福建省短历时强降水历史极值气候特征分析*

李欣欣 白 龙 林 昕 廖 廓 郑潮宇

(1.福建省气候中心,福建 福州 350001；2.福建省气象科学研究所，福建 福州 350001)

短时强降水是福建省最为常见的强对流天气之一，常引起山洪、泥石流和城市内涝等次生灾害，常常造成重大的人员伤亡和巨大的经济损失。福建是我国台风灾害最严重的省份之一，据统计，2016年福建省遭受“尼伯特”、“莫兰蒂”和“鲇鱼”3个超强台风的正面袭击。台风较常年个数偏多、强度偏强，给福建省造成了严重经济损失。台风带来的短时强降水的突发性、局地性和极端性是最主要的致灾因子。作为新中国成立以来登陆我国最强的1号台风和7月登陆我国的最强台风，2016年台风“尼伯特”发生时，福州市闽清县和永泰县出现极端短时强降水。据监测，7月9日永泰县赤岸、丹云两地1小时最大雨强超过100mm，永泰县4个区域站3小时雨强超过200mm，闽清和永泰两县16个区域站6小时雨强超过200mm。极端短时强降水致闽江流域的福州市梅溪、大樟溪发生超警戒水位洪水，梅溪更是出现了历史最大洪水，多处山洪沟暴发山洪，闽清、永泰2个县城出现大面积内涝，灾情尤为严重。据分析研究，3小时和6小时极端强降水是此次台风最主要致灾因子。

非台风暴雨也经常引发福建省短时强降水，其持续性、区域性和极端性是最主要的致灾因子，如2010年6月13-26日，受低层切变线影响，闽北出现雨季期间持续时间最长、范围最广、雨量最多、强度最大、灾害最重的持续性暴雨至大暴雨过程，历史少见，南平市多个县市主城区受淹严重，其中18日南平市顺昌县3小时、6小时、12小时雨量分别达到121.5mm、209mm、260.2mm，均创当地历史极值。据分析研究，12小时和24小时极端强降水是此次非台风持续性暴雨至大暴雨过程最主要致灾因子。由此可见，加强对短时强降水极值气候特征的研究显得尤为重要和迫切。

近年来，我国许多气象专家学者研究了短历时强降水极端事件[1-16]。杨诗芳等[17]利用杭州市近20年的逐小时雨量资料，分析了杭州短时强降水的发生规律，发现杭州短时强降水雨量极值大多出现在台汛期间，短时强降水平均每年发生9.6次，高峰期为7—8月，且短时强降水容易发生在凌晨及午后两个时段。王国荣等[18]利用北京地区2006—2010年187个观测站的逐5分钟观测资料，对北京地区夏季短时强降水过程进行了统计分析，指出北京地区的短时强降水主要分布在山前及山前的平原地区。郭凌曜等[19]基于湖南省97个地面气象观测站1981—2010年自记降水资料，研究了湖南短时强降水事件的气候特征，发现湖南省1小时、3小时、12小时强降水事件的出现频率存在日变化、季节差异和趋势演变特征。沈澄等[20]利用2008—2012年南京自动气象站逐时降水量的观测资料对南京短时强降水的发生规律进行了探讨，结果表明南京雨强大于50mm/h的致灾性、短时强降水过程的发生次数呈显著增长的趋势。陈秋萍等[21]综合地面逐时降水资料、常规天气资料、雷达资料、卫星资料以及台风年鉴资料，对39个登陆福建不同地段的台风短时强降水时空分布特征及其与登陆时台风强度关系开展研究，进一步揭示了台风登陆福建引起的短时强降水规律，结果显示登陆中部台风强降水站数虽多，但单站强降水持续时间最短。登陆北部台风强降水站数虽少，但单站强降水持续时间最长。

本文利用1961—2018年福建省66个国家级地面气象站降水信息化资料，采用气候统计方法和对比分析法对全省短历时强降水历史极值的气候特征进行分析研究，旨在揭示福建省短历时强降水历史极值的时空分布特征和典型案例等关键气候背景信息，对短时强降水的风险研判与评估具有一定的指导意义和较好的应用价值，可为福建省短历时强降水极端事件的气象预报预警与防灾减灾救灾抗灾决策气象服务提供科学参考依据。

1 数据来源与处理

本文资料来源于福建省气象信息中心1961—2018年福建省66个国家级地面气象站降水信息化资料。全省66个气象台站有降水自记纸观测记录以来的逐分钟降水资料，各台站降水自记纸观测起始时间不同，较早的台站于20世纪50年代，而多数台站降水自记纸观测到20世纪80年代初才开始有观测记录。降水自记纸观测记录止于2002—2004年，2004年至今的逐分钟降水资料为自动站自动记录。

对于早期降水自记纸数据，使用中国气象局组织编制的降水自记纸彩色扫描数字化处理系统进行数字化处理。该系统通过计算机扫描、图像处理、数据处理，将气象站降水自记纸图像进行数字化转换，成为逐分钟降水量，并经人工审核或修正后，录入数据库。

1961—1979年数据是从降水自记纸信息化文件中得到逐分钟降水数据，再利用滑动统计法得到各历时降水极大值；1980—2018年数据是从66个国家级台站年报资料的降水量极大值中，采用基于分钟的降水资料，逐分钟滑动统计各历时降水极值，本文降水极值历时主要分为10分钟、30分钟、60分钟和3小时、6小时、12小时、24小时。

2 短历时强降水历史极值时空分布特征

2.1 短历时强降水历史极值空间分布特征

福建省10分钟强降水历史极值分布如图1(a)所示，极值≥32mm的高值区出现在三明、永安、尤溪、龙岩、连城、德化、永泰区域和浦城、寿宁、屏南、长乐、漳州局部地区，15个站中，2000年以后出现9个，1978年以前未出现，表明10分钟极端降水事件趋向多发。全省10分钟降水极值之最为39.1mm，于1993 年9月23日17时50分出现在龙岩城区，因当年第18号台风登陆广东台山—阳江影响所致。图1b为福建省30分钟强降水历史极值分布，极值≥70mm的高值区出现在漳州、南靖、华安、龙岩区域和永安、永春、长乐局部地区，8个站中，2005年以后出现5个，1987年以前未出现。全省30分钟降水极值之最为91.9mm，于2005年10月2日19时14分出现在福州长乐，由台风“龙王”登陆所致。福建省60分钟强降水历史极值分布见图1c，极值≥100mm的高值区出现在南靖、华安、同安区域和福州市区、长乐、福清区域及罗源、永安、东山局部地区，10个站中，2005年以后出现7个，1993年以前未出现。全省60分钟降水极值之最为168.1mm，于2005年10月2日19时14分出现在福州长乐区，由台风“龙王”登陆福建所致。

(a) (b) (c)

2.2 短历时强降水历史极值时间变化特征

2.2.1 极值年代分布特征

由福建省短历时降水历史极值频数年代分布表(表1)可见，不同历时降水极值累积出现频次呈逐年代增多趋势，表明了在全球气候变暖的背景下，短历时强降水极端事件越来越多发。20世纪60年代和70年代极值出现频数均较少，分别为26和33站次，21世纪00年代最多，达137站次，其次是21世纪10年代(统计至2018年)有111站次，其年代际变化呈增多趋势。

表1 福建省短历时降水历史极值频数/站数年代分布

各历时降水极值出现频次的年代际分布略有不同。10分钟极值主要集中在20世纪80年代和90年代、21世纪00年代和10年代，30分钟极值主要集中在20世纪90年代和21世纪10年代，60分钟极值主要集中在20世纪90年代、21世纪00年代、21世纪10年代，3小时极值主要集中在21世纪00年代和10年代，6小时极值主要集中在21世纪00年代和10年代，12小时极值主要集中在21世纪00年代和10年代，24小时极值主要集中在21世纪00年代和10年代。

2.2.2 极值年际分布特征

福建省短历时降水历史极值年际变化见表2和图2，表中“-”表示该年份未出现强降水极值。从20世纪60年代的数据可见，1963年、1965年、1967年、1969年短历时强降水历史极值出现较多(3-5站次)，并有准2年周期变化特征，该年代3小时和6小时强降水历史极值出现较多(分别为5站次和6站次)。70年代的1972年、1973年、1978年短历时强降水历史极值出现频数较多(5-8站次)，周期变化不明显，30分钟和60分钟强降水历史极值出现频数较多(分别为10站次和7站次)，这一时期整体频数相对偏少。

图2 福建省短历时降水历史极值年际变化图

表2 福建省1961-2018年短历时降水历史极值频数逐年分布

续表

从20世纪80年代的数据可见，1981年、1983年、1988年、1989年、1990年短历时强降水历史极值出现较多(8-10站次)，1988—1990年连续3年多发，该年代10分钟、6小时、12小时和24小时强降水历史极值出现较多(10-14站次)。90年代的1994年、1996年、1997年、1999年、2000年短历时强降水历史极值出现较多(9-25站次)，其中1996年多达25站次，成因是1996年7号、8号、10号台风，半个月内密集登陆福建所致，史上少见。90年代10分钟、30分钟、60分钟强降水历史极值出现较多，分别为16站次、20站次和15站次，其中最大值出现在1996年有5站次。

从21世纪00年代的数据可见，2002年、2003年、2005年、2006年、2008年、2010年强降水历史极值出现较多(10-36站次)，其中2005—2006年连续2年多发(35站次和36站次)，2005年短时强降水偏多是由于当年6月17-24日福建北部遭遇持续性强降雨和台风“龙王”登陆厦门所致。2006年则是由于6月上旬中福建北部地区遭遇持续性强降雨所致，闽江主要支流和干流发生历史少见的洪水，建瓯城区受淹。3小时、6小时、12小时和24小时强降水历史极值出现较多(21-28站次)，其中24小时28站次最多。21世纪10年代，除2012年仅6站次外，其余年份强降水历史极值出现均较多(10-23站次)，其中2015年和2016年连续2年超过22站次。2015年是因为前汛期局地雨势猛，发生了旱涝急转，入夏后非台风影响导致短历时强降水频发。2016年则是由于福建遭遇了“尼伯特”、“莫兰蒂”、“鲇鱼”3个超强台风登陆所致。该年代10分钟、30分钟、60分钟和3小时强降水极值出现较多，为16-21站次，其中最大值为60分钟21站次。

图2可见，在全球气候变暖的背景下，短历时强降水历史极值整体呈现明显增多趋势，增长率为2.7站次/10年。2005—2006年出现高峰期，1996年和2015—2016年出现2个次高峰期，1989年以前为偏少期，1989年以后进入偏多期，偏多期内1995年、2001年、2004年、2007年和2009年为低谷年。

2.2.3 极值月际分布特征

福建省短历时强降水历史极值具有明显的月际分布特征，从表3可见，短历时强降水历史极值主要集中在雨季(5-6月)和夏季 (7-9月)。6月最多，为123站次，由锋面强降水所致。其次为8月，有114站次，由台风登陆或严重影响所致。冬季(12月-次年2月)未出现强降水历史极值。秋季(10-11月)和早春季(3-4月)均较少，分别为27站次和11站次。10分钟、30分钟强降水8月最多，1小时、3小时强降水6月和8月最多，6小时、12小时、24小时强降水6月最多。

表3 福建省短历时强降水历史极值各月分布

2.2.4 极值日变化特征

福建省短历时强降水历史极值存在明显日变化。如图3所示，有2个峰值，主峰出现在15∶00至23∶00，16∶00达到峰值(47站次)，次峰值为早晨5时。

图3 福建省短历时强降水历史极值日变化图

3 短时强降水造成城市严重内涝典型案例

3.1 台风“龙王”登陆概况

2005年第19号台风“龙王”于10月2日5时15分在台湾花莲登陆，10时在台中西南部入海，随之减弱为强热带风暴，于23时40分在厦门市再次登陆，中心最低气压920hPa，近中心最大风速60m/s，是10月份登台入闽台风中最强之一。受台风“龙王”和弱冷空气的共同影响，10月1日夜间至2日夜间，福建省中部沿海出现12级以上的瞬时大风，长乐市极大风速达38m/s，海岛下屿自动站达45.6m/s。10月2-3日沿海地区大部分县市出现暴雨或大暴雨。统计2日20时-4日20时的过程雨量，共有28个县市过程雨量超过100mm，其中罗源、闽侯、福州、长乐和龙海超过200mm，长乐达到334mm，为最大。

3.2 短历时强降水极值特征分析

“龙王”台风登陆福建时，由于与冷空气共同作用，出现台前飑线和短时强降水，其短时强降水极值为历史上登陆和影响福建省台风短时强降水极值之最，见表4。

表4 2005年第19号台风“龙王”短历时强降水极值

从表4可见，这次短时强降水过程主要集中在福州市的城区、长乐、闽侯、罗源4个县市区，其中福州城区6个历时(10分钟、30分钟、60分钟、3小时、6小时、12小时)的降水量均打破本地有气象记录以来的历史极值，并保持至今，极端强降水造成了福州城区发生严重内涝。福州市周边的长乐、闽侯、罗源4个历时的降水量，也打破了本地有气象记录以来的历史极值。这是历史上登陆和影响福建的台风中，致灾最为严重的一次。由此可见，2005年台风“龙王”60分钟短时强降水极端性强、致灾性重。

3.3 福州城区严重内涝灾情分析

受台风“龙王”影响，福州城区遭遇严重内涝，福州长乐国际机场被迫关闭，航班取消，23条公交线路因涝停驶，部分民房、工厂、酒店、商店受淹，近十分之一城区停水、停电、停气，福州某指挥学校训练基地受到山洪袭击，全省直接经济损失约74.78亿元。

4 结论与讨论

综合以上分析得出以下结论:

①10分钟强降水历史极值≥32mm的高值区，出现在三明、永安、尤溪、龙岩、连城、德化、永泰区域和浦城、寿宁、屏南、长乐、漳州局部地区；30分钟强降水历史极值≥70mm的高值区出现在漳州、南靖、华安、龙岩区域和永安、永春、长乐局部地区；60分钟强降水历史极值≥100mm的高值区，出现在南靖、华安、同安区域和福州市区、长乐、福清区域及罗源、永安、东山局部地区。

②在全球气候变暖的背景下，1961年以来短历时强降水历史极值出现频数呈明显增多趋势，表明短历时强降水极端事件越来越频发，2005—2006年出现高峰期，1996年和2015—2016年出现2个次高峰期。从年代变化来看，短历时强降水历史极值主要集中在21世纪以后，目前最多出现在21世纪00年代，达到137站次。

③短历时强降水历史极值主要集中在雨季(5-6月)和夏季(7-9月)。6月最多为123站次，由锋面强对流天气所致。其次是8月，有114站次，由登陆或严重影响福建的台风所致。冬季(12月-次年2月)未出现强降水历史极值，秋季(10-11月)有 27站次、早春季(3-4月)有11站次，均为较少。10分钟、30分钟强降水极值8月最多，1小时、3小时强降水极值6月和8月最多，6小时、12小时、24小时强降水极值6月最多。

④短历时强降水历史极值存在明显日变化，有2个峰值。主峰出现在15∶00～23∶00，16∶00达到峰值，共有47站次，次峰值为早晨5时。

⑤2005年“龙王”台风登陆福建时，由于与冷空气共同作用，出现台前飑线和短时强降水，其短时强降水极值为历史上登陆和影响福建省台风短时强降水极值之最，60分钟短时强降水极端性强、致灾性重。