海南島夏季不同類型降水特征及其對(duì)旱澇的影響

吳慧 ,胡德強(qiáng) ,邢彩盈 ,朱晶晶

(1.海南省氣候中心，?？?570203；2.海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海口 570203)

引言

夏季旱澇趨勢(shì)的準(zhǔn)確預(yù)測對(duì)我國防災(zāi)減災(zāi)工作極其重要。針對(duì)我國夏季降水的氣候變化特征和影響因子有很多研究成果。研究表明，我國夏季降水具有明顯的年際振蕩和年代際變化，不同區(qū)域的夏季降水具有不同的線性變化趨勢(shì)和突變特征(陳興芳和晁淑懿，2000；丁一匯和張莉，2008；張峻和張藝玄，2019；鄭小華等，2019)，亞洲季風(fēng)、越赤道氣流、平流層QBO、西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)、南亞高壓、印度低壓、中緯度阻塞高壓、東亞遙相關(guān)型、南方濤動(dòng)和北太平洋濤動(dòng)等的異常對(duì)我國夏季降水有重要影響(趙漢光和張先恭，1996；趙振國等，2000；賈小龍等，2013；王芬等，2017)，不同影響系統(tǒng)的配置對(duì)我國夏季雨型有直接影響(趙俊虎等，2014)。太陽活動(dòng)、海溫、土壤濕度、積雪和海冰等外強(qiáng)迫因子對(duì)我國夏季降水異常也具有不可忽視的作用(段長春和孫績?nèi)A，2006；袁媛等，2012；張文君等，2012；劉穎等，2017；張若楠等，2018)。

海南省是中國唯一的熱帶省份，其降水的季節(jié)分布特征、降水量變化、降水影響系統(tǒng)等均有別于我國的其他省份(王春乙等，2014；鄭國光等，2019)，影響夏季旱澇的因子也必然不同。近年來氣象工作者對(duì)海南島夏季降水的氣候變化規(guī)律和影響因子也進(jìn)行了一些研究。吳慧和陳小麗(2003)發(fā)現(xiàn)，1961 年以來的40 a 海南島氣候趨于變暖和變濕；各季降水量有不同程度增加，其中冬季增加顯著(陳小麗和吳慧,2004)。在夏季降水異常成因分析方面，吳慧等(2009)發(fā)現(xiàn)EN?SO 對(duì)海南島夏季降水的南北分布形式有顯著的滯后影響并且有影響增強(qiáng)的趨勢(shì)。胡德強(qiáng)等(2018)分析給出了海南島夏季降水空間分布特征和降水第一模態(tài)異常年的大氣環(huán)流特征。邢彩盈等(2018)揭示了海南島7—8 月和9—10 月旱澇急轉(zhuǎn)的大氣環(huán)流和海溫異常的若干特征。降水天氣系統(tǒng)是影響降水的最直接因素，但從天氣系統(tǒng)的角度分析其對(duì)海南島季節(jié)旱澇影響的研究不多。早期的研究認(rèn)為熱帶氣旋的影響頻數(shù)和強(qiáng)度對(duì)海南島旱澇有重要影響(海南大農(nóng)業(yè)建設(shè)與生態(tài)平衡考察團(tuán)氣候組，1982)。其后吳勝安等(2007)對(duì)海南島1962—2004年熱帶氣旋年降水量的變化特征和變化周期作了專門分析。Wu 等(2007)利用1962—2005年的資料統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，海南島的熱帶氣旋降水在6—11月各月的比重高達(dá)17.7%～44.5%，過去40多年海南島熱帶氣旋降水及降水貢獻(xiàn)率在下降，但熱帶氣旋引起的極端降水日數(shù)和極端降水事件則在增加。不同類型降水系統(tǒng)對(duì)海南島年降水量和年極端降水量的貢獻(xiàn)和變化具有較大差異(吳巖峻，2008)。鑒于不同類型降水對(duì)季節(jié)降水量的影響和表現(xiàn)不同，了解它們?cè)诩竟?jié)降水量中的地位、變化及對(duì)旱澇的影響，對(duì)季節(jié)降水趨勢(shì)預(yù)測將有很大幫助。本文利用最新的降水觀測資料和天氣系統(tǒng)日歷表，較全面的分析了近53 a海南島夏季不同類型降水的空間分布、降水頻率和強(qiáng)度特征，不同類型降水量、降水頻率的變化，以及不同類型降水對(duì)海南島夏季旱澇的影響，這對(duì)于我們從新的角度認(rèn)識(shí)海南島夏季旱澇的影響因子具有重要意義。

1 資料和方法

所用資料為海南島18 個(gè)國家地面氣象觀測站1966 年1 月1 日至2018 年12 月31 日的逐日降水資料和同期海南省氣象臺(tái)的逐日天氣系統(tǒng)日歷表。其中的降水資料已經(jīng)過海南省氣象信息中心嚴(yán)格的質(zhì)量控制。

方法：根據(jù)影響海南的天氣系統(tǒng)日歷表，統(tǒng)計(jì)海南省夏季不同類型降水(吳巖峻,2008)，分析各類型降水的空間分布特征；采用線性傾向估計(jì)方法分析各類型降水的氣候變化趨勢(shì)(魏鳳英，2007)；利用相關(guān)分析方法分析夏季不同類型降水量與夏季總降水量之間的密切程度。

2 夏季不同類型降水的空間分布特征

2.1 夏季降水概況

1966—2018年，海南島夏季降水的多年平均值為731.9 mm。各地夏季降水大致呈中間多、四周少的分布(圖1a)。北部內(nèi)陸的定安、澄邁、儋州，西部內(nèi)陸的昌江，中部山區(qū)的白沙、保亭，以及南部的樂東等市縣均接近或超過800 mm，其中保亭最多，達(dá)到910.5 mm，昌江次多，達(dá)852.6 mm；西部沿海、南部沿海和東部沿海地區(qū)一般不足670 mm，其中西部沿海的東方只有512.4 mm。

吳巖峻(2008)研究表明，影響海南島夏季降水(SUMR)的天氣系統(tǒng)有五種，即熱帶氣旋、熱帶輻合帶、西南季風(fēng)槽、副高邊緣和冷空氣過程，其中最主要的是前四種。為此，本文分別把前四種天氣系統(tǒng)產(chǎn)生的降水分別定義為TCR、ITCZR、SWTR 和STHR。可見海南島SUMR的主要影響系統(tǒng)與長江中游地區(qū)有較大不同(張家國等，2018)。以下分析這四種類型降水的空間分布特征。

2.2 TCR

TCR是海南島夏季最重要的降水來源。1966—2018年，TCR 的多年平均值為260.6 mm，占整個(gè)SUMR 的35.6%。TCR的空間分布(圖1b)表明，TCR為大范圍降水，各地基本在200～350 mm之間，其中中部山區(qū)和西部內(nèi)陸地區(qū)相對(duì)較多，西部內(nèi)陸的昌江最多，東南部沿海地區(qū)TCR相對(duì)較少。各地TCR占當(dāng)?shù)豐UMR的百分比(圖略),近似于“西北高中南低”的分布,其中西部沿海的東方高達(dá)51.3%,最少的是中部山區(qū)的保亭，為24.7%。這與吳勝安等(2007)統(tǒng)計(jì)的熱帶氣旋年降水量占年總降水量比例的高低值分布形態(tài)相近，但比例更高。

2.3 ITCZR

ITCZR是夏季海南島的第二大降水類型。1966—2018年，全島ITCZR平均為215.0 mm，占全島SUMR的29.4%。ITCZR 也是大范圍降水(圖1c)，各地在140～320 mm之間，基本呈中間多四周少、南多于北的分布，保亭為全島最多，西部沿海的東方、北部沿海的臨高和海口、東部沿海的萬寧、南部沿海的陵水和三亞均為低值區(qū)。各地ITCZR占當(dāng)?shù)豐UMR的百分比達(dá)22.6%～34.9%(圖略)，呈東南高西北低的分布，東部的瓊海和中部山區(qū)的保亭為高值中心，保亭最高，北部的臨高最低。

2.4 SWTR

SWTR 是夏季海南島的第三大降水類型，全島多年平均值為111.9 mm，占全島SUMR的15.3%。SWTR的空間分布(圖1d)表明，其局地性較強(qiáng)，各地一般在20～200 mm 之間，基本呈U 型分布，北、中部地區(qū)較多，高值區(qū)在北部內(nèi)陸地區(qū)，西、南部地區(qū)和東部沿海地區(qū)較少，低值中心區(qū)在西部沿海的東方。各地SWTR 占當(dāng)?shù)豐UMR 的百分比的空間分布(圖略)類似于SWTR 的分布，最低值仍在西部沿海地區(qū),僅4.5%，西部內(nèi)陸的昌江為5.2%；最高值在北部內(nèi)陸的定安，達(dá)24.8%。

2.5 STHR

STHR 的全島多年平均值為107.5 mm，占全島SUMR的14.7%。圖1e為STHR的空間分布，其局地性特征亦較明顯，各地基本在40～180 mm之間，東北半部地區(qū)和西部沿海地區(qū)較少，西部沿海的東方最少，西部內(nèi)陸的昌江和中部山區(qū)的保亭為高值中心區(qū)。STHR占當(dāng)?shù)豐UMR百分比的空間分布（圖略）同樣類似于其降水量的分布，但最小值在東北角的文昌，為7.9%，最大值仍位于中部山區(qū)的保亭，為20%。

圖1 1966—2018年海南島SUMR(a)、TCR(b)、ITCZR(c)、SWTR(d)和STHR(e)的空間分布(單位：mm)Fig.1 Spatial distribution of(a)SUMR,(b)TCR,(c)ITCZR,(d)SWTR and(e)STHR over Hainan Island during 1996 to 2018(unit:mm).

可見SUMR 的分布形態(tài)總體與TCR 最相似，其次是ITCZR。SUMR 的兩個(gè)大值中心區(qū)與TCR 和ITCZR的大值中心區(qū)相一致，SWTR 的大值區(qū)對(duì)北部內(nèi)陸地區(qū)SUMR 也有較大貢獻(xiàn)；SUMR 在西部沿海地區(qū)的小值中心區(qū)主要與ITCZR、SWTR和STHR在該地降水較少有關(guān)，而SUMR 在東部沿海地區(qū)(萬寧)的小值中心區(qū)與四種類型降水在該地均較少有關(guān)。

3 不同類型降水的變化

圖2 為1966—2018 年期間SUMR、TCR、ITCZR、SWTR 和STHR 演變圖。表1 為該時(shí)段內(nèi)線性傾向估計(jì)的海南島夏季降水、夏季不同類型降水的檢測結(jié)果。

從圖2 和表1 可以看出，1966 年以來，SUMR 以25.3 mm·(10 a)-1的趨勢(shì)微弱增加。SUMR的年際波動(dòng)和階段性變化均比較明顯，最多的年份達(dá)到1 258.3 mm(2018 年)，最少的年份僅491.8 mm(2015 年)，SUMR 在20世紀(jì)60年代中期至70年代初、80年代、90年代中期至21世紀(jì)初基本處于偏少階段，在其余時(shí)段一般處于偏多階段。

表1 1966―2018年海南島夏季不同類型降水的線性趨勢(shì)Table 2 Linear trend of different types of SUMR over Hainan Island from 1966 to 2018.

圖2 1966-2018年海南島夏季不同類型降水變化Fig.2 Changes of different types of SUMR over Hainan Island from 1966 to 2018.

TCR 以1.6 mm·(10 a)-1的趨勢(shì)微弱增加。TCR 最多的年份676.7 mm (2018 年)，最少的年份64.7 mm(1998年)。TCR在20世紀(jì)60年代中期至70年代前期、80年代、90年代后期、21世紀(jì)初至10年代中期基本處于偏少階段，在其余時(shí)段基本處于偏多階段。

ITCZR 則以51.8 mm·(10 a)-1的趨勢(shì)顯著增加。ITCZR年際波動(dòng)更劇烈，最多的年份528.4 mm(2008年和2012年)，最少的年份僅4.0 mm(1998年)。ITCZR在20世紀(jì)60年代中期至70年代初、70年代中期至90年代末基本處于偏少階段，在其余時(shí)段基本處于偏多階段。

SWTR以9.0 mm·(10 a)-1的趨勢(shì)弱減少。SWTR最多的年份246.7 mm (1995 年)，最少的年份30.6 mm(1994年)。SWTR在20世紀(jì)60年代中后期、70年代后期至80 年代初、80 年代末至90 年代初期基本處于偏少階段，在其余時(shí)段基本處于偏多階段。

STHR以6.7 mm·(10 a)-1的趨勢(shì)弱減少。STHR的年際波動(dòng)也比較劇烈，最多的年份366.0 mm (1998年)，最少的年份0.0 mm(2012 年)。STHR 在20 世紀(jì)70年代前中期、80 年代和21 世紀(jì)10 年代基本處于偏少階段，在其余時(shí)段基本處于偏多階段。

綜上所述，SUMR 的增加趨勢(shì)主要?dú)w功于ITCZR的顯著增加，TCR 對(duì)其增加趨勢(shì)有弱的正貢獻(xiàn)，而SWTR和STHR則是負(fù)貢獻(xiàn)。

4 不同類型降水發(fā)生頻次及其強(qiáng)度特征

降水的頻次和強(qiáng)度是描述降水的另外兩個(gè)重要特征量，為此也分析了海南島夏季不同類型降水的頻次和強(qiáng)度特征(表2)。可以看到，四類降水中，發(fā)生頻次最少的是TCR，平均每年僅8.7 d，但其降水強(qiáng)度則最大，達(dá)到30.0 mm·d-1；發(fā)生頻次最多的是ITCZR，平均達(dá)16.3 d，其降水強(qiáng)度為次大，為13.2 mm·d-1；SWTR和STHR 的發(fā)生頻次和強(qiáng)度均較為接近，其中頻次約為11 d，強(qiáng)度均明顯小于TCR 和ITCZR。由于統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)大雨和暴雨以上(含暴雨)的降水對(duì)SUMR的貢獻(xiàn)率超過50%，因此這里還同時(shí)考察了不同類型降水中這兩個(gè)等級(jí)降水發(fā)生頻次的分布情況。結(jié)果表明，TCR和ITCZR的暴雨以上頻次分別為1.3 d和0.9 d，分別占整個(gè)夏季暴雨以上頻次的41.9%和29.0%，而SWTR 和STHR 的均僅占12.9%。大雨頻次則是ITC?ZR 的最多，為1.9 d，占整個(gè)夏季大雨頻次的33.9%；TCR的次之，為1.6 d，占28.6%；STHR的最少，為0.9 d，僅占16.1%。很顯然，大雨以上的強(qiáng)降水主要是由TCR 和ITCZR 造成的。以下再分析夏季各類型降水頻次、大雨和暴雨以上頻次的變化趨勢(shì)。

表2 海南島夏季不同類型降水的頻次和強(qiáng)度(1966―2018年平均)Table 2 Frequency and intensity of different types of SUMR over Hainan Island(average from 1966 to 2018).

從圖3 和線性傾向估計(jì)(表略)可知，1966 年以來SUMR的降水頻次以0.2 d·(10 a)-1的趨勢(shì)微弱增加；其中ITCZR的以3.6 d·(10 a)-1的趨勢(shì)顯著增加，SWTR和STHR的分別以1.0 d·(10 a)-1和1.1 d·(10 a)-1的趨勢(shì)顯著減少，TCR的以0.5 d·(10 a)-1的趨勢(shì)弱減少。

圖3 1966—2018年海南島夏季不同類型降水發(fā)生頻次變化Fig.3 Frequency changes of different types of SUMR over Hainan Island from 1966 to 2018.

1966年以來SUMR的暴雨以上頻次以0.1 d·(10 a)-1的趨勢(shì)弱增加；其中ITCZR 的以0.2 d·(10 a)-1的趨勢(shì)顯著增加，其余三種類型的為弱減少趨勢(shì)(圖4)。

圖4 同圖3，但為暴雨以上降水發(fā)生頻次變化Fig.4 As Fig.3,but for frequency changes of torrential rain and above.

同一時(shí)期SUMR 的大雨頻次也有弱的增加趨勢(shì)，大約為0.1 d·(10 a)-1，其中ITCZR 的以0.5 d·(10 a)-1的趨勢(shì)顯著增加，其余三種類型的均以0.1 d·(10 a)-1的趨勢(shì)弱減少(圖5)。

圖5 同圖3，但為大雨發(fā)生頻次變化Fig.5 As Fig.3,but for frequency changes of heavy rain.

5 不同類型降水對(duì)夏季旱澇的影響

為了解不同類型降水與SUMR之間的密切程度，分別計(jì)算了它們與SUMR之間的相關(guān)系數(shù)(表3)?？梢钥吹?，TCR 和ITCZR 與SUMR 之間均為顯著的正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)均超過0.001的顯著性檢驗(yàn)；SWTR與SUMR之間則為顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)超過0.01的顯著性檢驗(yàn)；STHR與SUMR的相關(guān)不顯著?？梢?，TCR、ITC?ZR、SWTR 與SUMR 的關(guān)系密切，同時(shí)SWTR 與SUMR之間的密切程度弱于前兩者與SUMR之間的密切程度。

表3 海南島夏季不同類型降水量與夏季降水量的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficients between different types of precipitation and SUMR over Hainan Island.

由于SUMR異常與夏季旱澇有緊密聯(lián)系，進(jìn)一步對(duì)不同類型降水與夏季旱澇的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析。一般SUMR 較多年平均值偏少(多)20%以上常出現(xiàn)夏旱(澇)，因此重點(diǎn)分析這些年份中與SUMR相關(guān)顯著且占SUMR比重大的TCR和ITCZR兩種類型降水異常的情況。

圖6 表明，1990 年代以前的澇年(1973、1975 和1980 年)，SUMR 偏多21.7%～26.6%，對(duì)其偏多有重要貢獻(xiàn)的是TCR，普遍偏多73.3%～102.4%，但作為第二大類型降水的ITCZR在這三年中則普遍偏少36.4%～57.0%。而從1990年代開始的澇年(1991、1994、2001、2016 和2018 年)，SUMR 偏多29.4%～71.9%，TCR 和ITCZR 均對(duì)其偏多起重要作用，其中前者普遍偏多36.0%～159.6%，后者普遍偏多20.0%～134.5%。對(duì)于旱年(1970、1979、1985、1987、1988、1999 和2015年)，TCR 普遍偏少36.3%～74.4%，ITCZR 除了1 年偏多47.3%外，其余旱年均不同程度偏少，其中大部分年份偏少37.2%～89.9%。

圖6 海南島夏季旱澇年對(duì)應(yīng)的重要類型降水的距平百分率Fig.6 Deviation percentage of important types of precipitation in summer drought and flood years over Hainan Island.

以上分析表明，TCR 和ITCZR 對(duì)海南島夏季旱澇具有重要影響，但對(duì)澇年的影響存在年代際變化，這種變化也導(dǎo)致了1990 年代以來SUMR 偏多的幅度增大。這與近53 a 以來ITCZR 的強(qiáng)降水頻次顯著增加和ITCZR顯著增加的趨勢(shì)是一致的。

6 結(jié)論和討論

(1) 海南島夏季降水的主要類型有TCR、ITCZR、SWTR 和STHR，它們分別占SUMR 的35.6%、29.4%、15.3%和14.7%。

(2)海南島夏季不同類型降水及其對(duì)SUMR 貢獻(xiàn)率的空間分布具有鮮明的特點(diǎn)。其中TCR 呈西北多東南少的分布，其對(duì)SUMR 貢獻(xiàn)率為西北高中南低的分布。ITCZR 基本呈中間多四周少的分布，其對(duì)SUMR的貢獻(xiàn)率為東南高西北低的分布。SWTR及其對(duì)SUMR 貢獻(xiàn)率的分布基本為U 型分布，U 型的中心為高值區(qū)，U型的外部為低值區(qū)。STHR及其對(duì)SUMR貢獻(xiàn)率的分布呈東北和西南少、中間多的特點(diǎn)。

(3) 海南島夏季TCR 發(fā)生頻次最少，平均每年僅8.7 d，但其降水強(qiáng)度則最大，達(dá)到30.0 mm.d-1；ITCZR發(fā)生頻次最多，平均每年達(dá)16.3 d，其降水強(qiáng)度為次大，為13.2 mm.d-1。大雨以上的強(qiáng)降水主要由TCR 和ITCZR造成。

(4)最近53 a海南島SUMR呈弱的增加趨勢(shì)，這主要?dú)w功于ITCZR的顯著增加，TCR的貢獻(xiàn)微弱，SWTR和STHR 則為負(fù)貢獻(xiàn)。SUMR 的頻次有微弱增加趨勢(shì)，其中ITCZR 的頻次顯著增加，SWTR 和STHR 的頻次顯著減少，TCR 的頻次微弱減少。SUMR 的大雨和暴雨以上頻次均為弱的增加趨勢(shì)，其中ITCZR的相應(yīng)頻次均為顯著增加趨勢(shì)，其余三種類型的相應(yīng)頻次均為弱的減少趨勢(shì)。

(5)TCR和ITCZR對(duì)海南島夏季旱澇有重要影響，TCR和ITCZR偏少往往出現(xiàn)夏旱，但對(duì)澇年的影響存在年代際變化。1990 年代以前主要是TCR 的顯著偏多導(dǎo)致海南島出現(xiàn)夏澇，1990年代開始TCR和ITCZR共同偏多導(dǎo)致海南島的夏澇，并使得這一時(shí)期SUMR偏多的幅度增大。

本文主要分析了海南島夏季不同類型降水的特征，以及不同類型降水對(duì)夏季旱澇的影響，發(fā)現(xiàn)了TCR 和ITCZR 對(duì)夏季旱澇的重要影響及其對(duì)澇年的影響具有年代際變化。下一步將探討不同年代際背景下海南島夏季澇年大氣環(huán)流的異常特征，以及與之相關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵行星尺度天氣系統(tǒng)和可能的外強(qiáng)迫因子的配置情況，為海南島夏季澇年的預(yù)測提供新的參考依據(jù)。