广西台风极端强降水特征及环境参数异常性分析

2022-01-19郑凤琴王盛繁赵金彪

气象研究与应用 2021年4期

郑凤琴，王盛繁，赵金彪，姚才，赖晟

（1.广西壮族自治区气候中心，南宁 530022；2.贵港市气象局，广西贵港 537100；3.广西壮族自治区气象台，南宁 530022；4.广西壮族自治气象局，南宁 530022）

引言

极端强降水对某一地区而言是个小概率事件，但因其降水量太大，时常引发山洪、泥石流和城市内涝，造成重大人员伤亡和经济损失［1－3］。2021 年7 月17—22 日，河南遭遇历史罕见的持续性极端强降水事件，郑州站24h 降水量（624.1mm）超过当地2019年全年降水量，1h 降水量（201.9mm）突破我国大陆小时雨量历史极值，极端强降水导致河南302 人遇难，50 人失踪，直接经济损失超千亿元［4－7］。由于极端强降水天气过程具有突发性、局地性和罕见性等特点［8］，对其开展深入分析研究非常有必要，这对加深极端强降水形成机理的认识和强化防灾减灾避灾工作具有重要意义。

台风是最强的暴雨天气系统［9］。随着经济建设的快速发展，我国台风灾害尤其是台风暴雨灾害的损失非常严重［10］：2009 年的“莫拉克”台风对台湾南部造成了重大灾难，除经济损失外，还导致约700 人死亡或失踪［11－12］；2013 年的“菲特”台风引起浙江中北部沿海极端降水和风暴潮，导致余姚等城市被淹超过一周时间［13］；2019 年超强台风“利奇马”登陆浙江温岭后北上，对我国东部沿海及内陆造成严重影响，造成71 人死亡或失踪，直接经济损失超过530亿元［14］。许多科学工作者对台风极端强降水事件的研究，主要聚焦于极端强降水的确定、个例的多尺度天气系统相互作用、复杂地形对强降水的影响以及物理量的极端性特征等方面，并取得了丰富的成果。江漫等［15］利用百分位法分析了1959—2012 年单站台风降水日雨量，指出极端降水阈值总体上呈现由东南沿海向西北内陆减少的趋势。夏丽花等［16］开展了地形对1011 号台风“凡亚比”影响的数值试验，发现台湾中部山脉地形对台风低层流场的阻挡抬升作用对台风降水具有明显的增幅作用，造成台湾岛降水分布呈南部、东部强而西北部弱的不对称分布。极端强降水的物理量异常性特征方面，杨舒楠和端义宏［17］发现台风“温比亚”极端强降水过程中存在极端低层辐合和高空辐散，同时假相当位温、整层可降水量和水汽通量散度均具有显著极端性。

广西地处低纬地区，南临北部湾，台风影响频繁，灾害损失严重，每年影响广西的台风平均5 个［18］。长期以来，台风强降水天气过程研究都是广西台风研究的重要内容，并取得了许多对实际预报非常有意义的研究成果［19-21］。赵金彪等［22］对两次台风暴雨的研究表明，强降水分布与低层湿位涡负值区有较好的对应关系；覃丽等［23］指出垂直风切变矢量和水汽辐合条件是台风暴雨落区预报的一个有效判据；苏玉婷等［24］通过数值模拟发现十万大山地形的动力抬升、山前中尺度地形辐合线的发展和维持是导致台风“威马逊”沿海强降水的主要原因。但以往的研究多是针对1～2 次台风个例的暴雨成因或特定天气系统对台风暴雨的影响，缺乏基于多次台风强降水过程尤其是极端强降水的研究。为加强对广西台风极端强降水天气过程的认识，本文利用1981—2020 年广西台风逐日降水量和欧洲中心ERA5 再分析资料，以1981—2010 年30a 资料作为历史气候态，采用百分位法建立广西台风极端强降水阈值和区域性极端强降水过程，对广西台风极端强降水的特征和区域性极端强降水过程的环境参数进行初步分析，以期加深对广西台风降水的极端性认识。

1 资料与方法

1.1 资料说明

选用广西1981—2020 年国家地面气象站降水观测资料，1981—2010 年30a 整编资料来自国家气候中心质量控制后的地面气象站基本气象要素日值数据集（V3.0）逐日20 时至次日20 时的24h 日雨量资料；台风数据采用中国上海台风研究所提供的热带气旋最佳路径数据集，包括台风强度、中心位置等信息。

选用欧洲中心ERA5 再分析资料，年限为1981—2020 年，水平分辨率为1°×1°，垂直分辨率为1000～1hPa 共19 层，每日24 个时次，资料要素包括位势高度、风场、温度和比湿。

1.2 台风极端强降水的确定方法

目前极端强降水尚无统一的标准和定义。广西由于岩溶发育和石林较多，降水分布极不均匀，若使用统一固定的日降水量简单确定广西极端强降水事件不够科学，因此参照翟盘茂等［25］提出的百分位法计算广西极端强降水阈值：将广西1981—2010 年30a 逐年日降水量序列的第99 个百分位值的30a 平均值设定为极端强降水事件阈值，当某站受台风影响某日降水量超过本站极端强降水事件阈值时，称其为该站的一次台风极端强降水事件；若某日受台风影响广西范围内有超过25%的测站发生极端强降水事件时，称其为一次区域性台风极端强降水过程。

图1 是利用百分位法计算的广西92 个气象台站极端强降水阈值分布，可以看出广西极端强降水阈值呈现出自南部沿海地区向内陆减小的趋势，极端强降水阈值高值区位于南部沿海的东兴、钦州和北海，普遍高于90mm，最大值出现在东兴达116.3mm；次高值区位于桂东北的永福、融安、融水附近，以及桂西的都安、马山一带，阈值为70～80mm；而低值区位于桂西北的隆林和西林，阈值低于50mm，最小值出现在隆林为46.1mm，最大值是最小值的2.5 倍多。极端强降水阈值的分布特征与孙桂凯等［26］研究的1961—2016 年极端降水阈值分布特征较相近。

图1 1981—2010 年广西各站极端强降水阈值分布（单位：mm）

1.3 标准化异常

定义标准化异常（Ds）为环境参数偏离气候态的程度：

式（1）中，F 为某一时刻某一环境参数的值，M为该环境参数同时刻前后5d 的30a 气候平均，滤去了小波动对气候场的影响，σ 为气候标准差。Ds值代表某环境参数异常达气候标准差的倍数。

2 结果与分析

2.1 台风极端强降水分布特征

2.1.1 时间分布特征

从1981—2020 年极端降水逐年分布来看（图2），广西出现极端强降水的台风个数年平均为2.975个，最多为6 个，出现在1994 年、1995 年和2013年。1994 年影响广西的台风偏多（8 个）；1995 年有4个台风进入广西内陆，分别是9506“Irving”、9509“Kent”、9515“Sibyl”和9516“Ted”；2013 年11 号台风“尤特”给广西造成重大人员伤亡和经济损失。台风极端强降水出现日数最多的为1994 年（26d），其次是2006 年（18d），年平均7.8d。2001 年和2006 年出现极端强降水的台风个数都是5 个，属于次多，但台风降水强度强、持续时间长（如0103“榴莲”、0104“尤特”、0604“碧利斯”、0606“派比安”），出现极端强降水的天数就多。

图2 出现极端强降水的台风个数（a）和台风极端强降水的日数（b）逐年变化

从前5a 的滑动平均值来看，出现极端强降水的台风个数呈弱上升趋势，台风极端强降水的出现日数呈弱下降趋势，但是近年来两者均有缓慢增长的趋势，这可能与气候变暖导致极端事件频发有关。

从1981—2020 年极端强降水出现次数的逐月分布来看，广西台风极端强降水在5—11 月都有发生，40a 来共2244 站次出现了极端强降水，5 月、11月出现较少，占总站次的3%，97%出现在6—10 月，以后汛期7—9 月为集中时段，占总站次的80.1%，其中又以7 月出现频率最高，占总站次34.3%，8 月次之，占总站次的28%。

2.1.2 空间分布特征

图3 分析了1981—2020 年广西台风极端强降水出现次数的线性变化趋势的空间分布，只有少数站的台风极端强降水出现次数呈弱减少趋势，大多数台站台风极端强降水出现次数为正值，即台风极端强降水次数增加，但在统计上多不具有显著意义。从空间分布来看，中部和南部地区增加更明显，而桂北大部地区呈现弱减少趋势。

图3 广西台风极端强降水出现次数线性变化趋势空间分布

2.2 区域性台风极端强降水过程的环境参数异常性分析

台风降水预报一直是台风业务的难点，极端强降水的发生往往具有异常的水汽和动力条件［27］，而目前数值模式对极端强降水的预报能力仍比较有限，因此，将着重针对区域性台风极端强降水过程的环境参数异常特征进行分析，以寻找台风极端强降水产生的前期信号，为广西台风极端强降水预报提供参考。

2.2.1 过程选取

参考广西台风极端强降水的时空分布特点，选取每年5—11 月为研究时段，根据1.2 节中区域性台风极端强降水的定义，共挑选出1981—2020 年区域性台风极端强降水过程共16 次（见表1），其中2001 年台风“榴莲”极端强降水过程中，2001 年7月3 日有42 站降水量超过阈值出现了区域性极端强降水过程，而2006 年的台风“碧利斯”影响期间连续两天出现极端强降水过程，这两个都是发生在7 月份的造成区域性极端强降水过程的台风。从各个月份的极端台风强降水过程来看，7 月和9 月发生台风极端强降水过程的概率相对较大。广西各月的环境条件不同，但是相同月份的气候环境场一般比较相似，采用欧洲中期天气预报中心1981—2020年逐日1h 间隔1°×1°再分析资料（ERA5）诊断分析环境参数的气候特征及其在极端强降水过程中的异常表现。

表1 1981—2020 年广西台风极端强降水过程概况

2.2.2 环境参数气候平均值

选取表征环境水汽、动力、热力、不稳定等特征的物理参数共11 个，分别是850hPa 比湿、850hPa水汽通量、850hPa 水汽通量散度、整层大气可降水量、700hPa 垂直速度、850hPa 涡度、200hPa 散度、850hPa 假相当位温、K 指数、850hPa 与500hPa 假相当位温、200hPa 与850hPa 垂直风切变。分别计算了1981—2010 年30a 广西各环境参数逐月气候平均值，结果显示大多数环境参数具有明显的月变化特征，整层大气可降水量、850hPa 比湿、850hPa 水汽通量等表征水汽的参数自5 月起明显增大，7—8 月为最大，9 月开始明显下降，如5 月整层可降水量的气候平均值40mm 以上，7—8 月则超过60mm；700hPa 上升运动也是7 月、8 月为最盛，该参数7—8 月30a 气候平均值小于0，说明动力上升运动在盛夏季节降水中扮演着重要角色；K 指数的气候平均值更是在7 月达到30℃，而200hPa 与850hPa 垂直风切变在盛夏则为一年中较小值。各环境参数的逐月变化特征表明，7 月和8 月是水汽充足、上升运动最强、不稳定能量最大的时段，也是出现强降水最有利的时段。

2.2.3 异常性分析

区域性台风极端强降水过程中，环境参数与气候平均值相比具有什么样的异常特征？一般可通过对环境参数偏离气候平均态的程度进行判断，偏离2倍以上标准差意味着小概率事件发生的可能性［28-30］。因此，选取1981—2010 年作为历史气候态，计算了近40a 来广西16 次台风极端强降水过程中相应环境参数相对于气候态标准差的倍数。

图4 给出了1981—2020 年广西16 次台风极端强降水过程中出现极端降水站点的环境参数箱线图。水汽条件是台风登陆后强降水持续的主要原因之一［17］，由图4a 可见，极端强降水过程中，整层大气可降水量标准差倍数波动很大，达到0.5～3.0 倍，平均值为2.0 倍，其中2006 年7 月16 日（碧利斯）、2014 年9 月17 日（海鸥）和2016 年10 月19 日（莎莉嘉）的相较于其它个例，表现出更高程度异常，标准差倍数中位数达到2.5 倍以上，台风“碧利斯”极端强降水过程中大气可降水量标准差倍数甚至超过了3 倍；而850hPa 水汽通量的标准差倍数在-2.0～7.0 倍（图4b），平均值为3 倍，其中2011 年9 月30日（纳沙）、2014 年9 月17 日（海鸥）和2016 年10月19 日（莎莉嘉）的标准差倍数中位数超过5 倍，表现出持续的极端水汽特征；从表征动力因子的环境参数200hPa 散度、700hPa 垂直速度的箱线值特征来看（图4c、d），700hPa 垂直速度的标准差倍数为负值，有些个例甚至出现-10 倍的标准差，说明上升运动强烈，而200hPa 散度标准差倍数平均值为2.0倍；图4e 和图4f 分析了K 指数、850hPa 与500hPa假相当位温差的标准差倍数变化特征，K 指数与历史气候态相比较，标准差倍数基本上在1 倍左右，但是2006 年7 月16 日（碧利斯）出现了最大值达到2.5 倍，850hPa 与500hPa 假相当位温差的标准差倍数波动非常大，有些个例为负值，有些出现正直，规律不明显。

图4 1981—2020 年广西16 个台风极端强降水环境参数标准差倍数箱线图

从以上分析可见，环境参数的箱线值特征有明显差异，有的过程中，仅有个别环境参数的标准差倍数异常偏高，而有些极端强降水过程中，则有多个环境参数均表现异常。总体来说，整层大气可降水量、850hPa 水汽通量、200hPa 散度和700hPa 垂直速度，均具有显著的极端性，一般偏离2 倍标准差，对广西台风极端强降水预报具有一定的指示意义；而大气稳定度因子如K 指数、850hPa 与500hPa 假相当位温差偏离气候态较小。