海南島干旱的氣象特征及監(jiān)測(cè)指標(biāo)

李偉光，張京紅，劉少軍，車秀芬，陳小敏，鄒海平

（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，?？?570203;3.海南省氣象科學(xué)研究所，?？?570203）

海南島地處中國(guó)最南端、南海北沿，屬熱帶季風(fēng)性氣候，其地貌中間高、四周低，呈環(huán)形層狀分布。中部偏南的五指山、鸚哥嶺等山峰最高，四周山地、丘陵、臺(tái)地、平原層層銜接，海拔高度逐級(jí)降低。受熱帶季風(fēng)氣候和復(fù)雜地形的影響，海南島降水時(shí)空分布不均勻，降水集中、強(qiáng)度大，季節(jié)、年際變異大，暴雨、干旱等氣象災(zāi)害頻發(fā)。在全球氣候變化背景下，大多數(shù)森林生態(tài)系統(tǒng)都面臨著季節(jié)性的水分脅迫[1-2]。海南分布最廣的熱帶季雨林就是受水分脅迫較重的群落類型之一。隨著全球極端氣候事件出現(xiàn)頻率的改變[3-4]，降水的年際波動(dòng)幅度變大，降水更加集中，連續(xù)無(wú)雨日數(shù)增加，旱季持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度均顯著提高[5-6]。

干旱是最復(fù)雜的氣象災(zāi)害之一，不同地區(qū)的成因和特征不同[7]。海南島周年氣溫較高，降水時(shí)空分布不均衡，降水成為制約生態(tài)和生產(chǎn)的主要限制因子。海南島植被豐富，植物可周年生長(zhǎng)，植物氣孔阻力項(xiàng)是影響植被蒸騰需水量的重要因素[8]，準(zhǔn)確估計(jì)實(shí)際蒸散發(fā)量對(duì)客觀評(píng)價(jià)水分平衡、干旱發(fā)生具有重要意義。全面掌握海南島干旱特征不僅需從降水的時(shí)空分布、降水波動(dòng)等角度分析水分平衡的供給項(xiàng)，還需從逐月的干燥濕潤(rùn)度演化[9]方面評(píng)價(jià)年內(nèi)氣候狀況，更需結(jié)合降水與實(shí)際蒸散發(fā)需水量判斷季節(jié)、地區(qū)間水分平衡差異[8]。在干旱監(jiān)測(cè)指標(biāo)選擇方面，選用標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）[10]，能夠綜合考慮時(shí)間、降水對(duì)干旱的影響，同時(shí)發(fā)揮其時(shí)間尺度靈活、形式簡(jiǎn)單和時(shí)空可比性強(qiáng)等特性優(yōu)勢(shì)。多角度研究海南島干旱特征、開展氣象干旱監(jiān)測(cè)與評(píng)估，是科學(xué)制定應(yīng)對(duì)干旱措施，減輕干旱對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展負(fù)面影響的基礎(chǔ)，利于保障人民生活平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。本研究從降水分布、干旱成因、干濕狀況、水分平衡及監(jiān)測(cè)指標(biāo)等角度描述海南島干旱的氣象特征，旨在為科學(xué)制定應(yīng)對(duì)干旱措施，減輕干旱對(duì)海南生態(tài)和生產(chǎn)的影響，為相關(guān)決策和研究提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究資料 本研究結(jié)合地面觀測(cè)的氣象數(shù)據(jù)與遙感反演的實(shí)際蒸散發(fā)量數(shù)據(jù)開展干旱特征分析。氣象數(shù)據(jù)包含海南島18個(gè)氣象站的月平均氣溫、月降水量數(shù)據(jù)，時(shí)間范圍為1961—2020年。實(shí)際蒸散發(fā)量數(shù)據(jù)是NASA基于Penman-Monteith 模型算法[11-12]生成的 MOD16A2 數(shù)據(jù)集，主要使用其中的地表蒸散發(fā)量(Evapotranspiration，ET)產(chǎn)品，空間分辨率為 250 m，時(shí)間分辨率 8 d，時(shí)間范圍為2001—2019年（下載網(wǎng)址：http://files.ntsg.umt.edu/data/NTSG_Products/MOD16/）。

1.2 降水等氣象要素與蒸散發(fā)量數(shù)據(jù)的預(yù)處理 首先對(duì)氣象站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，根據(jù)站點(diǎn)1—12月缺測(cè)情況剔除缺測(cè)超20%以上站點(diǎn)資料，然后計(jì)算逐月平均氣溫、降水量，合成季節(jié)、年平均氣溫、降水量。遙感反演的月、年平均蒸散發(fā)量計(jì)算分2步：第1步計(jì)算逐月平均蒸散發(fā)量，若遇到某年某月數(shù)據(jù)缺測(cè)，則計(jì)算其余年份相應(yīng)月平均蒸散發(fā)量；第2步將12個(gè)月的平均蒸散發(fā)量相加獲得年平均蒸散發(fā)量。

1.3 干濕指數(shù)的計(jì)算 氣象上常用干濕指數(shù)評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)或時(shí)段的氣候干濕狀況。干濕指數(shù)(Dry wet index, DWI)采用公式 1[9]計(jì)算。

式中，P為月平均降水量，單位mm；E0為月平均潛在蒸散發(fā)量，單位mm，E0采用1998 年推薦的FAO Penman-Menteith 公式[13]計(jì)算。

1.4 降水充沛月比例 考慮到降水年際變化大，最大年降水量可能是最小值的5倍以上，所以在海南島的東（瓊海）、西（東方）、南（三亞）、北（?？冢┻x擇4個(gè)典型區(qū)域統(tǒng)計(jì)降水充沛月比例（降水量大于同期平均實(shí)際蒸散發(fā)量月數(shù)的比例）。

1.5 干旱指數(shù) 氣象研究中通常采用干旱指數(shù)監(jiān)測(cè)干旱事件的發(fā)生發(fā)展，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間演變趨勢(shì)。本研究采用Vicente-Serrano設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù) (The Standardized Precipitation-Evapotranspiration Index，SPEI)來(lái)監(jiān)測(cè)海南島干旱。

第1步用Thornthwaite法[10]計(jì)算潛在蒸散發(fā)PET。

第2步計(jì)算逐月降水與PET的差值。

第3步是擬合降水與PET差值序列的概率分布。由于逐月降水與PET的差值可能存在負(fù)值，所以采用了3個(gè)參數(shù)的log-logistic概率分布。loglogistic概率分布的積累函數(shù)為：

其中α、β、γ參數(shù)分別采用線性矩的方法擬合獲得[10,14]。

最后，對(duì)積累概率密度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，計(jì)算SPEI：

式中，c0= 2.515 517，c1= 0.802 853，c2= 0.010 328，d1= 1.432 788，d2= 0.189 269，d3= 0.001 308。

2 結(jié)果與分析

2.1 海南島降水時(shí)空分布與成因 海南島年均降水量1 800 mm，是我國(guó)降水較多的區(qū)域之一。海南位于東亞季風(fēng)區(qū)，受季風(fēng)影響較明顯，各月平均降水量呈單峰型分布（圖1）。冬季主要受東北季風(fēng)影響，盛行干冷的偏北氣流，氣候干旱少雨，12月至翌年3月降水較少，月平均降水在50 mm以下。春季，來(lái)自北方的冷空氣勢(shì)力大減，副熱帶高壓加強(qiáng)北抬、西伸，與西南低壓槽交替控制，天氣晴好，氣溫上升，雨量開始增多；4月份增至100 mm。5月夏季風(fēng)和熱帶氣旋開始影響后降水迅速增多，達(dá)200 mm。夏季，主要受東南季風(fēng)和來(lái)自印度洋的西南季風(fēng)影響，盛行偏南暖濕氣流，降水量較大；秋季熱帶系統(tǒng)仍很活躍，海南常受熱帶氣旋正面襲擊，產(chǎn)生強(qiáng)降水。8—9月是熱帶氣旋影響的高峰期，雨量普遍增加到250 mm及以上；9月份平均降水量最多，達(dá)到300 mm。10月由于熱帶系統(tǒng)的影響還在，同時(shí)北方開始有冷空氣南下影響，兩者共同作用使海南的降水量仍很大。一般11月冬季風(fēng)起主導(dǎo)作用后雨量迅速減少，12月到翌年1月達(dá)到最低值。春季雨季開始偏晚，秋季熱帶系統(tǒng)偏弱、熱帶氣旋活動(dòng)偏少，會(huì)出現(xiàn)春旱、秋旱。

圖1 海南各月平均降水量變化

海南島中部的五指山山脈對(duì)降水空間分布影響顯著，使海南島同緯度地區(qū)降水東多西少差異懸殊。雨季東南風(fēng)攜帶的暖濕氣團(tuán)沿山體迎風(fēng)面爬升冷卻，發(fā)生絕熱降溫過(guò)程，凝云致雨；在背風(fēng)面回流收斂形成暖高壓，發(fā)生絕熱增溫過(guò)程，產(chǎn)生干熱的焚風(fēng)，山體背風(fēng)面雨影區(qū)干熱化。來(lái)自西南孟加拉的暖濕氣流經(jīng)中南半島長(zhǎng)山山脈抬升后產(chǎn)生干熱效應(yīng)，兩者疊加強(qiáng)化了海南島西部的干熱化，在該區(qū)域形成熱帶半干旱氣候，孕育了脆弱的稀樹草原[15-17]。此外，五指山山脈阻礙臺(tái)風(fēng)、冷空氣等天氣系統(tǒng)，從而使某些地區(qū)降水時(shí)間加長(zhǎng)，局地暴雨顯著增加或減少。海南島年降水量941～2 388 mm，空間上呈環(huán)狀分布，東部多于西部，山區(qū)多于平原，山區(qū)又以東南坡最多。東部多雨區(qū)1 975～2 070 mm，多雨中心瓊中年平均雨量達(dá)2 388 mm；西部沿海地區(qū)不足 1 000 mm（東方941 mm），僅為東部多雨區(qū)的一半（圖2）。

圖2 海南島年平均降水量空間分布

2.2 海南島干濕狀況年內(nèi)變化 氣象及地理上通常采用降水量與潛在蒸散發(fā)量的比值干濕指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)氣候上的干燥濕潤(rùn)程度[13]。海南島降水分布時(shí)空不均衡，為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)海南的干濕差異，逐月計(jì)算了干濕指數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，海南島的氣候干燥時(shí)段主要集中在11月到翌年4月（圖3）。11月，西部的東方、昌江、樂(lè)東和三亞的大部分區(qū)域干濕指數(shù)低于0.5，但東部干濕指數(shù)依然較高，瓊中、萬(wàn)寧、瓊海地區(qū)普遍在1～2之間。進(jìn)入12月份后，海南的干燥化迅速發(fā)展，西南部區(qū)域的干濕指數(shù)迅速下降到0.2以下；而東部的干濕指數(shù)也降到0.5～1，僅瓊中和萬(wàn)寧附近部分區(qū)域依舊處于1以上，保持相對(duì)濕潤(rùn)狀態(tài)。1月份后，海南干燥區(qū)域依舊保持，并且面積有所擴(kuò)大。海南島的這種干燥狀態(tài)一直持續(xù)到3月份，西部干濕指數(shù)維持在0.2以下，東部部分區(qū)域在0.5以上，中部和北部介于兩者之間。進(jìn)入4月份以后，伴隨著降水逐漸增多，海南島干濕指數(shù)開始迅速上升，東部、北部先后上升到1以上，西部干濕指數(shù)在0.2以下區(qū)域快速減小并消失。8、9、10月海南島的濕潤(rùn)程度達(dá)到最高。

圖3 海南島 2001—2019 年逐月干濕指數(shù)分布

2.3 海南島水分平衡變化特征 降水與潛在蒸散發(fā)量的比值反映的是降水滿足大氣最大蒸發(fā)蒸騰需求的能力，但一個(gè)地區(qū)的植被是對(duì)該區(qū)域氣候長(zhǎng)期適應(yīng)的結(jié)果，植物葉面上的氣孔對(duì)蒸騰有巨大調(diào)節(jié)作用，實(shí)際生態(tài)需水量與潛在蒸散發(fā)有較大差異。MODIS陸地蒸散發(fā)產(chǎn)品數(shù)據(jù)（MOD16A2）是遙感反演的實(shí)際蒸散發(fā)量產(chǎn)品。全球多個(gè)地區(qū)多種植被類型多種數(shù)據(jù)已經(jīng)證明該產(chǎn)品精度較高，流域水分平衡法也證明MOD16模擬的海南年蒸散發(fā)量具有較高準(zhǔn)確度，滿足降水、蒸散發(fā)水分平衡分析干旱的需求[8,18]。海南島多年平均MOD16蒸散發(fā)量的空間分布（圖4）與海南地形分布相似，中間山區(qū)高，四周平原臺(tái)地較低。在植被覆蓋度高的中部原始森林區(qū)，蒸散發(fā)量最高，年蒸散發(fā)量在 1 300 mm 以上，局部 1 500 mm以上；四周的丘陵臺(tái)地區(qū)蒸散發(fā)量稍低，為900～1 100 mm；西部植被覆蓋條件稍差的區(qū)域，年蒸散發(fā)量普遍在900 mm以下。從分布上來(lái)看，蒸散發(fā)量的分布與植被的分布相似，植被覆蓋度高的區(qū)域蒸散發(fā)量大，而植被覆蓋度低的地區(qū)蒸散發(fā)量小。

圖4 海南島 2001—2019 年 MOD16 年蒸散發(fā)量分布圖

降水的年際波動(dòng)幅度顯著大于實(shí)際蒸散發(fā)量的變化幅度。為掌握干旱事件（降水量小于實(shí)際蒸散發(fā)量）的發(fā)生頻率規(guī)律，進(jìn)一步選擇海南島東（瓊海）、西（東方）、南（三亞）、北（?？冢?個(gè)典型區(qū)域統(tǒng)計(jì)了降水充沛月（月降水量大于同期月平均蒸散發(fā)量）的比例(圖5)。海南島的冬春季節(jié)（12月至翌年4月）降水充沛月比例最低，普遍在20%以下；南部和西部這種情況尤為明顯。值得注意的是在2、3月份南部地區(qū)降水充沛月份比例甚至低于西部。4月份開始海南降水充沛月比例開始升高，5月份北部和東部已經(jīng)進(jìn)入高峰期，南部和西部大約滯后1個(gè)月。6—10月是海南島降水充沛月比例最高的季節(jié)，北部、東部和南部地區(qū)普遍在70%以上，西部降水充沛月比例在6、7月仍偏低，8月份到達(dá)高峰。11月各地降水充沛月比例開始迅速下降，尤其是南部和西部。

圖5 海南典型區(qū)域降水充沛月份比例

2.4 海南干旱監(jiān)測(cè)指數(shù)的應(yīng)用 氣象學(xué)中通常用干旱指數(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)干旱事件，SPEI指數(shù)能夠反映降水異常及溫度對(duì)干旱的影響[19-20]。SPEI指數(shù)反映的是降水與潛在蒸散發(fā)差值在歷史上的排位，不同時(shí)間尺度的SPEI反映不同時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)降水滿足蒸散發(fā)的狀況，既可以反映短期內(nèi)土壤水分的動(dòng)態(tài)變化，又可以反映長(zhǎng)期水資源的趨勢(shì)。通過(guò)分析1961—2020年海南島不同時(shí)間尺度（3、6、12個(gè)月）的SPEI指數(shù)（圖6）可以評(píng)估不同類型干旱的影響。以2004—2005年海南島發(fā)生的全島性特大干旱為例，說(shuō)明多尺度SPEI指數(shù)在評(píng)估干旱給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)的危害中的應(yīng)用。在2004年9、10月，海南島降水嚴(yán)重偏少，3個(gè)月的SPEI指數(shù)下降明顯，干旱開始發(fā)生；6、12個(gè)月的SPEI指數(shù)隨后也迅速下降，2005年上半年的6、12個(gè)月的SPEI指數(shù)有非常低的時(shí)段。由于海南島冬春農(nóng)業(yè)用水主要依靠水庫(kù)蓄水和地下水，長(zhǎng)時(shí)間尺度（6、12個(gè)月）的SPEI指數(shù)最能反映農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際的春季旱情。多次旱情資料分析結(jié)果表明，在海南濕潤(rùn)的季節(jié)(5—10月)，3個(gè)月的SPEI更能夠反映出短期降水缺乏帶來(lái)的旱災(zāi)；而在氣溫稍低、相對(duì)干燥的季節(jié)(11月至翌年4月)，6、12個(gè)月時(shí)間尺度的 SPEI值更適宜評(píng)估長(zhǎng)期水庫(kù)蓄水偏少帶來(lái)的干旱危害。

圖6 1961—2020 年多尺度 SPEI干旱指數(shù)演化曲線

3 結(jié)論與討論

海南島位于熱帶季風(fēng)區(qū)，季風(fēng)性氣候?qū)е潞Ｄ隙杭窘邓∩伲那锝邓渑?。受中南部高山阻擋，海南島東南部雨水充足、西部降水較少，降水空間分布不均勻。從氣候干濕狀況以及降水充沛月比例來(lái)看，海南島11月至翌年4月氣候干燥、降水滿足地表蒸散發(fā)需求的能力極差，容易發(fā)生干旱；而5—10月氣候濕潤(rùn)，降水滿足蒸散發(fā)需求的比例普遍在70%以上，干旱發(fā)生的概率相對(duì)較小。在實(shí)際業(yè)務(wù)和研究中可以分別通過(guò)3、6、12個(gè)月時(shí)間尺度的 SPEI指數(shù)監(jiān)測(cè)雨季、旱季干旱的發(fā)生發(fā)展，評(píng)估旱災(zāi)損失。

海南島周年平均氣溫較高，滿足作物生長(zhǎng)對(duì)溫度的要求。雖然從全年來(lái)看海南到屬于濕潤(rùn)區(qū)域，但受季風(fēng)和地形影響，降水時(shí)空分布不均勻[21]，特別是冬夏季風(fēng)轉(zhuǎn)換季節(jié)，來(lái)自大陸腹地的干冷氣流與來(lái)自熱帶海洋的暖濕空氣交替侵入[22]，造成了海南島溫度與降水的不匹配，從而容易發(fā)生農(nóng)業(yè)干旱。為解決季節(jié)性缺水問(wèn)題，海南修建了大量水利設(shè)施[23]保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、居民生活用水；結(jié)合干旱監(jiān)測(cè)與降水預(yù)報(bào)優(yōu)化水庫(kù)調(diào)度、合理排蓄是防洪抗旱的科學(xué)措施。