近51年海南島極端氣溫事件分析

賓昕 ，蔣賢玲 ，任曉玥

(1.海南省氣象臺，海南 海口 570203；2.南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 ?？?570203；3.海南省氣象信息中心，海南 ?？?570203)

1 引 言

海南島位于中國南海西北部，是季風(fēng)熱帶山地為主的島嶼[1]，地勢中間高四周低，從中部地區(qū)至環(huán)島四周由山地、丘陵、臺地和平原等環(huán)形層狀梯級結(jié)構(gòu)組成[2]。海南島四面環(huán)海，經(jīng)緯跨度小，大氣環(huán)流、天氣系統(tǒng)的區(qū)域差異較小，中部山區(qū)的阻隔和南海海溫的變化對當(dāng)?shù)貧夂虍a(chǎn)生顯著的影響[3-5]。在全球變暖背景下，海南島的各氣溫要素均呈現(xiàn)上升趨勢，導(dǎo)致極端氣溫事件頻發(fā)[6-7]，對自然環(huán)境和人類社會的影響加劇。海南島作為我國最大的熱帶島嶼，是重要的物種基因庫[8]，針對該地區(qū)的極端氣溫事件和氣候變化特征的研究對其生態(tài)多樣性、經(jīng)濟(jì)效益均有重要意義。

近年來，極端氣溫事件發(fā)生頻率與強(qiáng)度明顯加劇，越來越多的學(xué)者就極端氣溫事件展開了相關(guān)研究。Tank 等[9]發(fā)現(xiàn)1976 年以來，歐洲極端暖事件的數(shù)量比預(yù)期增加近2倍，極端冷事件相應(yīng)減少；Alexander 等[10]和Choi 等[11]研究表明暖事件相關(guān)指數(shù)在近年來變化頻率更快；任福民等[12]對我國極端溫度變率和變化趨勢的區(qū)域分布以及季節(jié)變化特征進(jìn)行了分析研究；馬柱國等[13]指出中國北方地區(qū)增溫趨勢與極端最低溫發(fā)生頻率的減少和年最低溫度的升高密切相關(guān)。

極端氣候指數(shù)對極端氣候變化監(jiān)測、整體認(rèn)識區(qū)域極端氣候變化趨勢具有重要指示意義[14]。國內(nèi)許多學(xué)者利用極端氣候指數(shù)對不同區(qū)域的極端氣溫事件進(jìn)行了研究分析[15-19]。雖已有學(xué)者研究了海南島一般氣溫要素變化特征[20-21]，但針對海南島的極端氣溫事件開展的研究較少，選取資料站點(diǎn)數(shù)偏少，時(shí)效性不足，該研究區(qū)域經(jīng)緯跨度小，之前的研究大多著眼于大氣環(huán)流和天氣系統(tǒng)，對地形作用考慮較少。

本研究基于海南島1970—2020 年18 個(gè)站點(diǎn)逐日最高、最低氣溫?cái)?shù)據(jù)和數(shù)字高程數(shù)據(jù)，選取“氣候變化檢測和指標(biāo)”專家組確定的12個(gè)極端氣溫事件指數(shù)，結(jié)合氣象傾向率、相關(guān)分析、t檢驗(yàn)方法，分析了該地區(qū)51 a 極端氣溫事件時(shí)空分布特征，同時(shí)以海南島中部山區(qū)為界限劃分片區(qū)，分析了海拔和地形對極端氣溫指數(shù)的影響，以期為極端氣溫事件預(yù)報(bào)預(yù)測、氣候變化研究等提供理論依據(jù)。

2 資料與方法

2.1 資料選取和處理

所用資料為海南省氣象信息中心提供的海南島18 個(gè)站點(diǎn)1970—2020 年共51 a 的逐日最高、最低氣溫均一化數(shù)據(jù)和地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/home)提供的90 m 分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)(圖1)。

圖1 海南島氣象站點(diǎn)和DEM分布

由于所選資料時(shí)間序列較長，一些氣象臺站進(jìn)行過換址遷移，換址前后數(shù)據(jù)可能發(fā)生突變，因此有必要對數(shù)據(jù)進(jìn)行臺站遷移檢查和處理。依據(jù)兩次站址間距大于20 km 或海拔高度差大于50 m的原則進(jìn)行篩選[12]，發(fā)現(xiàn)三亞站在2009 年進(jìn)行了換站遷移，換站前后海拔分別為6 m 和419.4 m，由于海拔的差異較大，導(dǎo)致三亞站2009 年之后的溫度數(shù)據(jù)明顯偏低。為了保證數(shù)據(jù)長度，本文依據(jù)間距和海拔高度差篩選原則，選取了M1067(吉陽區(qū)三亞氣象局辦公樓)和M1055(玫瑰谷)兩個(gè)經(jīng)過質(zhì)量控制的自動觀測站數(shù)據(jù)，利用這兩個(gè)自動站的反距離權(quán)重插值對三亞站2009年之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行替換。對替換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行氣候?qū)W界限和極值檢查，沒有發(fā)現(xiàn)異常值；并對替換前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行均一性檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)替換后的數(shù)據(jù)消除了因換址導(dǎo)致的均值突變情況，替換后的數(shù)據(jù)與換站前的數(shù)據(jù)具有內(nèi)部、時(shí)間一致性。通過處理后的數(shù)據(jù)能夠表征三亞原站址的氣溫狀態(tài)。

2.2 研究方法

選取“氣候變化檢測和指標(biāo)”專家組確定的12個(gè)極端氣溫事件指數(shù)(表1)，對海南島51 a 極端氣溫事件進(jìn)行時(shí)空特征分析。由于海南島屬于熱帶島嶼，平均氣溫較高，且日最低溫小于0 ℃的天數(shù)極少，原定義中夏日日數(shù)為大于25 ℃的日數(shù)，霜日日數(shù)為小于0 ℃的日數(shù)，明顯不適用于研究區(qū)域，故將夏日日數(shù)、霜日日數(shù)定義為日最高溫大于35 ℃的日數(shù)和日最低溫小于10 ℃的日數(shù)。其中極值指數(shù)(TXn、TXx、TNn、TNx)定義為每個(gè)月的極值氣溫，本研究以年為時(shí)間尺度，所以對極值指數(shù)進(jìn)行了年平均處理。

表1 極端氣候指數(shù)

極端氣溫事件指數(shù)中有部分指數(shù)計(jì)算需要應(yīng)用到百分比閾值，本研究采用非參數(shù)化方案[22]來確定百分比閾值，其計(jì)算方法是將各站點(diǎn)每年的日最低、最高氣溫?cái)?shù)據(jù)按升序排序，取10%、90%分位值為某站當(dāng)年百分比閾值，并將日最低氣溫的10%分位值為極端低溫閾值，日最高氣溫的90%分位值為極端高溫閾值。

本文中極端氣溫閾值和指數(shù)的變化趨勢采用氣候傾向率算法，即：

式中：y(t)表示極端氣溫閾值或指數(shù)一次直線方程式，a1表示氣候傾向率，其單位為℃/(10 a)或d/(10 a)，反映了指數(shù)的上升或下降趨勢，并利用t檢驗(yàn)方法對其進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)分析。

為了探討海拔和極端氣溫事件之間的關(guān)系，利用18個(gè)站點(diǎn)的極端氣溫指數(shù)變化趨勢和站點(diǎn)海拔高度進(jìn)行相關(guān)分析，公式為：

式中：xi和yi為傾向率和海拔兩組數(shù)據(jù)序列，xˉ和yˉ為兩組數(shù)據(jù)的平均值，R為相關(guān)系數(shù)，同樣利用t檢驗(yàn)方法對其進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)分析。R大于0 表示兩者存在正相關(guān)關(guān)系，表明海拔越高，極端氣溫指數(shù)變化趨勢值越高，小于0 則存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明海拔越高，極端氣溫指數(shù)變化趨勢值越小。

3 結(jié)果分析

3.1 整體變化趨勢

為了探究海南島近51 a 極端氣溫事件的整體趨勢，將18 個(gè)站點(diǎn)每年的極端氣溫閾值和指數(shù)進(jìn)行平均，再進(jìn)行趨勢分析。通過分析發(fā)現(xiàn)1970—2020 年海南島極端低溫、高溫閾值整體上均呈波動上升趨勢，極端低溫閾值變化趨勢比極端高溫閾值更大，分別為0.44 ℃/(10 a)和0.25 ℃/(10 a)(圖2)。在不同時(shí)段氣溫閾值變化趨勢存在差異，極端低溫閾值在1970—1985 年波動大，但升溫速率較慢，之后升溫速率明顯加快，在2008年出現(xiàn)一次異常偏低的波動，同周寧芳[23]指出2008 年1 月平均氣溫為1986 年以來最低值的結(jié)論一致，極端低溫閾值在2019 年達(dá)到最大值17.7 ℃；極端高溫閾值51 a 間波動小，呈穩(wěn)定上升趨勢，在2020 年達(dá)最大值35.4 ℃。

圖2 1970—2020年海南島極端低溫(a)、高溫(b)閾值時(shí)間序列和變化趨勢

1970—2020 年海南島極端氣溫指數(shù)整體表現(xiàn)為(表2)：霜日日數(shù)(FD)、冷夜日數(shù)(TN10p)、冷晝?nèi)諗?shù)(TX10p)和冷持續(xù)日數(shù)(CSDI)分別呈-1.36、-4.72、-2.47和-3.11 d/(10 a)的速率減少，而夏日日數(shù)(SU)、暖夜日數(shù)(TN90p)、暖晝?nèi)諗?shù)(TX90p)、熱持續(xù)日數(shù)(WSDI)分別以4.22、9.08、7.09、4.12 d/(10 a)的速率增加，說明海南島在51 a 間極端氣溫冷事件減少，暖事件增加，且暖事件增加幅度明顯大于冷事件減少的幅度，其中暖夜和暖晝?nèi)諗?shù)增加趨勢尤為顯著；日最低溫極小值(TNn)、極大值(TNx)和日最高溫極小值(TXn)、極大值(TXx)每10 a 分別增溫0.47 ℃、0.35 ℃、0.28 ℃、0.31 ℃，說明海南島極端高溫、極端低溫均表現(xiàn)出增溫趨勢，其中TNn增幅最大，TXn增幅最小。

表2 海南島極端氣溫指數(shù)年際變化趨勢

3.2 空間分布特征

海南島1970—2020年極端氣溫閾值分布整體表現(xiàn)為以中部山區(qū)為界，南北不一的特點(diǎn)（圖3）。其中極端低溫閾值介于13.4(白沙)～18.4 ℃(三亞)，分布特征為中部山區(qū)低于四周平原，山區(qū)以南地區(qū)大于山區(qū)以北地區(qū)；極端高溫閾值介于32.8(五指山)～35.5 ℃(儋州)，閾值呈現(xiàn)自西北至東南逐漸減小的趨勢。這種極端低溫、高溫閾值的南北非對稱分布，與中部山區(qū)對冬季風(fēng)的阻擋、夏季風(fēng)的抬升下沉作用有一定關(guān)系。

圖3 海南島極端低溫(a)、高溫(b)閾值空間分布

1970—2020年海南島FD 和CSDI指數(shù)呈減少趨勢，SU 和WSDI 指數(shù)呈增加趨勢(圖4)：FD 在中部地區(qū)變化速率處于-2～-3 d/(10 a)之間，其余地區(qū)變化速率均在-2 d/(10 a)以下，南半部沿海地區(qū)變化趨勢不顯著，各站點(diǎn)均通過了顯著性檢驗(yàn)(三亞除外)；CSDI減少幅度明顯大于FD指數(shù)，除臨高(-1.84 d/(10 a))外其余站點(diǎn)的減少速率均大于-2 d/(10 a)，中部地區(qū)下降趨勢最明顯，速率-4～-5 d/(10 a)，除臨高、?？谕?，其余站點(diǎn)均通過了顯著性檢驗(yàn)。SU在南半部沿海地區(qū)上升幅度較小，速率在0～2 d/(10 a)之間，其余地區(qū)大多在4～10 d/(10 a)之間；WSDI 各站點(diǎn)的變化速率差異較小，變化速率均在2～6 d/(10 a)之間；SU 和WSDI 均只有東方未通過a=0.05的顯著性檢驗(yàn)。

圖4 1970—2020年海南島FD(a)、SU(b)、CSDI(c)和WSDI(d)變化趨勢空間分布

51 a 間海南島TN10p 和TX10p 指數(shù)呈減少趨勢，TN90p和TX90p指數(shù)呈增加趨勢(圖5)：TN10p大部分站點(diǎn)減少速率在-4～-7 d/(10 a)之間，北部地區(qū)變化幅度小于其余地區(qū)，所有站點(diǎn)均通過了a=0.05 的顯著性檢驗(yàn)；TX10p 變化幅度空間差異性較小，除五指山、保亭的下降速率＞-3 d/(10 a)，其余站點(diǎn)下降速率均在-1～-3 d/(10 a)區(qū)間，且相比其他指數(shù)有較多站點(diǎn)未通過a=0.05 顯著性檢驗(yàn)；TN90p 各站點(diǎn)變化幅度差異較大，中部和北部內(nèi)陸站點(diǎn)增加速率達(dá)10～14 d/(10 a)，沿海站點(diǎn)增加速率大多在4～8 d/(10 a)之間，而樂東變化速率僅3 d/(10 a)，且未通過ɑ=0.05 顯著性檢驗(yàn)；TX90p增加速率除東方(3.8 d/(10 a))和三亞(10.9 d/(10 a))外，其余站點(diǎn)均在4～8 d/(10 a)區(qū)間，僅東方站未通過a=0.05顯著性檢驗(yàn)。

圖5 1970—2020年海南島TN10p(a)、TN90p(b)、TX10p(c)和TX90p(d)變化趨勢空間分布

各站點(diǎn)的日氣溫極值指數(shù)(TNn、TNx、TXn和TXx)均呈上升趨勢，且都通過了a=0.05 顯著性檢驗(yàn)(圖6)：TNn 和TNx 增加趨勢均表現(xiàn)出中部內(nèi)陸大于四周沿海，北部大于南部的特點(diǎn)；TNn 升溫速率整體大于TNx，TNn 大部分站點(diǎn)升溫速率＞0.4 ℃/(10 a)，瓊中等7 個(gè)站點(diǎn)升溫速率＞0.5 ℃/(10 a)，TNx 升溫速率大多在0.2～0.5 ℃/(10 a)之間；TXn 和TXx 各站點(diǎn)升溫速率差距不大，大部分站點(diǎn)均在0.2～0.4 ℃/(10 a)之間，TXn 變化速率在西北部地區(qū)略大于東南部地區(qū)，而TXx則相反。

圖6 1970—2020年海南島TNn(a)、TNx(b)、TXn(c)和TXx(d)變化趨勢空間分布

3.3 海拔和區(qū)域特征

通過對比極端氣溫指數(shù)變化趨勢與海拔的相關(guān)性(表3)發(fā)現(xiàn)，極端低溫閾值變化趨勢與海拔有顯著的正相關(guān)關(guān)系，海拔越高，極端低溫閾值變化趨勢值越大，同時(shí)由于極端低溫閾值變化趨勢值大于0，也就說明海拔越高，極端低溫閾值升高的幅度越大；而極端高溫閾值與海拔之間沒有明顯相關(guān)關(guān)系；對比冷暖事件指數(shù)，發(fā)現(xiàn)冷事件相關(guān)指數(shù)(FD、TN10p、TX10p和CSDI)均與海拔呈顯著負(fù)相關(guān)，除TX10P外均通過了a=0.05的顯著性檢驗(yàn)，同時(shí)冷事件指數(shù)變化趨勢均小于0，說明海拔越高，冷事件減少的次數(shù)越多；而暖事件相關(guān)指數(shù)(SU、TN90p、TX90p 和WSDI)僅TN90p 與海拔有顯著正相關(guān)關(guān)系，說明暖事件變化趨勢與海拔沒有明顯相關(guān)關(guān)系；極值氣溫指數(shù)(TNn、TNx、TXn和TXx)除TXx 外，均與海拔呈正相關(guān)關(guān)系，其中日最低溫極小值和日最高值極小值通過了ɑ=0.05的顯著性檢驗(yàn)，即日氣溫極小值隨海拔升高變暖趨勢越明顯。

表3 海南島極端氣溫指數(shù)變化趨勢與海拔關(guān)系

為了深入了解海南島中部山區(qū)對極端氣溫事件的影響，根據(jù)中部山區(qū)走向?qū)⒑Ｄ蠉u分成3個(gè)區(qū)域(表4，見下頁)：中部山區(qū)(白沙、瓊中、五指山和保亭)、北部(?？凇⑴R高、澄邁、儋州、定安、屯昌、瓊海和文昌)和南部(昌江、東方、樂東、三亞、萬寧和陵水)。將不同區(qū)域每年極端氣溫指數(shù)進(jìn)行平均，再進(jìn)行趨勢分析，結(jié)果顯示，極端氣溫閾值均表現(xiàn)出升高的趨勢：極端低溫閾值的均值在南部地區(qū)明顯大于中部和北部地區(qū)，變化速率在中部大于南部和北部，極端高溫閾值的均值和變化速率的區(qū)域差異不大，北部地區(qū)略高于中部和南部地區(qū)；冷事件相關(guān)的極端氣溫指數(shù)(FD、TN10p、TX10p、CSDI)，其均值大部分指數(shù)沒有明顯的區(qū)域差異，僅FD 在南部地區(qū)明顯小于中部和北部地區(qū)，且不同區(qū)域的冷事件指數(shù)均表現(xiàn)出減少趨勢，中部山區(qū)的減少速率明顯快于南北地區(qū)；在51 a 間不同區(qū)域的暖事件相關(guān)指數(shù)(SU、TN90p、TX90p、WSDI)均呈上升趨勢，其中SU 的均值和變化速率在南部地區(qū)明顯小于其余地區(qū)，TN90p 的均值和變化速率在中部山區(qū)較突出，而TX90p 和WSDI的均值和變化速率區(qū)域差異性較??；日最高、最低氣溫的極值指數(shù)(TNn、TNx、TXn、TXx)在不同區(qū)域均呈上升趨勢，中部山區(qū)略大于南部和北部地區(qū)。

表4 1970—2020年海南島不同區(qū)域極端氣溫指數(shù)均值(℃或d)與變化趨勢(℃/(10 a)或d/(10 a))

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市快速擴(kuò)張，不少氣象站的站址由郊區(qū)變?yōu)槌菂^(qū)，有必要分析城市化進(jìn)程對極端氣溫事件的影響。海南島大部分市縣城市化進(jìn)程緩慢，特別是中部山區(qū)的市縣地形復(fù)雜，熱帶原始雨林覆蓋廣，被國家列為重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)，受城市化進(jìn)程影響小，而海南島人口、經(jīng)濟(jì)等主要集中在三個(gè)地級市(海口、三亞和儋州)，因此將這三個(gè)站點(diǎn)定義為城市站，將其與城市化較緩慢的中部山區(qū)站點(diǎn)對比，發(fā)現(xiàn)51 a 間城市站的極端高溫閾值變化趨勢和中部山區(qū)站相當(dāng)，極端低溫閾值變化趨勢明顯小于中部山區(qū)站，而暖事件、冷事件相關(guān)指數(shù)的上升、下降趨勢均比中部山區(qū)站小，極值氣溫指數(shù)的升溫趨勢也比中部山區(qū)小，說明城市化進(jìn)程對海南島地區(qū)極端氣溫事件的影響并不明顯。

4 結(jié) 論

利用海南島18 個(gè)氣象站點(diǎn)資料，結(jié)合極端氣溫閾值和12 種極端氣溫指數(shù)，對海南島1970—2020 年的極端氣溫事件的時(shí)空分布進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論。

(1) 海南島地區(qū)冷事件相關(guān)指數(shù)(FD、TN10p、TX10p、CSDI)均呈減少趨勢，而暖事件相關(guān)指數(shù)(SU、TN90p、TX90p、WSDI)均呈增加趨勢，且暖事件增加速率整體大于冷事件減少速率；日最高、最低氣溫極端指數(shù)(TNn、TNx、TXn、TXx)和極端氣溫閾值均呈增加趨勢，說明海南島極端氣溫事件發(fā)生頻率和強(qiáng)度在逐漸增加。

(2) 極端低溫閾值在中部山區(qū)低于四周平原，山區(qū)以南地區(qū)大于山區(qū)以北地區(qū)的分布特征，極端高溫閾值呈現(xiàn)自西北至東南逐漸減小的趨勢；各極端氣溫指數(shù)在海南島不同地區(qū)變化趨勢的方向一致，但變化速率空間差異性較大。

(3) 大部分冷事件相關(guān)指數(shù)(FD、TN10p 和CSDI) 的變化趨勢均與海拔呈顯著負(fù)相關(guān)，說明冷事件隨著海拔升高減少幅度越大；暖事件相關(guān)指數(shù)的變化趨勢與海拔相關(guān)性較小；TNn 和TXn的變化趨勢均與海拔呈顯著正相關(guān)關(guān)系，即日最低溫、最高溫極小值隨海拔升高變暖趨勢越明顯。極端高溫閾值、FD 和SU 的均值和變化速率在南部地區(qū)明顯小于中部和北部地區(qū)，而極端低溫閾值在南部地區(qū)均值最高，變化速率最低；TN10p、TN90p、TX10p、TX90p和CSDI等指數(shù)在中部山區(qū)變化趨勢最明顯。