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        福建省短歷時強(qiáng)降水歷史極值氣候特征分析*

        2021-11-13 01:27:52李欣欣鄭潮宇
        海峽科學(xué) 2021年9期
        關(guān)鍵詞:長樂歷時強(qiáng)降水

        李欣欣 白 龍 林 昕 廖 廓 鄭潮宇

        (1.福建省氣候中心,福建 福州 350001;2.福建省氣象科學(xué)研究所,福建 福州 350001)

        短時強(qiáng)降水是福建省最為常見的強(qiáng)對流天氣之一,常引起山洪、泥石流和城市內(nèi)澇等次生災(zāi)害,常常造成重大的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。福建是我國臺風(fēng)災(zāi)害最嚴(yán)重的省份之一,據(jù)統(tǒng)計(jì),2016年福建省遭受“尼伯特”、“莫蘭蒂”和“鲇魚”3個超強(qiáng)臺風(fēng)的正面襲擊。臺風(fēng)較常年個數(shù)偏多、強(qiáng)度偏強(qiáng),給福建省造成了嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。臺風(fēng)帶來的短時強(qiáng)降水的突發(fā)性、局地性和極端性是最主要的致災(zāi)因子。作為新中國成立以來登陸我國最強(qiáng)的1號臺風(fēng)和7月登陸我國的最強(qiáng)臺風(fēng),2016年臺風(fēng)“尼伯特”發(fā)生時,福州市閩清縣和永泰縣出現(xiàn)極端短時強(qiáng)降水。據(jù)監(jiān)測,7月9日永泰縣赤岸、丹云兩地1小時最大雨強(qiáng)超過100mm,永泰縣4個區(qū)域站3小時雨強(qiáng)超過200mm,閩清和永泰兩縣16個區(qū)域站6小時雨強(qiáng)超過200mm。極端短時強(qiáng)降水致閩江流域的福州市梅溪、大樟溪發(fā)生超警戒水位洪水,梅溪更是出現(xiàn)了歷史最大洪水,多處山洪溝暴發(fā)山洪,閩清、永泰2個縣城出現(xiàn)大面積內(nèi)澇,災(zāi)情尤為嚴(yán)重。據(jù)分析研究,3小時和6小時極端強(qiáng)降水是此次臺風(fēng)最主要致災(zāi)因子。

        非臺風(fēng)暴雨也經(jīng)常引發(fā)福建省短時強(qiáng)降水,其持續(xù)性、區(qū)域性和極端性是最主要的致災(zāi)因子,如2010年6月13-26日,受低層切變線影響,閩北出現(xiàn)雨季期間持續(xù)時間最長、范圍最廣、雨量最多、強(qiáng)度最大、災(zāi)害最重的持續(xù)性暴雨至大暴雨過程,歷史少見,南平市多個縣市主城區(qū)受淹嚴(yán)重,其中18日南平市順昌縣3小時、6小時、12小時雨量分別達(dá)到121.5mm、209mm、260.2mm,均創(chuàng)當(dāng)?shù)貧v史極值。據(jù)分析研究,12小時和24小時極端強(qiáng)降水是此次非臺風(fēng)持續(xù)性暴雨至大暴雨過程最主要致災(zāi)因子。由此可見,加強(qiáng)對短時強(qiáng)降水極值氣候特征的研究顯得尤為重要和迫切。

        近年來,我國許多氣象專家學(xué)者研究了短歷時強(qiáng)降水極端事件[1-16]。楊詩芳等[17]利用杭州市近20年的逐小時雨量資料,分析了杭州短時強(qiáng)降水的發(fā)生規(guī)律,發(fā)現(xiàn)杭州短時強(qiáng)降水雨量極值大多出現(xiàn)在臺汛期間,短時強(qiáng)降水平均每年發(fā)生9.6次,高峰期為7—8月,且短時強(qiáng)降水容易發(fā)生在凌晨及午后兩個時段。王國榮等[18]利用北京地區(qū)2006—2010年187個觀測站的逐5分鐘觀測資料,對北京地區(qū)夏季短時強(qiáng)降水過程進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,指出北京地區(qū)的短時強(qiáng)降水主要分布在山前及山前的平原地區(qū)。郭凌曜等[19]基于湖南省97個地面氣象觀測站1981—2010年自記降水資料,研究了湖南短時強(qiáng)降水事件的氣候特征,發(fā)現(xiàn)湖南省1小時、3小時、12小時強(qiáng)降水事件的出現(xiàn)頻率存在日變化、季節(jié)差異和趨勢演變特征。沈澄等[20]利用2008—2012年南京自動氣象站逐時降水量的觀測資料對南京短時強(qiáng)降水的發(fā)生規(guī)律進(jìn)行了探討,結(jié)果表明南京雨強(qiáng)大于50mm/h的致災(zāi)性、短時強(qiáng)降水過程的發(fā)生次數(shù)呈顯著增長的趨勢。陳秋萍等[21]綜合地面逐時降水資料、常規(guī)天氣資料、雷達(dá)資料、衛(wèi)星資料以及臺風(fēng)年鑒資料,對39個登陸福建不同地段的臺風(fēng)短時強(qiáng)降水時空分布特征及其與登陸時臺風(fēng)強(qiáng)度關(guān)系開展研究,進(jìn)一步揭示了臺風(fēng)登陸福建引起的短時強(qiáng)降水規(guī)律,結(jié)果顯示登陸中部臺風(fēng)強(qiáng)降水站數(shù)雖多,但單站強(qiáng)降水持續(xù)時間最短。登陸北部臺風(fēng)強(qiáng)降水站數(shù)雖少,但單站強(qiáng)降水持續(xù)時間最長。

        本文利用1961—2018年福建省66個國家級地面氣象站降水信息化資料,采用氣候統(tǒng)計(jì)方法和對比分析法對全省短歷時強(qiáng)降水歷史極值的氣候特征進(jìn)行分析研究,旨在揭示福建省短歷時強(qiáng)降水歷史極值的時空分布特征和典型案例等關(guān)鍵氣候背景信息,對短時強(qiáng)降水的風(fēng)險研判與評估具有一定的指導(dǎo)意義和較好的應(yīng)用價值,可為福建省短歷時強(qiáng)降水極端事件的氣象預(yù)報預(yù)警與防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)抗災(zāi)決策氣象服務(wù)提供科學(xué)參考依據(jù)。

        1 數(shù)據(jù)來源與處理

        本文資料來源于福建省氣象信息中心1961—2018年福建省66個國家級地面氣象站降水信息化資料。全省66個氣象臺站有降水自記紙觀測記錄以來的逐分鐘降水資料,各臺站降水自記紙觀測起始時間不同,較早的臺站于20世紀(jì)50年代,而多數(shù)臺站降水自記紙觀測到20世紀(jì)80年代初才開始有觀測記錄。降水自記紙觀測記錄止于2002—2004年,2004年至今的逐分鐘降水資料為自動站自動記錄。

        對于早期降水自記紙數(shù)據(jù),使用中國氣象局組織編制的降水自記紙彩色掃描數(shù)字化處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化處理。該系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)掃描、圖像處理、數(shù)據(jù)處理,將氣象站降水自記紙圖像進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換,成為逐分鐘降水量,并經(jīng)人工審核或修正后,錄入數(shù)據(jù)庫。

        1961—1979年數(shù)據(jù)是從降水自記紙信息化文件中得到逐分鐘降水?dāng)?shù)據(jù),再利用滑動統(tǒng)計(jì)法得到各歷時降水極大值;1980—2018年數(shù)據(jù)是從66個國家級臺站年報資料的降水量極大值中,采用基于分鐘的降水資料,逐分鐘滑動統(tǒng)計(jì)各歷時降水極值,本文降水極值歷時主要分為10分鐘、30分鐘、60分鐘和3小時、6小時、12小時、24小時。

        2 短歷時強(qiáng)降水歷史極值時空分布特征

        2.1 短歷時強(qiáng)降水歷史極值空間分布特征

        福建省10分鐘強(qiáng)降水歷史極值分布如圖1(a)所示,極值≥32mm的高值區(qū)出現(xiàn)在三明、永安、尤溪、龍巖、連城、德化、永泰區(qū)域和浦城、壽寧、屏南、長樂、漳州局部地區(qū),15個站中,2000年以后出現(xiàn)9個,1978年以前未出現(xiàn),表明10分鐘極端降水事件趨向多發(fā)。全省10分鐘降水極值之最為39.1mm,于1993 年9月23日17時50分出現(xiàn)在龍巖城區(qū),因當(dāng)年第18號臺風(fēng)登陸廣東臺山—陽江影響所致。圖1b為福建省30分鐘強(qiáng)降水歷史極值分布,極值≥70mm的高值區(qū)出現(xiàn)在漳州、南靖、華安、龍巖區(qū)域和永安、永春、長樂局部地區(qū),8個站中,2005年以后出現(xiàn)5個,1987年以前未出現(xiàn)。全省30分鐘降水極值之最為91.9mm,于2005年10月2日19時14分出現(xiàn)在福州長樂,由臺風(fēng)“龍王”登陸所致。福建省60分鐘強(qiáng)降水歷史極值分布見圖1c,極值≥100mm的高值區(qū)出現(xiàn)在南靖、華安、同安區(qū)域和福州市區(qū)、長樂、福清區(qū)域及羅源、永安、東山局部地區(qū),10個站中,2005年以后出現(xiàn)7個,1993年以前未出現(xiàn)。全省60分鐘降水極值之最為168.1mm,于2005年10月2日19時14分出現(xiàn)在福州長樂區(qū),由臺風(fēng)“龍王”登陸福建所致。

        (a) (b) (c)

        2.2 短歷時強(qiáng)降水歷史極值時間變化特征

        2.2.1 極值年代分布特征

        由福建省短歷時降水歷史極值頻數(shù)年代分布表(表1)可見,不同歷時降水極值累積出現(xiàn)頻次呈逐年代增多趨勢,表明了在全球氣候變暖的背景下,短歷時強(qiáng)降水極端事件越來越多發(fā)。20世紀(jì)60年代和70年代極值出現(xiàn)頻數(shù)均較少,分別為26和33站次,21世紀(jì)00年代最多,達(dá)137站次,其次是21世紀(jì)10年代(統(tǒng)計(jì)至2018年)有111站次,其年代際變化呈增多趨勢。

        表1 福建省短歷時降水歷史極值頻數(shù)/站數(shù)年代分布

        各歷時降水極值出現(xiàn)頻次的年代際分布略有不同。10分鐘極值主要集中在20世紀(jì)80年代和90年代、21世紀(jì)00年代和10年代,30分鐘極值主要集中在20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)10年代,60分鐘極值主要集中在20世紀(jì)90年代、21世紀(jì)00年代、21世紀(jì)10年代,3小時極值主要集中在21世紀(jì)00年代和10年代,6小時極值主要集中在21世紀(jì)00年代和10年代,12小時極值主要集中在21世紀(jì)00年代和10年代,24小時極值主要集中在21世紀(jì)00年代和10年代。

        2.2.2 極值年際分布特征

        福建省短歷時降水歷史極值年際變化見表2和圖2,表中“-”表示該年份未出現(xiàn)強(qiáng)降水極值。從20世紀(jì)60年代的數(shù)據(jù)可見,1963年、1965年、1967年、1969年短歷時強(qiáng)降水歷史極值出現(xiàn)較多(3-5站次),并有準(zhǔn)2年周期變化特征,該年代3小時和6小時強(qiáng)降水歷史極值出現(xiàn)較多(分別為5站次和6站次)。70年代的1972年、1973年、1978年短歷時強(qiáng)降水歷史極值出現(xiàn)頻數(shù)較多(5-8站次),周期變化不明顯,30分鐘和60分鐘強(qiáng)降水歷史極值出現(xiàn)頻數(shù)較多(分別為10站次和7站次),這一時期整體頻數(shù)相對偏少。

        圖2 福建省短歷時降水歷史極值年際變化圖

        表2 福建省1961-2018年短歷時降水歷史極值頻數(shù)逐年分布

        續(xù)表

        從20世紀(jì)80年代的數(shù)據(jù)可見,1981年、1983年、1988年、1989年、1990年短歷時強(qiáng)降水歷史極值出現(xiàn)較多(8-10站次),1988—1990年連續(xù)3年多發(fā),該年代10分鐘、6小時、12小時和24小時強(qiáng)降水歷史極值出現(xiàn)較多(10-14站次)。90年代的1994年、1996年、1997年、1999年、2000年短歷時強(qiáng)降水歷史極值出現(xiàn)較多(9-25站次),其中1996年多達(dá)25站次,成因是1996年7號、8號、10號臺風(fēng),半個月內(nèi)密集登陸福建所致,史上少見。90年代10分鐘、30分鐘、60分鐘強(qiáng)降水歷史極值出現(xiàn)較多,分別為16站次、20站次和15站次,其中最大值出現(xiàn)在1996年有5站次。

        從21世紀(jì)00年代的數(shù)據(jù)可見,2002年、2003年、2005年、2006年、2008年、2010年強(qiáng)降水歷史極值出現(xiàn)較多(10-36站次),其中2005—2006年連續(xù)2年多發(fā)(35站次和36站次),2005年短時強(qiáng)降水偏多是由于當(dāng)年6月17-24日福建北部遭遇持續(xù)性強(qiáng)降雨和臺風(fēng)“龍王”登陸廈門所致。2006年則是由于6月上旬中福建北部地區(qū)遭遇持續(xù)性強(qiáng)降雨所致,閩江主要支流和干流發(fā)生歷史少見的洪水,建甌城區(qū)受淹。3小時、6小時、12小時和24小時強(qiáng)降水歷史極值出現(xiàn)較多(21-28站次),其中24小時28站次最多。21世紀(jì)10年代,除2012年僅6站次外,其余年份強(qiáng)降水歷史極值出現(xiàn)均較多(10-23站次),其中2015年和2016年連續(xù)2年超過22站次。2015年是因?yàn)榍把雌诰值赜陝菝?,發(fā)生了旱澇急轉(zhuǎn),入夏后非臺風(fēng)影響導(dǎo)致短歷時強(qiáng)降水頻發(fā)。2016年則是由于福建遭遇了“尼伯特”、“莫蘭蒂”、“鲇魚”3個超強(qiáng)臺風(fēng)登陸所致。該年代10分鐘、30分鐘、60分鐘和3小時強(qiáng)降水極值出現(xiàn)較多,為16-21站次,其中最大值為60分鐘21站次。

        圖2可見,在全球氣候變暖的背景下,短歷時強(qiáng)降水歷史極值整體呈現(xiàn)明顯增多趨勢,增長率為2.7站次/10年。2005—2006年出現(xiàn)高峰期,1996年和2015—2016年出現(xiàn)2個次高峰期,1989年以前為偏少期,1989年以后進(jìn)入偏多期,偏多期內(nèi)1995年、2001年、2004年、2007年和2009年為低谷年。

        2.2.3 極值月際分布特征

        福建省短歷時強(qiáng)降水歷史極值具有明顯的月際分布特征,從表3可見,短歷時強(qiáng)降水歷史極值主要集中在雨季(5-6月)和夏季 (7-9月)。6月最多,為123站次,由鋒面強(qiáng)降水所致。其次為8月,有114站次,由臺風(fēng)登陸或嚴(yán)重影響所致。冬季(12月-次年2月)未出現(xiàn)強(qiáng)降水歷史極值。秋季(10-11月)和早春季(3-4月)均較少,分別為27站次和11站次。10分鐘、30分鐘強(qiáng)降水8月最多,1小時、3小時強(qiáng)降水6月和8月最多,6小時、12小時、24小時強(qiáng)降水6月最多。

        表3 福建省短歷時強(qiáng)降水歷史極值各月分布

        2.2.4 極值日變化特征

        福建省短歷時強(qiáng)降水歷史極值存在明顯日變化。如圖3所示,有2個峰值,主峰出現(xiàn)在15∶00至23∶00,16∶00達(dá)到峰值(47站次),次峰值為早晨5時。

        圖3 福建省短歷時強(qiáng)降水歷史極值日變化圖

        3 短時強(qiáng)降水造成城市嚴(yán)重內(nèi)澇典型案例

        3.1 臺風(fēng)“龍王”登陸概況

        2005年第19號臺風(fēng)“龍王”于10月2日5時15分在臺灣花蓮登陸,10時在臺中西南部入海,隨之減弱為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴,于23時40分在廈門市再次登陸,中心最低氣壓920hPa,近中心最大風(fēng)速60m/s,是10月份登臺入閩臺風(fēng)中最強(qiáng)之一。受臺風(fēng)“龍王”和弱冷空氣的共同影響,10月1日夜間至2日夜間,福建省中部沿海出現(xiàn)12級以上的瞬時大風(fēng),長樂市極大風(fēng)速達(dá)38m/s,海島下嶼自動站達(dá)45.6m/s。10月2-3日沿海地區(qū)大部分縣市出現(xiàn)暴雨或大暴雨。統(tǒng)計(jì)2日20時-4日20時的過程雨量,共有28個縣市過程雨量超過100mm,其中羅源、閩侯、福州、長樂和龍海超過200mm,長樂達(dá)到334mm,為最大。

        3.2 短歷時強(qiáng)降水極值特征分析

        “龍王”臺風(fēng)登陸福建時,由于與冷空氣共同作用,出現(xiàn)臺前颮線和短時強(qiáng)降水,其短時強(qiáng)降水極值為歷史上登陸和影響福建省臺風(fēng)短時強(qiáng)降水極值之最,見表4。

        表4 2005年第19號臺風(fēng)“龍王”短歷時強(qiáng)降水極值

        從表4可見,這次短時強(qiáng)降水過程主要集中在福州市的城區(qū)、長樂、閩侯、羅源4個縣市區(qū),其中福州城區(qū)6個歷時(10分鐘、30分鐘、60分鐘、3小時、6小時、12小時)的降水量均打破本地有氣象記錄以來的歷史極值,并保持至今,極端強(qiáng)降水造成了福州城區(qū)發(fā)生嚴(yán)重內(nèi)澇。福州市周邊的長樂、閩侯、羅源4個歷時的降水量,也打破了本地有氣象記錄以來的歷史極值。這是歷史上登陸和影響福建的臺風(fēng)中,致災(zāi)最為嚴(yán)重的一次。由此可見,2005年臺風(fēng)“龍王”60分鐘短時強(qiáng)降水極端性強(qiáng)、致災(zāi)性重。

        3.3 福州城區(qū)嚴(yán)重內(nèi)澇災(zāi)情分析

        受臺風(fēng)“龍王”影響,福州城區(qū)遭遇嚴(yán)重內(nèi)澇,福州長樂國際機(jī)場被迫關(guān)閉,航班取消,23條公交線路因澇停駛,部分民房、工廠、酒店、商店受淹,近十分之一城區(qū)停水、停電、停氣,福州某指揮學(xué)校訓(xùn)練基地受到山洪襲擊,全省直接經(jīng)濟(jì)損失約74.78億元。

        4 結(jié)論與討論

        綜合以上分析得出以下結(jié)論:

        ①10分鐘強(qiáng)降水歷史極值≥32mm的高值區(qū),出現(xiàn)在三明、永安、尤溪、龍巖、連城、德化、永泰區(qū)域和浦城、壽寧、屏南、長樂、漳州局部地區(qū);30分鐘強(qiáng)降水歷史極值≥70mm的高值區(qū)出現(xiàn)在漳州、南靖、華安、龍巖區(qū)域和永安、永春、長樂局部地區(qū);60分鐘強(qiáng)降水歷史極值≥100mm的高值區(qū),出現(xiàn)在南靖、華安、同安區(qū)域和福州市區(qū)、長樂、福清區(qū)域及羅源、永安、東山局部地區(qū)。

        ②在全球氣候變暖的背景下,1961年以來短歷時強(qiáng)降水歷史極值出現(xiàn)頻數(shù)呈明顯增多趨勢,表明短歷時強(qiáng)降水極端事件越來越頻發(fā),2005—2006年出現(xiàn)高峰期,1996年和2015—2016年出現(xiàn)2個次高峰期。從年代變化來看,短歷時強(qiáng)降水歷史極值主要集中在21世紀(jì)以后,目前最多出現(xiàn)在21世紀(jì)00年代,達(dá)到137站次。

        ③短歷時強(qiáng)降水歷史極值主要集中在雨季(5-6月)和夏季(7-9月)。6月最多為123站次,由鋒面強(qiáng)對流天氣所致。其次是8月,有114站次,由登陸或嚴(yán)重影響福建的臺風(fēng)所致。冬季(12月-次年2月)未出現(xiàn)強(qiáng)降水歷史極值,秋季(10-11月)有 27站次、早春季(3-4月)有11站次,均為較少。10分鐘、30分鐘強(qiáng)降水極值8月最多,1小時、3小時強(qiáng)降水極值6月和8月最多,6小時、12小時、24小時強(qiáng)降水極值6月最多。

        ④短歷時強(qiáng)降水歷史極值存在明顯日變化,有2個峰值。主峰出現(xiàn)在15∶00~23∶00,16∶00達(dá)到峰值,共有47站次,次峰值為早晨5時。

        ⑤2005年“龍王”臺風(fēng)登陸福建時,由于與冷空氣共同作用,出現(xiàn)臺前颮線和短時強(qiáng)降水,其短時強(qiáng)降水極值為歷史上登陸和影響福建省臺風(fēng)短時強(qiáng)降水極值之最,60分鐘短時強(qiáng)降水極端性強(qiáng)、致災(zāi)性重。

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