（大气科学专业论文）影响福建热带气旋异常的成因及预测模型.pdf

影响福建热带气旋异常的成因及预测模型研究 论文摘要 本文研究了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海气背 景场特征，并选择时间序列建模方案一均生函数模型和新兴的探索性数据分析法一 投影寻踪方法对影响福建热带气旋年季频数的短期气候预测进行了应用研究。得到 以下结论： ( 1 ) 百余年来福建经历了三次少台期和两次多台期，转折点分别为1 9 0 2 ，1 9 3 1 ， 1 9 5 5 和1 9 7 1 年，其中1 9 7 1 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1 3 年的中周期振动和准4 年和准2 5 年的短周期振动，尤其是 4 年的短周期振动最为显著。 ( 2 ) 影响福建热带气旋异常偏多( 少) 的年份，夏季5 0 0 h p a 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“一+ 一”( “+ 一+ ”) 的距平型 纬( 经) 向环流占优势，西风带低槽偏北( 南) ，副高北界偏北( 南) ，副高脊线偏 北( 南) ：赤道中、东太平洋为明显的带状负( 正) 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) 距平。 ( 3 ) 采用正交化方案筛选均生函数，建立的影响福建热带气旋年频数的均生函数 模型具有较好的拟合和预测能力。应用投影寻踪回归建立的预测模型总体上优于逐 步回归预测模型，对福建热带气旋年季频数具有较好的预测能力，是一种性能较为 优越的非线性预测模型。尤其对影响福建热带气旋异常年份的预测，由于探索性数 据分析法对奇异点的观点与证实性数据分析方法不同，它不排除奇异点而认为是重 要信息，因此，预测结果明显优于逐步回归模型和均生函数模型。 关键词：福建省热带气旋成囡预测模型 t h ec a u s e sa n dp r e d i c t i o nm o d e l so fa n o m a l o u s t r o p i c a lc y c l o n ea c t i v i t ya f f e c t i n gf u j i a np r o v i n c e a b s 认c t t e m p o r a lv a r i a t i o no ft r o p i c a lc y c l o n e 口c ) a f f e c t i n gf 由i a nf o r t h e p e r i o d1 8 8 4 2 0 0 3a n dt h ec o r r e s p o n d i n ga t m o s p h e r ec i r c u l a t i o na n ds e a s u r f a c et e m p e r a t u r eo fp a c i f i co c e a na r ei n v e s t i g a t e db yv a r i o u ss t a t i s t i c s m e t h o d s p r e d i c t i o nm o d e l sb a s e do np e r i o d i cf u n c t i o na n dan e we x p l o r i n g d a t u ma n a l y s i sm e t h o d p r o j e c t i o np u r s u i ta r ea p p l i e dt of o r e c a s ty e a r - a n d s e a s o n - f r e q u e n c yo ft ci nf u j i a n t h em a j o rc o n c l u s i o n so ft h i ss t u d ya l e s 1 k r n m a r i z e da s i nr e c e n tc e n t u r y , t ca f f e c t i n gf u j i a ne x p e r i e n c e dt h r e el e s s - t cp e r i o d s a n dt w om o r e t cp e r i o d s 1 9 0 2 ，1 9 3 1 ，1 9 5 5a n d1 9 7 1a r ec h a n g ep o h a t so f t c y e a r - f r e q u e n c y , a n d1 9 7 1i sa na b r u p tp o i n t t h e r ea r eq u a s i 一1 3 一y e a rm e d i u m p e r i o dv i b r a t i o na n dq u a s i 一4a n dq u a s i 一2 5 一y e a rs h o r tp e r i o dv i b r a t i o ni nt c f r e q u e n c yt i m es e r i a l s ，a m o n gw h i c hq u a s i - 4y e a rr ，e i i o d i st h em o s t s i g n i f i c a n c e f e a t u r e so fa t m o s p h e d cc i r c u l a t i o na n ds e as u r 盘c et e m p e r a t u r ef o r a n o m a l o u sm o r e ( 1 i m e ) t ci nf u j i a na r ea sf o l l o w ：a t5 0 0 h p a , w e s t e r l yt r o u g h i s n o r t h w a r d ( s o u t h w a r d ) w i t h n o r t h e d g e o f s u b t r o p i c a lh i g h n o r t h w a r d ( s o u t h w a r d ) a n di t sr i d g el i n eu o r t h w a r d ( s o u t h w a r d ) ；i ns e as u r f a c e t e m p e r a t u r ea e 】d t h e r ei saz o n a ln e g a t i v e ( p o s i t i v e ) a n o m a l yi ne q u a t o r i a l c e n t r a la n de a s t e r n p a c i f i ca n dp o s i t i v e ( n e g a t i v e ) o n ei no r i g i n a lr e g i o no ft h e n o r t hw b s tp a c i f i co c e a nt ca n dt h en o r t h w e s tp a c i f i c0 c e a n t h em e a ng e n e r a t i o nf u n c t i o n ( m g f ) i ss e l e c t e db yo r t h o g o n a l i z a t i o n s c h e m e ，a n dt h em g fm o d e l ( m g f m ) c a nf i ta n df o r e c a s tf a nt c y e a r - f r e q u e n c yv e r yw e l l g e n e r a l l y , t h em o d e ib a s e do np r o j e c t i o np u r s u i t r e g r e s s i o n ( p p r m ) i sm u c hb e t t e rt h a ns t e p w i s er e g r e s s i o nm o d e lr s r m ) i n f i t t i n ga n df o r e c a s t i n g ，e s p e c i a l l yf o rv e r ya n o m a l o u sy e a r s t h i si sd u et ot h e d i f f e r e n c e si nd e a l i n gw i t hs i n g u l a rv a l u e sb e t w e e ne x p l o r i n ga n df i t t i n g d a t u ma n a l y s e s ，t h ef o r m e rc o n s i d e rt h es i n g u l a rv a l u e sa si m p o r t a n t i n f o r m a t i o na n dt h el a t e rd i s c a r dt h e m s o 也a tp p r mi sb e t t e rt h a nm g f m a n ds r mi af o r e c a s t i n gf u j i a nt cy e a r - f r e q u e n c y k e yw o r d s ：f u j i a np r o v i n c e ；t r o p i c a lc y c l o n ea c t i v i t y ；m e c h a n i s m ；p r e d i c t i o n m o d e l 第五章影响福建热带气旋年季频数的预测研究一3 1 5 ，1 影响福建热带气旋年频数的均生函数模型研究3 1 5 1 1 计算方案3 l 5 1 2 预测检验3 2 5 2 影响福建热带气旋年季频数的投影寻踪回归预测模型的研究3 3 5 2 1 资料和预报因子的选取3 4 5 2 2 预测模型的建立3 4 5 2 2 1 建立逐步回归模型 3 4 5 2 2 2 建立投影寻踪回归模型 3 5 5 2 ，2 ，2 1 投影寻踪的基本思想 3 5 5 2 2 2 2 投影寻踪回归模型的算法 3 6 5 2 ，2 2 3 建立投影寻踪回归模型 3 6 5 2 3 投影寻踪回归模型与逐步回归模型预测结果的检验分析3 8 5 2 3 1 影响福建热带气旋年频数预测检验3 8 5 2 3 2 影响福建热带气旋季频数预钡4 检验3 9 5 3 小结4 0 第六章全文结论4 1 致 射4 3 参考文献4 4 本文由科技部项目 “福建省灾害气候短期气候预测业务服务系统” 批准号： 2 0 0 1 d i b 2 0 1 1 6 ) 资助完成 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以。求实、创新”的科学精神从事研究工作a 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真 实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它 机构已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并 表示了谢意。 作者签名： 日期： 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文 的规定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机 构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目 的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位 论文的内容编入有关数据库进行检索；有权将学位论文的标题 和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名： 日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解南写寻信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 第一章引言 1 1 研究意义 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、海 南和台湾，是福建夏季的主要气象灾害，常给国家和人民生命财产带来巨大损失。 1 9 5 9 年5 9 0 3 号强台风8 月下旬在厦门登陆，就造成了一千多人死亡和巨大的经济 损失。进入九十年代以来，大的台风灾害频繁发生，1 9 9 0 年仅台风影响造成的直接 经济损失就高达4 1 亿元之多。1 9 9 6 年，福建省在1 0 天内连续遭受三个台风的正面 袭击，造成7 0 多亿元的直接经济损失，仅9 6 1 0 号热带风暴就使5 0 0 多人丧生( 或 失踪) 。为保障社会经济持续发展，保护人民生命财产安全，对热带气旋这种急性 突发性大范围严重灾害的研究无疑具有十分重要的意义。本论文的研究重点首先在 弄清影响福建热带气旋活动的基本规律基础上，研究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；并建立影响福建热带气旋年季频数的短期气候预钡4 模型，为今后的业务服务提 供参考。 1 ，2 福建省气候特点 福建位于欧亚大陆东南边缘，面临太平洋，适处温、攥带的过渡地带，干湿与 盛行风向因季而异。是典型的亚热带季风气候。由于福建处于东、西风带交替影响 的过渡区和温带、热带各类天气系统频繁活动和经常影响的地区，其突出的气候特 点：冬无严寒，夏少酷暑，气候暖热，雨量充沛；丘陵起伏，地形复杂，气温垂直 差异大，立体气候显著；福建有两个多雨的时期，5 6 月为梅雨季节，通称前汛 期：7 9 月为台风季，又称后汛期；福建既是气候资源优越之区，又是气象灾害 频繁而又严重之地，尤以台风、早涝最为突出。 1 3 影响福建热带气旋的特点“1 1 8 8 4 1 9 9 8 年11 5 年阅登陆福建热带气旋总计2 2 1 个，平均每年1 9 2 个；影 响福建热带气旋3 3 7 个，平均每年2 9 3 个。登陆、影响福建热带气旋最多的月份均 在8 月，分别占3 3 o 和2 8 8 ；其次是7 月，各占2 9 4 和2 6 ，1 ；再次是9 月，占2 4 4 和2 0 2 。7 9 月合计，登陆热带气旋占8 6 9 ，影响台风占7 5 1 。登陆、影响福建的热带气旋，9 3 其源地在1 6 0 。e 以西，5 2 l 。n 之问的西 太平洋海域，更为集中的纬度在g 1 7 。n 之间，源地的平均经度大致在1 3 5 6 e 附 近，但高频源地随季节是有变化的，盛夏偏北，春秋季节相对南落。 1 4 影响福建热带气旋的研究进展 目前，不少学者对影响福建热带气旋的活动规律及大气环流背景和短期气候预 测模型等方面作了一些研究。张容焱等研究发现南海热带气旋的生成点主要集中 于南海热带气旋生成区的北部区域；西太平洋热带气旋的生成点则有两大区域，它 们的中心位置较之整个太平洋热带气旋生成区的中心位置偏北。吴滨”1 研究表明： 登陆及影响福建的热带气旋是以大约2 5 年或1 0 年的时间尺度上偏多偏少的振荡为 主。张容焱等探索引起热带气旋活动季节迟早可能的大气与海洋因素，研究表明： 在热带气旋活动季节里，偏早年的副高脊线和北界比偏晚年偏北，其面积和强度比 偏晚年小而弱。特别是在春末时期，如果副高脊线明显偏南，强度异常偏强，面积 异常偏大，西脊点又异常偏西时该年热带气旋活动为偏晚年型。高建芸等“。根据卫 星观测的o l r 资料分析影响福建热带气旋年频数与i t c z 和副热带高压的关系。结果 表明，影响福建热带气旋年频数异常年份与i t c z 位置和副高位置关系密切。宋德众 等”3 研究表明：e in i n o 现象对福建热带气旋频数的影响在很大程度上是通过改变西 太平洋副热带高压强度、面积、位置来实现的。高建芸等分别将最优子集回归方法 “1 、最优气候均态法和人工神经网络模型。1 等统计方法应用平影响福建热带气旋年 季频数的短期气候预测中。 1 5 西太平洋热带气旋与海气背景场关系的研究进展 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，并揭露出一些重要的事实：陶诗言等“、丁一汇等“”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 利用海陆热力差指数、5 0 0 h p a 位势高度场、向外长波 辐射( o l r ) 资料及n c e p f n c a r 月平均再分析数据集，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“利用n c e p n c a r 再分析资料， 探讨夏季东亚大气环流、大气视热源和视水汽汇的年际及年代际变化与登陆中国台 2 风频数的关系。研究表明：夏季2 0 0 h p a 风场上南亚高压中心位置偏北f 南) 其形态表 现向东北( 东南) 伸展，西太平洋热带地区上空( 2 0 0 h p a ) 的东风急流加强( 减弱) ，中层 ( 5 0 0 h p a ) 西太平洋副热带高压脊线位置偏北( 南) ，低层( 8 5 0 h e a ) 东亚夏季风环流偏强 ( 弱) ，登陆中国台风数偏多( 少) 。夏季东亚一西太平洋热带大气视热源和视水汽汇为 正( 负) 距平，即东亚热带大气出现辐射加热( 冷却) 和变湿( 变千) ，登陆中国台风数偏 多( 少) 。潘仪航“、李崇银“”对e n s o 循环与西太平洋和南海台风数以及登陆我国 大陆的台风数的关系进行了研究，认为e 1n i n o 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，l a n i n a 年则明显偏多。郦自旺等“”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，研究表明，e ln i n o 年登陆台风偏 少，第二类l a n i n a 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“7 1 认为季节内热带气旋发生频率与e n s o 的关系不是十分显著，但还是影响其生成海 域的变迁，暖的e n s o 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。 1 6 存在的问题及本文主要研究内容 以上通过对影响福建热带气旋研究进展和西太平洋热带气旋与大气环流和海温 场关系研究进展的介绍，我们可以看出，福建省热带气旋的研究工作存在以下不足 之处：( 1 ) 对百余年影响福建热带气旋频数的多时间尺度特征分析工作尚未见到。 ( 2 ) 影响福建热带气旋异常年份的大气环流和太平洋海温场特征尚需进一步分析。 ( 3 ) 以往影响福建热带气旋预钡濮型般运用证实性数据分析法即基于“假定模 拟一预报”建立模型，本研究应用新兴的探索性数据分析法即基于“直接从审视数 据出发通过计算机模拟一预报”建立预测模型。 基于以上存在的问题，本文选取影响福建热带气旋作为主要研究内容，具体工 作如下：( 1 ) 分析百余年来影响福建热带气旋频数的多时间尺度特征；( 2 ) 研究影 响福建热带气旋异常年份的大气环流和太平洋海温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：( 3 ) 分别选择时间序列建模方案一 均生函数模型和新兴的探索性数据分析法一投影寻踪方法对影响福建热带气旋年季 频数的短期气候预测进行应用研究。 3 第二章资料与方法 2 1 资料说明 本文选用的资料具体如下： l 、影响福建热带气旋( 简称t c ) 年、季频数( 1 8 8 4 2 0 0 3 ) 。 影响福建t c 年频数：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t c ，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三个经、纬距范围内的t c 总数，统称为 影响福建t c 年频数。影响福建t c 季频数指7 - 9 月影响福建t c 总数。 2 、环流场资料( 1 9 5 1 2 0 0 2 ) ；北半球5 0 0 h p a 月平均高度场( 5 0 l o 。网格点) 、北 半球l o o h p a 月平均高度场( 1 0 。1 0 0 网格点) 和7 4 项环流指数。 3 、北太平洋2 8 8 个格点逐月( 1 9 5 1 - 2 0 0 2 ) 海温资料，网格距为5 。经度x j 。纬度。 2 2 方法说明 研究工作采用的方法有：投影寻踪回归方法、均生函数方法、逐步回归方法、 相关分析、趋势分析、滑动t 一检验法、c r a m e r s 法、最大熵谱分析、连续小波变 换、正交小波变换等。因相关分析、趋势分析及逐步回归分析是最常见的统计方法， 在此不多做介绍，投影寻踪回归方法和均生函数方法在第五章结合实际建模再做介 绍，下面就对本文采用的滑动t 一检验法、c r a m e r s 法、最大熵谱分析、连续小波 变换和正交小波变换做一说明。 2 2 1 滑动t 一检验法。观 滑动t 一检验是考察两组样本的差异是否显著来检验突变。其基本思想是把一气 候序列中两段子序列均值有无显著差异看为来自两个总体均值有无显著差异的问题 来检验。如果两段子序列的均值差异超过了一定的显著水平，可以认为均值发生了 质变，有突变发生。其原理如下： 2 设有一连续的随机变量x ，现将其分成两个子样本集x 1 ，x 2 ，6r 和”分别 代表x i 的平均值，方差和样本长度( i = 1 ，2 ) 。其中根据需要人为地定义长度。 4 原假设h 0 ： 芦1 一220 ，定义一统计量为 这里b 。是联合样本方差为： 厶：旦4 ( 2 1 ) 岛2 再 “。 n li , 1 2 髟：虹粤掣( 2 2 ) 1 1 1 + 胛，一2 上式为盯2 的无偏估计( e & 2 = 盯2 ) ，显然岛r ( 玛+ 九2 2 ) 分布，给出信 度口，得到临界值屯，当 t oj 屯时，否定原假设岛，即说明其存在显著性差异， 当it oi 1 6 4 ( 2 g ) 通过( 2 9 ) 式即可进行显著性检验。 2 2 5 正交小波变换 由于连续小波分析各成分之间不是相互独立的，有信息冗余。为了得到相互正 交的不同时间尺度成分，采用正交小波为基函数进行正交分解。正交小波可看作一 个滤波器，它将信号分解成“近似”和“细节”两部分，由它们可以精确地重构原 信号，即原始信号= “近似”( a ) + “鲴节”( d ) ，如图2 】所示。 8 图2 1 三层小波分解示意图 重构母函数为d b l 6 小波，该函数无解析表达式，由3 2 个系数标定的，正交小 波变换及逆变换( 重构) 方法是m a l l a t 算法。，其变换尺度与峰值周期的对应关系 为t 。2 ，6 2 5 a ，其波形如图2 2 b 所示， 图2 2 墨西哥帽小波( a ) 和b b l 6 小波( b ) 的波形 第三章影响福建热带气旋频数的变化特征 热带气旋的影响具有两面性，它的狂风暴雨往往给人民的生命财产造成巨大损 失，但其又是福建夏季降水的主要来源。热带气旋偏多的年份会产生严重的洪涝， 而偏少的年份，则会产生夏早，也会给工农业生产带来严重的威胁。本文采用的登 陆及影响福建热带气旋的标准是：( 1 ) 登陆：正面登陆福建的、或登陆邻省( 广东、 海南等) 之后，中心再进入福建的热带气旋。( 2 ) 影响：登陆浙江沿海( 杭州湾以 南) 或登陆粤东沿海( 广东珠江口以东) ，但中心未进入福建，或中心位置进入距福 建海岸线三个经、纬距范围内的热带气旋( 如图3 1 ) 。影响和登陆福建的热带气旋 的路径可分为两大类七种不同情况：直接登陆：福建沿海为第一登陆地。登台 入闽：登陆台湾后再进入福建。登粤入闽；登粤以南：在广东以南地区登陆， 进而影响福建( 中心不进入福建) 。登浙以北：登陆浙江及其以北。西转向：在 1 2 0 1 2 5 。e 之间转向。南海转向：在南海海面和台湾海峡转向。 图3 1影响和登陆福建的热带气旋的路径分类 3 1 近百余年影响福建热带气旋频数的多时间尺度特征分析 3 1 1 趋势分析 1 8 8 4 2 0 0 3 年影响福建的t c 总数为5 8 4 个，平均每年4 8 7 个，均方差1 9 1 ， 最多年份为1 9 6 1 年( 1 3 个) ，最少为1 8 9 6 和1 9 9 3 年( 1 个) 。图3 2 为近百年影响 】0 福建t c 年频数的累积距平曲线，由图可见，1 2 0 年问影响福建t c 年频数可分为三 次少台期和两次多台期，其中少台期为：1 8 8 4 1 9 0 2 年、1 9 3 2 1 9 5 5 年和1 9 7 2 2 0 0 3 ，多台期为：1 9 0 3 1 9 3 i 年，1 9 5 6 1 9 7 1 年。各活动期特征数列于表3 j ，由 表3 1 可以看出，多台期与少台期维持时间大约为1 5 3 5 年左右。五次活动期中， 以多台期1 9 5 6 1 9 7 1 年最为明显，1 6 年中偏少年仅为2 年，平均每年6 2 ，偏多 1 3 个：1 9 7 2 1 9 9 7 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 t c 年频数累积距平变化最小的阶段，3 2 年间偏多年数仅7 年。 1 0 5：两之产 0 l 一5 - l o 一1 5 - 2 0 图3 21 8 8 4 2 0 0 3 年影响福建t c 年频数的累积距平 表3 11 8 8 4 2 0 9 3 年影响福建t c 年频数的波动 阶段少台期多台期少台期多台期少台期 起止年份1 8 8 4 - 1 9 0 21 9 0 3 - 1 9 3 11 9 3 2 - 1 9 5 51 9 5 6 1 9 7 11 9 7 2 2 0 0 3 间隔年数 1 92 92 41 63 2 t c 平均数4 1 5 34 36 24 7 距平一0 80 40 61 3一o 2 偏少年数( 5 个)31 25 8 7 3 1 2 最大熵谱分析 应用最大熵谱分析，取晟大后延数m = v 2 。图3 3 给出影响福建t c 年频数的 展大熵谱的谱图，由图可知，突出的峰值出现在4 1 4 年左右的周期上，其次在1 3 1 4 年和2 5 年周期上也出现较大值。由此可知：影响福建犯年频数具有准1 3 年的 中周期振动和准4 年和准2 5 年的短周期振动，尤其是4 年的短周期振动最为显著。 图3 3 影响福建t c 年频数的最大熵谱 3 1 3 突变分析 气候突变是指气候从一种稳定态( 或稳定持续的变化趋势) 跳跃式地转变到另 一种稳定态( 或稳定持续的变化趋势) 的现象，它表现为气候从一个统计特征到另 一个统计特征的急剧变化。用于气候突变检测的方法很多，本文应用滑动t 一检验和 t r a i n e r 方法相结合，寻找影响福建t c 年频数的突变点。 分别利用滑动t 一检验和c r a m e r 方法对1 8 8 4 2 0 0 3 年影响福建t c 年频数进行 突变检验，子序列样本长度n 1 分别取5 、7 、1 0 、1 5 、2 0 年，显著性水平o 【= 0 0 1 ， 由滑动t 一统计量曲线( 圈3 4 a e ) 可以看出，当n l 取值 1 0 时，1 9 3 1 年j tj 值较 大，通过信度0 0 1 的显著性检验；当n 1 取值1 5 和2 0 时，通过信度0 o l 的显著性 检验的年份是1 9 7 1 年和1 9 5 5 年。c r a m e r 曲线( 如图3 5 a e ) 表明无论n l 取何值， 【ti 最大值都出现在在六十年代末和七十年代初附近，且通过信度0 0 1 的显著性检 。r 1 1。，一 图3 4 ：1 8 8 4 2 0 0 3 年影响福建t c 年频数的滑动t 一检验曲线 ( n 为子序列长度，虚线为所通过的信度a 检验值) 二二二 图3 5 ：1 8 8 4 2 0 0 3 年影响福建t c 年频数的c r a m e r 曲线 ( n 为子序列长度，虚线为所通过的信度a = o ，0 1 检验值) 1 2 结合累积距平的分析结果晟终可以得出：1 9 0 2 ，1 9 3 1 ，1 9 5 5 年是福建t c 年频 数变化的转折点，其中1 9 0 2 年和1 9 5 5 年是少台期向多台期转换的转折点，1 9 3 1 年 则是多台期向少台期转换的转折点，1 9 7 1 年为影响福建t c 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。 3 1 4 多时间尺度分析 图中横坐标表示时间，单位为年，纵坐标为小波变换尺度，分别为2 l 2 。年，即 1 、2 、4 、8 、1 6 和3 2 年。由图3 6 可见，影响福建t c 年频数在尺度1 6 以上成分 的小波系数变化表现为负( 少) 一正( 多) 负( 少) 一正( 多) 一负( 少) 五个变化 阶段，与趋势分析的结果是比较一致的，即十九世纪末至二十世纪初、二十世纪三、 四十年代和七十年代至今为福建的少台期，而二十世纪初至三十年代初以及五十年 代至七十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t c 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，下一个十年福 建省应该是一个相对多台期。 图3 6 影响福建t c 年频数标准化序列小波变换系数 3 1 5 正交小波分解 利用d b l 6 为母小波对影响福建t c 年频数标准化序列进行正交分解，得到相互正 交的7 个频带成分，其中6 个高频成分( 3 7 b g ) 和一个平滑信息( 3 1 5 h ) 。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3 2 可以看出，方差贡献 撮大的周期是 ：2 5 ) 对应周期( 年) 1 2 0 方差贡献3 7 63 5 11 6 0 3 76 5 0 4 0 7 利用d b l 6 为母小波对影响福建t c 年频数标准化序列进行正交分解，结果如图 3 7 所示，图中b - h 分别对应于表1 中相应频带信息。由图h 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，尤其二十世纪六十年代前增 幅较大，六十年代后增幅较小。从图3 t o e 可以看出，二十世纪六十年代中期至今， 影响福建热带气旋年频数的年际变化和年代际变化振幅较小，异常年份出现的机率 变小，根据表3 2 合成了长期变化、年代际变化和年际变化成分，结果如图3 8 所 示，可见影响福建热带气旋年频数长期变化的趋势有四个明显阶段：十九世纪八十 年代至二十世纪十年代逐渐增加，二十年代至四十年代基本不变，五十年代至七十 年代中期有逐渐增加的趋势，七十年代后期至有逐渐减少的趋势。从年代际变化来 看：大致经历了少台一多台一少台一多台一少台五个时期，上世纪一二十年代和五 六十年代年际变化较为明显，振幅较大，其余年代年代际变化不明显，未来有偏多 的趋势。从年际变化的尺度来看，从六十年代中期至九十年代，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。 图3 7 影响福建t c 年频数在6 个时间尺度上( a = 2 j2 ”2 ) _ 勺的分量 图3 8 影响福建t c 年频数在年际变化( 虚线) 、年代际变化( 细实线) 和百年趋势( 粗实线) 1 4 3 2影晌福建热带气旋频数与西太平洋热带气旋总频数的相 关分析 由于福建处于华东的最南部，与华南相邻，本文分别进行影响福建热带气旋频 数与西太平洋总热带气旋生成数、影响华东热带气旋频数( 影响华东六省一市) 和 影响华南热带气旋频数( 影响广东、广西和海南) 的相关性分析。如表3 3 可见， 总体来说，影响福建的t c 与上述三者皆有较好的正相关关系( 超过信度0 0 1 ) ，尤 其与影响华东t c 年频数关系更为密切，与影响华南t c 频数关系稍差。从图3 9 还 可以看出，有些年份，影响福建的t c 频数与三者呈相反关系。可见，西太平洋热带 气旋生成数的多少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。 表3 3 影响福建t c 年频数的相关分析 i 影响福建t c与西太平洋t c 总生成数与影响华南t c与影响华东t c 相关系数 0 4 1 8 80 3 8 7 30 4 5 2 6 一影响福建t c t c 总生成数。影响华南t c 一- 影响华东t c 图3 9 影响福建t c 年频数( 粗实线) 、西太平洋t c 总生成数( 细实线) 、影响 华东t c 年频数( 粗虚线) 和影响华南t c 年频数( 细虚线) 的历史演变图 将以上四种t c 频数进行标准化处理，然后将其划分为五级：异常偏少年： 5 4 3 2 1 o l 2 3 t c k o ；偏少年：一o ：x , t c 一0 5 a ；正常年：一0 5 0 - g k t c 0 5 。；偏多年：0 5 匹 t c = 2 5 h a 8 8 3 1 8 0 31 9 2 39 4 31 9 6 31 9 8 32 0 0 3 图3 7 影响福建t c 年频数在6 个时间尺度上( a = 2 0 ，2 1 2 ”5 ) 的分量 蔓矗鼻i 爻i ，il i 袅一i 豫】 井鲰薯节4 l j 喃f 1 每? 第y fp 霍| 、 ： 图3 8 影响福建t c 年频数在年际变化( 虚线) 、年代际变化( 细实线) 和百年趋势( 褪实线) m o 邶5 0 巧5 0 2 o罐o 0 2 0电oj吣 第四章影响福建热带气旋异常的成因分析 不少学者。”认为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，制 约热带气旋活动的因素是多方面的，本章着重探讨影响福建t c 异常偏多年和异常偏 少年的大气环流和海温场特征，揭示其可能的物理联系，试图为福建热带气旋短期 气候预测提供依据。 4 1 影响福建热带气旋异常年份的确定 根据上一章的分析，见表3 4 ，福建t c 可划分为以下五级：异常偏少年( t 既一o ) 5 年、偏少年( 一a a t c 一0 5 0 ) 6 年、正常年( - 0 5 0 k t c 0 5 a ) 2 5 年、偏多年 ( o 5 a g t o a ) i 0 年以及异常偏多年( t c o ) 8 年。影响福建的t c 都出现在4 1 1 月，其中7 9 月共出现2 1 1 个，占年总频数7 8 。由图4 i 可见，全年影响福建 t c 频数曲线和7 9 月影响福建t c 频数曲线趋势相当一致，两者间存在着很好的相 关关系，相关系数达0 8 3 ，因此7 g 月影响福建t c 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t c 年频数的关系。 图4 11 9 5 l 2 0 0 3 年影响福建t c 年频数和7 9 月t c 频数曲线 4 2 高度场及s s t 场合成分析 4 2 1 影晌福建热带气旋异常年份夏季5 0 0 h p a 高度场特征 t c 正常年7 9 月的5 0 0 h p e 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( 1 5 0 0 e ，2 4 0 n ) ，5 8 8 线向西伸展到1 2 0 0 e 附近，中高纬度盛行纬 向环流，西风带南缘大概位于3 5 。n 左右。 夏季5 0 0 h p a 高度场t c 异常偏多年和t c 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4 2 a 为t c 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“一+ 一”的距平型，纬向环流占 优势。反之，t c 异常偏少年( 见图4 2 b ) 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“+ 一+ ”的距平型。可见，不同t c 异常年份所对应的副热带高压和西风带 2 4 的强度和位置也不同。t c 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t c 频数增多：而t c 异常偏少年则正好有相反的分布。 图4 2t c 异常偏多( a ) 和异常偏少( b ) 年份相对于正常年份夏季5 0 0 h p a 的偏差场 图4 3 为t c 异常年份副热带高压5 8 8 线分布图。由图可见，t c 异常偏多年份 的特点是：西风带低槽偏北，副高j e 界偏北，副高脊线偏北，位于2 7 0 n 左右，热带 辐合带活跃并向北推进，有利于t c 生成，此时福建省正好处于副高南侧，t c 在副 高南侧偏东气流引导下，较多地移近福建，导致影响福建的t c 异常偏多。t c 异常 偏少年份则相反，西风带低槽偏南，副高北界偏南，副高脊线也偏南，在2 5 。n 附近， 热带辐合带不活跃，不利于t c 生成，且匿太平洋t c 平均路径偏南，t c 多移向华 南，导致影响福建t c 异常偏少。 图4 3t c 异常偏多年( 实线) 和异常偏少年( 虚线) 副热带高压5 8 8 线分布 4 2 2 影响福建热带气旋异常年份夏季s s t 场特征 图4 4 a 为t c 异常偏多年7 9 月的s s t 距平图，赤道中、东太平洋为负距平区， 偏低o 1 0 9 c ，西北太平洋上为正距平，偏高0 1 0 5 。c 。而t c 异常偏少年( 见 图4 4 b ) 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 c ；同 时西太平洋1 c 主要源区和西北太平洋上皆为负距平，偏低o 1 o 3 c ，距平中心分 别出现在4 0o n ，1 6 5 。e 和3 7 。n ，1 7 0 。w 附近。由此可以得出：西太平洋t c 主要源区 海温偏低不利于t c 生成，赤道中、东太平洋海温异常偏高( 即e ln i n o 年) ，西北 太平洋海温偏低，影响福建t c 年频数偏少。 图4 4t c 异常偏多( a ) 和异常偏少( b ) 年份s s t 距平图 4 3 相关分析 4 ，3 1 与5 0 0 h p a 高度场的相关分析 图4 5 为影响福建t c 频数与夏季5 0 0 h p a 高度场的相关系数分布图，从图上可 以看到，9 0 0 1 7 0 0 e ，3 0 0 4 5 0 n 之间有一个相关系数大于0 3 东西向带状的相关 区，此相关区的极大值中心位于朝鲜半岛和日本附近以及日本以东洋面上，最大相 关系数为0 ，4 8 。另外，在南海和菲律宾附近有一负相关区，最大相关系数为_ 0 3 7 。 这两个相关区的位置、形状和图4 2 a t c 异常偏多年份的5 0 0 h p a 高度偏差场的分布 十分相似。这一结果表明，朝鲜半岛及日本附近地区和南海及菲律宾附近的5 0 0 h p a 位势高度的异常和影响福建t c 频数具有非常密切的关系。当朝鲜半岛及日本附近地 区位势高度相对正常年份异常升高，且南海及菲律宾附近位势高度相对正常年份异 常降低时，该年影响福建t c 频数异常偏多，反之亦然。 二二 图4 5 影响福建t c 频数与夏季5 0 0 h p a 高度场的相关系数分布图 4 3 2 与s s t 场的相关分析 图4 6 为影响福建t c 频数与夏季s s t 场的相关系数分布国，由图中可明显看出， 西北太平洋出现相关系数超过0 0 1 信度标准的正相关区，最大相关系数达0 4 8