海南島1961～2011年氣候變化特征分析

張明潔 張京紅 劉少軍 車秀芬 李文韜

摘 要 應(yīng)用線性傾向估計(jì)、M-K突變檢驗(yàn)和Morlet小波函數(shù)變換分析了海南島1961～2011年的年平均和四季平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫、年平均和四季降水量、年降水日數(shù)、年強(qiáng)降水日數(shù)、年降水強(qiáng)度等氣象要素的時(shí)間序列變化特征。結(jié)果表明：（1）近51 a來海南島氣候變暖趨勢明顯，通過信度為0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，其中，年平均最低氣溫和冬季平均氣溫的上升趨勢最為顯著，氣候傾向率分別為0.28 ℃/10 a和0.29 ℃/10 a；各氣溫要素均在20世紀(jì)80年代后期發(fā)生突變，并存在3～4 a和12 a時(shí)間尺度的周期變化。（2）年平均和四季降水量呈微弱的線性增加趨勢，而達(dá)到暴雨等級的年強(qiáng)降水日數(shù)和年降水強(qiáng)度線性增加趨勢明顯，分別通過了信度為0.05和0.01的顯著性水平檢驗(yàn)。（3）四季降水量和年降水日數(shù)存在12～14 a時(shí)間尺度的周期變化，年降水量、年強(qiáng)降水日數(shù)和年降水強(qiáng)度存在8～10 a時(shí)間尺度的周期變化，同時(shí)，各個要素均疊加有周期較小的高頻振蕩。

關(guān)鍵詞 線性傾向估計(jì)；突變檢驗(yàn)；小波分析；氣候變化；海南島

中圖分類號 P467 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

在全球氣候變化的大背景下，近幾十年來，中國區(qū)域氣候變化特征已成為很多學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)問題[1-7]。海南島地理位置特殊，屬于熱帶島嶼季風(fēng)氣候區(qū)，受熱帶氣旋、冷空氣、西南低壓槽、南海低壓槽、副熱帶高壓等多種天氣系統(tǒng)影響，雨量極其充沛。在全球氣候變化的大背景下，已有一些學(xué)者對其氣候變化特征進(jìn)行了研究。周茂華等[8]通過對海南島?？?、瓊海、瓊中、東方等測站近40 a來氣象資料的統(tǒng)計(jì)分析，初步揭示了海南島近40 a來氣候變化的若干特征。何春生[9]分析了海南島有代表性的5個市（縣）氣象站從建站到2000年的地面氣象觀測資料。林培松等[10]根據(jù)海南島西部 1951～2000年氣溫及降水資料，運(yùn)用一元線性回歸、相關(guān)分析等數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，對海南島西部近50 a來氣候變化做了分析。王勝等[11]應(yīng)用趨勢分析法和聚類分析法等方法分析了海南島全島各站點(diǎn)1961～2004年雨量和雨日分布特征及其變化規(guī)律。楊馥禎等[12]采用最小二乘法、Mann-Kendall法及Morlet小波等方法診斷分析了利用1966～2004年海南島大風(fēng)、暴雨、雷暴、冰雹等極端天氣事件的年發(fā)生日數(shù)資料的變化特征。黃彥彬等[13]選取海南島18個站點(diǎn)1965～2007年的43 a雷暴日資料，采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解（EOF）等方法分析了海南島的雷暴日分布特征。許格希等[14]利用均勻分布在海南島的7個國家標(biāo)準(zhǔn)氣象站1959～2008年溫度和降水資料以及海南島氣候區(qū)劃成果，研究了海南島近50 a來不同氣候區(qū)的氣候變化特征。綜觀以上研究，一些學(xué)者在不同時(shí)期采用不同方法對海南島的氣候變化特征進(jìn)行了分析，對認(rèn)清當(dāng)時(shí)的氣候變化事實(shí)、開展氣候變化成因和未來趨勢預(yù)測等的研究具有重要參考價(jià)值。但是不難發(fā)現(xiàn)，以上研究大多數(shù)僅從某一個或某幾個方面選擇氣象要素，且選擇的站點(diǎn)數(shù)有限，即存在氣象要素和站點(diǎn)選擇不夠全面的問題。在全球氣候變化的大背景下，全面認(rèn)識海南島近幾十年來的氣候變化特征具有重要的意義。本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，基于海南島18個氣象臺站的氣溫、降水資料，應(yīng)用線性傾向估計(jì)、M-K突變檢驗(yàn)和小波分析等方法對海南島年平均氣溫、四季氣溫、年降水量、季節(jié)降水量等的時(shí)間序列進(jìn)行全面細(xì)致的分析，揭示其變化特征，為全面認(rèn)識海南島近幾十年來的氣候變化特征、科學(xué)應(yīng)對氣候變化和防汛抗旱工作提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 資料來源及處理

所用資料為海南島18個氣象觀測站1961～2011年逐月氣溫、降水量、年降水（日降水量≥0.1 mm）日數(shù)、年強(qiáng)降水（日降水量≥50 mm）日數(shù)數(shù)據(jù)（根據(jù)中國氣象局頒布的“降水強(qiáng)度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)（內(nèi)陸部分）”，24 h降水總量在0.1～9.9 mm之間為小雨，50.0～99.9 mm為暴雨）。首先，對個別站點(diǎn)個別月份缺測數(shù)據(jù)通過同一站點(diǎn)及其鄰近站點(diǎn)前后鄰近時(shí)間的數(shù)據(jù)插值來補(bǔ)齊[15]，以保證數(shù)據(jù)的完整性、可用性；然后進(jìn)行線性傾向估計(jì)，計(jì)算各氣候特征值的氣候傾向率和趨勢系數(shù)，并用M-K突變檢驗(yàn)和Morlet函數(shù)進(jìn)行小波變換、計(jì)算小波方差，分析海南島氣溫、降水時(shí)間序列的變化趨勢和周期規(guī)律。

1.2 方法

1.2.1 線性趨勢分析原理和方法[16] 氣候趨勢系數(shù)：用于研究氣象要素在氣候變化中升降的定量程度，并可對其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。定義為n個時(shí)刻（年）的要素序列與自然數(shù)序列1，2，3，…，n的相關(guān)系數(shù)

rxt=

其中n為年數(shù)。xi是第i年要素值，x- 為其樣本均值，t-=（n+1）。系數(shù)為正（負(fù)）時(shí)表示該要素在所計(jì)算的n年內(nèi)有線性增（降）的趨勢。rxt/符合自由端n-2的t分布，從而檢驗(yàn)這種氣候趨勢是否有意義。

氣候傾向率：氣象要素的趨勢變化一般用一次線性方程，即，x^ t=a0+a1t，t=1，2，…，n（年），=a1，a1×10稱為氣候傾向率，單位為某要素單位/10 a。根據(jù)回歸理論a1=rxt，其中δx是要素x均方差，δt為數(shù)列1，2，…，n的均方差，可以從氣候趨勢系數(shù)rxt求出氣候傾向率。

1.2.2 突變檢驗(yàn)的原理和方法[17-19] Mann-Kendall檢驗(yàn)法是世界氣象組織推薦并已經(jīng)廣泛使用的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，又稱無分布檢驗(yàn)，其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，檢測范圍寬，定量化程度高。設(shè)氣候序列為x1，x2，…，xn，對于n個樣本量的時(shí)間序列x構(gòu)造一秩序列：

sk=ri （k=2，3，…，n）

ri=+1 xi>xj

0 xi≤xj （j=1，2，…，i）

秩序列是第i時(shí)刻數(shù)值大于第j時(shí)刻數(shù)值個數(shù)的累計(jì)數(shù)。在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下，定義統(tǒng)計(jì)量UFk=（k=1，2，…，n），其中，UF1=0，E（sk），Var（sk）是累計(jì)數(shù)sk的均值和方差，在x1，x2，…，xn，相互獨(dú)立且有相同連續(xù)分布時(shí)，它們可以由下式計(jì)算：E（sk）=，Var（sk）=，UFi為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，它是按時(shí)間序列x順序x1，x2，…，xn計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量序列，給定顯著性水平α，若UFi o | Uα，則表明序列存在明顯的趨勢變化。按時(shí)間序列x逆序xn，xn-1，…，x1，再重復(fù)上述過程，同時(shí)使UBk=-UFk，k=n，n-1，…，1，UB1=0。檢驗(yàn)曲線圖中若UFk和UBk線在臨界線內(nèi)變動，表明變化趨勢和突變不明顯；UFk或UBk的值大于零，則表明序列呈上升趨勢，小于零，表明呈下降趨勢；當(dāng)其超過臨界線時(shí)表明上升或下降趨勢顯著。如果UFk和UBk 2條曲線在臨界線之間出現(xiàn)交點(diǎn)，則交點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)刻即為突變開始的時(shí)間若交點(diǎn)出現(xiàn)在臨界線外，可結(jié)合其他檢驗(yàn)方法進(jìn)一步判定是否為突變點(diǎn)。

1.2.3 小波變換的原理和方法[19] 小波變換圖能反映信號在不同時(shí)間尺度上的周期振蕩。信號的強(qiáng)弱用小波系數(shù)的大小來表示，正的小波系數(shù)表示信號在該時(shí)間段為偏多期，負(fù)值表示為偏少期，零值對應(yīng)著突變點(diǎn)。小波方差圖反映時(shí)間序列中各個尺度擾動的相對強(qiáng)度，對應(yīng)峰值處的尺度稱為該序列的主要時(shí)間尺度，即時(shí)間序列的主要周期。

本文采用Morlet小波進(jìn)行變換，其母小波為：

，

小波變換形式為：

，其中，ωa，b（f）為小波系數(shù)，f（t）為信號的平方可積函數(shù)，a為分辨尺度，b為平移因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫的變化特征

2.1.1 年平均氣溫的變化特征 海南島1961～2011年氣溫年代距平見表1。由表1可見，20世紀(jì)60年代、70年代年平均氣溫距平為負(fù)，說明年平均氣溫較常年值偏低；90年代、21世紀(jì)00年代氣溫距平為正，其中80年代距平僅為-0.034 ℃，表明氣溫接近正常值。由圖1可見，海南島年平均氣溫以約0.22 ℃/10 a的速率呈明顯上升趨勢，趨勢系數(shù)r=0.663，通過信度水平為0.01的顯著性水平檢驗(yàn)。突變檢驗(yàn)結(jié)果表明（圖2），海南島年平均氣溫除了在1961～1963年、1971～1973年有弱的波動外（UF<0），其它時(shí)段均呈上升趨勢，在1986年前后出現(xiàn)突變，1986年以后上升趨勢更加顯著（超過0.05臨界線）。

圖3顯示了近51 a來海南島年平均氣溫在不同時(shí)間尺度上的周期震蕩，年平均氣溫的年際變化和年代際變化都非常明顯，3～4 a的年際變化從20世紀(jì)60年代一直持續(xù)到21世紀(jì)10年代，其中，20世紀(jì)60年代后期到70年代前期以及80年代中期以后信號較強(qiáng)；12 a的周期主要存在于80年代中期以前，之后被14 a的周期所代替，即周期有增加的趨勢，對應(yīng)著低-高4.5個循環(huán)交替。

2.1.2 年平均最高、年平均最低氣溫的變化特征

年平均最高氣溫、年平均最低氣溫的線性變化趨勢、周期變化與年平均氣溫的基本一致：20世紀(jì)60年代、70年代距平為負(fù)，氣溫偏低；90年代、00年代氣溫距平為正，80年代接近正常值（表1、圖1）。略有不同的是，年平均最高氣溫在1987～1989年出現(xiàn)突變（圖4-a），90年代前期開始上升趨勢顯著（超過0.05臨界線）。年平均最低氣溫在1987～1989年出現(xiàn)突變（圖4-b），之后持續(xù)上升，90年代后期開始上升趨勢十分顯著。值得注意的是，年平均最低氣溫的上升速率相對較高（圖1），每10 a上升0.284 ℃（r=0.764，p<0.01），大于年平均最高氣溫的0.176 ℃/10 a（r=0.507，p=0<0.01），說明年平均最低氣溫增加對年平均氣溫增加的貢獻(xiàn)大于年平均最高氣溫增加的貢獻(xiàn)。

2.1.3 四季平均氣溫的變化特征 海南島四季平均氣溫的變化趨勢與年平均氣溫的變化趨勢基本一致，呈波動上升趨勢，20世紀(jì)60年代、70年代距平為負(fù)，氣溫較常年偏低；90年代、00年代氣溫距平為正，80年代接近正常值（表1）。如圖5所示，冬季升溫最明顯，增溫速率達(dá)0.29 ℃/10 a（r=0.424，p<0.01），秋季次之，每10 a增溫0.22 ℃（r=0.570，p<0.01），春季和夏季的增溫速率分別為0.17 ℃/10 a（r=0.364，p<0.01），0.18 ℃/10 a（r=0.666，p<0.01）。開始變暖的時(shí)間也相對集中，均從1986年開始變暖，最近30 a是近50 a的最暖期（圖略）。

2.2 降水的變化特征

2.2.1 年降水量變化特征 1961～2011年海南島年降水量平均為1 759.0 mm，年際間波動和年代際變化都較為明顯。由表2可見，20世紀(jì)60年代、80年代年降水量距平為負(fù)，說明年降水量較常年值偏少；70年代、90年代、00年代年降水量距平為正，說明較常年值偏多，特別是00年代降水距平百分率為5.81%，說明00年代降水量偏多較為明顯。由圖6-a可見，年降水量的氣候傾向率為88.5 mm/10 a，趨勢系數(shù)為0.270，呈微弱的增加趨勢（p>0.05）。小波分析表明，年降水量在7 a以下尺度上，周期震蕩劇烈，未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律。但隨著時(shí)間尺度的增加，7 a以上尺度周期震蕩趨于平緩，且規(guī)律比較清晰，在9 a左右的尺度上出現(xiàn)第一主周期，規(guī)律性明顯，降水偏多和降水偏少表現(xiàn)為多-少5.5個交替循環(huán)，在17 a左右的尺度上出現(xiàn)第二主周期（圖6-b）。

2.2.2 年降水日數(shù)、降水強(qiáng)度的變化特征 如圖7所示，1961～2011年海南島年降水日數(shù)平均為148.3 d，氣候傾向率為1.9 d/10 a，趨勢系數(shù)為0.243，呈現(xiàn)微弱的波動減少趨勢（p>0.05）。小波分析表明，年降水日數(shù)在12 a以下的時(shí)間尺度上，周期震蕩劇烈，未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律。但隨著時(shí)間尺度的增加，12～14 a尺度周期震蕩趨于平緩，且規(guī)律比較清晰，表現(xiàn)為多-少4.5個交替循環(huán)。

1961～2011年海南島年強(qiáng)降水日數(shù)平均為8.0 d，年際間波動明顯，最少年2.8 d（1969年），最大年11.4 d（2009年和2010年），氣候傾向率為0.37 d/10 a，趨勢系數(shù)為0.293，通過信度為0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，增加趨勢明顯。小波分析結(jié)果顯示，年強(qiáng)降水日數(shù)以年代際變化為主，在8～9 a 時(shí)間尺度上出現(xiàn)第一主周期，規(guī)律性最為明顯，表現(xiàn)為少-多6個循環(huán)交替，此外，17 a時(shí)間尺度的周期變化規(guī)律也較為明顯，表現(xiàn)為少-多3個循環(huán)交替（圖略）。

1961～2011年海南島年降水強(qiáng)度平均為12.1 mm/d，年際間波動較明顯，最少年8.1 mm/d（1969年），最大年15.5 mm/d（2010年），氣候傾向率為0.44（mm/d）/10a，趨勢系數(shù)為0.440，通過信度為0.01的顯著性水平檢驗(yàn)，即年降水強(qiáng)度增強(qiáng)趨勢明顯。小波分析結(jié)果顯示，年降水強(qiáng)度的周期變化與年強(qiáng)降水日數(shù)的周期變化相一致，即分別在8～9 a和17 a的時(shí)間尺度上出現(xiàn)第一和第二主周期，說明海南島降水強(qiáng)度主要受到暴雨及其以上量級降水日數(shù)的影響（圖略）。

2.2.3 季節(jié)降水量的變化特征 1961～2011年海南島降水的季節(jié)分布極不均勻，干濕季節(jié)明顯，降水主要集中于夏秋兩季，約占全年降水量的77.2%。由表2及圖8可見，近51 a來，海南島春季降水量平均為326.1 mm，年際間波動明顯，最小年148.9 mm（1977年），最大年612.1 mm（1997年）。20世紀(jì)60年代、70年代春季降水量距平為負(fù)，說明降水較常年值偏少；80年代、90年代春季降水量距平為正，00年代接近常年值。其氣候傾向率為4.95 mm/10 a，趨勢系數(shù)為0.069，僅呈微弱的增加趨勢（p>0.05）。夏季降水量平均為712.4 mm，最年471.1 mm（1961年），最大年1 100.3 mm（2001年）；年代際變化較為明顯，20世紀(jì)60年代、80年代夏季降水量距平為負(fù)，說明降水較常年值偏少，尤其是80年代，降水距平百分率為-8.69%；70年代、90年代、00年代降水量距平為正。線性趨勢分析表明，夏季降水量呈微弱的波動增加趨勢，氣候傾向率為7.85 mm/10 a，趨勢系數(shù)為0.088（p>0.05）。1961～2011年海南島秋季降水量平均為675.1 mm，年際間波動明顯，最少年171.5 mm（2004年），最大年1 287.7 mm（2010年）；20世紀(jì)60年代、90年代秋季降水量距平百分率分別為-15.39%、-8.55%降水較常年值偏少；70年代、80年代和00年代秋季降水量不同程度偏多，其中00年代偏多較為明顯，距平達(dá)到81.36 mm，距平百分率為12.05%。氣候傾向率為30.02 mm/10 a，趨勢系數(shù)為0.193（p>0.05），即僅存在微弱的增加趨勢。1961～2011年海南島冬季降水量均值為83.3 mm，年際間波動明顯，最少年17.1 mm（1998年），最大年215.7 mm（2001年）。20世紀(jì)70年代、80年代冬季降水量距平百分率分別為-12.51%、-13.06%，降水較常年值偏少明顯；60年代、00年代降水量接近常年值；90年代冬季降水量異常偏多，距平百分率為21.84%。氣候傾向率為2.6 mm/10 a，趨勢系數(shù)為0.091（p>0.05）。以上分析表明，各個季節(jié)降水量均表現(xiàn)出明顯的年際波動和年代際變化，總體上呈微弱的增加趨勢（趨勢系數(shù)均未通過信度為0.05的顯著性水平檢驗(yàn)）。

對海南島季節(jié)降水量的小波分析表明，海南島各個季節(jié)降水量均存在多時(shí)間尺度特征，大尺度的周期變化嵌套著小尺度的周期變化：各個季節(jié)降水量在10 a以下的時(shí)間尺度上周期震蕩劇烈，沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律。隨著時(shí)間尺度的增加，在12～14 a的時(shí)間尺度上周期震蕩趨于平緩，規(guī)律比較明顯。其中，春季降水量從20世紀(jì)70年代到20世紀(jì)末，降水偏多和降水偏少存在12～14 a的周期變化，同時(shí)伴隨著6～7 a或4～5 a甚至于更高頻率的周期變化；其小波方差最大峰值對應(yīng)的周期T=12，次大峰值對應(yīng)的周期T=3，表明存在12 a、3 a的主周期。夏季降水量在20世紀(jì)90年代以前存在規(guī)律明顯的8～9 a周期變化，同時(shí)在20世紀(jì)60年代中期到90年代初還伴隨著15 a時(shí)間尺度的周期變化。秋季降水量在20世紀(jì)80年代以前降水偏多和降水偏少存在8 a左右的周期變化，從80年代中期開始到21世紀(jì)10年代末存在12～14 a左右的周期變化，同時(shí)疊加有4 a左右的周期變化。冬季降水量在20世紀(jì)70年代前期到20世紀(jì)末偏多和偏少存在13～14 a的周期變化，同時(shí)也疊加有4 a左右的周期變化。

3 討論與結(jié)論

在全球氣候變化的大背景下，海南島由于地理位置特殊，其氣候變化特征備受關(guān)注。吳慧等[20]利用Morlet子波變換對海南省16個站1961～2000年的逐月平均氣溫和降水資料進(jìn)行了小波分析。陳小麗等[21]利用1961～2002年海南島11個氣象站各季和年的平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、降雨量等資料，對海南島近42年的氣候變化作了分析。

與以往大多數(shù)研究僅從某一個或某幾個方面選擇氣象要素，且選擇的站點(diǎn)數(shù)有限相比，本文選用海南島18個氣象站點(diǎn)最新的觀測資料，利用線性趨勢估計(jì)、M-K突變檢驗(yàn)和小波變換方法對海南島1961～2011年氣溫、降水資料時(shí)間序列的變化特征進(jìn)行了全面細(xì)致地分析，得到一些有意義的結(jié)論：

（1）1961～2011年海南島氣候變暖趨勢明顯，表現(xiàn)為年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫和四季平均氣溫均呈上升趨勢，且均通過了信度為0.05的顯著性水平檢驗(yàn)。其中，年平均最低氣溫的上升速率大于年平均最高氣溫的上升速率，冬季平均氣溫的上升速率大于其它3個季節(jié)平均氣溫的上升速率，說明年平均最低氣溫上升對年平均氣溫上升的貢獻(xiàn)大于年平均最高氣溫上升對其的貢獻(xiàn)，冬季平均氣溫上升對年平均氣溫上升的貢獻(xiàn)大于其它3個季節(jié)的貢獻(xiàn)。突變檢驗(yàn)及周期分析表明，各氣溫要素均在20世紀(jì)80年代后期發(fā)生突變，存在3～4 a和12 a時(shí)間尺度的周期變化。

（2）1961～2011年海南島年和四季的降水量總體上呈波動增加趨勢，年降水日數(shù)呈減少趨勢，但均未通過顯著性檢驗(yàn)，即增加或減少的趨勢不明顯；年強(qiáng)降水日數(shù)和年降水強(qiáng)度的增加趨勢明顯，分別通過了信度為0.05、0.01的顯著性水平檢驗(yàn)。周期分析表明，近51 a來海南島降水存在多時(shí)間尺度的周期變化特征，大尺度的周期變化嵌套著小尺度的周期變化：季節(jié)降水量和年降水日數(shù)存在12～14 a時(shí)間尺度的周期變化，年降水量、年強(qiáng)降水日數(shù)和年降水強(qiáng)度存在8～10 a時(shí)間尺度的周期變化，且各個要素均疊加有周期較小的高頻振蕩。

（3）對降水資料進(jìn)行分析過程中，運(yùn)用Mann-Kendall等方法均未能檢測出降水序列的顯著突變點(diǎn)（這一結(jié)果與線性傾向估計(jì)的分析結(jié)果相吻合），因此，在文章中未作討論。

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