海南島極端降水時空變化特征分析

關鍵詞：極端降水；時空變化；趨勢分析；海南島

中圖分類號：TV125 文獻標識碼：A 文章編號：1001-9235（2024）11-0043-11

極端天氣氣候事件（以下稱極端事件）是短時間內天氣閾值超過長期氣候波動范圍的現(xiàn)象［1］，常見的極端事件有極端溫度、強降水、干旱、極端風暴等［2-3］，具有突發(fā)、難預測和破壞性強等特點［4］，雖然發(fā)生概率較低，但卻會對生態(tài)環(huán)境和人類生產生活產生巨大影響［5］。近年來隨著全球氣候持續(xù)變暖，極端事件發(fā)生的頻率在上升，造成的危害也愈加嚴重［6］，極端事件一直以來是聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（International Panel on" Climate Change，IPCC）的研究重點，在2021年第六次評估綜合報告（AR6）中更是單獨形成一個章節(jié)進行分析評估［7］。

極端事件對自然和社會產生深遠影響，最初通常采用發(fā)生概率低于10%或距平變幅超過一個標準差來判定［8-9］，為更好研究極端事件21世紀初世界氣象組織和世界氣候研究計劃等聯(lián)合成立氣候變化檢測和指數(shù)專家組（Expert Team on Climate ChangeDetection and" Indices， ETCCDI），定義了27個核心氣候變化指數(shù)作為量化極端事件的指標［10-11］。

極端降水事件是極端事件研究的重要方面，是極端事件的具體表現(xiàn)形式［12］，研究表明極端降水在空間分布上差異性更明顯［13］，AR6指出過去50年全球大部分地區(qū)出現(xiàn)顯著強降水事件且強度增加［7，14-15］。近年來中國多地發(fā)生超歷史記錄極端降水，如：2021 年鄭州“7·20”特大暴雨［16］，2023年京津冀“23·7”罕見特大暴雨［17-18］，深圳發(fā)生百年一遇“9·7”極端特大暴雨［19］等，這些事件均造成城市內澇誘發(fā)多種地質災害［20］，無一例外都給社會和人民造成嚴重的影響。極端降水事件變化趨勢復雜、地區(qū)差異大［21］，因此研究其變化特征和趨勢，做好地區(qū)災害預警研究顯得尤為重要［22］。國內外學者開展了大量的研究，Giorgi等［23］運用氣候預測模型分析全球極端降水，得出21世紀極端降水事件增長趨勢遠超其他歷史時期的結論；牛自耕［1］基于全國763個地面氣象觀測站研究1981—2010極端降水事件，得出中國極端降水多發(fā)區(qū)位于南方，并預測未來東南地區(qū)出現(xiàn)極端降水趨勢增加；吉戴婧琪等［24］通過研究9個極端降水指數(shù)，總結出全國極端降水指數(shù)總體上呈增加趨勢，華南地區(qū)更為顯著；成澤倫等［25］研究發(fā)現(xiàn)中南半島和華南地區(qū)1951—2015年濕季（5—10月）極端降水事件呈增加趨勢。這些研究均反映中國乃至世界都出現(xiàn)極端降水事件增多趨勢，且地區(qū)差異性較大。

海南島地處熱帶北緣，是受熱帶氣旋和臺風襲擊最頻繁的地區(qū)之一［26］。臺風是最強的降水天氣系統(tǒng)，90%以上的臺風會引起暴雨［27］，常常造成島上某些地區(qū)發(fā)生極端降水事件［28］，嚴重威脅海南島人民的生命財產安全。孫瑞等［29］通過對1959—2013年7個雨量站降水序列的研究，得出21世紀后海南島大雨和暴雨日數(shù)增加顯著，東北部、西北部和南部更為明顯的結論。深入探索海南島極端降水事件，預測其發(fā)生的時空變化特征和未來變化趨勢，成為急需面對的重大現(xiàn)實問題。

目前極端降水的研究多為大尺度，局地針對性不強，為此，本文基于海南島188個雨量站點降水數(shù)據(jù)，分析了9個極端降水指數(shù)的空間差異和時間變化過程，探究海南島極端降水事件的變化規(guī)律，并預測了未來極端降水事件的變化趨勢，以期為海南島極端降水事件的預測和制定災害風險管理措施提供科學依據(jù)。

1數(shù)據(jù)與方法

1. 1研究區(qū)概況

海南島位于中國南海，總面積3. 39萬km²，海南島地形起伏較大，呈中部高聳向四周逐漸遞降階梯結構。屬于熱帶季風氣候區(qū)域，氣候溫暖濕潤，雨量充沛，年平均氣溫在22℃以上，年平均降水量為1639mm，降雨量年內分配不均，5—10月雨量超過全年總雨量的70%以上，達1500mm左右［30］，海南島雨量站分布見圖1。

1. 2數(shù)據(jù)來源

本文選取的資料完整、空間分布較為均勻的188個雨量站降水資料，時間序列為1980—2022年（共43 a），逐日資料使用前進行數(shù)據(jù)插補、異常值處理。本文選取ETCCDI定義的與極端降水緊密相關的9個極端降水指數(shù)來分析極端降水變化特征［31］，這些指數(shù)可分為極端降水量指數(shù)、極端降水日數(shù)指數(shù)和極端降水強度指數(shù)，具體見表1。選取年際尺度來研究海南島極端降水在不同方面的變化，從而綜合反映極端降水的時空變化。

1. 3研究方法

本文選取Mann-Kendall 法［32-33］來分析極端降水指數(shù)的變化趨勢及顯著性；利用ArcGIS 10. 4 對188個站點進行空間插值生成海南島極端降水指數(shù)多年均值與變化趨勢空間分布；線性回歸計算極端降水指數(shù)的變化速率并使用Hurst指數(shù)中的R/S分析法，預測極端降水指數(shù)未來變化趨勢；采用累積距平法、Mann-Kendall 非參數(shù)檢測法、滑動T 檢驗［34］、Lee-Heghinian檢驗［35-36］等4種方法進行序列突變分析，綜合確定水文序列突變點。本文統(tǒng)一選取5%作為是否具有顯著性的判斷依據(jù)，M-K檢驗置信值±1. 96，T 檢驗置信值±3. 34。

Hurst指數(shù)用于在水文氣象研究中定量表征時間序列的持續(xù)性和長期相關性［37］；當0＜H＜0. 5時，時間序列未來變化趨勢與過去相反；當0. 5＜H＜1時，時間序列未來變化趨勢與過去一致；當H=0. 5時，則時間序列為隨機序列，其前后變化無關（表2）。

2結果與分析

2. 1極端降水指數(shù)多年均值的空間變化

海南島極端降水量指數(shù)PRCPTOT 在922. 5～2990. 6mm，均值為1931. 3mm，全島不同地區(qū)差異較大，波動差達2 068. 1 mm，年降水總量整體表現(xiàn)為“東多西少”，高值中心位于萬泉河流域上游，由中心向周邊呈階梯型減少；Rx1day、Rx3day、R99PTOT 依次為132. 1～371. 1、193. 4～507. 4、371. 7～877. 5 mm，均值為175. 2、269. 4、475. 4mm，波動差分別為239. 0、314. 0、505. 8 mm，該3個指數(shù)空間分布相似，全島有2個高值點，一個位于東部PRCPTOT高值附近，另一個位于西部尖峰嶺附近。極端降水日數(shù)指數(shù)CDD為21. 1～52. 6 d，均值33. 0d，波動差31. 5 d，持續(xù)干旱指數(shù)2個高值中心位于三亞市南部和東方市、昌江縣中西部，整體從西部、南部向東部、北部遞減；CWD 在5. 3～11. 9 d，均值8. 9 d，波動差6. 6 d，持續(xù)濕潤指數(shù)高值中心位于萬泉河南支流和陵水河上游，呈放射狀向周邊遞減；R50、R100分別位于3. 6～15. 8、1. 1～5. 0 d，波動差12. 2、3. 9 d，均值為8. 8、2. 3 d，兩指數(shù)在空間分布與變化趨勢上與CWD相似度較高，均表現(xiàn)為從東部向西部遞減，西部尖峰嶺附近也存在一個較弱大暴雨點。降水強度指數(shù)SDII為15. 4～22. 6 mm/d，均值17. 8 mm/d，波動差7. 2 mm/d，降水強度2個中心分別位于萬泉河南支流、陵水河下游和樂東縣、東方市交界處，共同向北部遞減（圖2）。

綜上，極端降水量指數(shù)PRCPTOT和極端降水日數(shù)指數(shù)CWD、R50、R100空間分布有較多的相似性，基本呈現(xiàn)以萬泉河上游為中心向周邊階梯型減少的分布規(guī)律，表明海南島東部降水多且更易發(fā)生暴雨過程，萬泉河上游是洪澇災害防御的重點區(qū)域；極端降水日數(shù)指數(shù)R100、極端降水強度指數(shù)SDII和極端降水量指數(shù)Rx1day、Rx3day、R99PTOT 空間分布相似，均在海南島西部尖峰嶺附近區(qū)域出現(xiàn)一個高點，該區(qū)域更易出現(xiàn)高于周邊區(qū)域的強降水過程，可能是受地形影響導致［38］；CDD空間分布表明海南島南部和西部相較于北部和東部更為干旱，大部分地區(qū)存在1個月以上的干旱期，應在旱季來臨前儲水蓄水保障生活生產需求。

2. 2極端降水指數(shù)變化趨勢的空間分布

海南島極端降水量指數(shù)PRCPTOT有160站（其中12站顯著）增加，占85. 1%，空間差值顯示全島大部分地區(qū)呈增加趨勢，東部和西北部地區(qū)增加較多；Rx1day、Rx3day 和R99PTOT 增加站點依次為107（其中1站顯著）、123、103（其中1站顯著）站，全島占比為59. 9%、65. 4%、54. 8%，Rx1day、Rx3day指數(shù)還存在1個顯著減少站點，空間分布顯示3種指數(shù)均表現(xiàn)為南部和中部呈減少趨勢，向北部、西部地區(qū)遞增。極端降水日數(shù)指數(shù)CDD有177（49站顯著）站減少，占94. 1%，空間分布顯示全島大部分呈減少趨勢，南部、西部和西北部減少幅度更大；CWD有158站（其中17站顯著）增加，占84. 0%，1個站點顯著減小，空間分布顯示全島大部分地區(qū)呈增加趨勢，西北部、南部和中東部增幅較大，大廣壩水庫區(qū)域減少明顯；R50、R100分別有135（其中12顯著）、104站增加，空間分布顯示除中部山區(qū)外全島暴雨日數(shù)呈增加趨勢，東部和北部增加明顯，全島大暴雨日數(shù)略有增加，基本分布在海南島沿海地區(qū)。極端降水強度指數(shù)SDII 有158 站（其中8 站顯著）減少，空間分布顯示北部、西部沿海和東部部分地區(qū)增加，寧遠河流域以及萬泉河下游減少明顯（圖3）。

綜上，總體來講海南島極端降水指數(shù)除CDD外，另外8個指數(shù)在海南島北部和西部表現(xiàn)增加趨勢。極端降水量指數(shù)表明43 a來全島的總降水量在增加，整體趨向濕潤化，但1、3 d的短時降水量表現(xiàn)出北部、西部增加，南部減少的趨勢；極端降水日數(shù)指數(shù)CWD在增加，CDD在減少，西北部、南部表現(xiàn)更為明顯；海南島東部、北部和西部沿海部分地區(qū)發(fā)生暴雨趨勢加大；極端降水強度指數(shù)SDII全島大部分地區(qū)在減少，這與尹紅等［31］在全國尺度上的研究一致，北部和西部由于降水較為集中SDII 略有增加。

2. 3極端降水指數(shù)時間變化特征

海南島極端降水量指數(shù)PRCPTOT 以45. 57mm/10a速率不顯著增加，21世紀前多為負距平，基本在正常范圍（1個標準差）內波動，21世紀后變化加劇10a超正常范圍（7 a偏多），滑動平均顯示21世紀10年代有一次驟降驟升變化；Rx1day、Rx3day、R99PTOT以1. 62、6. 08、2. 80 mm/10a速率不顯著增加，21世紀后分別有7、5、6a增加超正常范圍，最高值出現(xiàn)在2014、2010、2016年，均超過了2個標準差，滑動平均顯示2010年前后3個指數(shù)出現(xiàn)最大上升態(tài)勢。極端降水日數(shù)指數(shù)CDD以2. 07 d/10a速率顯著減少，21世紀后分別有10 a（7 a偏少），2017年達到最小值，滑動平均顯示CDD在21世紀10年代后變?yōu)橄陆?；CWD 以0. 26 d/10a速率不顯著增加，21世紀后8 a（6 a偏多）超正常范圍，滑動平均顯示CWD 在20世紀90 年代后波動上升；R50、R100 以0. 22、0. 02d/10a的速率不顯著增加，21世紀后波動變大，有6、5a增加超正常范圍，并于2009、2010年達到歷史最大值，滑動平均顯示均在21世紀10年代均出現(xiàn)明顯增長峰值。極端降水強度指數(shù)SDII以0. 18 （mm/d）/10a速率不顯著減少，21世紀后波動變大，有4 a增加超正常范圍，并于2010年達到歷史最大值，滑動平均顯示均在21世紀10年代均出現(xiàn)明顯增長峰值（圖4）。

綜上，海南島7個極端降水指數(shù)呈增加趨勢，2個指數(shù)呈減少趨勢。除CDD外海南島8個極端降水指數(shù)21 世紀之前距平波動相對較小，共32（增加14）次超正常范圍；21世紀之后波動變大，有66次波動超正常范圍，表明其降水年變化變大，有40次增加超正常范圍，極端降水發(fā)生的頻率在增大；CDD在21世紀前后的波動次數(shù)為6（減少1）次和10（減少7）次，表明海南島新世紀后干旱程度年變化大且明顯減少，也側面印證全島極端降水的增加趨勢。

2. 4極端降水事件未來變化趨勢預測

運用R/S法對海南島9個極端降水指數(shù)序列的變化趨勢持續(xù)性進行分析（表3），對比表2中持續(xù)性強度分級標準，可知：所有極端降水指數(shù)表現(xiàn)為與過去變化趨勢相反的持續(xù)性（Hlt;0. 5），其中CDD、SDII等級為-2，呈較強的反持續(xù)性（0. 25≤Hlt;0. 35）；極端降水量指數(shù)（PRCPTOT、Rx1day、Rx3day、R99PTOT）和極端降水日數(shù)指數(shù)（CWD、R50、R100）等7 個指數(shù)等級為-3，呈較弱的反持續(xù)性（0. 35≤Hlt;0. 45）。

綜上，結合上述1980—2022年極端降水指數(shù)的變化趨勢，未來海南島CDD和SDII呈持續(xù)性較強的增加趨勢，表明未來海南島連續(xù)干旱日數(shù)、降水強度停止減弱并呈回增趨勢，降水將變得更集中；未來4個極端降水量指數(shù)和3個極端降水日數(shù)指數(shù)呈持續(xù)性較弱減少趨勢，表明未來海南島極端降水量和降水日數(shù)將會減少，但減弱持續(xù)性較弱。

2. 5極端降水指數(shù)突變分析

對海南島極端降水指數(shù)進行突變分析（圖5、6）。綜合累積距平檢驗、M-K 檢驗、滑動T 檢驗、Lee-Heghinian檢驗等4種突變檢驗方法，通過與降水序列擬合，最終確定極端降水量指數(shù)（PRCPTOT、Rx1day、Rx3day 和R99PTOT）突變年份均為2007年；極端降水日數(shù)指數(shù)CDD突變點出現(xiàn)在2010年，CWD突變點大致出現(xiàn)在1995年，R50、R100突變點出現(xiàn)在2007年，極端降水強度指數(shù)SDII突變點大致出現(xiàn)在1988年（表4）。

綜上，極端降水量指數(shù)突變發(fā)生的年份均為2007年，2007年之前總降水量及1、3 d短時降水量及強降水量整體以減少趨勢為主，2007年后連續(xù)幾年降水開始大幅增加，這與肖靜等［39］研究結果相似，短時強降雨量也有所提升，9個極端降水指數(shù)的突變都發(fā)生在1988年后，可能受到了海南獨立建省之后人為活動增加的影響。

3討論

結合9個極端降水指數(shù)，海南島降水的空間分布特征為東部（特別是萬泉河流域上游）降水總量大，持續(xù)降水時間長且降雨強度更大，是極端降水事件的高發(fā)區(qū)。主要原因是海南島降水主要受熱帶氣旋影響［27］，有關研究表明海南島秋季受到熱帶氣旋影響的概率更高［40］，同時冷空氣南下，使得西太平洋和中國南海生成的熱帶氣旋西行路徑增多［41］，且海南島地形中部高四周低，暖濕氣流受地形的抬升作用影響，易在東部迎風坡，形成極端降水事件，使得該地區(qū)成為暴雨、大暴雨多發(fā)區(qū)，進而呈現(xiàn)出“東多西少”的降水特征；西南部尖峰嶺附近的形成強降雨中心的原因主要由偏北臺風［42］、雨季西南季風［43］和地形制約（高大山脈阻擋）減緩熱帶氣旋北上移動速度［38］，誘發(fā)極端降水事件。

研究表明43 a來海南島有濕潤化的趨勢，這與陳小麗等［44］海南島有進一步暖濕化的結論一致，

海南島PRCPTOT 增速為45. 57 mm/10a，遠高于尹紅等［31］研究的全國平均增幅（9. 13 mm/10a），高于趙寶山等［45］研究的海南島年降水量增速（33. 66 mm/10a）；CWD 與全國尺度變化相似，CDD減少速率為2. 07 d/10a，與全國平均減幅（2. 42 d/10a）基本一致；R50 增速為0. 22 d/10a 與孫瑞等［29］的研究結論（0. 3 d/10a）接近，但R100 變化率為0. 02 d/10a與孫瑞等［26］的研究結論（0. 4 d/10a）有較大差異，這可能與研究的時間尺度不同有關；Rx1day 指數(shù)為1. 62 mm/10a，高于全國的平均增幅［31］（0. 82 mm/10a）也高于華南（0. 62 mm/10a）的平均增幅［24］，但變化趨勢與全國相同呈現(xiàn)為90年代較高，之后下降，21世紀10年代處于高值；Rx3day指數(shù)增幅為6. 08 mm/10a；R99PTOT 指數(shù)以2. 80mm/10a速率增加，低于尹紅［31］全國平均增幅（6. 08 mm/10a）高于吉戴婧琪等［24］的研究結果（-0. 1 mm/10a）；降水強度指數(shù)SDII以0. 18 （mm·d）/10a速率減少，與尹紅［31］研究的全國變化趨勢（0. 1（ mm·d）/10a）相反，但與Hurst指數(shù)預測未來的變化趨勢相同。上述變化趨勢也與牛自耕［1］和成澤倫等［25］華南地區(qū)增長趨勢更強的結論一致，數(shù)值差異可能與研究尺度、研究區(qū)域、降水序列的選擇與長度以及站點數(shù)量等因素有關。

使用多種方法對降水序列進行突變檢驗，發(fā)現(xiàn)不同方法間存在一定差異，需進行綜合診斷，選擇擬合程度最高的突變點作為突變年份。2007年有6個極端降水指數(shù)發(fā)生突變，包括4個極端降水量指數(shù)和2個極端降水日數(shù)指數(shù)，究其原因可能與吳佳妮等［40］統(tǒng)計的2007年后影響和登陸的海南島熱帶氣旋的數(shù)量增加有關。9個極端降水指數(shù)突變點都發(fā)生在1988 年后，可能與建省后人類活動增加有關。

未來海南島極端降水強度指數(shù)呈持續(xù)性較強的增加趨勢，這與吉戴婧琪等［24］預測的華南地區(qū)極端降水強度延續(xù)性增加趨勢更顯著的結論一致；但與極端降水量指數(shù)（PRCPTOT、Rx1day、Rx3day、R99PTOT）和極端降水日數(shù)指數(shù)（CWD、R50、R100）呈持續(xù)性較弱減少趨勢，與全國呈增長趨勢的結論相反，可能由于海南島地處熱帶地區(qū)，降水量與降水日數(shù)基數(shù)較大，遠高于全國平均水平，以及易受臺風影響有關。

海南島為極端降水的高發(fā)區(qū)，在應對極端降水事件上提出以下幾點建議：在積極做好極端降水事件預報預警的基礎上，建議政府強化預警響應聯(lián)動機制，制定災害應急響應期間停學、停工、停運等防范措施；大力發(fā)展智慧水利建設，進行洪水風險圖編制，合理規(guī)劃主要江河保護區(qū)、蓄滯洪區(qū)、洪水泛濫區(qū)等，進行分級管理；開發(fā)與建設項目應提升防洪等級，做好排水系統(tǒng)的建設與管護等；進行風險評估，對風險等級較高的人員聚集地建設應急避難場所，以便緊急情況的人員轉移避險。

4結論

本文根據(jù)對海南島188 個雨量站1980—2022年逐日降水實測數(shù)據(jù)，通過9個極端降水指數(shù)，分析海南島極端降水事件的時空變化特征，主要結論與建議如下。

a）海南島受熱帶氣旋和地形影響，極端降水事件呈“東多西少”的空間分布特征。東部迎風坡，尤其是萬泉河上游是極端降水高發(fā)區(qū)，西部尖峰嶺區(qū)域受地形影響也易發(fā)生極端降水事件，西部和南部旱期較長，需做好蓄水保水。

b）全島整體趨向濕潤化，1、3d的短時降水量呈北部、西部增加，南部減少。持續(xù)降水日數(shù)在增加，持續(xù)干旱日數(shù)在減少，海南島東部、北部和西部沿海部分地區(qū)發(fā)生暴雨、大暴雨趨勢加大。

c）近43a來，海南島極端降水量指數(shù)呈不顯著增加趨勢，PRCPTOT、Rx1day、Rx3day、R99PTOT 變化速率分別為45. 57、1. 62、6. 08、2. 80 mm/10a。極端降水日數(shù)CDD 以2. 07 d/10a 的速率顯著減少，CWD、R50、R100分別以0. 26、0. 22、0. 02 d/10a不顯著增加。極端降水強度指數(shù)SDII不顯著減少，速率為0. 18（mm/d）/10a。

d）21世紀后極端降水指數(shù)波動幅度和頻率都在增大，CDD、SDII未來將會以持續(xù)性較強的趨勢增加。PRCPTOT、Rx1day、Rx3day、R99PTOT、CWD、R50、R100將會以持續(xù)性較弱的趨勢減少。

e）海南島9個極端降水指數(shù)發(fā)生突變的年份為1988、1995、2007、2010年，2007年有6 個指數(shù)發(fā)生突變，具體表現(xiàn)為2007年后全島降水量和短時強降雨提升，1995、2010年后濕潤度增加，干旱程度下降，1988年后降水強度提升。

總之，海南島極端降水事件主要受熱帶氣旋、南下冷空氣、季風氣候和獨特地形等諸多因素的影響，還應考慮人類活動對降水的影響，比如海南島開發(fā)、溫室氣體排放、城市化以及人工降雨等技術在海南島的應用等。在預防極端降水方面，不僅要做好預報預警工作，還要進行強化應急聯(lián)動響應機制、發(fā)展智慧水利建設、洪水風險圖編制等方面的工作，盡可能將海南島在極端降水事件中的損失降到最低。