海南岛1961～2011年气候变化特征分析

张明洁 张京红 刘少军 车秀芬 李文韬

摘 要 应用线性倾向估计、M-K突变检验和Morlet小波函数变换分析了海南岛1961～2011年的年平均和四季平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温、年平均和四季降水量、年降水日数、年强降水日数、年降水强度等气象要素的时间序列变化特征。结果表明：（1）近51 a来海南岛气候变暖趋势明显，通过信度为0.05的显著性水平检验，其中，年平均最低气温和冬季平均气温的上升趋势最为显著，气候倾向率分别为0.28 ℃/10 a和0.29 ℃/10 a；各气温要素均在20世纪80年代后期发生突变，并存在3～4 a和12 a时间尺度的周期变化。（2）年平均和四季降水量呈微弱的线性增加趋势，而达到暴雨等级的年强降水日数和年降水强度线性增加趋势明显，分别通过了信度为0.05和0.01的显著性水平检验。（3）四季降水量和年降水日数存在12～14 a时间尺度的周期变化，年降水量、年强降水日数和年降水强度存在8～10 a时间尺度的周期变化，同时，各个要素均叠加有周期较小的高频振荡。

关键词 线性倾向估计；突变检验；小波分析；气候变化；海南岛

中图分类号 P467 文献标识码 A

在全球气候变化的大背景下，近几十年来，中国区域气候变化特征已成为很多学者关注的热点问题[1-7]。海南岛地理位置特殊，属于热带岛屿季风气候区，受热带气旋、冷空气、西南低压槽、南海低压槽、副热带高压等多种天气系统影响，雨量极其充沛。在全球气候变化的大背景下，已有一些学者对其气候变化特征进行了研究。周茂华等[8]通过对海南岛海口、琼海、琼中、东方等测站近40 a来气象资料的统计分析，初步揭示了海南岛近40 a来气候变化的若干特征。何春生[9]分析了海南岛有代表性的5个市（县）气象站从建站到2000年的地面气象观测资料。林培松等[10]根据海南岛西部 1951～2000年气温及降水资料，运用一元线性回归、相关分析等数理统计学方法，对海南岛西部近50 a来气候变化做了分析。王胜等[11]应用趋势分析法和聚类分析法等方法分析了海南岛全岛各站点1961～2004年雨量和雨日分布特征及其变化规律。杨馥祯等[12]采用最小二乘法、Mann-Kendall法及Morlet小波等方法诊断分析了利用1966～2004年海南岛大风、暴雨、雷暴、冰雹等极端天气事件的年发生日数资料的变化特征。黄彦彬等[13]选取海南岛18个站点1965～2007年的43 a雷暴日资料，采用经验正交函数分解（EOF）等方法分析了海南岛的雷暴日分布特征。许格希等[14]利用均匀分布在海南岛的7个国家标准气象站1959～2008年温度和降水资料以及海南岛气候区划成果，研究了海南岛近50 a来不同气候区的气候变化特征。综观以上研究，一些学者在不同时期采用不同方法对海南岛的气候变化特征进行了分析，对认清当时的气候变化事实、开展气候变化成因和未来趋势预测等的研究具有重要参考价值。但是不难发现，以上研究大多数仅从某一个或某几个方面选择气象要素，且选择的站点数有限，即存在气象要素和站点选择不够全面的问题。在全球气候变化的大背景下，全面认识海南岛近几十年来的气候变化特征具有重要的意义。本研究在前人研究的基础上，基于海南岛18个气象台站的气温、降水资料，应用线性倾向估计、M-K突变检验和小波分析等方法对海南岛年平均气温、四季气温、年降水量、季节降水量等的时间序列进行全面细致的分析，揭示其变化特征，为全面认识海南岛近几十年来的气候变化特征、科学应对气候变化和防汛抗旱工作提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 资料来源及处理

所用资料为海南岛18个气象观测站1961～2011年逐月气温、降水量、年降水（日降水量≥0.1 mm）日数、年强降水（日降水量≥50 mm）日数数据（根据中国气象局颁布的“降水强度等级划分标准（内陆部分）”，24 h降水总量在0.1～9.9 mm之间为小雨，50.0～99.9 mm为暴雨）。首先，对个别站点个别月份缺测数据通过同一站点及其邻近站点前后邻近时间的数据插值来补齐[15]，以保证数据的完整性、可用性；然后进行线性倾向估计，计算各气候特征值的气候倾向率和趋势系数，并用M-K突变检验和Morlet函数进行小波变换、计算小波方差，分析海南岛气温、降水时间序列的变化趋势和周期规律。

1.2 方法

1.2.1 线性趋势分析原理和方法[16] 气候趋势系数：用于研究气象要素在气候变化中升降的定量程度，并可对其进行统计检验。定义为n个时刻（年）的要素序列与自然数序列1，2，3，…，n的相关系数

rxt=

其中n为年数。xi是第i年要素值，x- 为其样本均值，t-=（n+1）。系数为正（负）时表示该要素在所计算的n年内有线性增（降）的趋势。rxt/符合自由端n-2的t分布，从而检验这种气候趋势是否有意义。

气候倾向率：气象要素的趋势变化一般用一次线性方程，即，x^ t=a0+a1t，t=1，2，…，n（年），=a1，a1×10称为气候倾向率，单位为某要素单位/10 a。根据回归理论a1=rxt，其中δx是要素x均方差，δt为数列1，2，…，n的均方差，可以从气候趋势系数rxt求出气候倾向率。

1.2.2 突变检验的原理和方法[17-19] Mann-Kendall检验法是世界气象组织推荐并已经广泛使用的非参数检验方法，又称无分布检验，其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，检测范围宽，定量化程度高。设气候序列为x1，x2，…，xn，对于n个样本量的时间序列x构造一秩序列：

sk=ri （k=2，3，…，n）

ri=+1 xi>xj

0 xi≤xj （j=1，2，…，i）

秩序列是第i时刻数值大于第j时刻数值个数的累计数。在时间序列随机独立的假定下，定义统计量UFk=（k=1，2，…，n），其中，UF1=0，E（sk），Var（sk）是累计数sk的均值和方差，在x1，x2，…，xn，相互独立且有相同连续分布时，它们可以由下式计算：E（sk）=，Var（sk）=，UFi为标准正态分布，它是按时间序列x顺序x1，x2，…，xn计算出的统计量序列，给定显著性水平α，若UFi o | Uα，则表明序列存在明显的趋势变化。按时间序列x逆序xn，xn-1，…，x1，再重复上述过程，同时使UBk=-UFk，k=n，n-1，…，1，UB1=0。检验曲线图中若UFk和UBk线在临界线内变动，表明变化趋势和突变不明显；UFk或UBk的值大于零，则表明序列呈上升趋势，小于零，表明呈下降趋势；当其超过临界线时表明上升或下降趋势显著。如果UFk和UBk 2条曲线在临界线之间出现交点，则交点对应的时刻即为突变开始的时间若交点出现在临界线外，可结合其他检验方法进一步判定是否为突变点。

1.2.3 小波变换的原理和方法[19] 小波变换图能反映信号在不同时间尺度上的周期振荡。信号的强弱用小波系数的大小来表示，正的小波系数表示信号在该时间段为偏多期，负值表示为偏少期，零值对应着突变点。小波方差图反映时间序列中各个尺度扰动的相对强度，对应峰值处的尺度称为该序列的主要时间尺度，即时间序列的主要周期。

本文采用Morlet小波进行变换，其母小波为：

，

小波变换形式为：

，其中，ωa，b（f）为小波系数，f（t）为信号的平方可积函数，a为分辨尺度，b为平移因子。

2 结果与分析

2.1 气温的变化特征

2.1.1 年平均气温的变化特征 海南岛1961～2011年气温年代距平见表1。由表1可见，20世纪60年代、70年代年平均气温距平为负，说明年平均气温较常年值偏低；90年代、21世纪00年代气温距平为正，其中80年代距平仅为-0.034 ℃，表明气温接近正常值。由图1可见，海南岛年平均气温以约0.22 ℃/10 a的速率呈明显上升趋势，趋势系数r=0.663，通过信度水平为0.01的显著性水平检验。突变检验结果表明（图2），海南岛年平均气温除了在1961～1963年、1971～1973年有弱的波动外（UF<0），其它时段均呈上升趋势，在1986年前后出现突变，1986年以后上升趋势更加显著（超过0.05临界线）。

图3显示了近51 a来海南岛年平均气温在不同时间尺度上的周期震荡，年平均气温的年际变化和年代际变化都非常明显，3～4 a的年际变化从20世纪60年代一直持续到21世纪10年代，其中，20世纪60年代后期到70年代前期以及80年代中期以后信号较强；12 a的周期主要存在于80年代中期以前，之后被14 a的周期所代替，即周期有增加的趋势，对应着低-高4.5个循环交替。

2.1.2 年平均最高、年平均最低气温的变化特征

年平均最高气温、年平均最低气温的线性变化趋势、周期变化与年平均气温的基本一致：20世纪60年代、70年代距平为负，气温偏低；90年代、00年代气温距平为正，80年代接近正常值（表1、图1）。略有不同的是，年平均最高气温在1987～1989年出现突变（图4-a），90年代前期开始上升趋势显著（超过0.05临界线）。年平均最低气温在1987～1989年出现突变（图4-b），之后持续上升，90年代后期开始上升趋势十分显著。值得注意的是，年平均最低气温的上升速率相对较高（图1），每10 a上升0.284 ℃（r=0.764，p<0.01），大于年平均最高气温的0.176 ℃/10 a（r=0.507，p=0<0.01），说明年平均最低气温增加对年平均气温增加的贡献大于年平均最高气温增加的贡献。

2.1.3 四季平均气温的变化特征 海南岛四季平均气温的变化趋势与年平均气温的变化趋势基本一致，呈波动上升趋势，20世纪60年代、70年代距平为负，气温较常年偏低；90年代、00年代气温距平为正，80年代接近正常值（表1）。如图5所示，冬季升温最明显，增温速率达0.29 ℃/10 a（r=0.424，p<0.01），秋季次之，每10 a增温0.22 ℃（r=0.570，p<0.01），春季和夏季的增温速率分别为0.17 ℃/10 a（r=0.364，p<0.01），0.18 ℃/10 a（r=0.666，p<0.01）。开始变暖的时间也相对集中，均从1986年开始变暖，最近30 a是近50 a的最暖期（图略）。

2.2 降水的变化特征

2.2.1 年降水量变化特征 1961～2011年海南岛年降水量平均为1 759.0 mm，年际间波动和年代际变化都较为明显。由表2可见，20世纪60年代、80年代年降水量距平为负，说明年降水量较常年值偏少；70年代、90年代、00年代年降水量距平为正，说明较常年值偏多，特别是00年代降水距平百分率为5.81%，说明00年代降水量偏多较为明显。由图6-a可见，年降水量的气候倾向率为88.5 mm/10 a，趋势系数为0.270，呈微弱的增加趋势（p>0.05）。小波分析表明，年降水量在7 a以下尺度上，周期震荡剧烈，未表现出明显的规律。但随着时间尺度的增加，7 a以上尺度周期震荡趋于平缓，且规律比较清晰，在9 a左右的尺度上出现第一主周期，规律性明显，降水偏多和降水偏少表现为多-少5.5个交替循环，在17 a左右的尺度上出现第二主周期（图6-b）。

2.2.2 年降水日数、降水强度的变化特征 如图7所示，1961～2011年海南岛年降水日数平均为148.3 d，气候倾向率为1.9 d/10 a，趋势系数为0.243，呈现微弱的波动减少趋势（p>0.05）。小波分析表明，年降水日数在12 a以下的时间尺度上，周期震荡剧烈，未表现出明显的规律。但随着时间尺度的增加，12～14 a尺度周期震荡趋于平缓，且规律比较清晰，表现为多-少4.5个交替循环。

1961～2011年海南岛年强降水日数平均为8.0 d，年际间波动明显，最少年2.8 d（1969年），最大年11.4 d（2009年和2010年），气候倾向率为0.37 d/10 a，趋势系数为0.293，通过信度为0.05的显著性水平检验，增加趋势明显。小波分析结果显示，年强降水日数以年代际变化为主，在8～9 a 时间尺度上出现第一主周期，规律性最为明显，表现为少-多6个循环交替，此外，17 a时间尺度的周期变化规律也较为明显，表现为少-多3个循环交替（图略）。

1961～2011年海南岛年降水强度平均为12.1 mm/d，年际间波动较明显，最少年8.1 mm/d（1969年），最大年15.5 mm/d（2010年），气候倾向率为0.44（mm/d）/10a，趋势系数为0.440，通过信度为0.01的显著性水平检验，即年降水强度增强趋势明显。小波分析结果显示，年降水强度的周期变化与年强降水日数的周期变化相一致，即分别在8～9 a和17 a的时间尺度上出现第一和第二主周期，说明海南岛降水强度主要受到暴雨及其以上量级降水日数的影响（图略）。

2.2.3 季节降水量的变化特征 1961～2011年海南岛降水的季节分布极不均匀，干湿季节明显，降水主要集中于夏秋两季，约占全年降水量的77.2%。由表2及图8可见，近51 a来，海南岛春季降水量平均为326.1 mm，年际间波动明显，最小年148.9 mm（1977年），最大年612.1 mm（1997年）。20世纪60年代、70年代春季降水量距平为负，说明降水较常年值偏少；80年代、90年代春季降水量距平为正，00年代接近常年值。其气候倾向率为4.95 mm/10 a，趋势系数为0.069，仅呈微弱的增加趋势（p>0.05）。夏季降水量平均为712.4 mm，最年471.1 mm（1961年），最大年1 100.3 mm（2001年）；年代际变化较为明显，20世纪60年代、80年代夏季降水量距平为负，说明降水较常年值偏少，尤其是80年代，降水距平百分率为-8.69%；70年代、90年代、00年代降水量距平为正。线性趋势分析表明，夏季降水量呈微弱的波动增加趋势，气候倾向率为7.85 mm/10 a，趋势系数为0.088（p>0.05）。1961～2011年海南岛秋季降水量平均为675.1 mm，年际间波动明显，最少年171.5 mm（2004年），最大年1 287.7 mm（2010年）；20世纪60年代、90年代秋季降水量距平百分率分别为-15.39%、-8.55%降水较常年值偏少；70年代、80年代和00年代秋季降水量不同程度偏多，其中00年代偏多较为明显，距平达到81.36 mm，距平百分率为12.05%。气候倾向率为30.02 mm/10 a，趋势系数为0.193（p>0.05），即仅存在微弱的增加趋势。1961～2011年海南岛冬季降水量均值为83.3 mm，年际间波动明显，最少年17.1 mm（1998年），最大年215.7 mm（2001年）。20世纪70年代、80年代冬季降水量距平百分率分别为-12.51%、-13.06%，降水较常年值偏少明显；60年代、00年代降水量接近常年值；90年代冬季降水量异常偏多，距平百分率为21.84%。气候倾向率为2.6 mm/10 a，趋势系数为0.091（p>0.05）。以上分析表明，各个季节降水量均表现出明显的年际波动和年代际变化，总体上呈微弱的增加趋势（趋势系数均未通过信度为0.05的显著性水平检验）。

对海南岛季节降水量的小波分析表明，海南岛各个季节降水量均存在多时间尺度特征，大尺度的周期变化嵌套着小尺度的周期变化：各个季节降水量在10 a以下的时间尺度上周期震荡剧烈，没有表现出明显的规律。随着时间尺度的增加，在12～14 a的时间尺度上周期震荡趋于平缓，规律比较明显。其中，春季降水量从20世纪70年代到20世纪末，降水偏多和降水偏少存在12～14 a的周期变化，同时伴随着6～7 a或4～5 a甚至于更高频率的周期变化；其小波方差最大峰值对应的周期T=12，次大峰值对应的周期T=3，表明存在12 a、3 a的主周期。夏季降水量在20世纪90年代以前存在规律明显的8～9 a周期变化，同时在20世纪60年代中期到90年代初还伴随着15 a时间尺度的周期变化。秋季降水量在20世纪80年代以前降水偏多和降水偏少存在8 a左右的周期变化，从80年代中期开始到21世纪10年代末存在12～14 a左右的周期变化，同时叠加有4 a左右的周期变化。冬季降水量在20世纪70年代前期到20世纪末偏多和偏少存在13～14 a的周期变化，同时也叠加有4 a左右的周期变化。

3 讨论与结论

在全球气候变化的大背景下，海南岛由于地理位置特殊，其气候变化特征备受关注。吴慧等[20]利用Morlet子波变换对海南省16个站1961～2000年的逐月平均气温和降水资料进行了小波分析。陈小丽等[21]利用1961～2002年海南岛11个气象站各季和年的平均气温、平均最高气温、平均最低气温、降雨量等资料，对海南岛近42年的气候变化作了分析。

与以往大多数研究仅从某一个或某几个方面选择气象要素，且选择的站点数有限相比，本文选用海南岛18个气象站点最新的观测资料，利用线性趋势估计、M-K突变检验和小波变换方法对海南岛1961～2011年气温、降水资料时间序列的变化特征进行了全面细致地分析，得到一些有意义的结论：

（1）1961～2011年海南岛气候变暖趋势明显，表现为年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温和四季平均气温均呈上升趋势，且均通过了信度为0.05的显著性水平检验。其中，年平均最低气温的上升速率大于年平均最高气温的上升速率，冬季平均气温的上升速率大于其它3个季节平均气温的上升速率，说明年平均最低气温上升对年平均气温上升的贡献大于年平均最高气温上升对其的贡献，冬季平均气温上升对年平均气温上升的贡献大于其它3个季节的贡献。突变检验及周期分析表明，各气温要素均在20世纪80年代后期发生突变，存在3～4 a和12 a时间尺度的周期变化。

（2）1961～2011年海南岛年和四季的降水量总体上呈波动增加趋势，年降水日数呈减少趋势，但均未通过显著性检验，即增加或减少的趋势不明显；年强降水日数和年降水强度的增加趋势明显，分别通过了信度为0.05、0.01的显著性水平检验。周期分析表明，近51 a来海南岛降水存在多时间尺度的周期变化特征，大尺度的周期变化嵌套着小尺度的周期变化：季节降水量和年降水日数存在12～14 a时间尺度的周期变化，年降水量、年强降水日数和年降水强度存在8～10 a时间尺度的周期变化，且各个要素均叠加有周期较小的高频振荡。

（3）对降水资料进行分析过程中，运用Mann-Kendall等方法均未能检测出降水序列的显著突变点（这一结果与线性倾向估计的分析结果相吻合），因此，在文章中未作讨论。

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责任编辑：叶庆亮