基于长系列水文监测数据的台风对舟山岛降雨量的影响

叶 舟,耿 诚,徐 贝,陈 芳

(浙江海洋大学 海洋工程装备学院,浙江 舟山 316022)

1 问题的提出

台风通常给海岛带来造成人员伤亡和财产损失的灾害性风、雨、潮等,但台风也给干旱海岛地区带来降水,因此利用台风雨解决海岛水资源短缺的研究是国内外学者十分关注的课题。台风降雨研究通常有以下几个方向:

(1)研究台风暴雨影响因子。陈淑琴等[1]研究“麦莎”台风(0509)引起舟山特大暴雨的成因,认为台风登陆后减弱缓慢,由于台风处于对流不稳定环境中,舟山地区水汽辐合、高空辐散、上升速度等都非常有利于强降水。赵玉春等[2]研究“莫兰蒂”台风(1614)引发的福建特大暴雨过程的地面降水特征以及与之相对应的台风登陆前后其流场、温湿场、能量场与动力、热力等三维结构。陈涛等[3]研究“利奇马”(1909)台风登陆期间对流结构特征及对强降雨影响,研究表明近岸台风螺旋雨带以层积混合型降水为主,台风眼墙区域以热带暖云对流型降水为主。端义宏[4]对登陆台风结构的观测、预报与影响评估,探索登陆台风精细化结构演变规律。陈联寿等[5]认为台风暴雨强度和分布与内部结构影响、环境大气控制和下垫面强迫3个方面因素有关。

(2)研究台风降雨分布结构。陈镭等[6]研究“桑美”(0608)台风登陆前后距台风中心1纬距以内的降水结构的时空演变特征,认为登陆前后降水结构是有明显的非对称性。王毅等[7]研究“温比亚”台风(1818)环流背景、地面辐合、水汽条件、涡度及上升运动、垂直螺旋度等对强降水影响的分析,认为强降水集中在距台风中心100 km以内的台风前进方向的左前部和后部,距台风中心25～50 km的降水量中心小时降水量普遍较大。何会中等[8]利用热带降雨测量任务(TRMM)资料研究“鲸鱼”(0302)台风时,发现最大平均降水出现在距台风中心30～40 km处,然后降水量随距离增加而迅速减小。Lonfat等[9]研究1998—2000年间的260个热带气旋,认为台风非对称降水随风暴强度和地理位置有显著变化。一般来说,强度较低的台风最大降水发生在左前象限,而强度较高的则出现在右前象限,且强度较低的台风显示出更大的非对称性。Burpee等[10]研究台风Alicia和Elena雨带中的平均降水率与眼墙相比随时间变化较小,并且平均降水率从眼墙到外围第一条螺旋雨带处有明显减弱。

(3)对2个以上台风路径和降雨比较研究。梁玉春等[11]认为路径相似的台风对某地降雨截然不同的原因是能量分布、水汽分布特征和垂直运动等方面存在明显差异,特别是副热带高压特征、地面气压场、850 hPa环流、台风云系结构、低空急流和水汽通量、垂直散度场、能量场等因素。谢韶等[12]对路径相似而降雨特征(强度、分布)相差较大的台风比较分析,认为台风与环境场的相互配置是造成两强台风降水差异的直接原因。朱红芳等[13]研究进入内陆的两个台风“海葵”(1211)和“麦德姆”(1410)在安徽的降雨特征对比分析,水汽输送差异使得海葵强降水空间分布呈纬向型,而“麦德姆”为径向型特征。钱燕珍等[14]研究分析3个登陆台风“菲特”(1323)、“杜鹃”(1521)、“莫兰蒂”(1614)对宁波强降水形成的原因。

(4)研究台风减弱过程中降雨变化。王盛繁等[15]认为台风低压、季风气流、冷空气是造成异常强暴雨主要天气系统,地形抬升对暴雨增幅有明显的作用。黄敏辉等[16]认为台风路径总趋势、台风登陆后的移动路径、强度减弱快慢、移速的变化、台风移经城市的距离、浓密云团动态是影响台风降雨准确预报的重要因子。陈宏等[17]研究“安比”(1810)台风北上后期在山东、天津两个暴雨落区分布上的差异,山东暴雨位于台风路径东侧而天津暴雨位于路径西侧,天津降雨强度明显增强。

目前已有的研究主要聚焦于分析台风带来的灾害性特征对覆盖地区的影响,重点研究单个台风引起的降雨影响因素和分布结构,也有一些研究对2～3个台风的降雨特性进行比较,但是缺乏对台风引发的区域长时间序列降雨量的深入研究。本文在笔者前期研究[18-20]基础上,统计整理了1980—2019年间西北太平洋的台风数据,结合此期间长春岭站降雨量进行统计学分析,交叉气象学和水资源学科,分析台风对舟山降水的影响规律和台风影响下的降水资源分布,为淡水资源匮乏的海岛城市的水资源利用提供数据基础。

2 数据来源及分析方法

2.1 长春岭站基本情况

长春岭站位于舟山市本岛定海区,是舟山市水文站所属降雨监测资料系列最长的站点,该站从1980年开始观测降雨量至今。从降雨的年内分配看,舟山岛每年有2个主要的集中降雨期:①4—6月份,该降雨期长春岭站平均每年降雨量为474.63 mm,约占全年降雨量的28.69%;②每年7—10月份的台风期,平均每年降雨量为663.90 mm,占全年降雨量的40.13%,具体见表1。本研究利用该站1980—2019年的降雨资料进行台风雨研究。

表1 长春岭站多年平均降雨量Table 1 Multi-year average rainfall at Changchunling Station

2.2 数据分析方法

本文主要利用皮尔逊相关系数模型对舟山降雨量和台风影响因素进行相关性分析,进而为舟山水资源保障策略提供量化支持。台风分为在浙江登陆和影响舟山两类,降雨量按照10～50 mm和≥50 mm分成两组,建立皮尔逊模型,分析其与舟山年台风总降雨量的相关性。

3 影响降雨的台风分类及相关性分析

1980—2019年西北太平洋共发生台风976个,影响舟山长春岭站降雨≥10 mm的台风有236个。根据长春岭站降雨资料分析,台汛期该站总降雨量27 067.3 mm,台风带来的降雨量19 636.2 mm,台风雨占台汛期降雨量的72.55%,平均每年台风带来雨量为490.91 mm。其中1980—1999年间,该比例为70.51%,平均每年带来的台风雨为474.08 mm;2000—2019年该比例为77.19%,平均每年带来的台风雨为505.74 mm。后20 a(2000—2019年)比前20 a(1980—1999年)平均增加6.68%,浙江登陆台风数后20 a比前20 a增加46%,总降雨量仅上升7.69%。其他登陆及非登录台风降雨10～50 mm的台风数量基本持平,而≥50 mm的台风数从56个下降到42个,下降21.81%(表2)。

表2 1980—2019年登陆浙江和影响舟山长春岭雨量站降雨的台风Table 2 Typhoons that made landfall in Zhejiang and affected rainfall at Changchunling rainfall station in Zhoushan during 1980-2019

从40 a长春岭站降雨量排列统计图(图1)可见,年降雨量最大的前10个年份中有7个是2000年以后的,但前20位中也仅仅只有10个年份属于2000年以后,说明40 a台风影响的降雨总体均匀,但最近10 a降雨明显增加。从年份看,平均每年台风雨量为490.91 mm,雨量最大年份在2019年(1 126.5 mm),最小年份在2003年(144.5 mm),前者为后者的7.8倍,说明年际台风雨量相差很大。

图1 舟山市长春岭站台风雨量统计Fig.1 Statistics of typhoon rainfall amount at Changchunling station in Zhoushan

利用皮尔逊模型对舟山年台风总降雨量和其他登陆及非登陆台风降雨≥50 mm、10～50 mm、浙江登陆台风≥50 mm降雨量、浙江登陆台风10～50 mm降雨量、浙江登陆台风年总降雨量之间的相关性进行分析,相关系数结果如图2所示。

图2 年总降雨量与各类台风影响的皮尔逊相关性分析Fig.2 Pearson correlation analysis of total annual rainfall and the impact of various typhoons

分析图2可得:

(1)站点年台风总降雨量与其他登陆及未登录台风影响10～50 mm降雨量的相关系数为0.02,表明年台风总降雨量与未在浙江登陆,且对舟山影响轻微的台风降雨量相关性很弱。站点年台风总降雨量与在浙江登陆台风10～50 mm降雨量的相关系数为-0.11,表明年台风总降雨量与浙江省登陆但对舟山影响较小台风的相关性较弱且呈负相关。分析其原因认为,一方面浙江登陆台风总量较少,另一方面台风在浙江登陆后多数情况下其行进路线远离舟山,同时登陆后台风强度伴随着其降水量迅速减少,因而相关性较弱。相关系数为负数是因为在以年为单位的尺度上分析,在浙江登陆的台风总数呈稳定分布,其中降雨量在10～50 mm与≥50 mm的台风数量呈负相关性,而后者对舟山年台风总降雨量影响大得多。所以从总体来看在浙江登陆台风降雨量在10～50 mm的数量越多,舟山的年台风总降雨量越少,呈负相关性。

(2)站点年台风总降雨量与其他登陆及未登陆台风影响≥50 mm降雨量、浙江登陆台风总降雨量和浙江登陆台风降雨量≥50 mm的相关系数分别为0.54、0.75和0.68,具有很强相关性。这意味着年台风总降雨量很大程度上取决于在受台风影响≥50 mm降雨量和浙江登陆台风特别是降雨量≥50 mm台风所带来的降雨量。

(3)浙江登陆台风总降雨量与其中≥50 mm降雨量的相关系数r=0.83,表明浙江登陆台风总降雨量与其中≥50 mm降雨量有强正相关性,即每年浙江登陆台风给舟山带来的降雨量基本上由其中≥50 mm降雨量的台风所决定。

4 台风对降雨的影响

4.1 登陆舟山台风对降雨的影响

4.1.1 登陆舟山的台风情况

由于登陆舟山台风较少,为便于研究样本选取统计时间跨度延长到1949—2022年。建国以后舟山登陆台风共有7个,其中1980—2019年间发生4个。由于舟山定海地区1949年尚未解放,因此4906号台风缺少完整的信息记录。舟山登陆台风的登陆点基本在普陀县,见表3。这些台风的特点有:①只有2106台风属于近海台风,其他均位于我国台风48 h警戒线(15°N—34°N,111°E —132°E)以东,属于远海台风。②这些台风大部分在晚上登陆,这个时间段(每年春分至秋分)舟山海域夜潮高潮位比日潮高潮位高,因此台风晚上登陆对舟山沿海地区影响更大。③登陆后台风路径走向大致有3种。一是登陆舟山后转向北偏东方向,然后在日本韩国等地二次登陆;二是登陆舟山后向北偏西方向继续前行,在杭州湾北岸二次登陆;三是舟山登陆后西行在浙江宁波等沿海再次登陆。这些台风的共同特征就是台风几次转向后在某地2次甚至3～4次登陆。

表3 1980—2019年间登陆舟山台风(热带风暴)特征值Table 3 Characteristic values of typhoons (tropical storms) that made landfall in Zhoushan during 1980-2019

4.1.2 长春岭站降雨特征

分析7个台风过程降雨量,2106号台风偏大,9806号台风过程降雨偏小,其他几个台风影响长春岭站降雨量均比较接近,平均每个台风降雨300.58 mm。9806号台风具有强度小降雨过程短的特点,从表3可知该台风过程降雨时间最短仅为3 d,过程降雨量77.4 mm,最大日降雨量50.7 mm(舟山登陆台风平均过程降雨为4.67 d,最大日降雨量平均值为101.78 mm)、登陆后路径向西偏南方向,这些因素综合起来使得降雨量偏小。2106台风属于近海台风,虽然台风形成到登陆时间短,但过程降雨时间一般很长,因此雨量较大。

4.1.3 台风路径相关因子对过程降雨量影响

路径相关因子除台风走向,还有登陆点、强度、移动速度等。舟山登陆台风登陆点相同均在普陀区(县),因此主要观察因子为移动速度、台风强度和路径走向。已有研究表明,移动速度与过程降雨量负相关,移动速度越慢,台风影响时间越长,降雨量就越大[21]。但根据表3台风基本数据分析,移动速度与降雨量之间没有明显的对应关系。台风强度与降雨量正相关,一般来说强度越大降雨量越大[22]。本研究中7个台风中2个为热带风暴,5个为强台风,实测降雨数据证明了强度与过程降雨量之间的这种正相关关系。另外台风登陆后的路径对降雨量影响非常大,特别是第3种路径登陆后西行在宁波再次登陆的台风带来的降雨量非常小。此台风在3.5 d的生命史中连续发生7次突然左折和1次突然加速,并形成典型的倒抛物型路径,属非常少见异常移动台风[23]。从舟山登陆的台风可以初步看出,相关影响因子中路径对降雨影响最敏感,其次是强度,移动速度对过程降雨量没有明显的影响。

4.2 登陆浙江台风对降雨的影响

4.2.1 登陆浙江台风的登陆点分类

图3为1980年以来浙江登陆台风登陆地点、长春岭过程降雨量统计。登陆点分成4个区间,分别为浙闽界—平阳区间、瑞安—温岭区间、三门—象山区间、舟山—杭州湾区间。从图3可知,登陆浙江的32个台风中,2000年以前出现在瑞安—温岭区间频率较高,2000年以后在浙闽界—平阳区间明显增多,舟山—杭州湾区间也明显增加。

图3 浙江登陆台风舟山降雨情况统计Fig.3 Statistics of rainfall in Zhoushan generated by typhoons making landfall in Zhejiang

不同登陆区间的台风对长春岭站过程降雨量的影响明显不同。①台风登陆总体分布浙闽界—平阳区间6个,长春岭站平均降雨量143.78 mm,最大日降雨量162.4 mm。瑞安—温岭区间17个,平均降雨量156.40 mm,最大日降雨量345.2 mm。三门—象山区间5个,平均降雨量147.24 mm,最大日降雨量171.5 mm。舟山—杭州湾区间4个,平均降雨量177.35 mm,最大日降雨量323.0 mm。②浙江登陆的32个台风,长春岭降雨量<50 mm有7个,50～100 mm有6个,>100 mm有19个,>200 mm有11个,>300 mm有4个,>400 mm有1个。③>200 mm有11个台风中,浙闽界—平阳区间3个,瑞安—温岭区间4个,三门—象山区间2个,舟山—杭州湾区间2个。

4.2.2 登陆后台风路径分析

根据登陆后的台风大致走向进行分区,台风登陆后大致可以分成7种走向。为了方便研究,本文将台风登陆后大致走向在坐标区域内重新布置,即以台风登陆点为原点将第一、第二、第三象限划分为Ⅰ—Ⅶ 区域,Ⅰ 区范围E—NE22.5°,Ⅱ 区范围NE22.5°—N,Ⅲ 区为N—NW22.5°,Ⅳ区为NW22.5°—NW45°,Ⅴ 区为NW45°—NW67.5°,Ⅵ区为NW67.5°—W,Ⅶ 区为W—SW67.5°。图4[24]为按这种方法绘制的1980—2019年间登陆浙江台风路径示意图,具体表现为4个相对集中台风登陆区间及路径情况。一般来说,台风登陆后总体趋势是向北偏西方向移动,也有部分移向北偏东方向。从图4可知,朝西或西南向移动的台风虽然极少,但这种台风带给长春岭站过程降雨量明显偏小。已有文献表明,当台风在温州南部、福建沿海、闽粤交界处登陆后朝偏西或西南方向移动,则舟山降雨量比较小[25]。

图4 登陆浙江台风路径走向[24]Fig.4 Path direction of typhoons making landfall in Zhejiang[24]

4.2.3 台风路径相关因子对过程降雨量影响

本节分析与路径相关因子包括移动速度、路径走向、台风强度等几个关键因子对过程降雨量影响。移动速度>24 km/h共有16个台风,只有7个台风降雨量<50 mm,占降雨量<100 mm的13个台风的53.85%,说明移动速度对降雨量有影响。从台风路径走向分析,总体上台风路径在Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ区内降雨量明显偏少,共有13个台风位于这3个区域,占降雨量<100 mm的13个台风中有9个,约占69.23%。从台风强度影响分析,统计风力<11级及以下的17个台风,降雨量<100 mm有9个,占69.23%。如果按10级风力计算,其中有7个台风带来的降雨量<100 mm,占53.85%。从上面分析可知,3个因子中影响降雨量最敏感的因子是路径走向,其次是强度和移动速度,与前文舟山登陆的台风分析得出的结论相似。

4.3 登陆其他区域及非登录台风对降雨的影响

4.3.1 按登陆点、非登录分类的其他台风

本章研究影响长春岭站降雨的非浙江登录的其他台风。根据国家气象、水利有关统计资料,1980—2019年40 a间西北太平洋共发生台风976个,影响长春岭站降雨>10 mm的有236个,其中浙江登录的有32个。对204个影响长春岭站降雨的台风进行大区分类,分为近海未登陆、远海未登陆、北方省登陆、南方省登陆、北方国家登陆、南方国家登录6类。北方省登陆指在上海、江苏等浙江以北的省份登陆的台风,南方省登陆指福建等浙江以南有关省份登陆的台风,北方国家登陆指在日本、韩国、朝鲜等国登陆的台风,南方国家登陆台风指在越南、菲律宾等国登陆的台风。

图5为其他登陆及非登陆台风对长春岭站过程降雨量影响情况。由图5可知,近海发生的未登陆台风都在1980—1999年间,合计9个。远海发生而未登陆台风52个,其中1980—1999年间33个,2000—2019年间19个。南方国家登陆12个,北方国家登陆59个,南方省登陆69个,北方省登陆3个。总体上看,呈现出北方国家登陆台风影响长春岭站过程降雨量大于南方国家登陆台风,南方省登陆台风影响长春岭站降雨明显要大于北方省登陆台风。

图5 非浙江登陆台风影响舟山岛降雨的台风登陆地统计Fig.5 Statistics of non-Zhejiang-landing typhoons affecting rainfall on Zhoushan Island

4.3.2 不同登陆点对长春岭站过程降雨量的影响

其他登陆及非登陆台风影响长春岭站降雨10～50 mm的总降雨量2 822.3 mm,平均每个台风降雨量为26.63 mm;影响降雨量≥50 mm的总降雨量为11 764.8 mm,平均每个台风降雨量为120.05 mm。从前文分析可知登陆浙江台风带给长春岭降雨量为5 049.1 mm,平均每个台风降雨量为157.78 mm。从平均每个台风降雨量看,其他登陆及非登陆台风降雨量为浙江登陆台风的2.88倍,其中1980—1999年期间为4.39倍,2000—2019年期间为2.09倍,说明前20 a登陆浙江的台风带来过程降雨量较小,后20 a登陆浙江的台风带来过程降雨量大。

图6为影响长春岭站降雨>10 mm未登录或非浙江登陆台风情况。从图6可知,一次降雨量>100 mm台风中,海上未登陆台风占21.95%,北方国家登陆占41.21%,南方省份登陆占33.45%,三者合计达98.61%。而一次降雨>10 mm台风中,海上未登陆台风影响占28.22%,北方国家占28.72%,南方省份占38.36%,三者合计95.3%。上述结果说明除浙江登录台风外,对舟山长春岭站过程降雨量影响较大的是这3种台风。

图6 影响长春岭站降雨≥10 mm未登录或非浙江登陆台风情况Fig.6 Non-landfall or non-Zhejiang-landing typhoons that generate rainfall over 10 mm at Changchunling station

5 结 论

对于海岛来说,淡水资源短缺影响着海岛人们的生活、生产和生态环境。地处太平洋西北岸的浙江诸多海岛,每年都会受到多个台风的影响,因此台风雨也成为可以开发利用的重要水资源,缓解当地水资源压力较大问题[27]。本文对舟山岛长春岭站台风雨分布及其影响因子、变化规律进行了初步研究,主要结论如下:

(1)根据1980—2019年40 a间台风降雨规律分析,平均每年长春岭站台风带来的雨量为490.91 mm,占台汛期降雨量72.55%,其中浙江登陆台风带给长春岭站降雨量126.23 mm(含舟山登陆台风29.45 mm),其他登陆及未登陆台风平均每年带来雨量为364.68 mm。从单个台风带来的平均降雨量看,舟山登陆台风300.65 mm,浙江登录台风157.78 mm,其他登陆及未登陆台风为71.28 mm。

(2)年台风总降雨量很大程度上取决于在受台风影响≥50 mm降雨量和浙江登陆台风特别是降雨量≥50 mm台风所带来的降雨量。与受台风影响10～50 mm降雨量和浙江登陆台风10～50 mm降雨量关系不大,甚至呈现负相关性。台风影响程度不同使得长春岭站每年台风降雨量相差很大,最大年台风雨为最小年台风雨的7.8倍,为修建地下水库提高台风雨资源化利用水平提供了条件。

(3)从登陆点、路径走向、强度和移动速度等分析影响台风降雨量的变化。从大的登陆区域分析降雨量,对长春岭站降雨量影响从大到小依次为:舟山登陆、浙江登陆、南方省份登陆、北方其他国家登陆、北方省份登陆、未登陆台风、南方其他国家登陆。除登陆点外,浙江登陆台风中路径、强度和移动速度是影响长春岭站降雨量的3个重要因子,路径对降雨量影响最大,其次为强度和登陆时移动速度。无论台风登陆点在浙江哪个区域,西向行进的台风过程降雨量普遍偏小。