海南岛夏季不同类型降水特征及其对旱涝的影响

吴慧 ,胡德强 ,邢彩盈 ,朱晶晶

(1.海南省气候中心，海口 570203；2.海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海口 570203)

引言

夏季旱涝趋势的准确预测对我国防灾减灾工作极其重要。针对我国夏季降水的气候变化特征和影响因子有很多研究成果。研究表明，我国夏季降水具有明显的年际振荡和年代际变化，不同区域的夏季降水具有不同的线性变化趋势和突变特征(陈兴芳和晁淑懿，2000；丁一汇和张莉，2008；张峻和张艺玄，2019；郑小华等，2019)，亚洲季风、越赤道气流、平流层QBO、西太平洋副热带高压(以下简称副高)、南亚高压、印度低压、中纬度阻塞高压、东亚遥相关型、南方涛动和北太平洋涛动等的异常对我国夏季降水有重要影响(赵汉光和张先恭，1996；赵振国等，2000；贾小龙等，2013；王芬等，2017)，不同影响系统的配置对我国夏季雨型有直接影响(赵俊虎等，2014)。太阳活动、海温、土壤湿度、积雪和海冰等外强迫因子对我国夏季降水异常也具有不可忽视的作用(段长春和孙绩华，2006；袁媛等，2012；张文君等，2012；刘颖等，2017；张若楠等，2018)。

海南省是中国唯一的热带省份，其降水的季节分布特征、降水量变化、降水影响系统等均有别于我国的其他省份(王春乙等，2014；郑国光等，2019)，影响夏季旱涝的因子也必然不同。近年来气象工作者对海南岛夏季降水的气候变化规律和影响因子也进行了一些研究。吴慧和陈小丽(2003)发现，1961 年以来的40 a 海南岛气候趋于变暖和变湿；各季降水量有不同程度增加，其中冬季增加显著(陈小丽和吴慧,2004)。在夏季降水异常成因分析方面，吴慧等(2009)发现EN⁃SO 对海南岛夏季降水的南北分布形式有显著的滞后影响并且有影响增强的趋势。胡德强等(2018)分析给出了海南岛夏季降水空间分布特征和降水第一模态异常年的大气环流特征。邢彩盈等(2018)揭示了海南岛7—8 月和9—10 月旱涝急转的大气环流和海温异常的若干特征。降水天气系统是影响降水的最直接因素，但从天气系统的角度分析其对海南岛季节旱涝影响的研究不多。早期的研究认为热带气旋的影响频数和强度对海南岛旱涝有重要影响(海南大农业建设与生态平衡考察团气候组，1982)。其后吴胜安等(2007)对海南岛1962—2004年热带气旋年降水量的变化特征和变化周期作了专门分析。Wu 等(2007)利用1962—2005年的资料统计发现，海南岛的热带气旋降水在6—11月各月的比重高达17.7%～44.5%，过去40多年海南岛热带气旋降水及降水贡献率在下降，但热带气旋引起的极端降水日数和极端降水事件则在增加。不同类型降水系统对海南岛年降水量和年极端降水量的贡献和变化具有较大差异(吴岩峻，2008)。鉴于不同类型降水对季节降水量的影响和表现不同，了解它们在季节降水量中的地位、变化及对旱涝的影响，对季节降水趋势预测将有很大帮助。本文利用最新的降水观测资料和天气系统日历表，较全面的分析了近53 a海南岛夏季不同类型降水的空间分布、降水频率和强度特征，不同类型降水量、降水频率的变化，以及不同类型降水对海南岛夏季旱涝的影响，这对于我们从新的角度认识海南岛夏季旱涝的影响因子具有重要意义。

1 资料和方法

所用资料为海南岛18 个国家地面气象观测站1966 年1 月1 日至2018 年12 月31 日的逐日降水资料和同期海南省气象台的逐日天气系统日历表。其中的降水资料已经过海南省气象信息中心严格的质量控制。

方法：根据影响海南的天气系统日历表，统计海南省夏季不同类型降水(吴岩峻,2008)，分析各类型降水的空间分布特征；采用线性倾向估计方法分析各类型降水的气候变化趋势(魏凤英，2007)；利用相关分析方法分析夏季不同类型降水量与夏季总降水量之间的密切程度。

2 夏季不同类型降水的空间分布特征

2.1 夏季降水概况

1966—2018年，海南岛夏季降水的多年平均值为731.9 mm。各地夏季降水大致呈中间多、四周少的分布(图1a)。北部内陆的定安、澄迈、儋州，西部内陆的昌江，中部山区的白沙、保亭，以及南部的乐东等市县均接近或超过800 mm，其中保亭最多，达到910.5 mm，昌江次多，达852.6 mm；西部沿海、南部沿海和东部沿海地区一般不足670 mm，其中西部沿海的东方只有512.4 mm。

吴岩峻(2008)研究表明，影响海南岛夏季降水(SUMR)的天气系统有五种，即热带气旋、热带辐合带、西南季风槽、副高边缘和冷空气过程，其中最主要的是前四种。为此，本文分别把前四种天气系统产生的降水分别定义为TCR、ITCZR、SWTR 和STHR。可见海南岛SUMR的主要影响系统与长江中游地区有较大不同(张家国等，2018)。以下分析这四种类型降水的空间分布特征。

2.2 TCR

TCR是海南岛夏季最重要的降水来源。1966—2018年，TCR 的多年平均值为260.6 mm，占整个SUMR 的35.6%。TCR的空间分布(图1b)表明，TCR为大范围降水，各地基本在200～350 mm之间，其中中部山区和西部内陆地区相对较多，西部内陆的昌江最多，东南部沿海地区TCR相对较少。各地TCR占当地SUMR的百分比(图略),近似于“西北高中南低”的分布,其中西部沿海的东方高达51.3%,最少的是中部山区的保亭，为24.7%。这与吴胜安等(2007)统计的热带气旋年降水量占年总降水量比例的高低值分布形态相近，但比例更高。

2.3 ITCZR

ITCZR是夏季海南岛的第二大降水类型。1966—2018年，全岛ITCZR平均为215.0 mm，占全岛SUMR的29.4%。ITCZR 也是大范围降水(图1c)，各地在140～320 mm之间，基本呈中间多四周少、南多于北的分布，保亭为全岛最多，西部沿海的东方、北部沿海的临高和海口、东部沿海的万宁、南部沿海的陵水和三亚均为低值区。各地ITCZR占当地SUMR的百分比达22.6%～34.9%(图略)，呈东南高西北低的分布，东部的琼海和中部山区的保亭为高值中心，保亭最高，北部的临高最低。

2.4 SWTR

SWTR 是夏季海南岛的第三大降水类型，全岛多年平均值为111.9 mm，占全岛SUMR的15.3%。SWTR的空间分布(图1d)表明，其局地性较强，各地一般在20～200 mm 之间，基本呈U 型分布，北、中部地区较多，高值区在北部内陆地区，西、南部地区和东部沿海地区较少，低值中心区在西部沿海的东方。各地SWTR 占当地SUMR 的百分比的空间分布(图略)类似于SWTR 的分布，最低值仍在西部沿海地区,仅4.5%，西部内陆的昌江为5.2%；最高值在北部内陆的定安，达24.8%。

2.5 STHR

STHR 的全岛多年平均值为107.5 mm，占全岛SUMR的14.7%。图1e为STHR的空间分布，其局地性特征亦较明显，各地基本在40～180 mm之间，东北半部地区和西部沿海地区较少，西部沿海的东方最少，西部内陆的昌江和中部山区的保亭为高值中心区。STHR占当地SUMR百分比的空间分布（图略）同样类似于其降水量的分布，但最小值在东北角的文昌，为7.9%，最大值仍位于中部山区的保亭，为20%。

图1 1966—2018年海南岛SUMR(a)、TCR(b)、ITCZR(c)、SWTR(d)和STHR(e)的空间分布(单位：mm)Fig.1 Spatial distribution of(a)SUMR,(b)TCR,(c)ITCZR,(d)SWTR and(e)STHR over Hainan Island during 1996 to 2018(unit:mm).

可见SUMR 的分布形态总体与TCR 最相似，其次是ITCZR。SUMR 的两个大值中心区与TCR 和ITCZR的大值中心区相一致，SWTR 的大值区对北部内陆地区SUMR 也有较大贡献；SUMR 在西部沿海地区的小值中心区主要与ITCZR、SWTR和STHR在该地降水较少有关，而SUMR 在东部沿海地区(万宁)的小值中心区与四种类型降水在该地均较少有关。

3 不同类型降水的变化

图2 为1966—2018 年期间SUMR、TCR、ITCZR、SWTR 和STHR 演变图。表1 为该时段内线性倾向估计的海南岛夏季降水、夏季不同类型降水的检测结果。

从图2 和表1 可以看出，1966 年以来，SUMR 以25.3 mm·(10 a)-1的趋势微弱增加。SUMR的年际波动和阶段性变化均比较明显，最多的年份达到1 258.3 mm(2018 年)，最少的年份仅491.8 mm(2015 年)，SUMR 在20世纪60年代中期至70年代初、80年代、90年代中期至21世纪初基本处于偏少阶段，在其余时段一般处于偏多阶段。

表1 1966―2018年海南岛夏季不同类型降水的线性趋势Table 2 Linear trend of different types of SUMR over Hainan Island from 1966 to 2018.

图2 1966-2018年海南岛夏季不同类型降水变化Fig.2 Changes of different types of SUMR over Hainan Island from 1966 to 2018.

TCR 以1.6 mm·(10 a)-1的趋势微弱增加。TCR 最多的年份676.7 mm (2018 年)，最少的年份64.7 mm(1998年)。TCR在20世纪60年代中期至70年代前期、80年代、90年代后期、21世纪初至10年代中期基本处于偏少阶段，在其余时段基本处于偏多阶段。

ITCZR 则以51.8 mm·(10 a)-1的趋势显著增加。ITCZR年际波动更剧烈，最多的年份528.4 mm(2008年和2012年)，最少的年份仅4.0 mm(1998年)。ITCZR在20世纪60年代中期至70年代初、70年代中期至90年代末基本处于偏少阶段，在其余时段基本处于偏多阶段。

SWTR以9.0 mm·(10 a)-1的趋势弱减少。SWTR最多的年份246.7 mm (1995 年)，最少的年份30.6 mm(1994年)。SWTR在20世纪60年代中后期、70年代后期至80 年代初、80 年代末至90 年代初期基本处于偏少阶段，在其余时段基本处于偏多阶段。

STHR以6.7 mm·(10 a)-1的趋势弱减少。STHR的年际波动也比较剧烈，最多的年份366.0 mm (1998年)，最少的年份0.0 mm(2012 年)。STHR 在20 世纪70年代前中期、80 年代和21 世纪10 年代基本处于偏少阶段，在其余时段基本处于偏多阶段。

综上所述，SUMR 的增加趋势主要归功于ITCZR的显著增加，TCR 对其增加趋势有弱的正贡献，而SWTR和STHR则是负贡献。

4 不同类型降水发生频次及其强度特征

降水的频次和强度是描述降水的另外两个重要特征量，为此也分析了海南岛夏季不同类型降水的频次和强度特征(表2)。可以看到，四类降水中，发生频次最少的是TCR，平均每年仅8.7 d，但其降水强度则最大，达到30.0 mm·d-1；发生频次最多的是ITCZR，平均达16.3 d，其降水强度为次大，为13.2 mm·d-1；SWTR和STHR 的发生频次和强度均较为接近，其中频次约为11 d，强度均明显小于TCR 和ITCZR。由于统计中发现大雨和暴雨以上(含暴雨)的降水对SUMR的贡献率超过50%，因此这里还同时考察了不同类型降水中这两个等级降水发生频次的分布情况。结果表明，TCR和ITCZR的暴雨以上频次分别为1.3 d和0.9 d，分别占整个夏季暴雨以上频次的41.9%和29.0%，而SWTR 和STHR 的均仅占12.9%。大雨频次则是ITC⁃ZR 的最多，为1.9 d，占整个夏季大雨频次的33.9%；TCR的次之，为1.6 d，占28.6%；STHR的最少，为0.9 d，仅占16.1%。很显然，大雨以上的强降水主要是由TCR 和ITCZR 造成的。以下再分析夏季各类型降水频次、大雨和暴雨以上频次的变化趋势。

表2 海南岛夏季不同类型降水的频次和强度(1966―2018年平均)Table 2 Frequency and intensity of different types of SUMR over Hainan Island(average from 1966 to 2018).

从图3 和线性倾向估计(表略)可知，1966 年以来SUMR的降水频次以0.2 d·(10 a)-1的趋势微弱增加；其中ITCZR的以3.6 d·(10 a)-1的趋势显著增加，SWTR和STHR的分别以1.0 d·(10 a)-1和1.1 d·(10 a)-1的趋势显著减少，TCR的以0.5 d·(10 a)-1的趋势弱减少。

图3 1966—2018年海南岛夏季不同类型降水发生频次变化Fig.3 Frequency changes of different types of SUMR over Hainan Island from 1966 to 2018.

1966年以来SUMR的暴雨以上频次以0.1 d·(10 a)-1的趋势弱增加；其中ITCZR 的以0.2 d·(10 a)-1的趋势显著增加，其余三种类型的为弱减少趋势(图4)。

图4 同图3，但为暴雨以上降水发生频次变化Fig.4 As Fig.3,but for frequency changes of torrential rain and above.

同一时期SUMR 的大雨频次也有弱的增加趋势，大约为0.1 d·(10 a)-1，其中ITCZR 的以0.5 d·(10 a)-1的趋势显著增加，其余三种类型的均以0.1 d·(10 a)-1的趋势弱减少(图5)。

图5 同图3，但为大雨发生频次变化Fig.5 As Fig.3,but for frequency changes of heavy rain.

5 不同类型降水对夏季旱涝的影响

为了解不同类型降水与SUMR之间的密切程度，分别计算了它们与SUMR之间的相关系数(表3)。可以看到，TCR 和ITCZR 与SUMR 之间均为显著的正相关关系，且相关均超过0.001的显著性检验；SWTR与SUMR之间则为显著的负相关关系，其相关超过0.01的显著性检验；STHR与SUMR的相关不显著。可见，TCR、ITC⁃ZR、SWTR 与SUMR 的关系密切，同时SWTR 与SUMR之间的密切程度弱于前两者与SUMR之间的密切程度。

表3 海南岛夏季不同类型降水量与夏季降水量的相关系数Table 3 Correlation coefficients between different types of precipitation and SUMR over Hainan Island.

由于SUMR异常与夏季旱涝有紧密联系，进一步对不同类型降水与夏季旱涝的对应关系进行分析。一般SUMR 较多年平均值偏少(多)20%以上常出现夏旱(涝)，因此重点分析这些年份中与SUMR相关显著且占SUMR比重大的TCR和ITCZR两种类型降水异常的情况。

图6 表明，1990 年代以前的涝年(1973、1975 和1980 年)，SUMR 偏多21.7%～26.6%，对其偏多有重要贡献的是TCR，普遍偏多73.3%～102.4%，但作为第二大类型降水的ITCZR在这三年中则普遍偏少36.4%～57.0%。而从1990年代开始的涝年(1991、1994、2001、2016 和2018 年)，SUMR 偏多29.4%～71.9%，TCR 和ITCZR 均对其偏多起重要作用，其中前者普遍偏多36.0%～159.6%，后者普遍偏多20.0%～134.5%。对于旱年(1970、1979、1985、1987、1988、1999 和2015年)，TCR 普遍偏少36.3%～74.4%，ITCZR 除了1 年偏多47.3%外，其余旱年均不同程度偏少，其中大部分年份偏少37.2%～89.9%。

图6 海南岛夏季旱涝年对应的重要类型降水的距平百分率Fig.6 Deviation percentage of important types of precipitation in summer drought and flood years over Hainan Island.

以上分析表明，TCR 和ITCZR 对海南岛夏季旱涝具有重要影响，但对涝年的影响存在年代际变化，这种变化也导致了1990 年代以来SUMR 偏多的幅度增大。这与近53 a 以来ITCZR 的强降水频次显著增加和ITCZR显著增加的趋势是一致的。

6 结论和讨论

(1) 海南岛夏季降水的主要类型有TCR、ITCZR、SWTR 和STHR，它们分别占SUMR 的35.6%、29.4%、15.3%和14.7%。

(2)海南岛夏季不同类型降水及其对SUMR 贡献率的空间分布具有鲜明的特点。其中TCR 呈西北多东南少的分布，其对SUMR 贡献率为西北高中南低的分布。ITCZR 基本呈中间多四周少的分布，其对SUMR的贡献率为东南高西北低的分布。SWTR及其对SUMR 贡献率的分布基本为U 型分布，U 型的中心为高值区，U型的外部为低值区。STHR及其对SUMR贡献率的分布呈东北和西南少、中间多的特点。

(3) 海南岛夏季TCR 发生频次最少，平均每年仅8.7 d，但其降水强度则最大，达到30.0 mm.d-1；ITCZR发生频次最多，平均每年达16.3 d，其降水强度为次大，为13.2 mm.d-1。大雨以上的强降水主要由TCR 和ITCZR造成。

(4)最近53 a海南岛SUMR呈弱的增加趋势，这主要归功于ITCZR的显著增加，TCR的贡献微弱，SWTR和STHR 则为负贡献。SUMR 的频次有微弱增加趋势，其中ITCZR 的频次显著增加，SWTR 和STHR 的频次显著减少，TCR 的频次微弱减少。SUMR 的大雨和暴雨以上频次均为弱的增加趋势，其中ITCZR的相应频次均为显著增加趋势，其余三种类型的相应频次均为弱的减少趋势。

(5)TCR和ITCZR对海南岛夏季旱涝有重要影响，TCR和ITCZR偏少往往出现夏旱，但对涝年的影响存在年代际变化。1990 年代以前主要是TCR 的显著偏多导致海南岛出现夏涝，1990年代开始TCR和ITCZR共同偏多导致海南岛的夏涝，并使得这一时期SUMR偏多的幅度增大。

本文主要分析了海南岛夏季不同类型降水的特征，以及不同类型降水对夏季旱涝的影响，发现了TCR 和ITCZR 对夏季旱涝的重要影响及其对涝年的影响具有年代际变化。下一步将探讨不同年代际背景下海南岛夏季涝年大气环流的异常特征，以及与之相关联的关键行星尺度天气系统和可能的外强迫因子的配置情况，为海南岛夏季涝年的预测提供新的参考依据。