薛積彬, 黃雪芳, 鐘 巍

(華南師范大學地理科學學院，廣州 510631)

雷州半島地處中國大陸南端，東、南、西三面環(huán)海. 半島年平均氣溫約23.3 ℃,雖然年平均降水量(1 640 mm/a)較高，但年均蒸發(fā)量(1 700 mm)也高. 該地區(qū)屬北熱帶季風氣候，常年受熱帶海洋暖濕氣流影響，干、濕季明顯. 雖然該區(qū)年降水較豐沛，但年際變化大，時空分配不均，季節(jié)差異明顯. 由于地處低緯度，氣溫高、日照時間長、太陽輻射強、蒸發(fā)和作物蒸騰量大，特別是半島夏季以熱帶氣旋、熱帶輻合帶等系統(tǒng)影響降水為主，降水復(fù)雜多變、不穩(wěn)定. 在全球變暖大背景下, 氣溫上升引起蒸發(fā)潛力的變化能夠?qū)Φ乇頋駶櫊顩r產(chǎn)生重要作用，所以不同程度的干旱時有發(fā)生，甚至出現(xiàn)秋—冬—春連旱，干旱已然成為限制該地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展的主要自然災(zāi)害之一. 目前，國內(nèi)外學者對區(qū)域干旱變化規(guī)律及其趨勢、成因等方面進行了大量研究. 如采用ISDI[1]和Palmer Drought Severity Index (PDSI)[2]等指標能夠較好反映氣候的干濕變化[3-4].利用總降水與蒸發(fā)來定義干濕指數(shù)[5]或者根據(jù)降水與蒸發(fā)相對變率比值[6]來探討區(qū)域干濕變化格局等. 馬柱國和任小波[7]利用160個站的月降水和月均溫資料，對中國不同區(qū)域近56年氣候要素變化及其與干旱化進行了研究，認為當前我國大部分地區(qū)正處于一個干旱化過程，只是不同地區(qū)干濕變化特征及干旱化的持續(xù)時間和位相有差異.

近年來，對廣東省不同歷史時期和現(xiàn)代的氣候環(huán)境變化研究也取得了一些成果[8-10]. Chu等[9]根據(jù)湖光巖沉積記錄分析，發(fā)現(xiàn)雷州半島地區(qū)中世紀暖期氣候偏干，尤其在AD 670—760年與AD 880—1260年2個干旱期表現(xiàn)最為明顯，氣候變化呈現(xiàn)出暖干—冷濕的組合特征. Zeng等[10]同樣通過對湖光巖瑪珥湖巖芯總有機碳、總氮、無機碳以及非殘渣太鍶的分析，研究了該地區(qū)小冰期降水變化特征，同樣發(fā)現(xiàn)小冰期(約過去500年)期間該地區(qū)表現(xiàn)為冷濕氣候態(tài). 由于來自雷州半島北部湖光巖的沉積記錄揭示該地區(qū)過去500年呈現(xiàn)出暖干—冷濕的水熱組合氣候特征(這顯然有悖于傳統(tǒng)認為的季風區(qū)“暖濕—冷干”的水熱組合特征)，那么該地區(qū)在過去50年中的季節(jié)變化、年際以及年代際等不同時間尺度上的氣候水熱組合狀況會呈現(xiàn)什么狀態(tài)？其氣候變化可能與哪些因素有關(guān)？本文利用雷州半島北部代表性站點——湛江市過去50年中的日降水量、氣溫、蒸發(fā)量和相對濕度等氣象資料探討了該地區(qū)的干濕變化、水熱組合特征及其可能的影響因素.

1 材料與方法

1.1 資料來源

湛江市的日氣象數(shù)據(jù)來自廣東省氣象局，依據(jù)資料的連續(xù)性及最長時段性等標準，選取了該站點過去50年的日降水量、月氣溫、相對濕度和最小蒸發(fā)量等數(shù)據(jù)，通過數(shù)理統(tǒng)計方法[11]建立了該地區(qū)的干濕指數(shù)序列. 另外，ENSO活動的表征指標選用熱帶太平洋Nino3.4(5°S-5°N,170°W-120°W)海表溫度(SST)和南方濤動指數(shù)(SOI)，數(shù)據(jù)來自美國國家海洋和大氣局 (National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)氣候預(yù)測中心(CPC).

1.2 數(shù)據(jù)處理

利用湛江近50年來的降水、溫度、濕度以及小型蒸發(fā)量等數(shù)據(jù)，探討該地區(qū)水熱變化特征及其影響因素. 通過對不同定義方法所得干濕指數(shù)[5-7]進行合理性、適應(yīng)性對比分析，最終選取潘淑坤等[11]的干濕指數(shù)定義方法以構(gòu)建湛江地區(qū)近50年來氣候干濕演化序列. 該干濕指數(shù)[12]定義方法如下：

S=vn/σn-vr/σr，

式中，S是干濕指數(shù)，vn和σn分別是無雨日數(shù)的距平和均方差，vr和σr分別是降水量的距平和均方差. 根據(jù)此方法定義的干濕指數(shù)等級及其意義列于表1.

表1 不同干濕指數(shù)等級及其意義Table 1 Grades of humidity index and their significance

將上述方法建立的過去50年湛江干濕演化序列進行Mann-Kendall突變檢驗(M-K法)、連續(xù)小波變換以及相關(guān)性分析等數(shù)理統(tǒng)計分析，探討該區(qū)氣候干濕變化、水熱組合特征及其與ENSO活動之間的可能關(guān)系.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同方法所建干濕指數(shù)序列的對比

針對不同的研究側(cè)重點，對干濕程度的界定也有不同方法. 比如有的以河流徑流量豐枯等級來劃分干旱程度[12]；有的以土壤濕度大小確定干旱程度[13]；有利用降水、田間持水量差額和土壤最大有效含水量的比值計算不同地區(qū)的干濕指數(shù)[14-15]. 與潘淑坤等[12]的定義方法相比，吳愛敏等[6]利用總降水量變率和蒸發(fā)量的變率來計算干濕指數(shù)，并將干濕指數(shù)等級分為5級：K≥-0.5，重旱； -1.0≤K<-0.5，中旱； -1.5≤K<-1.0，輕旱；-2.0≤K<-1.5，適宜；K<-2.0，濕潤. 在此，本文根據(jù)吳愛敏等[6]定義的干濕指數(shù)2與潘淑坤等[11]定義的干濕指數(shù)1進行比較(圖1)可知，2條曲線總體上表現(xiàn)出良好的一致性，所揭示的干濕變化趨勢基本一致. 鑒于雷州半島地區(qū)區(qū)域水文特征明顯，地表差異大，且由于降水量距平百分率僅考慮降水量因素，相對濕度僅考慮蒸發(fā)量(與溫度、緯度相關(guān))而沒有考慮前期降水的滯后效應(yīng)，故本文采用潘淑坤等[11]定義的干濕指數(shù)來構(gòu)建湛江過去50年中的干濕變化序列，并對其做了進一步分析.

圖1 湛江兩種干濕指數(shù)對比

2.2 近50年湛江地區(qū)氣候干濕變化特征

過去50年湛江市干濕變化序列如圖2所示. 線性擬合趨勢表明，近50年來湛江地區(qū)干濕指數(shù)值整體上呈現(xiàn)出上升趨勢，表明該地區(qū)干旱化程度進一步加劇,特別是21世紀初氣候偏干趨勢更加顯著. 從多年變化趨勢來看，過去50年中該地區(qū)的干濕變化大致可以分為5個階段：第一階段為1961—1968年，該時期干旱化程度較高；第二階段為1969—1985年，該時期氣候環(huán)境總體上偏濕潤；第三階段為1986—1996年，該時期氣候特征總體以偏干為主，干濕變化年際變化波動較大；第四階段為進入21世紀以來，自本世紀初以來該地區(qū)氣候變化總體上偏干且干旱化程度偏高.

圖2 1961—2008年湛江干濕指數(shù)年際變化

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

注：圖中斜直線表示線性擬合；灰色曲線表示四點平滑濾波.

為了進一步明確氣候干濕突變開始的時間,采用Mann-Kendall檢驗法(簡稱M-K法[16-17])進行了雙邊趨勢檢驗(圖3). 由圖3A可看出自90年代中期以來，湛江市年干濕指數(shù)值整體呈上升趨勢，特別是2000年以來上升趨勢更加顯著，與圖2結(jié)果顯示一致，表明20 世紀90年代中后期到21世紀初雷州半島地區(qū)氣候干旱的發(fā)生頻率有了突發(fā)性上升，進入了一個相對偏干的氣候態(tài). 圖3C顯示，雷州半島近50年來氣溫在上升過程中出現(xiàn)了突變，特別是在80年代中后期為突變點分布時段,但降水序列在95%的置信水平上升不明顯. 總體上，雷州半島近50年來的干旱化趨勢較明顯，且20世紀90年代末至21世紀初最為顯著.

圖3 湛江干濕指數(shù)(A)、降水(B)和氣溫(C)序列的M-K突變檢驗

2.3 湛江地區(qū)季節(jié)、年際及年代際水熱組合特征

近500年來的古氣候記錄顯示，雷州半島地區(qū)表現(xiàn)出不同于典型季風區(qū)水熱組合的特征，后者表現(xiàn)為暖濕—冷干的氣候變化特征，而雷州半島地區(qū)則表現(xiàn)出暖干—冷濕的氣候特征[9-10]. 鄒仁愛等[18]對雷州半島徐聞氣象站年降水量進行趨勢項和周期項提取，認為雷州半島的年降水量幾乎不存在趨勢成分,表明影響該地區(qū)降水量的因素基本保持穩(wěn)定，且存在一定的周期變化,主要表現(xiàn)為2年、4年和10年3個顯著周期.對月均溫、降水量、蒸發(fā)以及干濕指數(shù)對比分析，得到該區(qū)在近50年來氣候水熱組合的季節(jié)變化特征(圖4).降水明顯集中在4～9月，而相應(yīng)月份的氣溫及蒸發(fā)量也均為1年中的高值，特別是6、8月份降水量與干濕指數(shù)呈最顯著反相位關(guān)系.總的來看，在季節(jié)變化上，雷州半島地區(qū)水熱組合特征表現(xiàn)為雨熱同期，與典型季風區(qū)氣候特征一致.

對比該地區(qū)氣候水熱組合在年際以及年代際時間尺度上呈現(xiàn)的特征可知(圖5)，雷州半島地區(qū)在60年代主要表現(xiàn)為暖干—涼濕組合特征，而自70年初至80年代中期氣候呈暖濕—涼干的年際變化特征. 到了20世紀初期氣候偏干，主要表現(xiàn)為暖干—涼濕的水熱組合特征. 從年代際的水熱組合情況來看，在60年代期間，年代際與年際變化呈現(xiàn)一致性，均為暖干—涼濕特征；70年代至80年代中期氣候水熱組合狀況，年代際時間尺度上傾向于呈暖干—涼濕，這與年際尺度上的暖濕—涼干特征截然相反；90年代的水熱組合呈暖濕—涼干特征，同樣異于年際變化特征；20世紀該地區(qū)氣候呈暖干—涼濕的水熱組合特征.

圖4 湛江季節(jié)干濕組合

圖5 湛江年際、年代際干濕組合變化

由上述可知，近50年湛江地區(qū)氣候在季節(jié)、年際以及年代際3個不同時間尺度上表現(xiàn)出并非一致的水熱組合特征，且同一時代的年際與年代際之間也存在顯著差異. 總之，該區(qū)季節(jié)性氣候水熱組合特征呈明顯的暖濕—涼干特征，而在年際、年代際時間尺度上，水熱狀況則表現(xiàn)出暖濕—涼干與暖干—涼濕等多種不同的水熱組合特征.

2.4 湛江地區(qū)干濕變化與ENSO的可能關(guān)系

ENSO活動作為一種大尺度的?！獨庀嗷プ饔矛F(xiàn)象，能夠?qū)θ驓夂颦h(huán)境變化產(chǎn)生重要影響. 研究[19-20]表明，許多地區(qū)的氣候變化都與ENSO 事件具有較強關(guān)聯(lián)性,進而引起區(qū)域水文、生態(tài)等各方面的變化，且中國的降水和溫度異常與ENSO 存在一定的關(guān)系[21]. 那么，雷州半島地區(qū)的氣候干濕變率是否也與ENSO活動有一定關(guān)聯(lián)？

采用小波分析方法對Nino 3.4區(qū)海溫(SST)、南方濤動指數(shù)(SOI)以及湛江干濕指數(shù)進行分析. 圖5A表明湛江地區(qū)氣候干濕變化存在顯著的2～3 a的短周期，這與圖5B、C所揭示的同一時期南方濤動指數(shù)以及Nino 3.4區(qū)SST的小波分析結(jié)果較一致，說明該區(qū)域的氣候干濕變化可能在一定程度上與ENSO活動具有某種關(guān)聯(lián). 蘇明峰[22]等對1951—2000年中國氣候干濕變化率和ENSO 關(guān)系的穩(wěn)定性分析認為,中國氣候干濕變化率和ENSO 之間在3～8 a變化周期上存著很好的相關(guān)性, 但這種相關(guān)性不穩(wěn)定,存在年代際變化.本文結(jié)果支持上述觀點.

圖6 干濕指數(shù)、SOI及SST的小波分析

3 結(jié)論

利用雷州半島北部湛江市1961—2008年的日降水、氣溫、相對濕度、蒸發(fā)量等數(shù)據(jù)，構(gòu)建了該地區(qū)過去50年中的干濕變化序列，進而通過Mann-Kendall趨勢分析、小波分析等方法，分析了近50年來湛江地區(qū)水熱變化特征及其與ENSO活動的可能關(guān)系. 研究得出以下結(jié)果：

(1)在1961—2008年期間，雷州半島北部地區(qū)氣候趨向暖干，特別是自20世紀90年代中后期以來氣候干旱化趨勢愈加顯著，并在2002年左右出現(xiàn)突變性轉(zhuǎn)折.

(2)近50年來該地區(qū)的氣候水熱組合特征在季節(jié)變化上主要表現(xiàn)為暖濕—涼干組合. 然而，在年際與年代際時間尺度上，該地區(qū)的水熱組合狀況則表現(xiàn)出暖濕—涼干以及暖干—涼濕等多種不同的水熱組合特征，且在年際與年代際尺度上的水熱組合狀況有時并不一致.

(3)1961—2008年雷州半島北部地區(qū)氣候干濕變化和ENSO 指標在年際變化周期上存在良好的對應(yīng)關(guān)系，連續(xù)小波分析揭示了該地區(qū)的干濕變化存在顯著的2～3年短周期，可能與同一時期ENSO活動具有一定的關(guān)聯(lián)性.

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