台湾极端降水事件的时空特征与长期变化

《Weather and Climate Extremes》：Spatiotemporal Characteristics and Long-Term Changes of Extreme Rainfall Events in Taiwan

　　

摘要
利用基于事件（event-based）的追踪方法，研究人员对1960至2022年间台湾极端降水事件（EREs，日降水量≥80 mm day^-1）的时空特征进行了分析。气候学上，台湾每年约经历11次EREs，其频率和强度在热带气旋（TC）季节（7–10月，占56%）达到峰值，其次是初夏季节（5–6月，占33%）。在空间上，EREs自春季至冬季呈现由西向东的迁移特征，这与季风转换相对应，其中高强度事件主要集中于中部和南部山区。

EREs在年际和年代际时间尺度上均表现出显著变率。其年际频率受到与ENSO相关的海表温度异常的强烈调制。在厄尔尼诺（El Ni?o）发展年夏季，西北太平洋上空的反气旋式环流异常与增强的季风气流及登陆TC频率的增加相耦合，从而有利于EREs的频繁发生。相反，秋季随后的反气旋式环流异常伴随着EREs发生频次的减少，且这种减少持续至次年ENSO衰减年的夏季。EREs的长期演变在频率和强度上均呈现显著上升趋势。这种增强与TC登陆时平移速度的减缓及向西路径风暴登陆台湾中部的比例增加密切相关。此外，与TC相关的上升运动的增强也与该趋势有关。

台湾极端降水事件时空特征与长期变化研究解读

一、研究背景与科学问题

极端降水事件（EREs）是台湾最主要的自然灾害之一，频繁引发严重灾害与重大经济损失。台湾地处板块交界地带，地震活动频繁，地质条件脆弱，在极端降水触发下极易导致灾难性的泥石流和山体滑坡，造成重大人员伤亡。例如，2009年的莫拉克台风（Typhoon Morakot）在台湾南部产生破纪录降雨，引发了导致近700人遇难的泥石流灾害。因此，深入理解EREs的时空特征及形成机制，对于制定有效的防灾减灾策略至关重要。

台湾地处季风区和西北太平洋（WNP）热带气旋（TC）的主要路径上，同时位于季节内振荡（ISOs）的向北传播路径范围内。天气系统的复杂性及其与南北走向的中央山脉地形的相互作用，导致极端降雨模式呈现显著的时间和空间变率。以往研究表明，台湾的EREs主要发生在梅雨季（5–6月）和随后的TC季节（7–10月；JASO）。梅雨季以静止锋的存在为特征，锋面伴随的西南气流在遭遇地形抬升时，常在中部和西南山区诱发极端降水；而TC季节的EREs则主要受TC路径和TC-地形相互作用的影响。

然而，文献综述显示，以往大多数极端降水研究采用了世界气象组织（WMO）提出的极端指数，如年最大1日（Rx1day）和连续5日（Rx5day）降水量指数。这些基于固定站点或格点数据的统计指数，本质上难以捕捉极端降水及其关联天气系统的时空连续性和整体性。例如，2001年纳莉台风和2009年莫拉克台风的极端降雨足迹均展现了跨越多日的空间迁移过程，而传统指数只能捕捉这些过程的片段，难以分析此类事件的完整生命周期、持续时间和总影响面积。

为解决上述问题，Lo等人（2021，2023）引入了基于事件（event-based）的检测方法，能够对极端事件进行时空追踪，从而监测事件的空间演变和持续时间，量化事件尺度，并比较不同事件的累积影响。本研究基于这一框架，系统地对1960–2022年台湾EREs的时空特征、年际变化和长期趋势进行了全面的统计分析，旨在为极端降水研究提供新视角。

二、研究对象与方法概述

本研究利用台湾气候变化推估资讯与调适知识平台（TCCIP）提供的0.05°分辨率网格化日降水数据定义极端降水事件（EREs，≥80 mm day^-1）和暴雨事件（TREs，≥350 mm day^-1），采用基于事件的四维（4-D）追踪算法，以至少64个连通体素为最小规模阈值识别事件，并计算总降雨体积（TRV）和降雨持续时间（RD）。大气环流数据采用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的第五代再分析资料（ERA5，0.25°分辨率），辅助使用NCEP–NCAR再分析1资料验证垂直速度结果；海表温度（SST）数据来自NOAA扩展重建海表温度第五版（ERSSTv5）；全球降水分布检验使用全球降水气候计划（GPCP）2.3版日降水资料；TC最佳路径数据来自联合台风警报中心（JTWC），TC登陆路径分类来自中央气象署（CWA）台风数据库。研究时段为1960–2022年（GPCP为1979–2022年）。气候指数方面，计算了西北太平洋季风指数（WNPMI）、Ni?o-3.4指数、印度洋偶极子（IOD）指数、热带北大西洋（TNA）指数和太平洋经向模（PMM）指数，用于分析年际变率的相关机制。

三、主要研究结果

（一）台湾EREs的时空分布特征

气候学上，台湾平均每年发生约11次EREs，主要沿南北走向的山脊分布，表明地形抬升对其发生有显著影响。此外，北部、东北部和西南部相对平坦地区也频繁出现EREs。时间上，EREs频率自5月起显著增加，6月和8月出现两个明显峰值，11月后迅速下降。按季节划分，TC季节占比最高（56%），其次为梅雨季（33%），春季（2–4月）和冬季（11–1月）各占约5%。空间分布呈现自春季至冬季由西向东的季节性迁移，与季风转换相对应。高强度事件主要集中于中部山区（TC季节）和西南山区（梅雨季），TRV和RD均在TC季节达到最大值。

（二）EREs的年际变化特征

夏季（6–8月；JJA）EREs频率与WNPMI呈显著正相关（r = 0.48，p < 0.01），并与成熟期（9–2月）Ni?o-3.4指数呈正相关（r = 0.3，p < 0.05）；秋季（9–11月；SON）则转为显著负相关（r = -0.34，p < 0.01），表明ENSO-EREs关系具有季节依赖性。在厄尔尼诺发展年夏季，WNP上空出现大尺度气旋式环流异常，伴随增强的西南季风气流和更多的TC登陆，有利于EREs频繁发生；而厄尔尼诺衰减年秋季，南海上空的反气旋式异常转为气旋式异常，TC生成增多且生成位置偏西，有利于TC登陆的增多，与台湾东部和南部较高的年平均EREs频率相对应。拉尼娜事件期间的EREs季节演变模式大体上与厄尔尼诺相反。敏感性分析表明，不同ENSO类型（东部型与中部型）下该季节演变规律依然一致。此外，仅秋季IOD指数与EREs呈显著负相关（r = -0.28），IOD相关的SST异常通过大气开尔文波和局地哈德莱环流在WNP诱发反气旋异常，抑制对流从而减少EREs。

（三）EREs的长期趋势与驱动机制

1960–2022年，台湾EREs年频率呈显著上升趋势，约每10年增加8次事件；后一时期（1991–2021）较前一时期（1960–1990）频率增长约20%，其中梅雨季（26%）和秋季（32%）增幅最为显著。TREs总数从早期的11次增加至后期的37次（增加2.4倍），时间分布从仅集中于8–10月扩展至5–12月，其增长主要由台湾西南部驱动。尽管台风影响台湾的数量在两个时期基本持平（54 vs. 59次），但登陆TC诱发TREs的条件概率从早期约20%上升到近期的54%，相关系数从0增至0.49。这一加强关联的机制包括：登陆TC移动速度减缓，延长了TC对台湾的影响时间；偏西路径的TC在台湾中部登陆的比例增加（2–3类路径增加29%，4–5类减少46%），此类路径穿越更高地形区域，受中央山脉阻挡减速效应更明显；TC相关500-hPa垂直上升运动增强，有利于更强降水。TC强度和850-hPa风速无显著长期趋势，排除了TC强度变化对TREs增加的贡献。梅雨季期间水汽输送（IVT）呈增加趋势，与TREs增加一致；而TC季节IVT无显著趋势，表明TC季节TREs的增加主要通过TC动力学的改变来调节。

四、结论与讨论

本研究通过事件追踪方法系统揭示了1960–2022年台湾EREs的时空特征、年际变化和长期趋势。主要结论包括：（1）气候变化背景下，台湾EREs存在显著增加趋势，梅雨季增加与增强的西南水汽输送有关，TC季节增加则与TC减速、路径北移及上升运动增强密切相关；（2）ENSO生命周期通过调控季风和TC活动对EREs产生季节性依赖的影响；（3）有关统计关联并不等同于因果关系，TNA对台湾EREs的相关性较弱，TC减速和路径偏移的具体机制尚需进一步研究。该研究为理解台湾极端降水的多尺度变率提供了新视角，对防灾减灾策略的制定具有重要参考价值。