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減災重點實驗室，?？?570203；3 海南省氣象信息中心，海口 570203)

引言

我國是受臺風災害影響最嚴重的國家之一，平均每年有7～8個左右的臺風在我國登陸[1-2]。目前，關于臺風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活動和中國沿海登陸臺風暴雨及大風的氣候特征，結果顯示華南沿海登陸臺風主要集中在6—11月，8—9月的降水量和風速最大。王詠梅等[7-8]分析了影響中國臺風的氣候特征，并指出近10年是影響臺風頻數最少的時期，臺風降水在時空分布特征上是自東南沿海向西北內陸逐漸減少。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)現登陸中部的熱帶氣旋個數最多、暴雨突增次數也最多；熱帶氣旋登陸后暴雨突增次數明顯比登陸前多。王堅紅等[10]利用熱帶氣旋降水客觀分析和統計分析，揭示了浙閩沿海登陸的熱帶氣旋降水精細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度熱帶氣旋對中國降水變化的影響，研究結果顯示，強TC降水表現出顯著減少趨勢。吳慧[12]的研究顯示影響和登陸海南的臺風最早出現在4月，最晚到12月，其中6—10月為主要影響和登陸月份，登陸點集中在海南島東部沿海，文昌最多。海南島臺風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的基本變化特征進行了分析，結果表明，近50年來，登陸海南島東部的臺風頻數年際和月際變化明顯，臺風的登陸地點分布不均勻。張麗杰等[15]的研究結果顯示1971—2010年間，影響海南島熱帶氣旋的數量在減少，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害最嚴重的地區(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氣候特征和路徑對于做好臺風預報、減少臺風災害具有重要的意義。永興島建站至今，已積累了62年地面觀測資料，是南中國海上建設規(guī)模最大、業(yè)務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氣候站，對于研究永興島的臺風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)最佳路徑數據集和永興島62年地面觀測資料對進入研究區(qū)域的TC頻數、路徑、強度和降水等活動特征進行統計分析，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，熱帶氣旋中心進入此范圍定義為熱帶氣旋對永興島產生影響，熱帶氣旋強度按照其在10°×10°經緯網格中達到最強的強度來定義。熱帶氣旋等級參照國家標準(GB/T 1901—2006)劃分為熱帶低壓(TD)、熱帶風暴(TS)、強熱帶風暴(STS)、臺風(TY)、強臺風(STY)、超強臺風(SSTY)6個等級。降水強度分為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。熱帶氣旋的降水判斷：結合常規(guī)觀測的探空資料所獲得的天氣形勢和臺風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入研究區(qū)域的情形，為便于討論，對于進入研究區(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次進入研究區(qū)域。

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

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

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(傾向率)；a0為常數。

xt與自然數列1,2,…,n的相關系數定義為要素的趨勢系數rxt。

(2)

2 結果分析

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(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，趨勢系數為-0.406，TC活動的高峰期出現在20世紀60—70年代，20世紀90年代后，出現明顯減少的趨勢，21世紀后開始有增長的趨勢。

圖2 1958—2019年永興島TC頻數的年際變化

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出明顯的季節(jié)變化：5—12月為TC活躍期，在臺風季節(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，趨勢系數為-0.410;5—6月TC增長較快，由于5—6月是南海西南季風爆發(fā)和持續(xù)明顯增強的時期，南海熱帶氣旋已經開始活躍；8—9月為旺盛期，也是熱帶輻合帶活動最活躍的時間，9月出現的熱帶氣旋最多，有115個；12月熱帶氣旋絕大多數在較低緯度區(qū)域內活動，而永興島正屬于受此影響明顯的地區(qū)。1—4月較少產生熱帶氣旋。

不同強度等級的TC個數相差很大，分布極不均勺，強度為TD、STS出現最多，有150個，強度為SSTY出現最少，只有13個。

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

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年永興島不同強度等級臺風個數

表2 1958—2019年永興島不同強度等級TC變化趨勢系數

2.1.3 永興島TC的路徑分類和特征

將臺風路徑分為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)別是一個起點在東，一個起點在西。

圖3 1958—2019年影響永興島臺風路徑:(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：轉向東北；D類：轉向西南；E類：西向東北)

由表3統計可知，A類頻率最高，是影響永興島TC的主要路徑，占TC總數的52.0%，6月開始A類與B、C、D、E類相比出現頻率高，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絕大多數處于副高南側的東風氣流，受東風氣流引導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，熱帶氣旋絕大多數在較低緯度區(qū)域內活動，路徑以B類、D類進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類主要出現在6—10月，B類主要出現在10—11月，C類主要出現在5—10月，D類主要出現在10—12月，E類出現在5—8月，1—3月不出現A、C、E類路徑。

表3 1958—2019年永興島不同路徑TC逐月分布統計

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在1995年，達到2166.6 mm，最低年降水量出現在2004年，僅為58.4 mm。在過去62年中，有38年的降雨量有負距平(-91.72%～-0.60%)，進入20世紀90年代后，出現連續(xù)多個的負距平，永興島在1991—1994年，1997—2000年，2002—2005年，2007—2011年，2014—2019年均出現連續(xù)的降水偏少的現象，有24年出現正距平(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，其回歸系數為-61.76 mm/10a，趨勢系數為-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[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降水為主，年平均強降水為472.8 mm，占比67.0%，TC強降水中大暴雨所占比例最大，達到29.6%，大暴雨的最大值出現在1978年，達到676.1 mm。特大暴雨的最大值出現在1995年，達到905.8 mm。非強降水(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，回歸系數為-12.64 mm/10a，趨勢系數為-0.501，通過α=0.01顯著性檢驗。

進一步分別統計1958—2019年逐年永興島的TC強降水和非TC強降水的情況可知，TC活動對永興島強降水貢獻最多，達到67.8%，其他天氣系統對永興島強降水(224.2 mm)的貢獻僅為32.2%，TC強降水對總強降水的貢獻率無趨勢變化，其回歸系數為0.57/10a，趨勢系數為0.055(圖5)。

表4 1958—2019年永興島不同降水量級TC趨勢系數

圖5 1958—2019年永興島TC強降水貢獻率年際變化

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，隨著降水強度的增加，雨日也隨之減少，暴雨及以上量級的強降水雨日為4.1 d，雖只占16%，但雨量卻占67%，可見暴雨強度大、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，其回歸系數為-1.5 d/10a，趨勢系數為-0.508，通過α=0.01顯著性檢驗。

進一步分別統計1958—2019年逐年永興島的TC強降水和非TC強降水雨日的情況可知，年均臺風強降水日數為4.1 d，非TC強降水日數為2.8 d。TC強降水雨日對總強降水雨日的貢獻率呈現顯著(通過α=0.01顯著性檢驗)的下降趨勢，其回歸系數為-4.7 d/10a，趨勢系數為-0.335(圖6)。

表5 1958—2019年永興島TC不同等級雨日的趨勢統計

圖6 1958—2019年永興島TC強降水雨日貢獻率年際變化

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，貢獻率達到57.1%，D類貢獻率最小，僅為2.5%，B類TC(104個)與C類TC(117個)個數較為接近，但C類產生的降水是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

進一步統計發(fā)現，影響強度達到TY的A類路徑的TC降水貢獻率最大，達到20.11%，各路徑的不同強度等級的TC貢獻率分布極不均勻，B類、C類路徑中以STS貢獻率最大(5.10%，8.07%)，D類、E類路徑中TY貢獻率最大(1.29%，2.76%)，影響強度達到SSTY以上的熱帶氣旋當中，只有A、B類路徑出現降水，A類貢獻率最大，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度等級的TC雨量對年平均TC雨量的貢獻率 %

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月達到最小值5.8 mm，2、3月無降水產生。月極值出現在1995年9月，雨量達到633.8 mm，9月的TC個例數雖最多，但其對年降水量的貢獻(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-16.9 mm/10a，趨勢系數為-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，其回歸系數為-50.18 mm/10a，趨勢系數為-0.240。

表8 1958—2019年影響永興島月平均TC雨量貢獻率及趨勢系數

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，月極值出現在1983年10月，達到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-0.94 d/10a，趨勢系數為-0.514，通過α=0.01顯著性檢驗。TC雨日貢獻率(逐月TC雨日/年降水日)的峰值較TC個例數的峰值提前1個月，出現在8月，而雨量貢獻率的峰值較TC個例的峰值提前2個月，出現在7月。汛期(5—10月)雨量也有下降趨勢，其回歸系數為-2.55 d/10，趨勢系數為-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雨日貢獻率及趨勢系數

3 結論與討論

(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月出現的熱帶氣旋最多，1—4月為寂靜期，較少出現熱帶氣旋，超強臺風只在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)、轉向東北類(C類)、轉向西南類(D類)、從西向東北類(E類)，其中A類占TC總數的52.0%，A類TC中各個強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，回歸系數為-61.76 mm/10a，趨勢系數為-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活動對永興島強降水貢獻最多，達到67.8%，其他天氣系統對永興島強降水的貢獻僅為32.2%，而年均TC強降水日數為4.1 d，非TC強降水日數為2.8 d。TC強降水對總強降水的貢獻率無明顯的趨勢變化，其回歸系數為0.57/10a，趨勢系數為0.055;而TC強降水雨日的貢獻率則呈現下降趨勢，其回歸系數為-4.7/10a，趨勢系數為-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，有待進一步的深入研究。