近60年永兴岛热带气旋降水的气候特征分析

周宇 凌芬曼 施晨晓

(1 海南省三沙市气象局，三沙 573199； 2 海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海口 570203；3 海南省气象信息中心，海口 570203)

引言

我国是受台风灾害影响最严重的国家之一，平均每年有7～8个左右的台风在我国登陆[1-2]。目前，关于台风的气候特征已有大量研究[3-5]，乐群等[6]分析了西北太平洋台风活动和中国沿海登陆台风暴雨及大风的气候特征，结果显示华南沿海登陆台风主要集中在6—11月，8—9月的降水量和风速最大。王咏梅等[7-8]分析了影响中国台风的气候特征，并指出近10年是影响台风频数最少的时期，台风降水在时空分布特征上是自东南沿海向西北内陆逐渐减少。蔡义勇等[9]对比分析了热带气旋(TC)登陆福建前后暴雨突然增幅的特征，发现登陆中部的热带气旋个数最多、暴雨突增次数也最多；热带气旋登陆后暴雨突增次数明显比登陆前多。王坚红等[10]利用热带气旋降水客观分析和统计分析，揭示了浙闽沿海登陆的热带气旋降水精细化分布特征与演变规律。杨慧等[11]利用全国台站资料分析了不同强度热带气旋对中国降水变化的影响，研究结果显示，强TC降水表现出显著减少趋势。吴慧[12]的研究显示影响和登陆海南的台风最早出现在4月，最晚到12月，其中6—10月为主要影响和登陆月份，登陆点集中在海南岛东部沿海，文昌最多。海南岛台风降水平均占年总降水量的30%，呈3%/10a的下降趋势[13]。张凯荣等[14]对登陆海南岛东部台风的基本变化特征进行了分析，结果表明，近50年来，登陆海南岛东部的台风频数年际和月际变化明显，台风的登陆地点分布不均匀。张丽杰等[15]的研究结果显示1971—2010年间，影响海南岛热带气旋的数量在减少，同时发生月份更加集中。永兴岛位于海南岛东南方180海里的南海西北部的海面上[16]，是三沙市政府驻地和渔民生活的地方，同时也是我国遭受热带气旋灾害最严重的地区之一，热带气旋常常最先影响永兴岛，而后影响海南岛及周边其他区域，目前没有关于永兴岛热带气旋气候特征的研究，因此，分析影响永兴岛的台风气候特征和路径对于做好台风预报、减少台风灾害具有重要的意义。永兴岛建站至今，已积累了62年地面观测资料，是南中国海上建设规模最大、业务最齐全的海洋岛屿站，也是具有较长时间序列历史资料的国家基准气候站，对于研究永兴岛的台风气候特征具有一定的代表意义。本文利用1958—2019年CMA-STITC热带气旋(TC)最佳路径数据集和永兴岛62年地面观测资料对进入研究区域的TC频数、路径、强度和降水等活动特征进行统计分析，以期对永兴岛的热带气旋气候特征规律有初步认识。

1 资料与方法

本文所用资料为1958—2019年三沙市永兴岛国家基准气候站(图1)逐日降水资料、中国气象局编写的1958—2019年西北太平洋热带气旋资料。资料为北京时02:00、08:00、14:00、20:00 4个时次的TC中心位置。

本文以永兴岛及附近区域(11.5°～21.5°N，107.2°～117.2°E)为研究区域，热带气旋中心进入此范围定义为热带气旋对永兴岛产生影响，热带气旋强度按照其在10°×10°经纬网格中达到最强的强度来定义。热带气旋等级参照国家标准(GB/T 1901—2006)划分为热带低压(TD)、热带风暴(TS)、强热带风暴(STS)、台风(TY)、强台风(STY)、超强台风(SSTY)6个等级。降水强度分为6个等级：小雨日降水量为0.0～9.9 mm，中雨日降水量为10.0～24.9 mm，大雨日降水量为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。雨日定义为日降水量大于0.0 mm的日数。热带气旋的降水判断：结合常规观测的探空资料所获得的天气形势和台风路径等资料主观判断TC降水或非TC降水。维持时间定义为热带气旋从第一次进入研究区域(图1矩形框)到离开研究区域的时间。历史上，1次热带气旋过程均存在多次进入研究区域的情形，为便于讨论，对于进入研究区域2次或以上的热带气旋，则其第2次(含)以后的不再考虑，即对于1次热带气旋过程，它只允许最多1次进入研究区域。

图1 海南省三沙市永兴岛国家基准气候站地理分布及研究区域(图中圆点为气候站所在，矩形框内为研究区域)

本文利用一元线性回归系数和趋势系数[17]，计算了不同强度、不同路径、不同季/月TC的频数、降水量、 雨日及其贡献率的长期趋势变化。

xt=a0+a1t

(1)

式中,t为时间(t=1,2,…,n);xt为要素逐年值;a1=dxt/dt，为回归系数(倾向率)；a0为常数。

xt与自然数列1,2,…,n的相关系数定义为要素的趋势系数rxt。

(2)

2 结果分析

2.1 永兴岛的热带气旋基本气候特征

2.1.1 永兴岛TC的年际及年代际变化

分析1958—2019年影响永兴岛的TC个数(图2)可知，62年间，影响永兴岛的TC共581个，平均每年9.4个，最多为16个(1970年)，最少为3个(2015年)。通过分析永兴岛的TC年际变化特征可知，永兴岛的TC有显著的下降趋势(通过α=0.01显著性检验)，0.68个/10a逐渐减少，趋势系数为-0.406，TC活动的高峰期出现在20世纪60—70年代，20世纪90年代后，出现明显减少的趋势，21世纪后开始有增长的趋势。

图2 1958—2019年永兴岛TC频数的年际变化

2.1.2 永兴岛TC的月际变化

由表1可知，影响永兴岛的热带气旋表现出明显的季节变化：5—12月为TC活跃期，在台风季节(5—12月)，共有566个TC影响永兴岛，占全年TC的97.4%，台风季节的TC有显著的下降趋势(通过α=0.01显著性检验)，以0.67个/10a逐渐减少，趋势系数为-0.410;5—6月TC增长较快，由于5—6月是南海西南季风爆发和持续明显增强的时期，南海热带气旋已经开始活跃；8—9月为旺盛期，也是热带辐合带活动最活跃的时间，9月出现的热带气旋最多，有115个；12月热带气旋绝大多数在较低纬度区域内活动，而永兴岛正属于受此影响明显的地区。1—4月较少产生热带气旋。

不同强度等级的TC个数相差很大，分布极不均勺，强度为TD、STS出现最多，有150个，强度为SSTY出现最少，只有13个。

各强度等级TC 月分布也有较明显的差异，TD 5月开始活跃，5—10月出现个数最多，极值出现在9月(32个);TS 6—9月出现个数最多;STS主要出现在下半年的6—11月;TY主要在7—10月，最多在9月(24个);STY 10月与其它强度等级的TC个数较为接近，其他月份少2～4倍;SSTY个数较少，一共13个，且只在7—11月出现。

由表2可知，9月TS增加趋势最明显，0.1个/10a逐渐增加，趋势系数为0.331，8月TD减少趋势最明显，0.24个/a逐渐递减，趋势系数为-0.560，均通过α=0.01显著性检验。

表1 1958—2019年永兴岛不同强度等级台风个数

表2 1958—2019年永兴岛不同强度等级TC变化趋势系数

2.1.3 永兴岛TC的路径分类和特征

将台风路径分为5类(图3)，各类路径的TC特征如下：①热带气旋中心位置向西直行越过16.5°N或以北定义为A类(向西直行偏北类)； ②没有越过16.5°N或以南定义为B类(向西直行偏南类)，A类和B类都是向西直行，没有转向；③热带气旋中心位置从东向西再向东北呈抛物线型定义为C类(转向东北类)；④热带气旋中心位置从东向西再向西南的路径定义为D类(转向西南类)；⑤从西向东再向东北的路径定义为E类(从西向东北类)，C类和E类的区别是一个起点在东，一个起点在西。

图3 1958—2019年影响永兴岛台风路径:(a)A类,(b)B类,(c)C类,(d)D类,(e)E类(A类：西直行偏北；B类：西直行偏南；C类：转向东北；D类：转向西南；E类：西向东北)

由表3统计可知，A类频率最高，是影响永兴岛TC的主要路径，占TC总数的52.0%，6月开始A类与B、C、D、E类相比出现频率高，说明这季节副热带高压所处纬度较高，脊线在20°～30°N，6月副热带高压已北跳至20°N以北，导致TC的移动路径偏北，TC多以西直行偏北路径影响永兴岛，10月开始，A类TC明显减少，而B类TC开始增多，说明在9—10月副热带高压有季节性的南落，一般到20°N以南，影响永兴岛的TC绝大多数处于副高南侧的东风气流，受东风气流引导TC自东向西直行频率就会高，TC的移动路径偏南，多以西直行偏南路径影响永兴岛，到12月，热带气旋绝大多数在较低纬度区域内活动，路径以B类、D类进入南海南部海域为主，少有热带气旋北上。TC的季节变化特征：A类主要出现在6—10月，B类主要出现在10—11月，C类主要出现在5—10月，D类主要出现在10—12月，E类出现在5—8月，1—3月不出现A、C、E类路径。

表3 1958—2019年永兴岛不同路径TC逐月分布统计

2.2 影响永兴岛热带气旋降水气候特征

2.2.1 热带气旋的年降水特征

2.2.1.1 降水量

1958—2019年，永兴岛TC年平均降水量为705.2 mm，其最高年降水量出现在1995年，达到2166.6 mm，最低年降水量出现在2004年，仅为58.4 mm。在过去62年中，有38年的降雨量有负距平(-91.72%～-0.60%)，进入20世纪90年代后，出现连续多个的负距平，永兴岛在1991—1994年，1997—2000年，2002—2005年，2007—2011年，2014—2019年均出现连续的降水偏少的现象，有24年出现正距平(5.04%～238.51%)，降水量高于多年平均，最大距平(1995年，238.51%)与最小距平(2004年，-92.59%)之间的差异较大，即反应了在不同年份热带气旋降雨之间的差异较大。永兴岛热带气旋的降雨量有显著(通过α=0.05的显著性检验)下降趋势，其回归系数为-61.76 mm/10a，趋势系数为-0.270(图4)，原因可能是影响中国的热带气旋从70年代至今向东亚沿岸偏移明显，对南海的影响减少而对我国华东及东南沿海影响增多，致使影响中国的热带气旋降水发生变化。这种热带气旋降水长期变化趋势可能与全球气候变暖有关[18]。

图4 1958—2019年永兴岛TC年降水量年际变化

2.2.1.2 不同量级降水变化特征

由表4可知，1958—2019年，永兴岛TC降水量以暴雨及以上量级的强降水为主，年平均强降水为472.8 mm，占比67.0%，TC强降水中大暴雨所占比例最大，达到29.6%，大暴雨的最大值出现在1978年，达到676.1 mm。特大暴雨的最大值出现在1995年，达到905.8 mm。非强降水(暴雨以下量级的降水)占33%，其中，小雨所占比例最少，仅为5.6%。TC不同降水量级皆是下降的趋势，其中以中雨的下降趋势最明显，回归系数为-12.64 mm/10a，趋势系数为-0.501，通过α=0.01显著性检验。

进一步分别统计1958—2019年逐年永兴岛的TC强降水和非TC强降水的情况可知，TC活动对永兴岛强降水贡献最多，达到67.8%，其他天气系统对永兴岛强降水(224.2 mm)的贡献仅为32.2%，TC强降水对总强降水的贡献率无趋势变化，其回归系数为0.57/10a，趋势系数为0.055(图5)。

表4 1958—2019年永兴岛不同降水量级TC趋势系数

图5 1958—2019年永兴岛TC强降水贡献率年际变化

2.2.1.3 雨日

由表5可知，1958—2019年，永兴岛TC年雨日的平均值为24.0 d，最大值(1986、1970年，44 d)与最小值(2004年，2 d)之间的差异较大，趋势分析的结果显示永兴岛热带气旋雨日有显著(通过α=0.01的显著性检验)的下降趋势，以-2.72d/10a的速率递减，趋势系数为-0.549。

各量级雨日占年雨日的比例之间差异也较大，随着降水强度的增加，雨日也随之减少，暴雨及以上量级的强降水雨日为4.1 d，虽只占16%，但雨量却占67%，可见暴雨强度大、时间集中；对于小雨、中雨、大雨，永兴岛雨日多，降水量小。TC不同等级雨日皆是下降的趋势，其中以小雨的下降趋势最明显，其回归系数为-1.5 d/10a，趋势系数为-0.508，通过α=0.01显著性检验。

进一步分别统计1958—2019年逐年永兴岛的TC强降水和非TC强降水雨日的情况可知，年均台风强降水日数为4.1 d，非TC强降水日数为2.8 d。TC强降水雨日对总强降水雨日的贡献率呈现显著(通过α=0.01显著性检验)的下降趋势，其回归系数为-4.7 d/10a，趋势系数为-0.335(图6)。

表5 1958—2019年永兴岛TC不同等级雨日的趋势统计

图6 1958—2019年永兴岛TC强降水雨日贡献率年际变化

2.2.1.4 不同路径下的降水特征

TC降水主要受A类路径影响，贡献率达到57.1%，D类贡献率最小，仅为2.5%，B类TC(104个)与C类TC(117个)个数较为接近，但C类产生的降水是B类的近2倍，D类与E类也存在近似的特征，可见C、E类路径的TC分别相较D、B类路径更容易在永兴岛产生更多的降水(表6)。

表6 1958—2019年永兴岛不同路径TC雨量的趋势系数

进一步统计发现，影响强度达到TY的A类路径的TC降水贡献率最大，达到20.11%，各路径的不同强度等级的TC贡献率分布极不均匀，B类、C类路径中以STS贡献率最大(5.10%，8.07%)，D类、E类路径中TY贡献率最大(1.29%，2.76%)，影响强度达到SSTY以上的热带气旋当中，只有A、B类路径出现降水，A类贡献率最大，占2.30%，其次为B类路径，占0.19%(表7)。

表7 1958—2019年影响永兴岛不同路径不同强度等级的TC雨量对年平均TC雨量的贡献率 %

2.2.2 各月热带气旋的降水特征

2.2.2.1 降水量

从表8可知，从4月开始TC降水量逐步增加，5月缓慢递增，6月突变式增多(相比5月增多了67.8 mm)，9月达到最大值147.1 mm，降水主要集中在7—10月(月降水量均超过100 mm)，11月开始突变式减少(相比10月减少59.1 mm)，1月达到最小值5.8 mm，2、3月无降水产生。月极值出现在1995年9月，雨量达到633.8 mm，9月的TC个例数虽最多，但其对年降水量的贡献(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趋势外(未通过显著性水平检验)，其余月份降水量均呈减少的趋势，11月较明显递减，其回归系数-16.9 mm/10a，趋势系数为-0.314，通过α=0.05显著性检验。汛期(5—10月)雨量也有下降趋势，其回归系数为-50.18 mm/10a，趋势系数为-0.240。

表8 1958—2019年影响永兴岛月平均TC雨量贡献率及趋势系数

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，月极值出现在1983年10月，达到15 d。

除4、12月雨日呈略增多的趋势外(未通过显著性水平检验)，其余月份雨日均呈减少的趋势，其中9月较明显递减，其回归系数-0.94 d/10a，趋势系数为-0.514，通过α=0.01显著性检验。TC雨日贡献率(逐月TC雨日/年降水日)的峰值较TC个例数的峰值提前1个月，出现在8月，而雨量贡献率的峰值较TC个例的峰值提前2个月，出现在7月。汛期(5—10月)雨量也有下降趋势，其回归系数为-2.55 d/10，趋势系数为-0.552，通过α=0.01显著性检验(表9)。

表9 1958—2019年影响永兴岛月平均TC雨日贡献率及趋势系数

3 结论与讨论

(1)1958—2019年，共有581个TC影响永兴岛，年均9.4个，TC主要在5—12月影响永兴岛，9月出现的热带气旋最多，1—4月为寂静期，较少出现热带气旋，超强台风只在7—11月影响永兴岛。影响永兴岛的TC有显著(通过α=0.01显著性检验)的下降趋势，0.68个/10a逐渐减少，趋势系数为-0.406。

(2)影响永兴岛的TC路径分为5类：向西直行偏北类(A类)、向西直行偏南类(B类)、转向东北类(C类)、转向西南类(D类)、从西向东北类(E类)，其中A类占TC总数的52.0%，A类TC中各个强度所占频率均高于其他类TC。

(3)永兴岛TC降水有显著(通过α=0.05显著性检验)的下降趋势，回归系数为-61.76 mm/10a，趋势系数为-0.270。除4、12月降水量、雨日呈略增多的趋势外，其余月份均呈减少的趋势，雨量在11月递减最明显，雨日在9月递减最明显。

(4)TC活动对永兴岛强降水贡献最多，达到67.8%，其他天气系统对永兴岛强降水的贡献仅为32.2%，而年均TC强降水日数为4.1 d，非TC强降水日数为2.8 d。TC强降水对总强降水的贡献率无明显的趋势变化，其回归系数为0.57/10a，趋势系数为0.055;而TC强降水雨日的贡献率则呈现下降趋势，其回归系数为-4.7/10a，趋势系数为-0.335，均通过α=0.01显著性检验。

本文对各类路径的TC的气候原因分析还较为初步，有待进一步的深入研究。