2011—2022年影响山东半岛的台风特征分析

王 皘,孙莎莎,滕方达,向纯怡,董 林,于 群

(1.国家气象中心,北京 100081;2.山东省气象台,山东 济南 250031;3.沈阳中心气象台,辽宁 沈阳 110166)

引 言

全球变暖背景下台风活动的北移对东亚沿海国家和地区造成了越来越大的台风威胁[1-2],台风路径长期变化趋势对山东半岛及环渤海地区的社会经济发展有十分重要的影响。Webster等[3]研究了热带气旋频数、持续时长及强度等方面的趋势变化特征,Emanuel[4]与Wu等[5]的工作指出西北太平洋的热带气旋潜在破坏力呈显著增强趋势。东太平洋长期变冷、西太平洋长期变暖以及西北太平洋副高的东撤北移是导致台风路径变化的主要原因[1]。

有关热带气旋移速的气候学研究指出[6-7],1949—2016年,热带气旋的移速减慢了大约10%,其中减缓最明显的是西北太平洋海域,高达20%,尤其西北太平洋热带气旋登陆后的移动速度减速达到30%。2019年台风“利奇马”登陆后,在陆地上维持热带风暴级以上强度的时间长达3 d以上,2021年台风“烟花”移速缓慢[8],登陆后致灾严重,这些严重的台风影响与台风生命史极值强度北移趋势及移速放缓存在关联。

山东半岛地处我国沿太平洋西岸北部,承载着海洋经济建设的重要任务。登陆后北上的台风及山东半岛近岸北上的台风常常为山东半岛带来强风、降水并引发气象次生灾害,关注北上台风的路径强度特征及降雨特征,有助于提升针对山东半岛的气象及海洋预报服务水平。本文主要分析了2011—2022年影响山东半岛台风的路径强度、降水分布特征及高影响台风事件,并针对事件发生频次和降水影响严重程度的趋势进行讨论。

1 资料与方法

1.1 资料

采用的资料包括:(1)2011—2021年中国气象局上海台风研究所整编的台风最佳路径数据集[9];(2)2022年中国气象局中央气象台的台风定位定强资料;(3)2011—2022年地面国家和区域自动站逐小时降水量和风速数据。

1.2 方法

本文使用的山东半岛地区参考地理区划主要指青岛、烟台和威海。台风个例筛选和分组使用距离判断法,选定120.5°E、37°N为中心参考点(图1),400 km为半径,台风北上过程中若途经这个范围内判断为影响个例,路径若位于参考点以东,则判定为半岛以东组,路径若位于参考点以西,则判定为半岛以西组。

图1 2011—2022年影响山东半岛的台风路径及强度图(强度分级分别为热带低压(TD)、热带风暴(TS)、强热带风暴(STS)、台风(TY)、强台风(STY)和温带气旋(EC))

2 台风基本特征

2.1 路径强度特征

2011—2022年,共有15个台风经过参考范围(图1),给山东半岛带来风雨影响。按照路径特征可划分为两组(表1):半岛以东组为近海北上和掠过山东半岛东部的9个台风(其中包含登陆台风1105号“米雷”、1410号“麦德姆”和2212号“梅花”);半岛以西组为登陆后于陆地上北上且台风中心经过山东省的6个台风。

表1 2011—2022年影响山东半岛的台风概况

半岛以东组台风的平均生成地点为15.6°N、134.3°E,较半岛以西组(22.1°N、133.3°E)偏南6.5个纬距(图2)。台风生成后在暖洋面上向西北或偏北方向移动,由于生成位置偏南,半岛以东组有89%、44%的台风极值强度达强台风级、超强台风级,极值强度均值高达48.8 m/s。半岛以西组仅有33%的台风达强台风级及以上,极值强度均值(37.5 m/s)较前者明显偏弱。以途径37°N时气旋底层中心附近最大风速为代表,影响山东半岛时段,半岛以东组平均强度为27.4 m/s,显著高于半岛以西组的平均强度18.7 m/s(表1)。

图2 2011—2022年影响山东半岛的台风全路径图(a.半岛以东组,b.半岛以西组)

2.2 影响时段特征

平均每年有约1.3个台风影响山东半岛(图3a),2018年以来有9个台风影响,占比60%,似乎与台风活动北移的趋势相应[1-2]。影响山东半岛的台风在6月下旬至9月上旬均有发生,集中发生时段为7月下旬至8月中旬(图3b)。2018年以来影响山东半岛的登陆台风多集中在上述时段,2022年台风“梅花”于9月中旬登陆并影响山东半岛。

图3 2011—2022年影响山东半岛以东组(黑色)和以西组(白色)台风个数(a)及6—9月发生频数(b)

2.3 降水分布特征

半岛以东组(图4)多数台风降水特征一致且呈现区域性分布特点,中雨以上量级的降水大多集中在山东半岛,降水量级自西向东逐渐增大,强降水中心偏东,2020年“黑格比”和“巴威”的降水中心分布相对分散,并且位置较其他台风个例明显偏西。该组中最强降水由1410号台风“麦德姆”引发,其降水具有显著的不均匀特征[10-11],与其变性过程中锋生过程密切相关,山东半岛始终处于冷暖平流交汇处,强降水出现在冷锋带上暖平流区内。

图4 半岛以东组台风累积降水量(单位:mm)

半岛以西组6个台风在山东全省几乎都有明显降水(图5),降水范围大、强度高,强降水主要位于山东中部或者西部地区,有大片的大暴雨甚至特大暴雨带,山东半岛位于次强降水中心或者非强降水中心[12],降水量级分散,从小雨至大暴雨都有出现。

图5 半岛以西组台风累积降水量(单位:mm)

3 高影响台风分析

台风影响山东半岛并造成强降水,造成严重灾损的高影响台风事件引人关注(表2),2018年“安比”、“摩羯”和“温比亚”登陆后北上,相继影响山东,研究表明[13-16],长时间强降雨是造成灾害性暴雨的主要因素,是否形成“列车效应”是造成灾害性暴雨的重要因素;台风北上的过程中,由于冷空气在对流层中层与台风倒槽相互作用,中层冷暖平流增强形成锋区,暖湿空气在锋区附近上升,并与低层倒槽辐合上升运动相配合,引发倒槽附近特大暴雨;2019年台风“利奇马”给山东带来158 mm的平均降雨量,为山东有记录以来的过程降雨量最大值,其降水的极端性显著,与台风非对称结构演变和冷空气侵入密切相关[17],山东半岛强降水与台风倒槽和干冷空气的叠加形成的锋生作用有关[18-20];2021年台风“烟花”在山东省西部缓慢北上,省内维持时长达15 h,山东省大部降水量达100 mm以上,致灾与“烟花”移速缓慢、陆上维持时间长有直接关系[8];2022年台风“梅花”登陆山东青岛,在省内维持时长约9 h,山东8个国家气象观测站日降雨量突破9月极值,其中山东福山日降雨量突破建站以来历史极值。

表2 山东半岛高影响台风风雨特征

4 致灾趋势分析

1977—2010年间东亚因台致灾风险呈现增加趋势[21]。山东半岛地区人员密集、经济活动集聚,在全球变暖的背景下,随着台风气候学特征的变化,台风带来的经济损失也有随时间增大的趋势[22]。本世纪初,登陆朝鲜半岛和日本的每个登陆台风造成的经济损失是20世纪80年代的三倍[23]。由于山东半岛纬度较高,受台风侵袭频率较华南、华东低纬度区域低,台风影响的关注度有限,但是,随着登陆台风陆上灾害潜势的增加,山东半岛垂直风切变有降低趋势、高层辐散有增大趋势[24],针对半岛地区的台风研究值得引起重视。

4.1 降雨影响趋势

以台风影响时段(图4和图5)内国家站累积降水量的最大值代表每个台风的最强降水影响,最强降水影响(表2)为2019年台风“利奇马”(486.5 mm),其次为2018年台风“温比亚”(298.2 mm),均为半岛以西组;半岛以东组2022年台风“梅花”(273.9 mm)位列第三。其均值及趋势显示(图6),半岛以西组最大降水量平均为274 mm,且随年份增加呈现增长趋势,约每年增长16 mm;半岛以东组最大降水量平均为170 mm,随年份变化不大。

图6 2011—2022年半岛以东组(实心三角,虚线)和半岛以西组(空心圆,实线)台风影响时段国家站最大降水量及逐年线性变化趋势(单位:mm)

4.2 台风陆上维持时长趋势

使用中国气象局的台风最佳路径数据集[9],以登陆时刻至台风重新移入海面的时长计算台风登陆后的陆上维持时长(图7),对于多次登陆的台风,登陆时刻选取首次登陆我国大陆的时刻。1991—2021年,十字符号显示了每个台风登陆后在陆地上的维持时长,平均为24.4 h。变化趋势显示在30年间台风登陆后的陆上维持时长约增加了10 h,这意味着更多登陆台风在登陆后北上深入陆地,即半岛以西组的台风在未来可能更多。

图7 1991—2021年我国登陆台风陆上维持时长(十字)、线性趋势(实线)、1991—2010年(方块)及2011—2021年(圆点)影响山东半岛的登陆台风陆上维持时长(单位:小时)

为了进一步揭示这种趋势的变化,使用方块、圆点符号分别示意1991—2010年、2011—2021年影响山东半岛的登陆台风登陆后的陆上维持时长。1991—2010年影响山东半岛的登陆台风陆上平均维持时长为36.6 h,2011—2021年影响山东半岛的登陆台风(圆点示意,包括本文半岛以西组“安比”“摩羯”“温比亚”“利奇马”“烟花”和半岛以东组“麦德姆”“黑格比”)陆上平均维持时长为53.9 h,尤其是2018年以来的台风登陆后平均陆上维持时长达61.5 h。1991—2021年间,登陆我国的台风深入滞留陆地的时长呈上升趋势,登陆台风在登陆后北上深入陆地进而影响山东的可能性增大,尤其在2018年以来,影响山东半岛的台风增多,平均陆上维持时长增加。

以上关于影响山东半岛台风的降雨影响趋势和我国登陆台风陆上维持时长的趋势表明,全球变暖的背景下台风路径北移、移速减缓、陆上维持时间增长、登陆时间趋晚等气候学特征可能与山东半岛地区因台致灾风险增加趋势相关,有待进一步分析。

5 小结与讨论

本文利用中国气象局上海台风研究所的台风最佳路径数据集、中央气象台的台风定位定强资料和地面自动站逐小时降水量和风速数据等对2011—2022年北上影响山东半岛的台风特征进行分析,结论如下:

(1)2011—2022年,总计15个台风北上影响山东半岛,6月下旬至9月中旬均有发生,集中发生时段为7月下旬至8月中旬。按照路径特征划分为半岛以东和半岛以西组,分别为9个和6个。半岛以东组台风的平均生成地点较半岛以西组偏南6.5个纬距,生命史平均极值强度(48.8 m/s)及影响山东半岛期间的平均强度(27.4 m/s)均明显强于半岛以西组(37.5和18.7 m/s)。但半岛以西组台风的降雨影响更为严重,暴雨范围和平均降水量大,强降水中心主要位于山东中部或者西部地区。高影响台风的强降水与冷空气与台风结合、降水持续时间长等密切相关。

(2)从降水影响的趋势来看,2011年以来影响山东半岛台风“利奇马”(2019年,486.5 mm)和“温比亚”(298.2 mm)均为半岛以西组;半岛以东组“梅花”(2022年,273.9 mm)位列第三。半岛以西组最大降水量均值为274 mm,随年份增加呈现增长趋势,约每年增长16 mm;半岛以东组最大降水量均值为170 mm,随年份变化不大。

(3)影响山东半岛的登陆台风陆上平均维持时长显示,1991—2010年平均为36.6 h,2011—2021年平均为53.9 h。过去30年间台风登陆后的陆上维持时长约增加了10 h,这意味着登陆台风在登陆后北上深入陆地进而影响山东的可能性增大。