应用气象学报  2007, 18 (2): 211-218   PDF    
百余年来影响福建热带气旋的变化特征
高建芸1,2, 江志红1, 游立军2, 张容焱2     
1. 南京信息工程大学, 南京 210044;
2. 福建省气候中心, 福州 350001
摘要: 应用1884—2003年影响福建的热带气旋资料, 采用突变分析、最大熵谱分析、连续小波变换以及正交小波变换等方法研究百余年来影响福建热带气旋频数变化的多时间尺度特征及其异常年份的海气背景场特征。结果表明:百余年来福建经历了3次少台期和2次多台期, 影响福建热带气旋频数具有准13年、准4年和准2.5年的振荡周期, 1971年为年频数变化的突变点; 影响福建热带气旋频数近百年呈弱的上升趋势, 但近十几年略微下降, 未来有偏多的趋势; 影响福建热带气旋异常偏多 (少) 的年份, 夏季500 hPa高度场上, 鄂霍次克海地区位势高度偏低 (高), 从高纬到低纬呈“-+-”(“ +-+”) 的距平型, 纬 (经) 向环流占优势, 西风带低槽偏北 (南), 副热带高压北界偏北 (南), 副热带高压脊线偏北 (南); 赤道中、东太平洋为明显的带状负 (正) SSTA距平区, 同时西太平洋热带气旋主要源区和西北太平洋上皆为正 (负) SSTA距平。由此可见, 影响福建热带气旋频数多寡与西太平洋热带气旋生成区的海温有关, 同时大气环流系统的位置和强弱对热带气旋路径的变化起着关键性作用, 从而使影响福建热带气旋频数的变化。
关键词: 热带气旋    变化特征    影响福建    
Variations in Activities of Fujian-affecting Tropical Cyclones During 1884—2003
Gao Jianyun1,2, Jiang Zhihong1, You Lijun2, Zhang Rongyan2     
1. Fujian Climate Center, Fuzhou 350001;
2. Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044
Abstract: Situated in the Southeast seaboard of China and facing the western North Pacific, Fujian Province is influenced by tropical cyclones (TC) as one of the major summer meteorological disasters at just a lower frequency than Guangdong, Hainan and Taiwan.The 1884—2003 tropical cyclone (TC) data affecting Fujian Province are utilized to investigate the variations of their activities in the Province by means of the trend analysis, mobile t-test, Cramer's scheme, maximum entropy spectrum technique, continuous and orthogonal wavelet transforms. On this basis, the atmospheric circulation and SST are examined in the year of TC anomaly influencing Fujian in an attempt to reveal the possible mechanisms for a scientific basis, with which to predict short-term climate. During the research period Fujian experiences three (two) stages of a lower (higher) number of typhoons hitting Fujian, with the turning points in 1902, 1931, 1955 and 1971 with the last being the year of abrupt change in the annual frequency. Affecting the frequency are the quasi-periodic oscillations at about 13, 4 and 2.5 years, particularly pronounced being the quasi-4 year mode. The annual TC frequency shows a weak rise during the 100 years on the whole but a slight drop in the past several decades. In terms of interdecadal variation, the frequency experiences the decrease-increase-decrease-increase-decrease phases, ushering in the increase in the next phase. From the interdecadal scale between the mid 1960s to the early 1990s, the time-dependent amplitude of the frequency is small compared to the anterior stage, meaning insignificant interannaul variation and low probability of TC anomaly years in this period. In the year of more (fewer) TC battering Fujian, the geopotential height on the summertime 500 hPa height field over the Okhotsk Sea is lower (higher), with the anomalies arranged as "-+-" ("+-+") from high to low latitudes, and zonal (meridional) circulations prevail, leading to the westerly trough northward (southward) of the mean, the northernmost limit and thus the ridge of the subtropical high northward (southward) of the mean and associated with this, a significant banded negative (positive) SSTA zone covers the middle-eastern Pacific at equatorial latitudes in contrast to a positive (negative) SSTA swathe that emerges in the dominant source of TC in the western Pacific and the northwestern Pacific. It follows that a higher or lower frequency of typhoons striking Fujian is related to SST at the source region for TC in the western Pacific and their tracks are strongly affected by the position and intensity of atmospheric circulation systems so that the Fujian-hitting typhoons'frequency changes accordingly.
Key words: tropical cyclone     variation features     Fujian-affecting    
引言

福建省地处东南沿海, 濒临西北太平洋, 热带气旋影响之频繁仅次于广东省、海南省和台湾省, 是福建夏季的主要气象灾害。近年来, 不少学者从不同角度对西太平洋热带气旋与季风环流的关系进行了探讨, 并揭示出一些重要的事实:陶诗言[1]、丁一汇等[2]对影响西北太平洋热带气旋形成的大尺度环流条件的分析表明, 大尺度环流条件可能是影响热带气旋频数变化的重要原因。孙秀荣等[3]分析东亚夏季风与西北太平洋地区 (包括中国南海) 热带气旋频数的关系, 结果表明, 在强夏季风年西北太平洋地区热带气旋频数偏多, 而弱夏季风年同期热带气旋频数异常偏少而后期趋于正常, 正常夏季风年热带气旋频数基本正常。张庆云等[4]研究表明:夏季200 hPa风场上南亚高压中心位置偏北 (南) 其形态表现向东北 (东南) 伸展, 西太平洋热带地区上空 (200 hPa) 的东风急流加强 (减弱), 中层 (500 hPa) 西太平洋副热带高压脊线位置偏北 (南), 低层 (850 hPa) 东亚夏季风环流偏强 (弱), 登陆中国台风数偏多 (少)。潘怡航[5]、李崇银[6]对ENSO循环与西太平洋和南海台风数以及登陆我国大陆台风数的关系进行了研究, 认为El Niño年西太平洋和南海台风数以及登陆我国大陆的台风数均较常年偏少, La Niña年则明显偏多。邓自旺等[7]进一步研究了我国登陆台风频率变化与太平洋海表温度场的关系表明, El Niño年登陆台风偏少, 第二类La Niña年的当年登陆台风也偏少, 而相邻年登陆台风将偏多。陈联寿[8]认为季节内热带气旋发生频率与ENSO的关系不是十分显著, 但还是影响其生成海域的变迁, 暖的ENSO常使台风形成于西北太平洋的东南海域, 一般年份台风不一定在这一海域生成。目前对热带气旋的年代际变化分析得还不多[9-10], 本文首先分析百余年来影响福建热带气旋活动的变化特征, 在此基础上, 分析影响福建热带气旋异常的海气背景场特征, 揭示其可能的物理联系, 为影响福建热带气旋的短期气候预测提供依据。

1 资料和方法

本文采用的资料包括:① 1884—2003年影响福建热带气旋 (简称TC) 年、季频数。影响福建TC年频数是指年内正面登陆福建或登陆邻省 (广东、海南等) 之后, 中心再进入福建的TC, 以及登陆杭州湾以南浙江沿海、珠江口以东广东沿海, 中心未进入福建, 但中心位置进入福建省海岸线3个经、纬距范围内的TC总数, 统称为影响福建TC年频数; 影响福建TC季频数指7—9月影响福建TC总数。②环流场资料: 1951—2002年北半球500 hPa月平均高度场 (5°×10°网格点)。③ 1951—2002年北太平洋286个格点逐月海温资料, 网格距为5°×5°。

应用的方法有:相关分析、趋势分析、滑动t-检验法、Cramer法、最大熵谱分析、连续小波变换、正交小波变换等。

2 百余年来影响福建热带气旋频数的年代际变化 2.1 趋势分析

1884—2003年影响福建的TC总数为584个, 平均每年4.87个, 均方差1.91, 最多年份为1961年 (13个), 最少为1896年和1993年 (1个)。从近百年影响福建TC年频数的累积距平曲线图 (图略) 可以看出, 120年间影响福建TC年频数可分为3次少台期和2次多台期, 其中少台期为:1884—1902年、1932—1955年和1972—2003年; 多台期为: 1903—1931年, 1956—1971年。各活动期特征数列于表 1。由表 1可以看出, 多台期与少台期维持时间大约为15~35年左右。5次活动期中, 以多台期1956—1971年最为明显, 16年中偏少年仅为2年, 平均每年6.2个, 偏多1.3个; 1972—2003年的少台期累积距平曲线变化较为平缓, 是近百年中影响福建TC年频数累积距平变化最小的阶段, 32年间偏多年数仅7年。

表 1 1884—2003年影响福建TC年频数变化 Table 1 Variation of the annual frequency of Fujian-affecting TC during 1884—2003

2.2 最大熵谱分析

应用最大熵谱分析, 取最大后延数M=N/2。图 1给出影响福建TC年频数的最大熵谱的谱图, 由图可知, 突出的峰值出现在4.14年左右的周期上, 其次在13~14年和2.5年周期上也出现较大值。由此可知:影响福建TC年频数具有准13年的中周期振荡和准4年和准2.5年的短周期振荡, 尤其是4年的短周期振荡最为显著。

图 1. 影响福建TC年频数的最大熵谱 Fig 1. Spectral values from the maximum entropy analysis of the annual frequency of Fujian-affecting TC

2.3 突变分析

分别利用滑动t-检验和Cramer方法对1884—2003年影响福建TC年频数进行突变检验, 子序列样本长度N1分别取5, 7, 10, 15, 20年, 显著性水平α=0.01, 由滑动t-统计量曲线 (图略) 可以看出, 当N1 < 10时, 1931年|t|值较大, 通过0.01的显著性检验; 当N1取值为15和20时, 通过0.01的显著性检验的年份是1971年和1955年。Cramer曲线 (图 2) 表明无论N1取何值, |t |最大值都出现在20世纪60年代末和70年代初附近, 且通过0.01的显著性检验。

图 2. 1884—2003年影响福建TC年频数的Cramer曲线 (N1为10年, 虚线为α=0.01显著性检验值) Fig 2. Cramer curve denoting the annual frequency of Fujian-affecting TC during 1884—2003 (where N1=10 years, with dotted showing the interval at 0.01 significance level)

结合累积距平的分析结果最终可以得出: 1902, 1931, 1955年是福建TC年频数变化的转折点, 其中1902年和1955年是少台期向多台期转换的转折点, 1931年则是多台期向少台期转换的转折点, 1971年为影响福建TC年频数变化的突变点, 此时正是近百余年来最明显的一次多台风活动期的结束和新的少台期开始的转折点。

2.4 墨西哥帽小波分析

应用墨西哥帽小波变换得到影响福建TC年频数的小波变换系数如图 3所示。由图 3可见, 影响福建TC年频数在16年左右尺度的小波系数变化表现为负 (少)-正 (多)-负 (少)-正 (多)-负 (少) 5个变化阶段, 与趋势分析的结果是比较一致的, 即19世纪末至20世纪初、20世纪30—40年代和70年代至今为福建的少台期, 而20世纪初至30年代初以及50年代至70年代初为福建的多台期, 目前处于少台期向多台期的过渡。另外根据该小波变换系数绝对值的大小和正负交替也可以看出影响福建TC频数不同时间尺度变化的嵌套结构。根据年代际变化特征, 在不考虑长期趋势的情况下, 下一个10年福建省应该是一个相对多台期。

图 3. 影响福建TC年频数标准化序列小波变换系数 Fig 3. Transform-obtained coefficients of normalized series of the annual frequency of Fujian-affecting TC

2.5 正交小波分析

利用DB16为母小波对影响福建TC年频数标准化序列进行正交分解, 结果如图 4所示。得到相互正交的7个频带成分, 其中6个高频成分 (图 4b~g) 和平滑信息 (图 4h)。由图 4h可见, 从基本气候背景来看, 百年来影响福建热带气旋呈逐渐增加的趋势, 尤其20世纪60年代前增幅较大, 60年代后增幅较小。从图 4b~e可以看出, 自20世纪70年代后序列明显与前期不同, 影响福建热带气旋年频数的年际变化和年代际变化振幅变小, 异常年份出现的机率变小。

图 4. 影响福建TC年频数在6个时间尺度 (d) 上的分量 Fig 4. The annual frequency of Fujian-affecting TC at 6 temporal scales (d)

由于各成分之间两两正交, 因此总方差等于各分量方差之和。由表 2可以看出, 方差贡献最大的是周期 < 3.5年的成分, 占37.6%;其次是3.5~7年周期占35.1%; 7~15年周期占16%。可见影响福建TC年频数的年际变化最明显, 解释了总体方差的88.7%。在其他尺度上的变化是:15~30年周期成分解释了方差的3.7%, 30~60年年代际尺度解释了方差的6.5%, 反映周期为60~120年的长期变化尺度, 可解释0.4%的方差, 而长期变化趋势部分则可解释0.7%。将影响福建TC年频数变化分为年际变化、年代际变化和长期变化, 则可得到3个成分的方差贡献率分别为88.7%, 10.2%和1.1%。

表 2 影响福建TC年频数7个尺度变化的方差贡献率 Table 2 Variance contribution of the annual frequency of Fujian-affecting TC variation at 7 scales

根据表 2重构长期变化、年代际变化和年际变化成分, 可得到以下结论:影响福建TC长期变化的趋势是近百年有弱的上升趋势, 但近十几年有小的下降, 具体分为4个阶段: 19世纪80年代至20世纪初逐渐增加, 20年代至40年代基本不变, 50年代至70年代有逐渐增加的趋势, 80年代后有逐渐减少的趋势。从年代际变化来看:大致经历了少台-多台-少台-多台-少台5个时期, 20世纪10~20年代和50, 60年代年代际变化较为明显, 振幅较大, 而近30年年代际变化不明显, 未来有偏多的趋势。从年际变化的尺度来看, 从60年代中期至90年代初, 影响福建热带气旋年频数随时间变化振幅较前期小, 即年际变化不明显, 台风异常年份出现几率较小。

3 影响福建热带气旋频数异常的环流与海温特征分析 3.1 影响福建热带气旋频数异常年份的确定

根据均方差 (σ) 将影响福建TC频数划分为以下5级 (表 3):异常偏少年为8年、偏少年为10年、正常年为25年、偏多年为6年以及异常偏多年为5年。影响福建的TC出现在4—11月, 其中7—9月共出现211个, 占年总频数78%。全年影响福建TC频数曲线和7—9月影响福建TC频数曲线 (图略) 趋势一致, 两者间存在着很好的相关关系, 相关系数达0.83, 因此7—9月影响福建TC趋势可以代表全年趋势。因此, 着重分析夏季 (7—9月) 大气环流及海温场与影响福建TC年频数的关系。

表 3 1950—2003年影响福建TC异常年份的划分 Table 3 The classification of the annual frequency of Fujian-affecting TC during 1950—2003

3.2 影响福建热带气旋频数异常年份夏季500 hPa高度场特征

TC频数正常年7—9月的500 hPa高度场 (图略) 表明, 副热带高压呈带状分布, 中心位置大致位于24°N, 150°E, 588 dagpm线向西伸展到120°E附近, 中高纬度盛行纬向环流, 西风带南缘大概位于35°N左右。

夏季500 hPa高度场TC频数异常偏多年和TC频数异常偏少年与正常年的偏差场分布表现为明显不同的特征。图 5a为TC频数异常偏多年的偏差场, 鄂霍次克海地区位势高度呈负偏差, 不利阻塞形势发展, 从高纬到低纬呈“-+-”的距平型, 纬向环流占优势。反之, TC频数异常偏少年 (图 5b) 鄂霍次克海地区位势高度出现正偏差, 有利阻塞形势发展, 导致中纬度西风分支, 经向度加大, 副热带锋区南压, 从高纬到低纬呈“ +-+”的距平型。可见, 不同TC频数异常年份所对应的副热带高压和西风带的强度和位置也不同。TC频数异常偏多年, 热带气旋源区为负偏差区, 有利于热带气旋的生成, 而日本及其以东洋面出现正偏差区, 表明副热带高压位置偏北, 西风带比正常年份偏北, 这种大气环流形势有利于热带气旋移动路径偏北, 造成影响福建TC频数增多; 而TC频数异常偏少年则正好有相反的分布。

图 5. TC频数异常偏多 (a) 和异常偏少 (b) 年份相对于正常年份夏季500 hPa高度场偏差 (单位:dagpm) Fig 5. The summer 500 hPa height anomaly of normal to very higher (a) and very lower (b) frequency of Fujian-affecting TC (unit:dagpm)

由TC频数异常年份副热带高压588 dagpm线分布图 (图略) 可见, TC频数异常偏多年份的特点是:西风带低槽偏北, 副热带高压北界偏北, 副热带高压脊线偏北, 位于27°N左右, 热带辐合带活跃并向北推进, 有利于TC生成, 此时福建省正好处于副热带高压南侧, TC在副热带高压南侧偏东气流引导下, 较多地移近福建, 导致影响福建的TC频数异常偏多。TC频数异常偏少年份则相反, 西风带低槽偏南, 副热带高压北界偏南, 副热带高压脊线也偏南, 在25°N附近, 热带辐合带不活跃, 不利于TC生成, 且西太平洋TC平均路径偏南, TC多移向华南, 导致影响福建TC频数异常偏少。

3.3 影响福建热带气旋频数异常年份夏季SST场特征

图 6a为TC频数异常偏多年7—9月的SST距平图, 赤道中、东太平洋为负距平区, 偏低0.1~0.9 ℃, 西北太平洋上为正距平, 偏高0.1~0.5 ℃。而TC频数异常偏少年 (见图 6b) 则相反, 赤道中、东太平洋为明显的带状正距平区, 偏高0.1~1.0 ℃; 同时西太平洋TC主要源区和西北太平洋上皆为负距平, 偏低0.1~0.3 ℃, 距平中心分别出现在40°N, 165°E和37°N, 170°W附近。由此可以得出:西太平洋TC主要源区海温偏低不利于TC生成, 赤道中、东太平洋海温异常偏高 (即El Niño年), 西北太平洋海温偏低, 影响福建TC年频数偏少。

图 6. TC频数异常偏多 (a) 和异常偏少 (b) 年份SST距平图 Fig 6. Distribution of SSTA for the year of anomalous higher (a) and lower (b) frequency of Fujian-affecting TC

表 4表明影响福建TC年频数与夏季500 hPa阻塞高压、西风带及副热带高压的强度和位置有关, 同时与西太平洋TC源区海温、西北太平洋海温和赤道中、东太平洋海温关系密切。

表 4 影响福建TC异常年份的大气环流及海温场特征 Table 4 Features of 500 hPa atmospheric circulations and SST field in relation to anomalous Fujian-affecting TC frequency

表 4可知:影响福建热带气旋频数异常偏多 (少) 的年份, 夏季500 hPa高度场上鄂霍次克海地区位势高度偏低 (高), 从高纬到低纬呈“-+-” (“ +-+”) 的距平型, 纬 (经) 向环流占优势, 西风带低槽偏北 (南), 副热带高压北界偏北 (南), 副热带高压脊线偏北 (南); 影响福建热带气旋频数异常偏多 (少) 的年份, 赤道中、东太平洋为明显的带状负 (正) 距平区, 同时西太平洋TC主要源区和西北太平洋上皆为正 (负) 距平。

4 结论与讨论

1) 百余年来福建经历了3次少台期和2次多台期, 转折点分别为1902, 1931, 1955年和1971年, 其中1971年为影响福建热带气旋年频数变化的突变点。影响福建热带气旋频数具有准13年的周期振荡和准4年和准2.5年的短周期振荡, 尤其是4年的短周期振荡最为显著。

2) 影响福建热带气旋频数近百年长期变化呈弱的上升趋势, 但近十几年有略微的下降; 从年代际变化来看:大致经历了少台-多台-少台-多台-少台5个时期, 未来有偏多的趋势; 从年际变化的尺度来看, 从20世纪60年代中期至90年代初, 影响福建热带气旋年频数随时间变化振幅较前期小, 即年际变化不明显, 台风异常年份出现几率较小。

3) 影响福建热带气旋频数异常偏多 (少) 的年份, 夏季500 hPa高度场上鄂霍次克海地区位势高度偏低 (高), 从高纬到低纬呈“-+-”(“ +-+”) 的距平型, 纬 (经) 向环流占优势, 西风带低槽偏北 (南), 副热带高压北界偏北 (南), 副热带高压脊线偏北 (南); 赤道中、东太平洋为明显的带状负 (正) SST距平区, 同时西太平洋热带气旋主要源区和西北太平洋上皆为正 (负) SST距平。

由正交小波分析可以看出: 20世纪70年代后影响福建热带气旋年频数发生突变, 年际变化和年代际变化振幅较前期变小, 异常年份出现的几率也变小, 其原因值得探究。百余年来影响福建热带气旋频数的变化特征表明影响福建热带气旋年频数有准4年和准2.5年的周期振荡 (可能与QBO有一定的关联), 20世纪70年代初期为影响福建热带气旋年频数变化的突变点, 这些事实表明影响福建热带气旋频数与ENSO事件的发生存在某种联系, 但众所周知, ENSO的突变点发生在70年代中后期。可见, 太平洋热带海气状况不是影响福建热带气旋频数多寡的唯一因素, 大气环流系统的位置和强弱对热带气旋路径的变化起着关键性作用, 其机理还需进一步研究。

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