陳橙,杜飛,李梓萱,閆慧,肖鴻,李焱
(福州大學(xué)土木工程學(xué)院,福建 福州 350108)
熱帶氣旋屬于低壓天氣系統(tǒng),是常發(fā)生在熱帶、亞熱帶地區(qū)海面上的氣旋性環(huán)流,屬于地球物理環(huán)境中最具破壞性的天氣系統(tǒng)之一[1].風(fēng)暴潮、臺(tái)風(fēng)浪等是我國(guó)海域發(fā)生頻率最高的海洋災(zāi)害[2],而熱帶氣旋是引起海洋災(zāi)害最主要的因素之一[3].據(jù)統(tǒng)計(jì),全球每年平均發(fā)生80~100個(gè)熱帶氣旋,造成大量的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[4].
福建省是受熱帶氣旋影響較為嚴(yán)重的地區(qū)之一,極端天氣的影響下,福建省海域水位暴漲,各汊道波浪傳播方向紊亂,還會(huì)引起嚴(yán)重的洪澇和風(fēng)暴潮等災(zāi)害[5].熱帶氣旋登陸的地點(diǎn)和時(shí)間難以預(yù)測(cè),移動(dòng)路徑變化較大,不同路徑下福建省各汊道的波浪入射方向和有效波高分布也有所不同.近年來(lái),登陸我國(guó)的熱帶氣旋個(gè)數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì),因此對(duì)近75 a來(lái)影響福建省海域的熱帶氣旋進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì),總結(jié)出福建省海域熱帶氣旋的時(shí)空分布特性,對(duì)福建省防災(zāi)減災(zāi)工作具有重要的意義.
眾多學(xué)者已對(duì)熱帶氣旋的生成、移動(dòng)路徑、登陸過(guò)程及時(shí)空分布等方面進(jìn)行了大量研究,但由于熱帶氣旋活動(dòng)的復(fù)雜性及不確定性,前人的研究成果也不盡相同[6-9].曹楚等[10]分析1949—2002年西北太平洋熱帶氣旋資料,認(rèn)為受到全球溫度持續(xù)上升的影響,西北太平洋熱帶氣旋頻數(shù)明顯減?。粭顏喰碌萚11]利用西北太平洋2006—2015年的熱帶氣旋資料,對(duì)其生成源地、移動(dòng)路徑、移動(dòng)速度和登陸情況等進(jìn)行全面分析;周群等[12]研究指出,2017年7月西北太平洋熱帶氣旋的活動(dòng)異常很可能源于同期異常強(qiáng)大的北極濤動(dòng)的影響;楊呂玉慈等[13]研究發(fā)現(xiàn),熱帶氣旋的生成位置在冷暖事件中發(fā)生變化,強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)在暖事件年生成位置偏東偏南,在冷事件年生成位置偏西偏北.本文統(tǒng)計(jì)分析福建省沿海地區(qū)的熱帶氣旋的活動(dòng)規(guī)律、時(shí)空分布特征及災(zāi)害損失情況,以期提高福建省熱帶氣旋災(zāi)害防御能力和減災(zāi)水平.
1.1.1 頻數(shù)變化
對(duì)于登陸頻數(shù),在統(tǒng)計(jì)年限(1945—2019年)內(nèi),熱帶氣旋在福建省共登陸129次,年均登陸頻數(shù)為1.72次.其中,1990年與2010年的登陸頻數(shù)最大,達(dá)到5次,占總數(shù)3.88%;有12個(gè)年份的登陸頻數(shù)達(dá)到最小值0次,占總數(shù)的16.00%;登陸頻數(shù)大于3的年份有6個(gè),占總數(shù)的8.00%;小于3的年份有53個(gè),占總數(shù)70.67%.
采用移動(dòng)平均法對(duì)登陸頻數(shù)的年際變化進(jìn)行分析,為盡量消除熱帶氣旋活動(dòng)的周期變動(dòng)及隨機(jī)波動(dòng)的影響,移動(dòng)平均年限選為3 a.圖1為登陸型熱帶氣旋年際頻數(shù)分布圖.由圖1可知,登陸頻數(shù)在年均值附近劇烈波動(dòng).變化趨勢(shì)大致可劃分為3個(gè)增長(zhǎng)階段與3個(gè)減小階段:1945—1960年、1988—1992年、2004—2007年登陸頻數(shù)整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì);1961—1987年、1993—2003年、2008—2019年登陸頻數(shù)整體呈下降趨勢(shì).由此總結(jié)出近75 a來(lái)福建省熱帶氣旋登陸頻數(shù)年際變化整體呈現(xiàn)“增-減-增-減-增-減”趨勢(shì),波動(dòng)未有明顯周期變化規(guī)律.從中可預(yù)測(cè)未來(lái)幾年福建省熱帶氣旋登陸頻數(shù)減小,且登陸頻數(shù)將小于年均登陸值.
圖1 登陸型熱帶氣旋頻數(shù)分布圖Fig.1 Frequency distribution of landfall tropical cyclones
對(duì)于影響頻數(shù),在統(tǒng)計(jì)年限(2004—2019年)內(nèi),福建省共發(fā)生36次影響型熱帶氣旋,年均登陸頻數(shù)2.25次.其中,2004年影響型頻數(shù)達(dá)到最大值6次,占總數(shù)16.67%;在2010年達(dá)到最小值0次;影響型頻數(shù)大于3次的年份有3個(gè),占總年數(shù)的18.75%;小于3次的年份有11個(gè),占總年數(shù)的68.75%.
圖2為影響型熱帶氣旋頻數(shù)年際分布圖.由圖2可知,影響頻數(shù)整體上略有下降,預(yù)測(cè)福建省未來(lái)幾年影響頻數(shù)將保持下降趨勢(shì),且小于年均值.本文僅對(duì)近16 a的影響型熱帶氣旋資料進(jìn)行特征分析,資料的時(shí)間長(zhǎng)度較小且數(shù)據(jù)較新,與時(shí)間尺度大的觀測(cè)資料相比,由于近代觀測(cè)技術(shù)更先進(jìn),短時(shí)間尺度小的數(shù)據(jù)資料存在精確度較高的優(yōu)點(diǎn),但數(shù)據(jù)量較少,影響頻數(shù)的年際變化趨勢(shì)不夠明顯,在日后的研究中可適當(dāng)提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間尺度.
圖2 影響型熱帶氣旋頻數(shù)年際分布圖Fig.2 Interannual distribution of the frequency of influential tropical cyclones
1.1.2 強(qiáng)度變化
圖3為登陸型熱帶氣旋強(qiáng)度年際變化圖.有熱帶氣旋登陸的年份,1949年熱帶氣旋的平均風(fēng)速最小,為9 m·s-1;1985年平均風(fēng)速最大,為45 m·s-1.圖中實(shí)際值與預(yù)測(cè)值在年均值附近劇烈波動(dòng),兩曲線的波動(dòng)趨勢(shì)相近,大體上分為3個(gè)上升期與3個(gè)下降期:1951—1963年、1993—2007年、2012—2018年熱帶氣旋強(qiáng)度整體上升;1945—1950年、1964—1992年、2008—2011年熱帶氣旋強(qiáng)度整體下降.由此得知1945—2019年熱帶氣旋強(qiáng)度整體變化趨勢(shì)呈現(xiàn)“減-增-減-增-減-增”變化,與登陸頻數(shù)變化規(guī)律恰好相反,無(wú)明顯周期波動(dòng)規(guī)律.整體上可判斷近75 a來(lái)福建省熱帶氣旋強(qiáng)度呈上升趨勢(shì),預(yù)測(cè)未來(lái)幾年熱帶氣旋強(qiáng)度整體上持續(xù)增大.
圖3 登陸型熱帶氣旋強(qiáng)度年際變化圖Fig.3 Interannual variation of landfall tropical cyclone intensity
1.2.1 頻數(shù)變化
圖4為福建省登陸型熱帶氣旋頻數(shù)的月際分布圖(圖中略去登陸頻數(shù)為0的月份).由圖4可知,福建省熱帶氣旋集中發(fā)生在5月至10月期間.其中,7、8、9月熱帶氣旋活動(dòng)最為頻繁,登陸頻數(shù)總計(jì)112次,占總數(shù)的86.82%,年平均1.49次;在8月份頻數(shù)達(dá)到最大值44次,占總數(shù)的34.11%,年平均0.59次.值得一提的是,熱帶氣旋在5、6、10月活動(dòng)較平靜,僅占總數(shù)的13.19%.其中5月頻數(shù)最小,僅發(fā)生3次,占總數(shù)的2.33%.
圖4 登陸型頻數(shù)月際分布圖Fig.4 Month distribution of landing frequency
圖5反映了福建省影響型熱帶氣旋頻數(shù)的月際分布情況(圖中略去影響頻數(shù)為0的月份).由圖5可知,影響型熱帶氣旋在6—10月及12月期間活動(dòng),且集中活躍于7—9月,在這三個(gè)月內(nèi)影響頻數(shù)總和達(dá)28次,占總數(shù)77.78%,年平均1.75次.影響頻數(shù)在9月達(dá)到最大值13次,占總數(shù)36.11%;在12月達(dá)到最小值1次,占總數(shù)的2.78%.
圖5 影響型頻數(shù)月際變化圖Fig.5 Monthly variation of influencing frequency
1.2.2 強(qiáng)度變化
圖6反映了各個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的熱帶氣旋登陸頻數(shù)的月際變化.由圖6可知,熱帶氣旋集中分布在5—10月.其中熱帶低壓、熱帶風(fēng)暴與臺(tái)風(fēng)的月際變化趨勢(shì)大致相似,呈現(xiàn)“A字型”,且三者登陸頻數(shù)都在8月份達(dá)到峰值.熱帶氣旋強(qiáng)度為臺(tái)風(fēng)的峰值最大,在8月份達(dá)到19次,占總數(shù)14.73%;熱帶風(fēng)暴次之,峰值為12次,占總數(shù)9.30%;熱帶低壓峰值最小,僅有5次,占總數(shù)3.88%.強(qiáng)熱帶風(fēng)暴月際分布趨勢(shì)則有所不同,月際分布呈現(xiàn)“雙A型”,第一個(gè)峰值的頻數(shù)為12次,出現(xiàn)在7月,占總數(shù)9.30%,隨后登陸頻數(shù)在8月份有所下降(登陸頻數(shù)為8次,占總數(shù)6.20%),又在9月份出現(xiàn)第二個(gè)峰值,頻數(shù)為11次,占總數(shù)8.53%,兩個(gè)峰值的頻數(shù)相差不大.
圖6 登陸頻數(shù)月際變化圖Fig.6 Monthly variation of landing frequency
1.2.3 初臺(tái)與終臺(tái)
初臺(tái)時(shí)間指每年第一個(gè)臺(tái)風(fēng)的登陸時(shí)間;終臺(tái)時(shí)間指每年最后一個(gè)臺(tái)風(fēng)的登陸時(shí)間.
對(duì)于登陸型熱帶氣旋,在統(tǒng)計(jì)年限內(nèi),最早初臺(tái)時(shí)間為5月9日20時(shí)(200601號(hào)臺(tái)風(fēng));最遲初臺(tái)時(shí)間為9月30號(hào)14時(shí)(194924號(hào)臺(tái)風(fēng));最早終臺(tái)時(shí)間為7月4號(hào)20時(shí)(201808號(hào)臺(tái)風(fēng));最遲終臺(tái)時(shí)間為10月23日13時(shí)(201013號(hào)臺(tái)風(fēng)).每年的初臺(tái)時(shí)間一般出現(xiàn)在5—9月,終臺(tái)時(shí)間出現(xiàn)在7—10月.
對(duì)于影響型熱帶氣旋,在統(tǒng)計(jì)年限內(nèi),最早初臺(tái)時(shí)間為5月9日20時(shí)(200601號(hào)臺(tái)風(fēng));最遲初臺(tái)時(shí)間為9月18日2時(shí)(201416號(hào)臺(tái)風(fēng));最早終臺(tái)時(shí)間為7月4日20時(shí)(201808號(hào)臺(tái)風(fēng));最遲終臺(tái)時(shí)間為12月1日8時(shí)(201808號(hào)臺(tái)風(fēng)).每年的初臺(tái)時(shí)間一般出現(xiàn)在5—9月,終臺(tái)時(shí)間出現(xiàn)在7—12月.
圖7為登陸型熱帶氣旋登陸地頻數(shù)分布圖.福建省熱帶氣旋的登陸地按照地理位置由北至南分別為寧德市、福州市、莆田市、泉州市、廈門(mén)市、漳州市.由圖7可知,福建省熱帶氣旋在登陸地上的分布呈現(xiàn)“三峰型”,分別在福州市、泉州市、漳州市達(dá)到峰值.其中福州市為福建省熱帶氣旋最頻繁的登陸地,在統(tǒng)計(jì)年間共登陸39次,占總數(shù)30.23%,年均0.52次.其中強(qiáng)度等級(jí)為臺(tái)風(fēng)的熱帶氣旋在福州市的登陸次數(shù)最多,75 a以來(lái)共登陸19次,占福州登陸總數(shù)的48.72%,年均登陸0.25次;熱帶低壓在福州市登陸次數(shù)最少,僅有2次,占福州市登陸總數(shù)的5.13%,年均0.03次.熱帶氣旋在泉州市登陸32次,占總數(shù)24.81%,年均登陸0.43次;在漳州市登陸20次,占總數(shù)15.50%,年均0.27次.由統(tǒng)計(jì)資料可知,熱帶氣旋強(qiáng)度越大,登陸次數(shù)越多.其中臺(tái)風(fēng)登陸次數(shù)最多,共登陸55次,占總數(shù)42.64%,年均0.73次;熱帶低壓登陸次數(shù)最少,登陸13次,占總數(shù)10.08%,年均0.17次.由于廈門(mén)市地處福建省東南沿海,受到大小金門(mén)和大擔(dān)島這兩大天然“屏障”的保護(hù),故熱帶氣旋正面登陸的頻數(shù)最少,在75 a間僅僅登陸3次,占總數(shù)2.33%,年均0.04次.
圖7 登陸型熱帶氣旋登陸地頻數(shù)分布圖Fig.7 Frequency distribution of landfall tropical cyclones
圖8為登陸型熱帶氣旋在各登陸地登陸時(shí)的強(qiáng)度.將各登陸地的熱帶氣旋登陸時(shí)的風(fēng)速按照由小到大排列,分別將各登陸地的登陸氣旋風(fēng)速的上四分位數(shù)、下四分位數(shù)、中位數(shù)繪于圖上.矩形盒內(nèi)的叉點(diǎn)表示各登陸地登陸時(shí)風(fēng)速的平均值;矩形盒外上下兩條邊緣線則分別代表登陸時(shí)風(fēng)速的極大值和極小值.由圖可知,廈門(mén)矩形箱的高度最大、中位數(shù)位置最高,且上下邊緣線與矩形上下邊界相重合.這是由于在統(tǒng)計(jì)年限中,在廈門(mén)登陸的臺(tái)風(fēng)次數(shù)太少(僅有3次),矩形箱受單次數(shù)據(jù)的影響較大,從而數(shù)據(jù)波動(dòng)劇烈,故不將該地區(qū)的登陸強(qiáng)度與其他地區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析.福州與寧德的矩形箱關(guān)于中位數(shù)對(duì)稱(chēng),表明這兩個(gè)地區(qū)的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布.福州的矩形箱最窄,表明該地區(qū)熱帶氣旋強(qiáng)度波動(dòng)最穩(wěn)定.相反,泉州、莆田、漳州的中位數(shù)偏離矩形箱中心線,表明這些地區(qū)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)偏態(tài)分布.莆田、漳州地區(qū)中位數(shù)偏離矩形箱中心線較遠(yuǎn),則代表在這兩個(gè)地區(qū)登陸的熱帶氣旋強(qiáng)度分布呈現(xiàn)較強(qiáng)的偏態(tài)性.泉州、莆田、漳州的熱帶氣旋風(fēng)速范圍較接近,且上四分位數(shù)相等,但泉州矩形箱的中位數(shù)位置較高,表明該地區(qū)強(qiáng)度較大的熱帶氣旋登陸較多;而漳州矩形箱較窄,表明在該地區(qū)登陸的熱帶氣旋強(qiáng)度波動(dòng)較穩(wěn)定.除廈門(mén)外,寧德的中位數(shù)最大,且其矩形箱在縱軸上的分布偏上,上邊緣線最高,故可推斷在寧德登陸的熱帶氣旋整體強(qiáng)度最大.
圖8 登陸型熱帶氣旋強(qiáng)度箱型圖Fig.8 Box diagram of landfall tropical cyclone intensity
福建省熱帶氣旋大部分生成于西北太平洋,于南海生成的較少.登陸型熱帶氣旋在西北太平洋海域生成次數(shù)達(dá)114次,占總數(shù)的88.37%,年平均1.52次;在南海生成頻數(shù)為15次,僅占總數(shù)的11.63%,年平均0.20次.對(duì)影響型熱帶氣旋,在西北太平洋海域生成33次,占總數(shù)的91.67%,年平均2.06次;在南海生成3次,占總數(shù)的8.33%,年平均0.19次.
福建省登陸型熱帶氣旋路徑主要有東北路徑、北上路徑、西北路徑、西上路徑與西南路徑5種.其中熱帶氣旋向西北方向移動(dòng)的頻數(shù)最多,有82次,占總數(shù)63.57%;路徑方向?yàn)槲餍蟹较虻拇螖?shù)有22次,占總數(shù)17.05%;北上、東北以及西南方向分別有10、9與6次,分別占總數(shù)7.75%、6.98%和4.65%.由此可得,大部分熱帶氣旋在福建省沿海地區(qū)登陸后移動(dòng)至內(nèi)陸地區(qū),只有極少數(shù)熱帶氣旋從外海登陸至福建省內(nèi)陸地區(qū)后再重返海域.
本文采用0.1°×0.1°經(jīng)緯度網(wǎng)格對(duì)福建省登陸型熱帶氣旋移動(dòng)過(guò)程的強(qiáng)度變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.空間移動(dòng)范圍為22.8°N ~28.5°N,116.0°E ~123.1°E.圖9為登陸型熱帶氣旋強(qiáng)度彩色氣泡圖.根據(jù)彩色氣泡在圖中的分布規(guī)律,可大致將氣泡圖劃分為左上三角區(qū)域與右下三角區(qū)域.明顯地,在圖的左上三角區(qū),氣泡小且分布較為分散,以紅色與黃色氣泡居多;在圖右下三角區(qū)域分布的氣泡主要以藍(lán)色與黑色居多,氣泡大而密集;而兩三角區(qū)域相融合的三角斜邊在地理位置上貼合福建省海岸線.圖9中登陸型熱帶氣旋強(qiáng)度彩色氣泡的分布情況如表1所示.在左上三角區(qū)域,風(fēng)力等級(jí)在10級(jí)以下的熱帶氣旋占85.53%;在右下三角區(qū)域,風(fēng)力等級(jí)達(dá)到10級(jí)以上的熱帶氣旋占73.81%.即在內(nèi)陸地區(qū)強(qiáng)度多為10級(jí)以下,在沿海地區(qū)強(qiáng)度多為10級(jí)以上.
圖9 登陸型熱帶氣旋強(qiáng)度彩色氣泡圖Fig.9 Colored bubbles in intensity of landfall tropical cyclone
表1 登陸型熱帶氣旋強(qiáng)度彩色氣泡分布情況Tab.1 Color bubble distribution of landfall type tropical cyclone intensity (%)
由于強(qiáng)度彩色氣泡圖只能反映熱帶氣旋每個(gè)移動(dòng)點(diǎn)的強(qiáng)度變化,卻無(wú)法得知具體移動(dòng)方向及移動(dòng)路徑,從上文對(duì)福建省熱帶氣旋移動(dòng)方向的特征分析可知熱帶氣旋從陸地返回海域的情況屬極少數(shù).因而可得出結(jié)論:熱帶氣旋從海域登陸福建省內(nèi)陸的行進(jìn)過(guò)程中,熱帶氣旋在福建省海岸線以外區(qū)域活動(dòng)頻繁而劇烈,并以臺(tái)風(fēng)與強(qiáng)熱帶風(fēng)暴為主;而到了海岸線以內(nèi)的內(nèi)陸地區(qū),熱帶氣旋活動(dòng)稍平緩且強(qiáng)度通常較小.熱帶氣旋從外海移動(dòng)至內(nèi)陸,由于陸地的摩阻效應(yīng),熱帶氣旋強(qiáng)度明顯減弱.
蒲福風(fēng)力等級(jí)表記錄了不同的風(fēng)力級(jí)數(shù)表現(xiàn)出的不同陸地地面現(xiàn)象:當(dāng)熱帶氣旋風(fēng)力達(dá)到8~9級(jí)時(shí),人們開(kāi)始行走受阻且陸地建筑物開(kāi)始出現(xiàn)輕微的損壞現(xiàn)象,本文將此種情況熱帶氣旋導(dǎo)致的災(zāi)情定義為一般;當(dāng)風(fēng)力等級(jí)達(dá)到10~11級(jí)時(shí),大樹(shù)可被連根拔起且陸地建筑物出現(xiàn)廣泛的嚴(yán)重破壞現(xiàn)象,定義此種情況熱帶氣旋導(dǎo)致的災(zāi)情為較重;當(dāng)風(fēng)力達(dá)到12級(jí)及以上時(shí),熱帶氣旋摧毀力極強(qiáng),定義為嚴(yán)重災(zāi)情.圖10為熱帶氣旋受災(zāi)情況分布圖.圖中顏色由淺至深表示了熱帶氣旋災(zāi)害等級(jí),小于一般等級(jí)的熱帶氣旋用最淺的顏色表示,認(rèn)為此種情況熱帶氣旋對(duì)福建省造成的損害較小,不對(duì)此關(guān)注.由圖10可知,熱帶氣旋從外海向福建省內(nèi)陸地區(qū)移動(dòng)過(guò)程中熱帶氣旋強(qiáng)度逐漸減小,嚴(yán)重災(zāi)情在北部出現(xiàn)的頻數(shù)較南部高.可以得出閩北地區(qū)及沿海城市在臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)所受災(zāi)害更為嚴(yán)峻,因此從防災(zāi)減災(zāi)的角度考慮建議福建省防汛減災(zāi)工作應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)放在福建省沿海的北部地區(qū),可以更有針對(duì)性地對(duì)福建省臺(tái)風(fēng)災(zāi)害進(jìn)行布防布控.
圖10 熱帶氣旋受災(zāi)分布圖Fig.10 Tropical cyclone disaster distribution map
1) 1945—2019年福建省熱帶氣旋登陸型頻數(shù)年際分布大致呈現(xiàn)“增-減-增-減-增-減”變化.同時(shí)通過(guò)移動(dòng)平均法可預(yù)測(cè)未來(lái)幾年福建省熱帶氣旋登陸頻數(shù)將減小.然而,登陸型熱帶氣旋強(qiáng)度年際分布呈現(xiàn)相反趨勢(shì),即強(qiáng)度變化趨勢(shì)為“減-增-減-增-減-增”.預(yù)測(cè)未來(lái)幾年福建省熱帶氣旋強(qiáng)度將繼續(xù)增大.
2) 福建省登陸型熱帶氣旋在8月份登陸次數(shù)最多,其中尤以登陸強(qiáng)度為臺(tái)風(fēng)的熱帶氣旋次數(shù)最多.由熱帶氣旋登陸地空間變化規(guī)律可知,福州市為登陸次數(shù)最多的城市,75 a共登陸39次,且登陸強(qiáng)度呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布;寧德市登陸型熱帶氣旋強(qiáng)度整體最大.
3) 從防災(zāi)角度出發(fā),熱帶氣旋的風(fēng)力等級(jí)在內(nèi)陸地區(qū)強(qiáng)度多為10級(jí)以下,占85.53%;在沿海地區(qū)強(qiáng)度多為10級(jí)以上,占73.81%.即熱帶氣旋由海域向陸域移動(dòng)過(guò)程中,強(qiáng)度逐漸減??;內(nèi)陸熱帶氣旋強(qiáng)度要小于沿海地區(qū),且南部要小于北部.