1959～2013年海南島降水事件變化特征

孫瑞 吳志祥 陳幫乾 蘭國玉 祁棟靈

摘 要 運用均勻分布在海南島的7個國家標準氣象站1959～2013年逐日降水量觀測數(shù)據(jù)，采用一元線性趨勢、5 a滑動趨勢、Mann-Kendall檢驗、Morlet小波分析、反距離空間插值（IDW）等方法，對海南島大雨和暴雨日數(shù)和強度的時空變化特征進行研究。結果表明：（1）盡管大雨和暴雨不是海南島的主要降水形式，但大雨和暴雨雨量對年降水量的貢獻較大，合計超過65%。（2）海南島平均大雨和暴雨日數(shù)在中部山區(qū)多、西部沿海少；大雨強度各地差異小，暴雨強度則于西部沿海最強。（3）過去55 a，大雨強度波動減弱趨勢微弱，暴雨強度增強趨勢顯著；大雨和暴雨日數(shù)自21世紀以來增多趨勢明顯。大雨強度、暴雨日數(shù)和強度分別在1984年、2004年和1988年前后發(fā)生突變。大雨日數(shù)和強度的變化周期分別集中在12 a和21 a左右；暴雨日數(shù)和強度的變化周期均集中在7、14、21 a左右。（4）大雨日數(shù)呈增多趨勢的區(qū)域主要分布在海南島東北部和南部，大雨強度于中部山區(qū)以北區(qū)域呈減弱趨勢；暴雨日數(shù)增多趨勢最明顯的區(qū)域分布在海南島西北部和南部，而暴雨強度在東北部和南部增強趨勢最明顯。

關鍵詞 降水日數(shù)；降水強度；空間分布；趨勢；海南島

中圖分類號 P426.623 文獻標識碼 A

Abstract The spatial and temporal variation of days and intensity of heavy and extreme rainfall were analyzed based on daily precipitation data of seven national standard meteorological stations which were evenly distributed in Hainan Island from 1959 to 2013 by using methods of linear trend， five-years moving trend， Mann-Kendall， Morlet wavelet and Inverse Distance Weighted（IDW for short）. The results indicated that （i） heavy and extreme rainfall days on a small proportion， however contributed significantly to the annual precipitation for the island during the past 55 years. （ii） The days of heavy rainfall and extreme rainfall were more in middle mountain area of the island than in the western part. Precipitation intensity of heavy rainfall in various places was more uniform， meanwhile extreme rainfall intensity was highest in the western part of the island. （iii） The intensity of heavy rainfall presented a slight decreasing trend while the extreme rainfall intensity had increased significantly during the past 55 years. Both the days of heavy and extreme rainfall had become higher apparently since the early twenty-first century. The heavy rainfall intensity， extreme rainfall days and intensity mutated in 1984， 2004 and 1998， respectively. The main cycles of heavy rainfall days and intensity had quasi-periods of 12 years and 21 years respectively， and those of extreme rainfall days and intensity both had quasi-periods of 7 years， 14 years and 21 years. （iv） The increasing rates of heavy rainfall days， extreme rainfall days and intensity were the largest in the northeast and south， northwest and south， and northeast and south of the island respectively， while the decreasing heavy rainfall intensity mainly located in the north of the island.

Key words Precipitation days； precipitation intensity； spatial distribution； trend； Hainan Island

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.11.029

在當前全球氣候變暖背景下，降水事件普遍呈極端化趨勢。IPCC第五次評估第一工作組報告認為，未來全球氣候系統(tǒng)將進一步變暖，強降水等極端事件發(fā)生的頻率將增加，全球降水將呈現(xiàn)“干者愈干、濕者愈濕”的趨勢[1]。極端降水引發(fā)洪水、泥石流等自然災害頻發(fā)，對當?shù)厣鐣€(wěn)定、經(jīng)濟發(fā)展和人民生活造成嚴重影響[2-3]。為此，極端降水事件的變化引起了社會各界的廣泛關注[4-13]。

依據(jù)氣象臺站觀測的降水資料，利用降水要素的特征值來統(tǒng)計分析降水變化規(guī)律是目前降水事件變化研究的主要途徑[14]。已有研究指出，過去50 a中國不同等級降水變化差異明顯[15-16]；全國多年平均極端降水事件空間分布呈明顯的緯向分布特征，并表現(xiàn)出顯著的季節(jié)性差異[17]；極端降水在北部地區(qū)和四川盆地減少趨勢顯著，在西部地區(qū)、長江流域和東南沿海則呈明顯的上升趨勢[18]。

海南島地處東亞大陸東南端，氣候類型屬典型的海洋性熱帶季風氣候，暴雨（極端降水）是其雨季較為多發(fā)的災害性天氣。針對海南島降水事件的研究表明，近50 a降水量變化波動性強，增加趨勢不明顯，但地域性和季節(jié)性差異顯著[19]。其中，區(qū)域特征主要表現(xiàn)為在海南島中部山區(qū)降水豐沛，西南區(qū)相對較少，但西南區(qū)為大暴雨及特大暴雨多發(fā)地區(qū)[19-20]；過去42 a僅南部地區(qū)降雨量增多趨勢顯著，其余地區(qū)各季降雨量變化趨勢均較弱[21]。季節(jié)特征則體現(xiàn)在全島年降水主要集中在5～10月份[20]，熱帶氣旋降水平均占年總降水量30%[22]；冬季降雨量增加趨勢明顯，其余各季降雨量增加趨勢微弱[21]。隨著雨季熱帶氣旋頻繁登陸[23-25]，暴雨等極端降水事件嚴重威脅海南島人民生命和財產(chǎn)安全，然而目前專門分析海南島極端降水事件時空變化趨勢和統(tǒng)計特征的研究仍較少。因此，本研究運用海南島7個氣象站1959～2013年逐日降水觀測數(shù)據(jù)，以降水日數(shù)和降水強度為基礎，分析海南島大雨和暴雨日數(shù)和強度的空間分布、變化趨勢和貢獻率、變異場、突變、周期性等特征，揭示海南島極端降水事件變化規(guī)律，為指導當?shù)剞r(nóng)林業(yè)發(fā)展以及制定應對區(qū)域氣候變化的戰(zhàn)略和行動計劃提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

海南島地面氣象站逐日降水資料由國家氣象信息中心提供，并且經(jīng)過了較為嚴格的質量控制和檢查，包括極值檢查、時間一致性檢查和均一化檢查。依據(jù)資料的連續(xù)性及最長時段性等標準，共選取均勻分布在海南島的7個國家標準氣象站（圖1）觀測的1959～2013年逐日降水資料。此外，鑒于儋州氣象站1968年2～4月降水資料缺測，本研究利用多年平均值對其進行插值。

1.2 方法

根據(jù)降水等級劃分標準[26]，日降水量在25.0～49.9 mm為大雨日，日降水量在50.0 mm以上為暴雨日；降水強度為大雨（暴雨）總量與相應降水日數(shù)之比。用一元線性回歸和5 a滑動平均方法分別計算大雨（暴雨）日數(shù)和強度隨時間的變化趨勢。利用降水變異系數(shù)分析大雨（暴雨）日數(shù)或強度的穩(wěn)定性和均勻性：變異系數(shù)越大，表示大雨（暴雨）日數(shù)或強度隨時間變化大；變異系數(shù)越小，表示大雨（暴雨）日數(shù)或強度波動越小、穩(wěn)定性越好?；贛ann-Kendall檢驗[27-28]和Morlet小波分析[29]等方法分別診斷大雨（暴雨）日數(shù)和強度的突變點和震蕩周期。在進行大雨（暴雨）日數(shù)和強度空間分布計算時，采用目前應用較為廣泛、精度較高的反距離權重插值法（IDW）進行插值并繪制空間分布圖。并根據(jù)插值結果，獲得海南島平均逐年大雨（暴雨）日數(shù)和強度序列。

2 結果與分析

2.1 強降水的空間分布和變化

2.1.1 多年平均空間分布 海南島多年平均大雨和暴雨日數(shù)空間分布均表現(xiàn)為中部山區(qū)最多、西部沿海最少（圖2）。中部山區(qū)大雨日數(shù)和暴雨日數(shù)分別多于15.7 d和10.8 d，在西部沿海區(qū)域分別少于5.9 d和4.6 d。多年平均大雨強度空間分布差異不顯著，雨強相對較均勻，范圍在34.6～35.7 mm/d之間。大雨強度于海南島東南岸陵水附近相對較大，而在西部沿海、西北部和中部山區(qū)均相對較小。與大雨強度空間分布不同，暴雨強度空間分布差異明顯，范圍在84.2～96.9 mm/d之間。暴雨強度在海南島西部東方附近最強，一般在91.2 mm/d以上，而在中部山區(qū)西北側儋州附近最少（低于88.4 mm/d）。

2.1.2 年際變化的空間分布 1959～2013年海南島大雨和暴雨日數(shù)的年際變化趨勢空間分布不同（圖3）。大雨日數(shù)呈增多趨勢的區(qū)域大于呈減少的區(qū)域，暴雨日數(shù)則整體呈增多趨勢。其中，大雨日數(shù)呈增多趨勢的區(qū)域主要分布在海南島東北部和南部，增長率最大達0.066 d/a，呈減少趨勢的地區(qū)主要分布在海南島西部沿海，降低率最大為-0.040 d/a；暴雨日數(shù)增多趨勢最明顯的區(qū)域分布在海南島西北部和南部，增長率最高達0.065 d/a。

過去55 a，海南島大雨強度呈增強趨勢的區(qū)域明顯少于降低區(qū)域（圖3）：增強趨勢較明顯區(qū)域分布在海南島南部沿海，最大增長率為0.026 mm/（d·a）；海南島中部山區(qū)以北區(qū)域大雨強度均呈減弱趨勢，最大降低率為-0.018 mm/（d·a）。與大雨強度年際變化空間分布不同，海南島暴雨強度呈增強趨勢區(qū)域明顯多于降低區(qū)域。在海南島東北部和南部三亞附近暴雨強度增強趨勢明顯，增長率最大為0.335 mm/（d·a）；僅在海南島西部東方附近和中部山區(qū)有微弱減少趨勢，降低率最大為-0.074 mm/（d·a）。

2.2 強降水的時間分布

2.2.1 年際變化 1959～2013年海南島大雨和暴雨日數(shù)整體均呈增多趨勢（圖4），增長率分別為0.03 d/a和0.04 d/a，其中暴雨日數(shù)增長趨勢通過了0.05信度顯著性檢驗。大雨日數(shù)在20世紀60年代中期之前，5 a滑動平均值處于均值之下，大雨日數(shù)偏少；60年代中期～90年代中期在平均值附近波動；90年代中期～21世紀初大雨日數(shù)波動減少；21世紀初之后迅速波動增多，為大雨日數(shù)偏多期。20世紀90年代末之前，暴雨日數(shù)5 a滑動平均值略小于均值；進入21世紀之后暴雨日數(shù)波動增多明顯。

過去55 a，海南島大雨強度整體呈波動降低趨勢，而暴雨強度則呈增強趨勢（圖4），變化率分別為-0.01和0.18 mm/（d·a），其中暴雨強度增強趨勢通過了0.05信度顯著性檢驗。大雨強度在20世紀50年代末最大，之后至70年代前期大幅下降，70年代中期～90年代前期波動增加，90年代中期～21世紀初再次波動下降，之后再回升。暴雨強度在20世紀50年代末最低，之后持續(xù)增長，并于90年代中期起5 a滑動平均值高于均值。

2.2.2 貢獻率 1959～2013年海南島多年平均大雨和暴雨雨量占總降水量的比率分別為24.73%和40.45%（表1）。各季節(jié)中，春、夏、秋季大雨雨量占總降水量的比率均超過5%，夏季大雨雨量占全年總降水量的比率最大，達10.28%，冬季最小，僅0.86%；秋季暴雨雨量對總降水量的貢獻率最大，達20.50%，夏季次之，冬季最小（0.50%）。就年代際而言，各年代際大雨和暴雨雨量占總降水量的比率均超過20%，大雨雨量占總降水量的比率在20世紀80年代和90年代較大，而暴雨雨量占總降水量的比率在21世紀以來明顯增大。

1959～2013年海南島多年平均大雨和暴雨日數(shù)占總降水日數(shù)的比率分別為8.28%和5.29%（表1）。其中，夏季大雨日數(shù)占總降水日數(shù)的比率（3.43%）均比其他季節(jié)大，而暴雨日數(shù)主要出現(xiàn)在秋季（比率為2.50%）。各年代際中，大雨日數(shù)占總降水日數(shù)的比率于20世紀90年代最大，達9.02%，暴雨日數(shù)占總降水日數(shù)的比率自21世紀以來最大，為6.43%；大雨和暴雨日數(shù)占總降水日數(shù)的比率均在20世紀60年代最小，分別為7.09%和4.31%。

海南島多年平均大雨和暴雨日數(shù)占總降水日數(shù)比率較?。?3.57%），故大雨和暴雨不是海南島的主要降水形式。但是，大雨和暴雨雨量對年降水量的貢獻較大，合計超過65%。而且，暴雨雨量和日數(shù)占總降水量和日數(shù)的比率均自21世紀以來最大，暗示近年來海南島極端降水事件發(fā)生的頻率在增加。

2.2.3 穩(wěn)定性特征 過去55 a，海南島大雨日數(shù)、暴雨日數(shù)和強度年際變化幅度相對較大，大雨強度則相對穩(wěn)定（表2）。其中，海南島暴雨日數(shù)的變異系數(shù)最大，達0.267，大雨日數(shù)的變異系數(shù)次之，為0.169。在各年代際中，海南島各年代際大雨日數(shù)變異系數(shù)均超過0.08，并于20世紀90年代最大，達0.226。與大雨日數(shù)相比，海南島各年代際暴雨日數(shù)的變異系數(shù)更大，均超過0.20，尤其是20世紀60年代暴雨日數(shù)的變異系數(shù)達0.312。就降水強度而言，各年代際大雨強度變異系數(shù)均較小，不超過0.022，尤其是20世紀90年代大雨強度變異系數(shù)僅0.012；各年代際暴雨強度變異系數(shù)明顯大于大雨強度，變異系數(shù)均超過0.08，尤其是20世紀60年代海南島暴雨強度變異系數(shù)達0.152。

2.2.4 突變特征 在0.05信度水平下，1959～2013年海南島大雨強度、暴雨日數(shù)和強度均發(fā)生突變，而大雨日數(shù)無顯著突變點（圖5）。其中，大雨強度在1984年前后發(fā)生突變，突變前后平均大雨強度分別為35.0 mm/d和35.2 mm/d，平均大雨強度增加了0.2 mm/d。暴雨日數(shù)和強度分別在2004年和1988年前后發(fā)生突變，突變前平均暴雨日數(shù)和強度分別為7.7 d、85.8 mm/d，突變后分別為9.9 d、92.2 mm/d，平均暴雨日數(shù)增加了2.2 d，平均暴雨強度則增加了6.5 mm/d。

2.2.5 周期性 過去55 a，海南島大雨和暴雨日數(shù)和強度均存在明顯的周期震蕩（圖6）。海南島大雨日數(shù)在全研究時段存在12 a左右的震蕩周期；大雨強度在1975～2000年存在21 a左右的振蕩周期。暴雨日數(shù)和強度具有相似的周期變化規(guī)律，均存在7、14、21 a左右的振蕩周期，其中14 a左右的周期為第一主周期，其在1970～2005年表現(xiàn)明顯，7 a左右的周期在全研究時段表現(xiàn)均較為明顯，1975～2000年存在21 a左右的明顯周期。除此，暴雨日期在1990年以前還存在2 a左右的周期。

3 討論

海南島位于西太平洋的西部、中國南海的北部，處于熱帶北緣，熱帶氣旋是海南島雨季（5～10月）降水最重要的天氣系統(tǒng)。1959～2013年海南島大雨和暴雨主要發(fā)生在夏季和秋季。其中，多年平均大雨雨量在夏季最大，占全年總降水量的比率為10.28%；暴雨雨量于秋季最大，對全年總降水量的貢獻率達20.50%。這在很大程度上與熱帶氣旋有關：海南島夏季降水主要受熱帶氣旋、熱帶輻合帶、西北太平洋副熱帶高壓和西南季風等天氣系統(tǒng)的控制，其中熱帶氣旋最重要；秋季降水則主要由熱帶氣旋或是北方南下的冷空氣和熱帶氣旋共同影響產(chǎn)生[30]。

海南島地形中間高聳、四周低平，位于熱帶氣旋北側及北方冷高壓南側的東風氣流中。由于在海南島中部山區(qū)東側暖濕空氣受阻被迫抬升形成強降水，從而使得在中部山區(qū)及其東側大雨和暴雨日數(shù)偏多、中部山區(qū)西側大雨和暴雨日數(shù)則明顯偏少。海南島雨季主要受熱帶氣旋影響，熱帶氣旋對大雨的貢獻率在全島比較均勻、對暴雨的貢獻率呈西高東低的分布[30]，從而使得過去55 a海南島多年平均大雨強度空間分布差異較小、暴雨強度在海南島西部東方附近最強；海南島西北部地區(qū)雨季西南季風盛行，雨量大多為小到中雨，故而在中部山區(qū)西北側儋州附近暴雨強度最小。整體看，海南島中部山區(qū)大雨和暴雨日數(shù)較多，而降水強度相對較弱；西部沿海暴雨日數(shù)相對較少，暴雨強度較大。該研究結果與許格希等[19]和王勝等[20]的研究結果相一致：通過分析海南島1959～2008年不同氣候區(qū)的氣候變化特征，指出海南島西南區(qū)為大暴雨及特大暴雨多發(fā)地區(qū)[19]；基于全島各站點1961～2004年降水資料，研究表明海南島中部和東部沿海降水豐沛、西部沿海地區(qū)降水最少[20]。

過去55 a，海南島南部沿海區(qū)域大雨日數(shù)和強度、暴雨日數(shù)和強度的增長趨勢明顯，主要是由登陸海南島的南海熱帶氣旋的頻率和強度增強趨勢明顯[30]所致。而在海南島西部沿海區(qū)域，大雨日數(shù)和強度、暴雨日數(shù)均有不同程度的減弱趨勢，這可能與2000年后人工降雨影響技術在海南得到廣泛應用有關。特別是在海南島西部和西南部夏季，在降水不足的時候幾乎每天都進行人工降水影響作業(yè)，減少了大雨和暴雨形成的機會。此外，海南島大雨和暴雨日數(shù)自21世紀以來呈明顯的增多趨勢，而暴雨強度在過去55 a增強趨勢顯著。暗示海南島21世紀以來產(chǎn)生極端強降水的頻率增加，引發(fā)洪澇災害的風險增大。故而，未來研究有必要結合熱帶氣旋資料，并考慮人工降雨等人為干預的情況下，對海南島不同區(qū)域極端強降水變化的原因、影響、預估等方面進行更深入的探討。

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