙 573199； 2 海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實驗室，?？?570203；3 海南省氣象信息中心，?？?570203)

引言

我國是受臺風(fēng)災(zāi)害影響最嚴(yán)重的國家之一，平均每年有7～8個左右的臺風(fēng)在我國登陸[1-2]。目前，關(guān)于臺風(fēng)的氣候特征已有大量研究[3-5]，樂群等[6]分析了西北太平洋臺風(fēng)活動和中國沿海登陸臺風(fēng)暴雨及大風(fēng)的氣候特征，結(jié)果顯示華南沿海登陸臺風(fēng)主要集中在6—11月，8—9月的降水量和風(fēng)速最大。王詠梅等[7-8]分析了影響中國臺風(fēng)的氣候特征，并指出近10年是影響臺風(fēng)頻數(shù)最少的時期，臺風(fēng)降水在時空分布特征上是自東南沿海向西北內(nèi)陸逐漸減少。蔡義勇等[9]對比分析了熱帶氣旋(TC)登陸福建前后暴雨突然增幅的特征，發(fā)現(xiàn)登陸中部的熱帶氣旋個數(shù)最多、暴雨突增次數(shù)也最多；熱帶氣旋登陸后暴雨突增次數(shù)明顯比登陸前多。王堅紅等[10]利用熱帶氣旋降水客觀分析和統(tǒng)計分析，揭示了浙閩沿海登陸的熱帶氣旋降水精細(xì)化分布特征與演變規(guī)律。楊慧等[11]利用全國臺站資料分析了不同強(qiáng)度熱帶氣旋對中國降水變化的影響，研究結(jié)果顯示，強(qiáng)TC降水表現(xiàn)出顯著減少趨勢。吳慧[12]的研究顯示影響和登陸海南的臺風(fēng)最早出現(xiàn)在4月，最晚到12月，其中6—10月為主要影響和登陸月份，登陸點(diǎn)集中在海南島東部沿海，文昌最多。海南島臺風(fēng)降水平均占年總降水量的30%，呈3%/10a的下降趨勢[13]。張凱榮等[14]對登陸海南島東部臺風(fēng)的基本變化特征進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，近50年來，登陸海南島東部的臺風(fēng)頻數(shù)年際和月際變化明顯，臺風(fēng)的登陸地點(diǎn)分布不均勻。張麗杰等[15]的研究結(jié)果顯示1971—2010年間，影響海南島熱帶氣旋的數(shù)量在減少，同時發(fā)生月份更加集中。永興島位于海南島東南方180海里的南海西北部的海面上[16]，是三沙市政府駐地和漁民生活的地方，同時也是我國遭受熱帶氣旋災(zāi)害最嚴(yán)重的地區(qū)之一，熱帶氣旋常常最先影響永興島，而后影響海南島及周邊其他區(qū)域，目前沒有關(guān)于永興島熱帶氣旋氣候特征的研究，因此，分析影響永興島的臺風(fēng)氣候特征和路徑對于做好臺風(fēng)預(yù)報、減少臺風(fēng)災(zāi)害具有重要的意義。永興島建站至今，已積累了62年地面觀測資料，是南中國海上建設(shè)規(guī)模最大、業(yè)務(wù)最齊全的海洋島嶼站，也是具有較長時間序列歷史資料的國家基準(zhǔn)氣候站，對于研究永興島的臺風(fēng)氣候特征具有一定的代表意義。本文利用1958—2019年CMA-STITC熱帶氣旋(TC)最佳路徑數(shù)據(jù)集和永興島62年地面觀測資料對進(jìn)入研究區(qū)域的TC頻數(shù)、路徑、強(qiáng)度和降水等活動特征進(jìn)行統(tǒng)計分析，以期對永興島的熱帶氣旋氣候特征規(guī)律有初步認(rèn)識。

1 資料與方法

本文所用資料為1958—2019年三沙市永興島國家基準(zhǔn)氣候站(圖1)逐日降水資料、中國氣象局編寫的1958—2019年西北太平洋熱帶氣旋資料。資料為北京時02:00、08:00、14:00、20:00 4個時次的TC中心位置。

本文以永興島及附近區(qū)域(11.5°～21.5°N，107.2°～117.2°E)為研究區(qū)域，熱帶氣旋中心進(jìn)入此范圍定義為熱帶氣旋對永興島產(chǎn)生影響，熱帶氣旋強(qiáng)度按照其在10°×10°經(jīng)緯網(wǎng)格中達(dá)到最強(qiáng)的強(qiáng)度來定義。熱帶氣旋等級參照國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 1901—2006)劃分為熱帶低壓(TD)、熱帶風(fēng)暴(TS)、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴(STS)、臺風(fēng)(TY)、強(qiáng)臺風(fēng)(STY)、超強(qiáng)臺風(fēng)(SSTY)6個等級。降水強(qiáng)度分為6個等級：小雨日降水量為0.0～9.9 mm，中雨日降水量為10.0～24.9 mm，大雨日降水量為25.0～49.9 mm，暴雨日降水量50.0～99.9 mm，大暴雨日降水量100～249.9 mm，特大暴雨日降水量大于250 mm。雨日定義為日降水量大于0.0 mm的日數(shù)。熱帶氣旋的降水判斷：結(jié)合常規(guī)觀測的探空資料所獲得的天氣形勢和臺風(fēng)路徑等資料主觀判斷TC降水或非TC降水。維持時間定義為熱帶氣旋從第一次進(jìn)入研究區(qū)域(圖1矩形框)到離開研究區(qū)域的時間。歷史上，1次熱帶氣旋過程均存在多次進(jìn)入研究區(qū)域的情形，為便于討論，對于進(jìn)入研究區(qū)域2次或以上的熱帶氣旋，則其第2次(含)以后的不再考慮，即對于1次熱帶氣旋過程，它只允許最多1次進(jìn)入研究區(qū)域。

圖1 海南省三沙市永興島國家基準(zhǔn)氣候站地理分布及研究區(qū)域(圖中圓點(diǎn)為氣候站所在，矩形框內(nèi)為研究區(qū)域)

本文利用一元線性回歸系數(shù)和趨勢系數(shù)[17]，計算了不同強(qiáng)度、不同路徑、不同季/月TC的頻數(shù)、降水量、 雨日及其貢獻(xiàn)率的長期趨勢變化。

xt=a0+a1t

(1)

式中,t為時間(t=1,2,…,n);xt為要素逐年值;a1=dxt/dt，為回歸系數(shù)(傾向率)；a0為常數(shù)。

xt與自然數(shù)列1,2,…,n的相關(guān)系數(shù)定義為要素的趨勢系數(shù)rxt。

(2)

2 結(jié)果分析

2.1 永興島的熱帶氣旋基本氣候特征

2.1.1 永興島TC的年際及年代際變化

分析1958—2019年影響永興島的TC個數(shù)(圖2)可知，62年間，影響永興島的TC共581個，平均每年9.4個，最多為16個(1970年)，最少為3個(2015年)。通過分析永興島的TC年際變化特征可知，永興島的TC有顯著的下降趨勢(通過α=0.01顯著性檢驗)，0.68個/10a逐漸減少，趨勢系數(shù)為-0.406，TC活動的高峰期出現(xiàn)在20世紀(jì)60—70年代，20世紀(jì)90年代后，出現(xiàn)明顯減少的趨勢，21世紀(jì)后開始有增長的趨勢。

圖2 1958—2019年永興島TC頻數(shù)的年際變化

2.1.2 永興島TC的月際變化

由表1可知，影響永興島的熱帶氣旋表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化：5—12月為TC活躍期，在臺風(fēng)季節(jié)(5—12月)，共有566個TC影響永興島，占全年TC的97.4%，臺風(fēng)季節(jié)的TC有顯著的下降趨勢(通過α=0.01顯著性檢驗)，以0.67個/10a逐漸減少，趨勢系數(shù)為-0.410;5—6月TC增長較快，由于5—6月是南海西南季風(fēng)爆發(fā)和持續(xù)明顯增強(qiáng)的時期，南海熱帶氣旋已經(jīng)開始活躍；8—9月為旺盛期，也是熱帶輻合帶活動最活躍的時間，9月出現(xiàn)的熱帶氣旋最多，有115個；12月熱帶氣旋絕大多數(shù)在較低緯度區(qū)域內(nèi)活動，而永興島正屬于受此影響明顯的地區(qū)。1—4月較少產(chǎn)生熱帶氣旋。

不同強(qiáng)度等級的TC個數(shù)相差很大，分布極不均勺，強(qiáng)度為TD、STS出現(xiàn)最多，有150個，強(qiáng)度為SSTY出現(xiàn)最少，只有13個。

各強(qiáng)度等級TC 月分布也有較明顯的差異，TD 5月開始活躍，5—10月出現(xiàn)個數(shù)最多，極值出現(xiàn)在9月(32個);TS 6—9月出現(xiàn)個數(shù)最多;STS主要出現(xiàn)在下半年的6—11月;TY主要在7—10月，最多在9月(24個);STY 10月與其它強(qiáng)度等級的TC個數(shù)較為接近，其他月份少2～4倍;SSTY個數(shù)較少，一共13個，且只在7—11月出現(xiàn)。

由表2可知，9月TS增加趨勢最明顯，0.1個/10a逐漸增加，趨勢系數(shù)為0.331，8月TD減少趨勢最明顯，0.24個/a逐漸遞減，趨勢系數(shù)為-0.560，均通過α=0.01顯著性檢驗。

表1 1958—2019年永興島不同強(qiáng)度等級臺風(fēng)個數(shù)

表2 1958—2019年永興島不同強(qiáng)度等級TC變化趨勢系數(shù)

2.1.3 永興島TC的路徑分類和特征

將臺風(fēng)路徑分為5類(圖3)，各類路徑的TC特征如下：①熱帶氣旋中心位置向西直行越過16.5°N或以北定義為A類(向西直行偏北類)； ②沒有越過16.5°N或以南定義為B類(向西直行偏南類)，A類和B類都是向西直行，沒有轉(zhuǎn)向；③熱帶氣旋中心位置從東向西再向東北呈拋物線型定義為C類(轉(zhuǎn)向東北類)；④熱帶氣旋中心位置從東向西再向西南的路徑定義為D類(轉(zhuǎn)向西南類)；⑤從西向東再向東北的路徑定義為E類(從西向東北類)，C類和E類的區(qū)別是一個起點(diǎn)在東，一個起點(diǎn)在西。

圖3 1958—2019年影響永興島臺風(fēng)路徑:(a)A類,(b)B類,(c)C類,(d)D類,(e)E類(A類：西直行偏北；B類：西直行偏南；C類：轉(zhuǎn)向東北；D類：轉(zhuǎn)向西南；E類：西向東北)

由表3統(tǒng)計可知，A類頻率最高，是影響永興島TC的主要路徑，占TC總數(shù)的52.0%，6月開始A類與B、C、D、E類相比出現(xiàn)頻率高，說明這季節(jié)副熱帶高壓所處緯度較高，脊線在20°～30°N，6月副熱帶高壓已北跳至20°N以北，導(dǎo)致TC的移動路徑偏北，TC多以西直行偏北路徑影響永興島，10月開始，A類TC明顯減少，而B類TC開始增多，說明在9—10月副熱帶高壓有季節(jié)性的南落，一般到20°N以南，影響永興島的TC絕大多數(shù)處于副高南側(cè)的東風(fēng)氣流，受東風(fēng)氣流引導(dǎo)TC自東向西直行頻率就會高，TC的移動路徑偏南，多以西直行偏南路徑影響永興島，到12月，熱帶氣旋絕大多數(shù)在較低緯度區(qū)域內(nèi)活動，路徑以B類、D類進(jìn)入南海南部海域為主，少有熱帶氣旋北上。TC的季節(jié)變化特征：A類主要出現(xiàn)在6—10月，B類主要出現(xiàn)在10—11月，C類主要出現(xiàn)在5—10月，D類主要出現(xiàn)在10—12月，E類出現(xiàn)在5—8月，1—3月不出現(xiàn)A、C、E類路徑。

表3 1958—2019年永興島不同路徑TC逐月分布統(tǒng)計

2.2 影響永興島熱帶氣旋降水氣候特征

2.2.1 熱帶氣旋的年降水特征

2.2.1.1 降水量

1958—2019年，永興島TC年平均降水量為705.2 mm，其最高年降水量出現(xiàn)在1995年，達(dá)到2166.6 mm，最低年降水量出現(xiàn)在2004年，僅為58.4 mm。在過去62年中，有38年的降雨量有負(fù)距平(-91.72%～-0.60%)，進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，出現(xiàn)連續(xù)多個的負(fù)距平，永興島在1991—1994年，1997—2000年，2002—2005年，2007—2011年，2014—2019年均出現(xiàn)連續(xù)的降水偏少的現(xiàn)象，有24年出現(xiàn)正距平(5.04%～238.51%)，降水量高于多年平均，最大距平(1995年，238.51%)與最小距平(2004年，-92.59%)之間的差異較大，即反應(yīng)了在不同年份熱帶氣旋降雨之間的差異較大。永興島熱帶氣旋的降雨量有顯著(通過α=0.05的顯著性檢驗)下降趨勢，其回歸系數(shù)為-61.76 mm/10a，趨勢系數(shù)為-0.270(圖4)，原因可能是影響中國的熱帶氣旋從70年代至今向東亞沿岸偏移明顯，對南海的影響減少而對我國華東及東南沿海影響增多，致使影響中國的熱帶氣旋降水發(fā)生變化。這種熱帶氣旋降水長期變化趨勢可能與全球氣候變暖有關(guān)[18]。

圖4 1958—2019年永興島TC年降水量年際變化

2.2.1.2 不同量級降水變化特征

由表4可知，1958—2019年，永興島TC降水量以暴雨及以上量級的強(qiáng)降水為主，年平均強(qiáng)降水為472.8 mm，占比67.0%，TC強(qiáng)降水中大暴雨所占比例最大，達(dá)到29.6%，大暴雨的最大值出現(xiàn)在1978年，達(dá)到676.1 mm。特大暴雨的最大值出現(xiàn)在1995年，達(dá)到905.8 mm。非強(qiáng)降水(暴雨以下量級的降水)占33%，其中，小雨所占比例最少，僅為5.6%。TC不同降水量級皆是下降的趨勢，其中以中雨的下降趨勢最明顯，回歸系數(shù)為-12.64 mm/10a，趨勢系數(shù)為-0.501，通過α=0.01顯著性檢驗。

進(jìn)一步分別統(tǒng)計1958—2019年逐年永興島的TC強(qiáng)降水和非TC強(qiáng)降水的情況可知，TC活動對永興島強(qiáng)降水貢獻(xiàn)最多，達(dá)到67.8%，其他天氣系統(tǒng)對永興島強(qiáng)降水(224.2 mm)的貢獻(xiàn)僅為32.2%，TC強(qiáng)降水對總強(qiáng)降水的貢獻(xiàn)率無趨勢變化，其回歸系數(shù)為0.57/10a，趨勢系數(shù)為0.055(圖5)。

表4 1958—2019年永興島不同降水量級TC趨勢系數(shù)

圖5 1958—2019年永興島TC強(qiáng)降水貢獻(xiàn)率年際變化

2.2.1.3 雨日

由表5可知，1958—2019年，永興島TC年雨日的平均值為24.0 d，最大值(1986、1970年，44 d)與最小值(2004年，2 d)之間的差異較大，趨勢分析的結(jié)果顯示永興島熱帶氣旋雨日有顯著(通過α=0.01的顯著性檢驗)的下降趨勢，以-2.72d/10a的速率遞減，趨勢系數(shù)為-0.549。

各量級雨日占年雨日的比例之間差異也較大，隨著降水強(qiáng)度的增加，雨日也隨之減少，暴雨及以上量級的強(qiáng)降水雨日為4.1 d，雖只占16%，但雨量卻占67%，可見暴雨強(qiáng)度大、時間集中；對于小雨、中雨、大雨，永興島雨日多，降水量小。TC不同等級雨日皆是下降的趨勢，其中以小雨的下降趨勢最明顯，其回歸系數(shù)為-1.5 d/10a，趨勢系數(shù)為-0.508，通過α=0.01顯著性檢驗。

進(jìn)一步分別統(tǒng)計1958—2019年逐年永興島的TC強(qiáng)降水和非TC強(qiáng)降水雨日的情況可知，年均臺風(fēng)強(qiáng)降水日數(shù)為4.1 d，非TC強(qiáng)降水日數(shù)為2.8 d。TC強(qiáng)降水雨日對總強(qiáng)降水雨日的貢獻(xiàn)率呈現(xiàn)顯著(通過α=0.01顯著性檢驗)的下降趨勢，其回歸系數(shù)為-4.7 d/10a，趨勢系數(shù)為-0.335(圖6)。

表5 1958—2019年永興島TC不同等級雨日的趨勢統(tǒng)計

圖6 1958—2019年永興島TC強(qiáng)降水雨日貢獻(xiàn)率年際變化

2.2.1.4 不同路徑下的降水特征

TC降水主要受A類路徑影響，貢獻(xiàn)率達(dá)到57.1%，D類貢獻(xiàn)率最小，僅為2.5%，B類TC(104個)與C類TC(117個)個數(shù)較為接近，但C類產(chǎn)生的降水是B類的近2倍，D類與E類也存在近似的特征，可見C、E類路徑的TC分別相較D、B類路徑更容易在永興島產(chǎn)生更多的降水(表6)。

表6 1958—2019年永興島不同路徑TC雨量的趨勢系數(shù)

進(jìn)一步統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，影響強(qiáng)度達(dá)到TY的A類路徑的TC降水貢獻(xiàn)率最大，達(dá)到20.11%，各路徑的不同強(qiáng)度等級的TC貢獻(xiàn)率分布極不均勻，B類、C類路徑中以STS貢獻(xiàn)率最大(5.10%，8.07%)，D類、E類路徑中TY貢獻(xiàn)率最大(1.29%，2.76%)，影響強(qiáng)度達(dá)到SSTY以上的熱帶氣旋當(dāng)中，只有A、B類路徑出現(xiàn)降水，A類貢獻(xiàn)率最大，占2.30%，其次為B類路徑，占0.19%(表7)。

表7 1958—2019年影響永興島不同路徑不同強(qiáng)度等級的TC雨量對年平均TC雨量的貢獻(xiàn)率 %

2.2.2 各月熱帶氣旋的降水特征

2.2.2.1 降水量

從表8可知，從4月開始TC降水量逐步增加，5月緩慢遞增，6月突變式增多(相比5月增多了67.8 mm)，9月達(dá)到最大值147.1 mm，降水主要集中在7—10月(月降水量均超過100 mm)，11月開始突變式減少(相比10月減少59.1 mm)，1月達(dá)到最小值5.8 mm，2、3月無降水產(chǎn)生。月極值出現(xiàn)在1995年9月，雨量達(dá)到633.8 mm，9月的TC個例數(shù)雖最多，但其對年降水量的貢獻(xiàn)(58.3%)不及7月的63.7%，汛期(5—10月)平均雨量621.4 mm，占全年降水量的88.1%。

除4、12月降水量呈略增多的趨勢外(未通過顯著性水平檢驗)，其余月份降水量均呈減少的趨勢，11月較明顯遞減，其回歸系數(shù)-16.9 mm/10a，趨勢系數(shù)為-0.314，通過α=0.05顯著性檢驗。汛期(5—10月)雨量也有下降趨勢，其回歸系數(shù)為-50.18 mm/10a，趨勢系數(shù)為-0.240。

表8 1958—2019年影響永興島月平均TC雨量貢獻(xiàn)率及趨勢系數(shù)

2.2.2.2 雨日

6—11月TC雨日基本在2 d以上，9月的月均雨日最多，平均有5.1 d，月極值出現(xiàn)在1983年10月，達(dá)到15 d。

除4、12月雨日呈略增多的趨勢外(未通過顯著性水平檢驗)，其余月份雨日均呈減少的趨勢，其中9月較明顯遞減，其回歸系數(shù)-0.94 d/10a，趨勢系數(shù)為-0.514，通過α=0.01顯著性檢驗。TC雨日貢獻(xiàn)率(逐月TC雨日/年降水日)的峰值較TC個例數(shù)的峰值提前1個月，出現(xiàn)在8月，而雨量貢獻(xiàn)率的峰值較TC個例的峰值提前2個月，出現(xiàn)在7月。汛期(5—10月)雨量也有下降趨勢，其回歸系數(shù)為-2.55 d/10，趨勢系數(shù)為-0.552，通過α=0.01顯著性檢驗(表9)。

表9 1958—2019年影響永興島月平均TC雨日貢獻(xiàn)率及趨勢系數(shù)

3 結(jié)論與討論

(1)1958—2019年，共有581個TC影響永興島，年均9.4個，TC主要在5—12月影響永興島，9月出現(xiàn)的熱帶氣旋最多，1—4月為寂靜期，較少出現(xiàn)熱帶氣旋，超強(qiáng)臺風(fēng)只在7—11月影響永興島。影響永興島的TC有顯著(通過α=0.01顯著性檢驗)的下降趨勢，0.68個/10a逐漸減少，趨勢系數(shù)為-0.406。

(2)影響永興島的TC路徑分為5類：向西直行偏北類(A類)、向西直行偏南類(B類)、轉(zhuǎn)向東北類(C類)、轉(zhuǎn)向西南類(D類)、從西向東北類(E類)，其中A類占TC總數(shù)的52.0%，A類TC中各個強(qiáng)度所占頻率均高于其他類TC。

(3)永興島TC降水有顯著(通過α=0.05顯著性檢驗)的下降趨勢，回歸系數(shù)為-61.76 mm/10a，趨勢系數(shù)為-0.270。除4、12月降水量、雨日呈略增多的趨勢外，其余月份均呈減少的趨勢，雨量在11月遞減最明顯，雨日在9月遞減最明顯。

(4)TC活動對永興島強(qiáng)降水貢獻(xiàn)最多，達(dá)到67.8%，其他天氣系統(tǒng)對永興島強(qiáng)降水的貢獻(xiàn)僅為32.2%，而年均TC強(qiáng)降水日數(shù)為4.1 d，非TC強(qiáng)降水日數(shù)為2.8 d。TC強(qiáng)降水對總強(qiáng)降水的貢獻(xiàn)率無明顯的趨勢變化，其回歸系數(shù)為0.57/10a，趨勢系數(shù)為0.055;而TC強(qiáng)降水雨日的貢獻(xiàn)率則呈現(xiàn)下降趨勢，其回歸系數(shù)為-4.7/10a，趨勢系數(shù)為-0.335，均通過α=0.01顯著性檢驗。

本文對各類路徑的TC的氣候原因分析還較為初步，有待進(jìn)一步的深入研究。