1949—2020年影響青島的熱帶氣旋氣候特征

馬 艷, 郭麗娜, 郝 燕

1949—2020年影響青島的熱帶氣旋氣候特征

馬 艷1, 2, 3, 郭麗娜2, 郝 燕2

(1. 青島市氣象災害防御工程技術研究中心, 山東 青島 266003; 2. 青島市氣象局, 山東 青島 266003; 3. 山東省氣象防災減災重點實驗室, 山東 濟南 250031)

利用1949—2020年中國臺風年鑒和熱帶氣旋資料, 結合青島地面氣象觀測記錄, 從熱帶氣旋頻數、周期、強度以及給青島地區帶來的降水等方面分析了影響青島的熱帶氣旋氣候特征。分析表明: 1)1949—2020年影響青島的熱帶氣旋個數整體呈現為減少的特點, 熱帶氣旋個數多呈現出了2a～4a的顯著變化周期。2)登陸轉向和登陸北上類路徑占8類影響青島的熱帶氣旋路徑的47.9%, 7月份影響青島的熱帶氣旋以登陸北上類型為主, 9月份的以登陸轉向類型為主。3)影響青島的熱帶氣旋強度整體呈現為減弱的特點, 年代際變化特征明顯; 氣旋北上開始影響青島期間的熱帶氣旋強度變化不明顯。4)不同路徑熱帶氣旋帶給青島地區強降水具有空間差異性, 登陸北上類熱帶氣旋帶給青島地區最強的日降水量和過程降水量, 近海轉向類和遠海影響類帶來降水較小。

熱帶氣旋; 青島; 氣候特征

在全球氣候正經歷著一場以變暖為主要特征的變化過程中[1-2], 熱帶氣旋潛在破壞力、超強臺風比例有明顯增強和增多的趨勢[3-4], 沿海和近海地區受到臺風活動影響所帶來的損失呈現為上升的趨勢[5]。熱帶氣旋活動的季節、頻數及登陸時的強度等氣候特征的變化引起了科學家及社會各界的普遍關注。世界氣象組織(WMO)的熱帶氣旋國際研討會(IWTC)認為溫室氣體的增加將使全球熱帶氣旋的頻數減少6%～34%, 但強臺風的比例將增大[6]。

我國毗鄰西北太平洋, 自南向北、從春到夏均有熱帶氣旋登陸影響我國沿海地區[7-8]。亞太臺風委員會(ESCAP/WMO)認為西北太平洋熱帶氣旋和臺風的年頻數有所減少, 登陸中國大陸的熱帶氣旋頻數呈減少趨勢, 登陸中國的熱帶氣旋的平均強度沒有明顯的變化趨勢, 但登陸熱帶氣旋的最大強度呈減弱的趨勢[9]。雷小途等[10]指出影響和登陸中國的熱帶氣旋頻數呈弱的減少趨勢、但達到臺風等級的登陸氣旋頻數變化不明顯或有所增加。應明等[11]指出我國影響東北地區的熱帶氣旋頻發的年份顯著減少, 其他區域的影響頻數及其分布均未有顯著的變化; 熱帶氣旋活動頻次在南海西北部、廣東省一帶和山東半島一帶顯著減少。臺風降水最大值在臺灣島的中東部地區和海南島的個別地區, 最小值在內蒙古、山西、陜西、四川的部分地區[12]。

登陸中國的熱帶氣旋向北移動可越過50°N地區, 約有2.1%的熱帶氣旋北上登陸山東地區[13]。對于北上臺風, 中緯轉向、高緯轉向和直接北上路徑是造成北方強烈降水和大風的主要路徑[14], 登陸北上類的臺風在北方產生暴雨的概率可達100%[15]。金榮花等[16]、王秀萍等[17]以及周小珊等[18]針對不同時段的氣象臺站觀測資料開展了北上熱帶氣旋月際、年際和年代際氣候變化特征分析, 反映出了北上熱帶氣旋影響的時間和空間差異性特征。針對影響山東地區的熱帶氣旋氣候特征, 叢春華等[19]指出登陸山東地區的臺風主要分布在魯東南和山東半島南部沿海地區, 其所帶來的暴雨區主要集中出現在魯東南、山東半島南部和東部地區。高曉梅等[20]指出1949— 2015年間影響山東臺風以沿海北上類最多, 登陸填塞類最少; 存在顯著的26a年代際尺度和5a年際尺度的周期變化。以上文獻所開展的熱帶氣旋氣候特征多是面向影響我國的熱帶氣旋, 由于我國幅員遼闊, 熱帶氣旋影響的區域差異性又非常大, 具有全國范圍的總體特征與分區特征的差異。青島地處山東半島東南部, 三面瀕海, 也是臺風北上影響的地區之一。近年來對影響青島的熱帶氣旋的研究增多了, 但是多集中在熱帶氣旋影響的天氣過程個例分析上[21-22], 對其進行全面系統的氣候分析研究工作還很少。再者, 受統計資料時段的限制, 以上文獻的研究結論的適用范圍也是有限的。本文利用1949—2020年的熱帶氣旋資料對72a來影響青島的熱帶氣旋的頻數、路徑、強度以及造成的降水進行統計分析, 研究影響青島的熱帶氣旋活動規律及氣候特征, 以期能對影響青島的熱帶氣旋預報和服務、海上活動和安全生產提供支撐。

1 資料與方法

利用中國氣象局整編的《臺風年鑒》和《熱帶氣旋年鑒》[23], 結合青島地面觀測資料, 從1949— 2020年共72 a的臺風過程中選取對青島造成影響的熱帶氣旋作為研究對象。選取標準如下: 該氣旋影響青島出現了5個觀測站以上的降水且在5 mm以上, 或者引起青島5個測站以上出現平均風力6級及以上或陣風8級。表1為影響青島的76個熱帶氣旋信息。熱帶氣旋等級采用《熱帶氣旋等級》(GB/T19201— 2006)進行等級劃分[24]。其中, 影響青島的熱帶氣旋強度定義為熱帶氣旋從源地生成到取消編號期間的最強級別; 影響青島期間熱帶氣旋級別則是定義為熱帶氣旋北上后, 開始給青島地區造成降水和大風天氣期間的最強級別。

表1 76個影響青島的熱帶氣旋信息

續表

續表

2 結果分析

2.1 熱帶氣旋頻數特征

1949—2020年期間共有76個熱帶氣旋影響青島, 平均每年有1.06個, 其中1962年4個, 為熱帶氣旋影響最多的年份, 無熱帶氣旋影響的年份有23年, 占研究年份的30.3%; 1949—1973年是熱帶氣旋影響青島的高頻期, 25年中有40個熱帶氣旋影響青島, 年平均達到了1.6個, 尤其是1959—1963年, 有12個熱帶氣旋影響, 年平均2.4個, 其后開始明顯減少, 即使在20世紀90年代前期熱帶氣旋的影響存在略有增多的現象(圖1a)。1995年以來熱帶氣旋影響仍然較少, 1995—2020年共26年只有17個熱帶氣旋影響, 年平均0.7個, 明顯少于平均值。總的來看, 20世紀50、60年代到70年代前期熱帶氣旋影響頻繁, 80年代和本世紀的熱帶氣旋影響明顯減少; 1949—2020年影響青島的熱帶氣旋個數整體呈現為減少的特點, 臺風個數的3年滑動平均序列也反映出了減少的變化特征(圖1)。熱帶氣旋個數的線性減小速率為1.643個/10 a。但是由于影響青島的熱帶氣旋氣旋在72 a間只有76個, 個數比較少, 其變化趨勢并沒有通過顯著性檢驗。

圖1 1949—2020年影響青島的熱帶氣旋個數序列

采用Morlet小波功率譜分析和交叉小波分析方法, 分析影響青島的熱帶氣旋個數的周期變化。由圖2可知, 影響青島地區的熱帶氣旋個數在1949年至20世紀70年代初、20世紀80年代至20世紀末, 以及本世紀初至今有顯著的2～4 a周期。由于邊界影響問題, 20世紀50年代前期和本世紀近5年兩個時段的周期需要另外確定。

熱帶氣旋影響青島的時間最早出現在6月, 最晚出現在10月。8月最多, 占影響青島總熱帶氣旋數量的45.1%, 10月最少, 僅出現1次。1949年以來分別有6007號“雪莉”、8509號“瑪美”、0108號“桃芝”和1909號“利奇馬”4個熱帶氣旋在青島登陸。登陸青島的四個熱帶氣旋均出現在8月份, 其中8月上旬占登陸總數的75%。登陸山東的熱帶氣旋主要集中在7月中旬至8月下旬, 其中7月下旬最多, 占總數的40%; 最早登陸山東的熱帶氣旋出現在6月下旬, 最晚登陸出現在9月中旬[25]。

圖2 影響青島的熱帶氣旋小波功率譜分析

注: 陰影部分為通過95%紅噪音信度檢驗; 黃色細弧線以下區域為小波頭部影響區

2.2 熱帶氣旋路徑特征

基于山東地區熱帶氣旋路徑分類的研究成果[19], 本文也將將影響青島的熱帶氣旋路徑依據其運動軌跡劃分為登陸轉向、登陸北上、高緯西進、黃海西折、近海轉向、近海北上、登陸填塞和遠海影響8類,如圖3所示。這8類熱帶氣旋路徑通道定義如下:

圖3 影響青島的熱帶氣旋8類路徑示意圖

(1) 登陸轉向類: 源地多集中在菲律賓以東洋面, 向西北方向移動, 其通道與臺風48 h警戒線的交點為(132°E, 25°N)和(128°E, 10°N), 與24 h警戒線的交點為(127°E, 27°N)和(122°E, 19°N), 在廈門與上海之間登陸, 之后在30°N以南轉向東北方向移動, 經江蘇省入海, 在成山頭以南繼續東北行, 通道最南至朝鮮半島南端。

(2) 登陸北上類: 源地多集中在菲律賓以東洋面, 向西北方向移動, 其通道與臺風48 h警戒線的交點為(132°E, 24°N)和(130°E, 13°N), 與24 h警戒線的交點為(127°E, 26°N)和(122°E, 19°N), 通道略窄于登陸轉向類, 在廈門與上海之間登陸, 之后北上并多在33°N以北轉向東北方向移動, 穿過山東省在成山頭以北繼續東北行, 通道最南至三八線附近。

(3) 高緯西進類: 大多數此類氣旋源地明顯偏北, 在較高緯度向西北行進, 其通道與臺風48 h警戒線的交點為(132°E, 31°N)和(132°E, 15°N), 與24 h警戒線的交點為(127°E, 34°N)和(127°E, 22°N), 在大連以西和連云港以北繼續向西北方向移動。

(4) 黃海西折類: 源地多集中在菲律賓以東洋面, 向西北方向移動, 其通道與臺風48 h警戒線的交點為(132°E, 19°N)和(130°E, 13°N), 與24 h警戒線的交點為(127°E, 22°N)和(124°E, 20°N), 通道較偏南且較窄, 向西可登陸臺灣, 之后向北在121°E到125°E之間北上至黃海后轉向西北移動, 其路徑通道在青島與大連之間。

(5) 近海轉向類: 源地多集中在菲律賓以東洋面, 向西北方向移動, 其通道與臺風48 h警戒線的交點為(132°E, 22°N)和(132°E, 15°N), 與24 h警戒線的交點為(127°E, 30°N)和(127°E, 22°N), 在124°E以東和127°E以西北上并在30°N以南轉向東北方向移動, 其東北行通道位于三八線與濟州島之間。

(6) 近海北上類: 與近海轉向類相似, 源地多集中在菲律賓以東洋面, 向西北方向移動, 其通道與臺風48 h警戒線的交點為(132°E, 30°N)和(132°E, 15°N), 與24 h警戒線的交點為(127°E, 33°N)和(127°E, 23°N), 比近海轉向類明顯偏北, 在122°E以東和125°E以西北上, 其北上通道位于沈陽和平壤之間。

(7) 登陸填塞類: 源地偏東, 向西北方向移動, 其通道與臺風48 h警戒線的交點為(132°E, 22°N)和(130°E, 13°N), 多在溫州到上海一帶登陸, 之后向西或西北移動并逐漸填塞消失, 其西行通道位于鄭州到長沙之間。

(8) 遠海影響類: 北上的路徑偏東, 其通道與臺風48 h警戒線的交點為(132°E, 28°N)和(132°E, 18°N), 明顯偏北, 多在125°E以東和130°E以西的通道中北上, 之后向東北移動, 并通常在首爾以東沿朝鮮半島北上。

對青島造成影響的熱帶氣旋中, 以登陸轉向和登陸北上的熱帶氣旋最多, 共占47.9%。登陸北上類的56%出現在7月, 38%出現在8月; 登陸轉向類的61%出現在9月, 其他月份出現較少; 高緯西進類的熱帶氣旋全部出現在7—8月; 近海北上類的80%出現在8月; 近海轉向類的86%出現在8月。登陸青島的4個熱帶氣旋中, 6007號為登陸轉向類, 8509、0108和1909號熱帶氣旋均為登陸北上類。概括來講, 7月影響青島的熱帶氣旋以登陸北上類型為主, 9月影響青島的熱帶氣旋以登陸轉向類型為主, 8月份各類型熱帶氣旋都有可能出現, 但以登陸北上、近海轉向和高緯西進類居多。

2.3 熱帶氣旋強度特征

1949—2020年期間影響青島的熱帶氣旋共有30個(41.5%)達到超強臺風級別, 13個(13.5%)為強臺風級別, 19個(26.6%)是臺風級別(圖4和表2)。影響青島的熱帶氣旋多集中在臺風以上級別, 其中登陸北上類、登陸轉向類、登陸填塞類、遠海影響類和黃海西折類5類路徑的熱帶氣旋強度有60%以上集中在強臺風以上級別。熱帶低壓和熱帶風暴無論什么路徑都較難影響到青島。登陸青島的4個熱帶氣旋中, 登陸時為熱帶風暴級的分別是6007號和1909號臺風, 8509臺風是以強熱帶風暴級別登陸的, 0108號臺風登陸青島時已減弱為熱帶低壓。

圖4 8類路徑熱帶氣各強度出現頻數

表2 8類熱帶氣旋各級強度百分比(%)

圖5統計分析了1949—2020年影響青島和影響青島期間的熱帶氣旋級別的逐年變化特征。其中圖5a反映了76個熱帶氣旋從臺風源地生成后到北上影響青島期間的最強級別, 而圖5b則是反映了這76個熱帶氣旋北上后, 開始給青島地區造成降水和大風天氣期間的最強級別。由于在一些年份有多個熱帶氣旋影響到青島, 本文只是統計了其中的最強級別。在臺風源地生成后北上影響青島的熱帶氣旋強度整體呈現為減弱的趨勢, 平均每10 a會降低0.117個級別(圖5a); 其年代際變化特征明顯, 表現為在20世紀50年代、90年代和本世紀00年代影響青島的熱帶氣旋強度是增強的趨勢, 在20世紀60年代、70年代、80年代和21世紀10年代影響青島的熱帶氣旋強度是減弱的特征(圖略)。由圖5b可知, 在影響青島期間, 熱帶氣旋的平均強度在3級左右, 較圖5a的平均5級的熱帶氣旋強度有一個非常明顯的減弱。這應和熱帶氣旋北上過程中, 與中緯度相互作用以及下墊面拖曳和降溫作用等, 熱帶氣旋的強度通常會有所減弱有關。青島市處于暖溫帶半濕潤區和北亞熱帶濕潤區過渡帶, 在近72 a期間, 熱帶氣旋北上影響青島期間的強度減弱的年際變化趨勢并不明顯(圖5b), 但其年代際特征表現為熱帶氣旋在20世紀80年代和本世紀10年代是減弱的趨勢, 其余年代均為增強的變化特點(圖略)。

圖5 1949—2020年影響青島的熱帶氣旋最強級別(a)和影響青島期間的熱帶氣旋最強級別(b)

注: 圖中實線為線性變化趨勢線

2.4 熱帶氣旋降水特征

基于降水資料的完整性, 本文統計了1961—2020年共52次熱帶氣旋影響青島地區的單站最大過程降水量。最大過程降水量變化很大, 單站最大過程降水量最多達到481.8 mm, 最少僅有5.6 mm。其中登陸北上類帶來的單站最大過程降水量較大, 平均值達到182.5 mm, 近海轉向類帶來的單站最大過程降水量較小, 平均僅有18.5 mm(圖6)。8類路徑熱帶氣旋帶來的單站最大過程降水量分級統計表明, 青島地區的單站最大過程降水量有60%達到暴雨以上量級, 其中, 登陸北上類、登陸轉向類、近海北上類、高緯西進類、黃海西折類這5類熱帶氣旋帶給青島地區的單站最大過程降水量有一半以上超過暴雨量級。帶來降水最強的是登陸北上類, 單站最大過程降水量有92.9%集中在暴雨以上量級, 大暴雨以上量級占71.4%; 近海轉向類和遠海影響類帶來降水較小, 單站最大過程降水量都在大雨量級以下。

就日降水量分析, 如表3所示, 登陸北上類的氣旋對青島全市及青島市區都影響最大, 其次是登陸轉向類、登陸填塞類, 近海轉向類和遠海影響類的影響較小。登陸北上類個例中, 平均每個過程全市有6.7個日降水量大于50 mm的記錄, 其中大于100 mm的有3.1個; 登陸轉向類個例中, 平均每個過程全市有1.6個日降水量大于50 mm的記錄, 其中大于100 mm的有0.5個。登陸北上類的熱帶氣旋造成的日降水量相比其他路徑類別影響尤為顯著。就過程降水量分析, 同樣是登陸北上類的氣旋對青島全市及青島市區影響最大, 其次是登陸填塞類、登陸轉向類。

圖6 青島單站最大過程降水量及分級

表3 8類熱帶氣旋路徑對應的降水量最大值和全市平均值(mm)

青島市轄管7個市轄區(市南、市北、李滄、嶗山、黃島、城陽、即墨), 代管3個縣級市(膠州、平度、萊西)。其中市區(市南、市北、李滄)、嶗山區、黃島區位于南部沿海地區, 城陽區、即墨區和膠州市位于青島市中部平原丘陵地區, 平度市和萊西市則是處在北部內陸地區。青島市自西北到東南方向, 海洋性氣候特點愈加明顯。分析各站平均過程降水量(圖略), 登陸北上類的熱帶氣旋造成青島地區過程降水量最大的是在即墨、黃島、膠州, 其次依次是嶗山、萊西、青島、平度, 且各站過程降水量都大于100 mm; 當登陸轉向類的熱帶氣旋影響時, 降水量最大的是青島、黃島; 當登陸填塞類的熱帶氣旋影響時, 最大的則是嶗山、即墨; 而近海北上類的熱帶氣旋造成的過程降水量最大的是即墨。另外, 高緯西進類對黃島影響較大, 而黃海西折類對萊西平度影響較大。總之, 有熱帶氣旋影響青島地區時, 即墨、黃島、嶗山、青島等沿海地區相對其他內陸地區, 過程降水量更大, 日降水量也更大。

圖7分析了4個登陸青島的熱帶氣旋對國家基本氣象站青島、嶗山、膠南、即墨、膠州、平度和萊西站的平均降水量分布, 在膠南站最大, 達到了181.9 mm, 其次是平度、即墨、膠州、嶗山和青島站, 在萊西站最小。從地理位置來看, 青島、嶗山和膠南位于南部沿海地區, 易受臺風倒槽和低壓環流影響; 處于北部內陸地區的平度和萊西以及中部的即墨和膠州則更易受到臺風倒槽和西風槽的共同影響。對于臺風低壓環流系統, 青島站所處的主城區近地面層主導風向通常為東風或東北風, 膠南位于其下風向和迎風面; 而對于有冷空氣侵入影響的西風槽系統, 近地面層主導風向通常為南風或西南風, 即墨則位于主城區的下風向和迎風面。研究表明[26-28], 隨著城市化進程加快, 強降水向山前迎風區, 主城區及城區下風側集中; 城市下風方的降水遠大于上風方的降水; 城市熱島的影響是影響降水分布不均的主要原因。在考慮天氣系統和地形的影響之外, 這可能是登陸臺風帶來的降水在膠南和即墨站較大, 在青島站相對較小的原因之一。當然, 城市化對臺風降水的影響機制還需要進一步探究。

圖7 4個登陸熱帶氣旋影響下青島7個國家基本氣象站平均降水量(mm)

3 結論和討論

1) 1949—2020年共有76個熱帶氣旋影響青島, 且影響青島的熱帶氣旋頻數和強度均呈減少特點; 頻數減小速率為1.764個/10 a, 熱帶氣旋強度級別平均每10 a會降低0.117個級別。熱帶氣旋個數在1949年至20世紀70年代初、20世紀80年代至上世紀末, 以及本世紀初至今有顯著的2～4 a周期。

2) 影響青島的熱帶氣旋最多出現在8月, 占影響青島熱帶氣旋總數的45.1%; 登陸轉向和登陸北上類路徑占影響青島熱帶氣旋8類路徑的47.9%, 7月影響青島的熱帶氣旋以登陸北上類型為主, 8月份以登陸北上、近海轉向和高緯西進類居多, 9月影響青島的熱帶氣旋以登陸轉向類型為主。

3) 1949—2020年影響青島的熱帶氣旋81.6%集中在臺風以上級別, 其中登陸北上類、登陸轉向類、登陸填塞類、遠海影響類和黃海西折類5類路徑的熱帶氣旋強度有60%以上集中在強臺風以上級別。熱帶低壓和熱帶風暴無論什么路徑都較難影響到青島。影響青島的熱帶氣旋強度有減小趨勢, 但氣旋北上直接影響青島時的強度變化不明顯。

4) 1949—2020年登陸北上類、登陸轉向類、近海北上類、高緯西進類、黃海西折類熱帶氣旋帶給青島地區的單站最大過程降水量50%以上為暴雨量級, 且以登陸北上類帶來降水最強。登陸北上類的熱帶氣旋造成的青島地區過程降水量最大的是在即墨、黃島、膠州, 其次依次是在嶗山、萊西、青島、平度。

在全球氣候變暖的背景下, 再疊加區域城市化的影響, 北上熱帶氣旋影響的氣候特征對空間尺度的變化會有一定程度的依賴性; 再者, 因不同來源或不同時段熱帶氣旋監測手段、定強技術指標的不同會造成統計結論存在一定的差異。雖然本文從熱帶氣旋頻數、路徑、周期、強度以及降水量等方面分析了1949—2020年影響青島的熱帶氣旋氣候特征, 能夠為熱帶氣旋的預報服務提供有益的幫助, 但是所獲得的結論在時間和空間上也是具有一定的局限性。

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Climate characteristics of tropical cyclones affecting Qingdao during 1949–2020

MA Yan1, 2, 3, GUO Li-na2, HAO Yan2

(1. Qingdao Engineering Technology Research Center for Meteorological Disaster Prevention, Qingdao 266003, China; 2. Qingdao Meteorological Bureau, Qingdao 266003, China; 3. Key Laboratoray for Meteorological Disaster Prevention and Mitigation of Shandong, Jinan 250031, China)

The climate characteristics of tropical cyclones affecting Qingdao during 1949–2020 were analyzed in terms of numbers, period, intensity, and precipitation caused by tropical cyclones. For this analysis, Typhoon Yearbook, tropical cyclone data as well as surface observations in the region of Qingdao were used. The results showed that the tropical cyclone numbers affecting Qingdao tended to decrease and mostly took on the feature of 2a to 4a period. The tracks of the tropical cyclones affecting the area were classified into eight categories, and those changing directions or moving northward after making landfall accounted for 47.9%. The track of making landfall and then moving northward was dominant in July, whereas the track that steered after landfall was mainly dominant in September. The intensity of tropical cyclones affecting Qingdao showed a weakening tendency with a clear decadal feature. During the period in which tropical cyclones affected Qingdao, the variation in tropical cyclone strength was not obvious. There was a clear spatial difference in the heavy precipitation area for various tracks. Tropical cyclones with the track of making landfall and then moving northward caused the strongest daily and process precipitation in the Qingdao region. In contrast, tropical cyclones with offshore steering tracks and tracks at the ocean had less influence on the rainfall.

tropical cyclone; Qingdao; climate characteristics

Jan. 21, 2021

P466

A

1000-3096(2022)1-0044-12

10.11759/hykx20210121001

2021-01-21;

2021-06-15

青島沿海地區大風預報預警技術研究與應用(2019qdqxz01)

[Research and application of forecasting and warning technology for gale in Qingdao coastal area, No. 2019qdqxz01]

馬艷(1970—), 女, 寧夏銀川人, 研究員, 主要從事天氣預報技術研究, E-mail: qdyanma@163.com; 郭麗娜(1980—), 女,通信作者, 工程師, 研究方向: 氣候與氣候變化, E-mail: yinlingr@126.com

(本文編輯: 康亦兼)