近50年雷州半岛北部降水变化及其与ENSO活动的关系

薛积彬, 黄雪芳, 钟 巍

(华南师范大学地理科学学院，广州 510631)

雷州半岛地处中国大陆南端，东、南、西三面环海. 半岛年平均气温约23.3 ℃,虽然年平均降水量(1 640 mm/a)较高，但年均蒸发量(1 700 mm)也高. 该地区属北热带季风气候，常年受热带海洋暖湿气流影响，干、湿季明显. 虽然该区年降水较丰沛，但年际变化大，时空分配不均，季节差异明显. 由于地处低纬度，气温高、日照时间长、太阳辐射强、蒸发和作物蒸腾量大，特别是半岛夏季以热带气旋、热带辐合带等系统影响降水为主，降水复杂多变、不稳定. 在全球变暖大背景下, 气温上升引起蒸发潜力的变化能够对地表湿润状况产生重要作用，所以不同程度的干旱时有发生，甚至出现秋—冬—春连旱，干旱已然成为限制该地区社会经济发展的主要自然灾害之一. 目前，国内外学者对区域干旱变化规律及其趋势、成因等方面进行了大量研究. 如采用ISDI[1]和Palmer Drought Severity Index (PDSI)[2]等指标能够较好反映气候的干湿变化[3-4].利用总降水与蒸发来定义干湿指数[5]或者根据降水与蒸发相对变率比值[6]来探讨区域干湿变化格局等. 马柱国和任小波[7]利用160个站的月降水和月均温资料，对中国不同区域近56年气候要素变化及其与干旱化进行了研究，认为当前我国大部分地区正处于一个干旱化过程，只是不同地区干湿变化特征及干旱化的持续时间和位相有差异.

近年来，对广东省不同历史时期和现代的气候环境变化研究也取得了一些成果[8-10]. Chu等[9]根据湖光岩沉积记录分析，发现雷州半岛地区中世纪暖期气候偏干，尤其在AD 670—760年与AD 880—1260年2个干旱期表现最为明显，气候变化呈现出暖干—冷湿的组合特征. Zeng等[10]同样通过对湖光岩玛珥湖岩芯总有机碳、总氮、无机碳以及非残渣太锶的分析，研究了该地区小冰期降水变化特征，同样发现小冰期(约过去500年)期间该地区表现为冷湿气候态. 由于来自雷州半岛北部湖光岩的沉积记录揭示该地区过去500年呈现出暖干—冷湿的水热组合气候特征(这显然有悖于传统认为的季风区“暖湿—冷干”的水热组合特征)，那么该地区在过去50年中的季节变化、年际以及年代际等不同时间尺度上的气候水热组合状况会呈现什么状态？其气候变化可能与哪些因素有关？本文利用雷州半岛北部代表性站点——湛江市过去50年中的日降水量、气温、蒸发量和相对湿度等气象资料探讨了该地区的干湿变化、水热组合特征及其可能的影响因素.

1 材料与方法

1.1 资料来源

湛江市的日气象数据来自广东省气象局，依据资料的连续性及最长时段性等标准，选取了该站点过去50年的日降水量、月气温、相对湿度和最小蒸发量等数据，通过数理统计方法[11]建立了该地区的干湿指数序列. 另外，ENSO活动的表征指标选用热带太平洋Nino3.4(5°S-5°N,170°W-120°W)海表温度(SST)和南方涛动指数(SOI)，数据来自美国国家海洋和大气局 (National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)气候预测中心(CPC).

1.2 数据处理

利用湛江近50年来的降水、温度、湿度以及小型蒸发量等数据，探讨该地区水热变化特征及其影响因素. 通过对不同定义方法所得干湿指数[5-7]进行合理性、适应性对比分析，最终选取潘淑坤等[11]的干湿指数定义方法以构建湛江地区近50年来气候干湿演化序列. 该干湿指数[12]定义方法如下：

S=vn/σn-vr/σr，

式中，S是干湿指数，vn和σn分别是无雨日数的距平和均方差，vr和σr分别是降水量的距平和均方差. 根据此方法定义的干湿指数等级及其意义列于表1.

表1 不同干湿指数等级及其意义Table 1 Grades of humidity index and their significance

将上述方法建立的过去50年湛江干湿演化序列进行Mann-Kendall突变检验(M-K法)、连续小波变换以及相关性分析等数理统计分析，探讨该区气候干湿变化、水热组合特征及其与ENSO活动之间的可能关系.

2 结果与讨论

2.1 不同方法所建干湿指数序列的对比

针对不同的研究侧重点，对干湿程度的界定也有不同方法. 比如有的以河流径流量丰枯等级来划分干旱程度[12]；有的以土壤湿度大小确定干旱程度[13]；有利用降水、田间持水量差额和土壤最大有效含水量的比值计算不同地区的干湿指数[14-15]. 与潘淑坤等[12]的定义方法相比，吴爱敏等[6]利用总降水量变率和蒸发量的变率来计算干湿指数，并将干湿指数等级分为5级：K≥-0.5，重旱； -1.0≤K<-0.5，中旱； -1.5≤K<-1.0，轻旱；-2.0≤K<-1.5，适宜；K<-2.0，湿润. 在此，本文根据吴爱敏等[6]定义的干湿指数2与潘淑坤等[11]定义的干湿指数1进行比较(图1)可知，2条曲线总体上表现出良好的一致性，所揭示的干湿变化趋势基本一致. 鉴于雷州半岛地区区域水文特征明显，地表差异大，且由于降水量距平百分率仅考虑降水量因素，相对湿度仅考虑蒸发量(与温度、纬度相关)而没有考虑前期降水的滞后效应，故本文采用潘淑坤等[11]定义的干湿指数来构建湛江过去50年中的干湿变化序列，并对其做了进一步分析.

图1 湛江两种干湿指数对比

2.2 近50年湛江地区气候干湿变化特征

过去50年湛江市干湿变化序列如图2所示. 线性拟合趋势表明，近50年来湛江地区干湿指数值整体上呈现出上升趋势，表明该地区干旱化程度进一步加剧,特别是21世纪初气候偏干趋势更加显著. 从多年变化趋势来看，过去50年中该地区的干湿变化大致可以分为5个阶段：第一阶段为1961—1968年，该时期干旱化程度较高；第二阶段为1969—1985年，该时期气候环境总体上偏湿润；第三阶段为1986—1996年，该时期气候特征总体以偏干为主，干湿变化年际变化波动较大；第四阶段为进入21世纪以来，自本世纪初以来该地区气候变化总体上偏干且干旱化程度偏高.

图2 1961—2008年湛江干湿指数年际变化

Figure 2 Annual variability of humidity index in Zhanjiang during 1961-2008

注：图中斜直线表示线性拟合；灰色曲线表示四点平滑滤波.

为了进一步明确气候干湿突变开始的时间,采用Mann-Kendall检验法(简称M-K法[16-17])进行了双边趋势检验(图3). 由图3A可看出自90年代中期以来，湛江市年干湿指数值整体呈上升趋势，特别是2000年以来上升趋势更加显著，与图2结果显示一致，表明20 世纪90年代中后期到21世纪初雷州半岛地区气候干旱的发生频率有了突发性上升，进入了一个相对偏干的气候态. 图3C显示，雷州半岛近50年来气温在上升过程中出现了突变，特别是在80年代中后期为突变点分布时段,但降水序列在95%的置信水平上升不明显. 总体上，雷州半岛近50年来的干旱化趋势较明显，且20世纪90年代末至21世纪初最为显著.

图3 湛江干湿指数(A)、降水(B)和气温(C)序列的M-K突变检验

2.3 湛江地区季节、年际及年代际水热组合特征

近500年来的古气候记录显示，雷州半岛地区表现出不同于典型季风区水热组合的特征，后者表现为暖湿—冷干的气候变化特征，而雷州半岛地区则表现出暖干—冷湿的气候特征[9-10]. 邹仁爱等[18]对雷州半岛徐闻气象站年降水量进行趋势项和周期项提取，认为雷州半岛的年降水量几乎不存在趋势成分,表明影响该地区降水量的因素基本保持稳定，且存在一定的周期变化,主要表现为2年、4年和10年3个显著周期.对月均温、降水量、蒸发以及干湿指数对比分析，得到该区在近50年来气候水热组合的季节变化特征(图4).降水明显集中在4～9月，而相应月份的气温及蒸发量也均为1年中的高值，特别是6、8月份降水量与干湿指数呈最显著反相位关系.总的来看，在季节变化上，雷州半岛地区水热组合特征表现为雨热同期，与典型季风区气候特征一致.

对比该地区气候水热组合在年际以及年代际时间尺度上呈现的特征可知(图5)，雷州半岛地区在60年代主要表现为暖干—凉湿组合特征，而自70年初至80年代中期气候呈暖湿—凉干的年际变化特征. 到了20世纪初期气候偏干，主要表现为暖干—凉湿的水热组合特征. 从年代际的水热组合情况来看，在60年代期间，年代际与年际变化呈现一致性，均为暖干—凉湿特征；70年代至80年代中期气候水热组合状况，年代际时间尺度上倾向于呈暖干—凉湿，这与年际尺度上的暖湿—凉干特征截然相反；90年代的水热组合呈暖湿—凉干特征，同样异于年际变化特征；20世纪该地区气候呈暖干—凉湿的水热组合特征.

图4 湛江季节干湿组合

图5 湛江年际、年代际干湿组合变化

由上述可知，近50年湛江地区气候在季节、年际以及年代际3个不同时间尺度上表现出并非一致的水热组合特征，且同一时代的年际与年代际之间也存在显著差异. 总之，该区季节性气候水热组合特征呈明显的暖湿—凉干特征，而在年际、年代际时间尺度上，水热状况则表现出暖湿—凉干与暖干—凉湿等多种不同的水热组合特征.

2.4 湛江地区干湿变化与ENSO的可能关系

ENSO活动作为一种大尺度的海—气相互作用现象，能够对全球气候环境变化产生重要影响. 研究[19-20]表明，许多地区的气候变化都与ENSO 事件具有较强关联性,进而引起区域水文、生态等各方面的变化，且中国的降水和温度异常与ENSO 存在一定的关系[21]. 那么，雷州半岛地区的气候干湿变率是否也与ENSO活动有一定关联？

采用小波分析方法对Nino 3.4区海温(SST)、南方涛动指数(SOI)以及湛江干湿指数进行分析. 图5A表明湛江地区气候干湿变化存在显著的2～3 a的短周期，这与图5B、C所揭示的同一时期南方涛动指数以及Nino 3.4区SST的小波分析结果较一致，说明该区域的气候干湿变化可能在一定程度上与ENSO活动具有某种关联. 苏明峰[22]等对1951—2000年中国气候干湿变化率和ENSO 关系的稳定性分析认为,中国气候干湿变化率和ENSO 之间在3～8 a变化周期上存着很好的相关性, 但这种相关性不稳定,存在年代际变化.本文结果支持上述观点.

图6 干湿指数、SOI及SST的小波分析

3 结论

利用雷州半岛北部湛江市1961—2008年的日降水、气温、相对湿度、蒸发量等数据，构建了该地区过去50年中的干湿变化序列，进而通过Mann-Kendall趋势分析、小波分析等方法，分析了近50年来湛江地区水热变化特征及其与ENSO活动的可能关系. 研究得出以下结果：

(1)在1961—2008年期间，雷州半岛北部地区气候趋向暖干，特别是自20世纪90年代中后期以来气候干旱化趋势愈加显著，并在2002年左右出现突变性转折.

(2)近50年来该地区的气候水热组合特征在季节变化上主要表现为暖湿—凉干组合. 然而，在年际与年代际时间尺度上，该地区的水热组合状况则表现出暖湿—凉干以及暖干—凉湿等多种不同的水热组合特征，且在年际与年代际尺度上的水热组合状况有时并不一致.

(3)1961—2008年雷州半岛北部地区气候干湿变化和ENSO 指标在年际变化周期上存在良好的对应关系，连续小波分析揭示了该地区的干湿变化存在显著的2～3年短周期，可能与同一时期ENSO活动具有一定的关联性.

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