台风降雨显著增加对中国东南沿海典型流域总降雨量的影响

《Climate Services》：Impacts of significantly rising typhoon rainfall on total rainfall in a typical basin of China's Southeastern coast

　　

台风引发的极端降雨（Typhoon-induced extreme rainfall, TER）是全球自然灾害的主要驱动因素，同时也是重要的水资源，可增强区域水资源可用性并缓解干旱状况。全球变暖改变了海表温度及相关的大尺度大气环流模式，导致台风活动在全球范围内向极地迁移。自20世纪80年代以来，北半球和南半球台风生命期最大强度分别以每十年62公里和53公里的速度向极地移动，而西太平洋地区观测到每十年0.51°的向极移动。这种台风向极移动显著改变了台风降雨（Typhoon rainfall, TR）模式，并增加了洪水和干旱风险的不确定性。TR在西太平洋地区表现出明显的向极移动特征，其特点是东南亚和中国南部显著减少，而中国东部和韩国大幅增加。流域不仅是水文研究的基本单元，也是连接气候变化与水文响应的关键单元。流域内TR的变化通过降雨-径流过程传递，最终影响社会水安全。因此，研究西太平洋河流域TR演变及其相关影响，为准确的洪水预报和水资源管理提供了重要基础。 TR在西太平洋地区的变化表现出显著的空间异质性。在东南亚，TER和年TR分别以?0.62 mm/yr和?1.89 mm/yr的速率显著下降，其中湄公河流域的年TR显著减少?0.99 mm/yr。在中国南部的广东和海南，年TR以?0.1至?5 mm/yr的速率下降，但在中国东南部显著增加。韩国洛东江流域66.4%的区域6月至8月的TR显著增加，整个韩国的TER以1.6 mm/yr的速率显著增加。这些研究主要采用Mann-Kendall或双尾学生t检验来确定TR长期时间序列中统计显著的趋势。一些研究比较了不同时期的TER以识别其变化。西北太平洋1986–2015年与1961–1985年TER频率的差异显示，22°N以北显著增加，以南减少。中国东南部福建西部1990–2021年8月TR较1961–1989年增加了95.1%。总体而言，现有研究主要集中在较大的区域尺度，表明全球台风向极迁移已引起西太平洋TR变化的显著空间异质性，并强调区域政府需要采取有针对性的措施来应对不同风险。从更精细的区域角度来看，台湾西部六个站点6–10月的TR以0.6–1.7 mm/yr的速率显著增加，这是地形和台风停留时间增加共同作用的结果。福建西部大多数站点的最大一日TR显著增加，与地形以及台风频率和停留时间的增加密切相关。这种细尺度的TR变化分析能更好地揭示地形对TR变化的复杂影响，为地方当局完善台风防御和管理策略提供有价值的参考。因此，基于台风向极迁移的区域效应和地形影响，在更精细的尺度上研究TR变化及其空间异质性，可为政府部门在全球变暖背景下应对TR变化的影响提供科学信息，这也是本研究的目标。 作为西太平洋的主要降雨贡献者，TR约占年总降雨量（R）的10%–30%，占极端降雨（ER）的50%以上；因此，其变化会影响总降雨量（R）。在年尺度上，湄公河流域TR的显著减少降低了其对R的贡献，而在越南北部其增加提高了R。在季节尺度上，6月至10月TR的显著增加提高了中国东南沿海和长江中下游地区的R，包括台湾西部。在日尺度上，TER的减少显著降低了其对东南亚ER的贡献。在香港，最大一日TR的减少降低了最大一日R。在中国东部，TER的增加占ER上升的70.5%；在福建，最大一日R的显著增加主要受8月最大一日TR上升的影响。这些研究主要关注单一时间尺度上TR变化对R的影响，特别是对ER的影响，缺乏对时间尺度间差异的关注。 由于台风的极端性和时间集中性，其对R的影响在不同时间尺度上有所不同。在东亚，TR分别占1小时和24小时尺度R的20%和40%。在中国东部，TR和TER分别占R和ER的5%–20%和10%–40%，在福建年贡献为12.8%，7–9月为34.6%。此外，TR变化在不同时间尺度上也存在差异。在东南亚，1960至2015年年TR以?1.89 mm/yr的速率显著下降，远超TER的?0.62 mm/yr的轻微变化。在福建，TR仅在8月显著增加。这些发现表明，TR变化对R的影响可能在不同时间尺度上有所不同，但这仍未得到充分研究。因此，全面研究不同时间尺度上TR变化对R的影响，对于更好地理解西太平洋河流域的降雨演变至关重要，可为政府部门或公众全面应对与TR相关的洪水和干旱风险不确定性提供科学依据。 综上所述，考虑到台风向极迁移的区域效应和复杂地形的影响，全面研究不同时间尺度上TR变化及其对R的影响，并准确揭示其空间异质性，对于精准的台风防御和减灾至关重要。作为中国东南沿海最大的流域，面积为60,992 km2，25.5°以北的闽江流域（Minjiang River Basin, MJB）发源于福建，直接流入东海。其扇形形态特点是上游宽阔、下游狭窄，前者分布着武夷山，后者包括戴云山和九峰山，这对塑造空间TR格局至关重要。就区域台风变化而言，位于MJB南部的广东台风减少，但附近的台湾和北部的上海台风增加，表明该流域位于西太平洋台风增加区域。因此，以MJB为典型案例，本研究旨在解决两个主要方面：（1）不同时间尺度（即年、月和日）的TR变化；（2）TR变化对R的影响及其空间异质性。研究结果能更好地揭示全球变暖背景下西太平洋河流域降雨对台风变化的响应，为全面应对TR相关风险的不确定性提供科学证据。

论文解读：台风降雨显著增加对中国东南沿海典型流域总降雨量的影响

一、研究背景与问题提出

在全球气候变化的背景下，台风活动发生了显著变化。全球变暖改变了海表温度及相关的大尺度大气环流模式，导致台风活动在全球范围内向极地迁移。自20世纪80年代以来，北半球和南半球台风生命期最大强度分别以每十年62公里和53公里的速度向极移动，西太平洋地区观测到每十年0.51°的向极移动。这种台风向极迁移显著改变了台风降雨（Typhoon rainfall, TR）模式，增加了洪水和干旱风险的不确定性。TR在西太平洋地区表现出明显的向极移动特征：东南亚和中国南部显著减少，而中国东部和韩国大幅增加。作为西太平洋的主要降雨贡献者，TR约占年总降雨量（R）的10%–30%，占极端降雨（Extreme rainfall, ER）的50%以上，因此TR的变化会显著影响总降雨量。

然而，现有研究主要存在以下不足：一是研究尺度多集中于大区域，缺乏流域尺度的精细分析；二是多数研究仅关注单一时间尺度上TR变化对R的影响，特别是对ER的影响，缺乏对年、月、日等不同时间尺度间差异的关注；三是缺乏对TR变化空间异质性与地形因素耦合作用的深入探讨。闽江流域（Minjiang River Basin, MJB）作为中国东南沿海最大的流域，面积达60,992 km2，其扇形形态上游宽阔、下游狭窄，分布有武夷山、戴云山和九峰山等山脉，地形复杂。该流域位于西太平洋台风增加区域，是研究TR变化及其影响的典型区域。因此，本研究以MJB为典型案例，旨在解决两个核心问题：（1）不同时间尺度（年、月和日）的TR变化特征；（2）TR变化对R的影响及其空间异质性。该研究发表在《Climate Services》期刊上。

二、研究方法概述

研究人员采用的主要技术方法包括：第一，采用固定盒方法（Fixed box approach）分离TR，以20.0°-31.8°N和112.3°-124.2°E的固定矩形框为域，当台风进入该固定盒时，从台风中心进入至离开该盒的时间段内的降雨即为TR。第二，运用Mann-Kendall（MK）趋势检验法检测年、月和最大一日TR、非台风降雨（non-TR）和R的趋势统计显著性。第三，将整个研究期（1976–2019年）等分为前段（1976–1997年）和后段（1998–2019年），采用等间隔法对两时期的台风降雨贡献率（Typhoon rainfall contribution, TRC）和台风影响比率（Typhoon-influenced ratio, TIR）进行分类，以量化TR增加对R的影响。数据方面，研究收集了1976–2019年闽江流域78个站点的日降雨数据，其中上游53个站点、中游9个站点、下游16个站点，站点分布均匀且具有高度代表性。台风最佳路径数据集由中国台风网提供。

三、研究结果

3.1 年尺度TR变化及其对R的影响

研究通过MK趋势检验分析发现，闽江流域25.5°以北的TR呈显著增加趋势。TR的显著增加主要集中在上游地区，这与台风向极迁移的区域效应密切相关。在年尺度上，虽然TR显著增加，但总降雨量（R）的变化并不显著，表明气候变化对流域总降雨量的影响有限，但对TR的影响显著增强。TRC分析显示，后段时期（1998–2019年）的TRC较前段时期（1976–1997年）有所提高，但不同区域的变化幅度存在差异。

3.2 月尺度TR变化及其对R的影响

在月尺度上，TR变化表现出明显的季节性差异。研究重点分析了8月TR的变化，发现8月TR显著增加，这与福建西部1990–2021年8月TR较1961–1989年增加95.1%的发现一致。8月TR增加的贡献在后段时期显著增强，可能部分缓解上游地区夏末、秋季和冬季的水资源短缺状况。这一发现对水资源管理具有重要意义，表明在确保防洪安全和维持基本河道内用水需求的前提下，可进一步研究TR作为水资源在上中游的优化利用。

3.3 日尺度TR变化及其对ER的影响

在日尺度上，研究采用TIR量化TR对ER（以年最大一日降雨量Rx1day表示）的影响。研究发现，下游地区台风对ER的影响显著增强，台风主导型和台风与非台风联合影响型的空间范围均有所扩大。后段时期台风主导站点数量在下游地区增加，表明台风对极端降雨的影响在下游地区明显增强。不同机制（TER或非TER）驱动的ER表现出不同的时空格局和前期流域条件，导致洪水生成和汇流过程存在差异。

3.4 空间异质性分析

研究揭示了TR变化对R影响的空间异质性，这与流域的地貌格局密切相关。上游地区分布着武夷山，最高峰达2143米，而河谷平原仅54米，高程落差大；中下游的九峰山和戴云山最高海拔超过1800米，对向内陆移动的台风起到屏障作用，将其影响主要集中在下游地区。这种地形格局导致TR对R的影响在上游和下游表现出显著差异：上游地区TR对总降雨量的贡献增加，而下游地区台风对极端降雨的影响增强。

四、讨论与结论

讨论部分总结： 研究结果揭示了TR变化对R影响在不同时间尺度上的差异性。在年尺度上，虽然TR显著增加，但R变化有限；在月尺度上，8月TR的显著增加可能缓解水资源短缺；在日尺度上，下游地区台风对ER的影响显著增强。这种多尺度差异表明，评估TR变化对R的影响需要综合考虑时间尺度因素。同时，地形对TR空间格局的塑造作用显著，上游山区和下游沿海地区对台风影响的响应不同。研究还指出，不同ER机制（TER或非TER）驱动的洪水可能对气候变化有不同的响应，需要加强TER和非TER的混合频率分析，以更好地理解台风和非台风联合影响下的ER特征。

研究结论翻译： 本研究以闽江流域为典型案例，系统揭示了台风降雨变化的时空特征及其对总降雨量的影响。主要结论包括：（1）闽江流域25.5°以北的TR显著增加，气候变化对流域总降雨量影响有限，但对TR影响显著增强；（2）TR增加对R的影响在不同时间尺度上存在差异，年尺度上R变化有限，8月TR显著增加可能缓解水资源短缺，日尺度上下游台风对ER影响增强；（3）TR对R的影响存在显著的空间异质性，这与流域地貌格局密切相关，上游山区和下游沿海地区响应不同；（4）下游地区台风主导站点数量增加，台风和台风与非台风联合影响的空间范围扩大。研究结果为台风暴雨和洪水管理服务提供了重要参考，为政府部门制定适应气候变化的策略、加强台风预报预警能力、发展抗台风基础设施提供了科学依据。