羅紅霞， 戴聲佩， 李茂芬， 謝錚輝

(1.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技信息研究所/海南省熱帶作物信息技術(shù)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南儋州 571737；2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 101010)

聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change，簡(jiǎn)稱IPCC)第四次評(píng)估報(bào)告指出，過(guò)去100年地表溫度升高了0.74 ℃，變暖幅度自20世紀(jì)90年代以來(lái)明顯加速。氣候變暖已經(jīng)成為全世界人們關(guān)注的焦點(diǎn)，越來(lái)越多的學(xué)者加入到研究氣候變化的行列中[1]。海南島地處東亞大陸東南端，屬熱帶季風(fēng)性氣候，年均氣溫22～26 ℃，年降水量1 600 mm以上，其中8、9月份降水最為充沛，素有“東方夏威夷”之稱。2010年國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)建立海南島為國(guó)際旅游島，使海南島的經(jīng)濟(jì)與文化發(fā)展速度更快，同時(shí)也對(duì)海南島的氣候環(huán)境提出了更高、更多的要求。了解海南島不同區(qū)域的氣候變化特征，充分利用氣候資源要素，對(duì)于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、合理開(kāi)發(fā)島內(nèi)旅游資源等都有相當(dāng)重要的作用。

近年來(lái)，有學(xué)者對(duì)海南島氣候變化特征開(kāi)展了系列研究[2-10]，結(jié)果表明，海南島氣溫(平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫)總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；各氣候區(qū)降水量變化大，但總體仍呈增加趨勢(shì)，其中南部增長(zhǎng)率最高；海南島平均風(fēng)速、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)和蒸發(fā)量降低趨勢(shì)明顯。盡管相關(guān)學(xué)者已開(kāi)展過(guò)關(guān)于海南島不同氣候區(qū)域的氣候變化特征研究，但這些研究較為深入的氣候因子主要是氣溫和降水，雖然對(duì)諸如日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度因子有部分報(bào)道，卻主要集中于研究其變化趨勢(shì)，對(duì)于其突變情況及未來(lái)變化等并未開(kāi)展研究，因此有必要對(duì)海南島各氣候區(qū)多氣候因子進(jìn)行綜合探討。鑒于以上原因，本研究采用1959—2015年海南島7個(gè)氣象站點(diǎn)的平均氣溫、平均最低氣溫、平均最高氣溫、極端最低氣溫、極端最高氣溫、平均相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、降水量等8項(xiàng)氣候要素作為分析指標(biāo)，應(yīng)用之前海南島的氣候區(qū)劃成果，研究海南島的氣候變化特征，基于Mann-Kendall法分析各氣候要素的突變性，基于變標(biāo)度極差分析法(rescaled range analysis，簡(jiǎn)稱 R/S 分析)及Hurst指數(shù)試驗(yàn)法對(duì)各氣候要素的未來(lái)變化趨勢(shì)作出一定的推斷及預(yù)測(cè)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

1.1 研究區(qū)域氣候區(qū)劃分

考慮到海南島復(fù)雜的地形氣候差異性，為了對(duì)海南島氣候變化進(jìn)行區(qū)域差異性分析，筆者將海南島劃分為如圖1所示5個(gè)氣候區(qū)[6]：①東北區(qū)，屬于較濕潤(rùn)的大風(fēng)氣候區(qū)，主要位于瓊山、文昌沿岸臺(tái)地；②西北區(qū)，屬于較干燥的大風(fēng)氣候區(qū)，主要位于儋州、臨高沿岸臺(tái)地；③中部山區(qū)，屬于涼爽濕潤(rùn)氣候區(qū)，主要位于瓊中、昌江、保亭屯昌等市(縣)；④東南區(qū)，屬于常臺(tái)風(fēng)、多雨、大風(fēng)氣候區(qū)，主要位于瓊海、萬(wàn)寧沿岸；⑤西南區(qū)，屬于干熱大風(fēng)地區(qū)，主要位于東方、樂(lè)東、三亞等市(縣)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)的海南島1959—2015年的月度數(shù)據(jù)，包括平均氣溫、平均最低氣溫、平均最高氣溫、極端最低氣溫、極端最高氣溫、平均相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、年降水量8項(xiàng)氣候要素。對(duì)于出現(xiàn)缺測(cè)或異常值的數(shù)據(jù)，采用線性回歸法進(jìn)行插補(bǔ)。運(yùn)用平均值方法形成8項(xiàng)氣候要素在1959—2015年時(shí)間序列的數(shù)據(jù)集。

1.3 研究方法

應(yīng)用線性回歸分析、氣候傾向率揭示海南島的氣候變化特征；運(yùn)用Mann-Kendall和滑動(dòng)t檢驗(yàn)法揭示氣候變化規(guī)律；最后采用R/S分析方法對(duì)海南島氣候的未來(lái)變化趨勢(shì)作出科學(xué)預(yù)測(cè)。

1.3.1 氣候傾向率 氣象要素x的趨勢(shì)變化用一次回歸方程表示，公式如下：

xi=a+bti。

(1)

式中：xi表示樣本量i的某一氣候變量；ti表示xi對(duì)應(yīng)的時(shí)間；a表示回歸常數(shù)；b表示回歸系數(shù)，即線性趨勢(shì)項(xiàng)，b>0表示x隨著時(shí)間t的增加而增加，反之則隨時(shí)間t的增加而減小；b×10為氣候傾向率，表示某氣候變量每10年的變化速率。

1.3.2 Mann-Kendall突變檢驗(yàn) 本研究采用Mann-Kendall非參數(shù)趨勢(shì)檢驗(yàn)方法對(duì)氣候要素進(jìn)行時(shí)間序列突變檢驗(yàn)。在趨勢(shì)檢驗(yàn)中，原假設(shè)H0表示數(shù)據(jù)集X的數(shù)據(jù)樣本獨(dú)立同分布，沒(méi)有趨勢(shì)存在?？蛇x假設(shè)H1表示數(shù)據(jù)集X存在1個(gè)單調(diào)的趨勢(shì)。Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)如下[11-12]：

對(duì)于具有n個(gè)樣本量的時(shí)間序列X，構(gòu)造一秩序列：

(2)

其中：

式中：xi、xj分別表示氣象數(shù)據(jù)集中的相應(yīng)i、j序列所對(duì)應(yīng)的數(shù)值。

可見(jiàn)秩序列Sk是第i時(shí)刻數(shù)值大于第j時(shí)刻數(shù)值數(shù)量的累計(jì)數(shù)。在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下，定義統(tǒng)計(jì)量：

(3)

式中：UF1=0；E(Sk)、Var(Sk)分別是累計(jì)數(shù)Sk的均值、方差，在x1，x2，…，xn相互獨(dú)立，且有相同連續(xù)分布時(shí)，由式(4)計(jì)算可得：

(4)

UFk是按時(shí)間序列x的順序x1，x2，…，xn計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量序列，給定顯著性水平α，若|UFk|>Uα，則表明序列存在明顯的趨勢(shì)變化。

按時(shí)間序列x逆序xn，xn-1，…，x1，再重復(fù)上述過(guò)程，同時(shí)使UBk=-UFK；k=n,n-1,…,1；UB1=0。

若UFk大于0，表明序列呈上升趨勢(shì)；若UBk或UFk超過(guò)臨界值(顯著水平為0.05)時(shí)，表明上升或下降趨勢(shì)顯著；將超過(guò)臨界線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時(shí)間區(qū)域。若UFk、UBk2條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，并且在臨界線之間，則交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻便是突變開(kāi)始的時(shí)間。

1.3.3 R/S分析法 R/S分析方法由英國(guó)科學(xué)家Hurst提出，后來(lái)經(jīng)Mandelbrot與Wallis對(duì)其進(jìn)一步完善，最終發(fā)展成為研究時(shí)間序列的分形理論。其主要原理如下：

給定一時(shí)間序列{ζ(t)}，t=1，2，…，n對(duì)于任意正整數(shù)τ=1，定義均值序列：

(5)

累積離差：

(6)

極差：

(7)

標(biāo)準(zhǔn)差：

(8)

若存在如下關(guān)系：R/S∝τH，則說(shuō)明所分析的時(shí)間序列存在Hurst現(xiàn)象，H值稱為Hurst指數(shù)，其值可在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系(lnτ，ln(R/S))中用最小二乘法擬合得到。R/S分析法主要依據(jù)Hurst指數(shù)的大小，判斷時(shí)間序列是完全隨機(jī)的抑或是存在趨勢(shì)性成分。若H=0.5，表明該時(shí)間序列氣候要素獨(dú)立分布，變化完全獨(dú)立；若0

表1 Hurst指數(shù)強(qiáng)度分類

2 海南島各氣候要素變化特征

2.1 海南島氣溫變化特征

由圖2可以看出，海南島各氣候區(qū)的平均最高氣溫、平均最低氣溫、平均氣溫總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)(除西南區(qū)的三亞站)，且平均氣溫、平均最低氣溫通過(guò)α=0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，上升趨勢(shì)明顯。從年平均氣溫的總體增幅來(lái)看，平均最低氣溫增幅最大，平均最高氣溫增幅最小。在5個(gè)氣溫指標(biāo)中，除三亞的所有氣候區(qū)極差均表現(xiàn)為極端最低氣溫極差>極端最高氣溫極差>平均最低氣溫極差，表明整個(gè)海南島極端最低氣溫的波動(dòng)最大。而西南區(qū)極端最低氣溫、極端最高氣溫、平均最低氣溫、平均最高氣溫、平均氣溫大于其他氣候區(qū)，反映了海南島西南區(qū)氣溫波動(dòng)幅度較其他氣候區(qū)大。

2.1.1 極端最高氣溫 除海南島西南區(qū)外，年極端最高氣溫在東北區(qū)、西北區(qū)、中部山區(qū)、東南區(qū)均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但只有東南區(qū)的2個(gè)站點(diǎn)通過(guò)α=0.01、0.001水平的假設(shè)檢驗(yàn)。西南區(qū)的東方、三亞極端最高氣溫在近60年來(lái)呈下降趨勢(shì)，其氣候傾向率分別為-0.128、-0.188 ℃/10年，但2個(gè)站點(diǎn)均未通過(guò)α=0.05水平的假設(shè)檢驗(yàn)。

2.1.2 極端最低氣溫 由表2可以看出，海南島各氣候區(qū)年極端最低氣溫均上升，在各氣候區(qū)中上升幅度最大的為西南區(qū)的東方站點(diǎn)，為0.671 ℃/10年，上升幅度最小的瓊海的增長(zhǎng)速率也達(dá)到了0.373 ℃/10年。其中?？?、儋州、瓊中、瓊海、陵水、東方6個(gè)站點(diǎn)均通過(guò)α=0.001水平的假設(shè)檢驗(yàn)，三亞站點(diǎn)通過(guò)了α=0.05水平的假設(shè)檢驗(yàn)。2007—2008年的拉尼娜事件使得整個(gè)海南島出現(xiàn)持續(xù)偏冷的天氣，其中三亞最為明顯。這與何溪澄等報(bào)道的在拉尼娜影響下我國(guó)南方溫度偏冷的結(jié)果一致[14]。西南氣候區(qū)的極差最大，東方、三亞的極差分別為9.00、10.40 ℃；極差最小的是瓊海，為 6.30 ℃(表2)。

2.1.3 平均最低氣溫 由表2還可看出，在海南島年平均最低氣溫方面，所有站點(diǎn)均呈現(xiàn)出增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，具體增長(zhǎng)率：海口0.308 ℃/10年、儋州0.313 ℃/10年、瓊中0.350 ℃/10年、瓊海0.308 ℃/10年、陵水0.217 ℃/10年、東方0.351 ℃/10年、三亞0.036 ℃/10年，上升幅度最大的是東方、瓊中站點(diǎn)，除三亞站點(diǎn)外其他6個(gè)站點(diǎn)的增長(zhǎng)趨勢(shì)均通過(guò)了α=0.001水平的顯著性檢驗(yàn)。通過(guò)計(jì)算各氣候區(qū)的極差發(fā)現(xiàn)，西南區(qū)的極差較其他地區(qū)更大，這也表明西南區(qū)的年平均最低氣溫波動(dòng)更大。

2.1.4 年平均氣溫 海口、儋州、瓊中、瓊海、陵水、東方6個(gè)站點(diǎn)的年平均氣溫整體均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，且全部通過(guò)了α=0.001 水平的假設(shè)檢驗(yàn)，增長(zhǎng)率分別為0.223、0.235、0.254、0.246、0.202、0.232 ℃/10年，三亞年平均氣溫呈下降趨勢(shì)，降幅為0.145 ℃/10年，但這種下降趨勢(shì)并未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。三亞年平均氣溫極差達(dá)到4.81 ℃，比極差最小的陵水高2.81 ℃(表2)。

2.1.5 平均最高氣溫 ?？?、儋州、瓊中、瓊海、陵水、東方、三亞年平均最低氣溫的氣候傾向率分別為0.117、0.138、0.134、0.201、0.194、0.063、-0.262 ℃/10年，可以看出，除了三亞站點(diǎn)，其他所有氣候區(qū)的年平均最高氣溫均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中?？?、儋州、瓊中、瓊海、陵水5個(gè)站點(diǎn)的增長(zhǎng)趨勢(shì)通過(guò)了α=0.05、0.01或0.001水平的顯著性檢驗(yàn)。西南區(qū)三亞的極差最大，達(dá)到5.62 ℃；最小的是陵水，其極差為2.18 ℃(表2)。

2.2 海南島平均相對(duì)濕度變化特征

由圖2還可以看出，在1959—2015年間，海南島?？?、儋州、瓊中、瓊海、陵水、東方的平均相對(duì)濕度均呈現(xiàn)出不同程度的下降趨勢(shì)，均通過(guò)α=0.001水平的顯著性檢驗(yàn)，其傾向率分別為-0.882%、-0.551%、-0.547%、-0.905%、-0.648%、-0.708%/10年，瓊海地區(qū)相對(duì)濕度的下降幅度最大，表明瓊海地區(qū)這些年來(lái)變得越來(lái)越干。主要是因?yàn)殡S著城市化進(jìn)程的加速，下墊面變?yōu)樗苄孕〉乃嗟?，大氣降水迅速輸入下水道，而白天的建筑材料接收輻射能量后快速升溫，?dǎo)致城市溫度升高。同時(shí)，由于城市綠地面積的減少，使植物的蒸騰向大氣輸送的水汽量減少，從而使得相對(duì)濕度減少[15]。三亞站點(diǎn)的相對(duì)濕度波動(dòng)幅度較大，總體來(lái)看，三亞站點(diǎn)的平均相對(duì)濕度在57年來(lái)呈增加趨勢(shì)，但并未通過(guò)α=0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，1959—2008年的曲線較為平緩，但變化幅度不大，自2008年來(lái)急劇增加，增長(zhǎng)率為21.64%。

2.3 海南島年日照時(shí)數(shù)變化特征

總體來(lái)看，海南島在1959—2015年間，中部山區(qū)瓊中站點(diǎn)的年日照時(shí)數(shù)以61.840 h/10年的速率在增加，且通過(guò)α=0.001水平的假設(shè)檢驗(yàn)，表明海南島中部山區(qū)日照時(shí)數(shù)增加趨勢(shì)明顯。其他氣候區(qū)6個(gè)站點(diǎn)均呈現(xiàn)不同趨勢(shì)的減少，傾向率絕對(duì)值表現(xiàn)為?？?97.990 h/10年)>陵水(86.640 h/10年)>三亞(79.500 h/10年)>瓊海(67.070 h/10年)>儋州(28.340 h/10年)>東方(20.490 h/10年)，6個(gè)站點(diǎn)中僅有西南區(qū)的東方站點(diǎn)未通過(guò)α=0.01或0.001水平的假設(shè)檢驗(yàn)，這也表明海南島東北區(qū)、西北區(qū)、東南區(qū)日照時(shí)數(shù)下降趨勢(shì)明顯。主要因?yàn)殡S著城市化的發(fā)展，大氣污染增加，城市熱島效應(yīng)導(dǎo)致上升氣流增強(qiáng)，攜帶到大氣中的污染顆粒增多，從而造成城市上空的云量增多，進(jìn)而引起日照時(shí)數(shù)的減少[15-16]。西南區(qū)三亞、中部山區(qū)最大日照時(shí)數(shù)與最小日照時(shí)數(shù)之間的差值較大，分別為 102.62、88.97 h，西南區(qū)東方的差值最小，為50.54 h，最大值與最小值的比值達(dá)到2.03。

2.4 海南島降水量的變化特征

由圖2可以看出，1959—2015年間海南島各氣候區(qū)的降水量除瓊中外，其他地區(qū)均呈現(xiàn)不同程度的增長(zhǎng)，具體表現(xiàn)為三亞(84.820 mm/10年)>海口(57.480 mm/10年)>儋州(52.010 mm/10年)>陵水(46.880 mm/10年)>瓊海(38.590 mm/10年)>東方(24.190 mm/10年)。然而各氣候區(qū)年降水量波動(dòng)較大，年降水量除三亞站點(diǎn)外，均未通過(guò)α=0.01水平的假設(shè)檢驗(yàn)。5個(gè)氣候區(qū)中中部山區(qū)最大降水量與最小降水量的極差最大，達(dá)到196.74 mm。由結(jié)果可以看出，總體降水量的波動(dòng)性較大，降水量的無(wú)規(guī)律性可能是由降水空間分布的隨機(jī)性、區(qū)域性和復(fù)雜性造成的[6，17]。

3 海南島各氣候要素突變特征

由表3可知，海南島各氣候區(qū)的氣溫突變有一定的差異，極端最低氣溫只有東北區(qū)和東南區(qū)的陵水有突變點(diǎn)，突變年份分別為1987、1994年，東北區(qū)的突變年份早于東南區(qū)；以東北區(qū)例，突變前的極端最低氣溫為6.4 ℃，突變后為9.9 ℃，突變后比突變前增加54.69%，突變前后的極端氣溫差異明顯。極端最高氣溫在5個(gè)氣候區(qū)均有突變現(xiàn)象發(fā)生，突變時(shí)間最早的是西北區(qū)(1979年)，中部山區(qū)發(fā)生突變的時(shí)間最晚(2005年)。平均最低氣溫有東北區(qū)、西北區(qū)、東南區(qū)陵水、西南區(qū)三亞發(fā)生突變，時(shí)間分別為1987、1995、1994、1982年。年平均最高氣溫均有突變現(xiàn)象發(fā)生，西南區(qū)的三亞突變發(fā)生時(shí)間最早(1977年)，中部山區(qū)的突變發(fā)生時(shí)間最晚(2002年)。年平均氣溫有東北區(qū)、東南區(qū)瓊海、西南區(qū)東方、西南區(qū)三亞發(fā)生突變，對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別為1987、1993、1990、1980年。東北區(qū)的突變時(shí)間與陳小麗等研究的海南島全島近42年(1961—2002年)平均氣溫的突變時(shí)間吻合[2]。西南區(qū)三亞的突變點(diǎn)比我國(guó)年平均氣溫突變點(diǎn)(1978年)推遲了2年[18]，其他地區(qū)的年平均氣溫突變點(diǎn)均在尹云鶴等提出的我國(guó)氣候發(fā)生突變的時(shí)間(1989年)[19]附近徘徊。這說(shuō)明在20世紀(jì)80年代該區(qū)氣溫出現(xiàn)了突發(fā)性的上升，經(jīng)歷了一個(gè)相對(duì)偏暖的氣候態(tài)，而這與全國(guó)及全球性的氣候變暖有直接聯(lián)系[20-21]。

海南島所有氣候區(qū)的平均相對(duì)濕度的UF曲線均超過(guò) 0.05 顯著水平的信度線。西北區(qū)、中部山區(qū)、東南區(qū)瓊海、東南區(qū)陵水、西南區(qū)東方、西南區(qū)三亞突變對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別為1986、1997、2000、1992、1996、1961年，相對(duì)濕度突變前后變化幅度分別為5%、1%、-1%、1%、-2%、2%。東北區(qū)相對(duì)濕度不存在突變現(xiàn)象。西北區(qū)、中部山區(qū)、東南區(qū)瓊海、東南區(qū)陵水、西南區(qū)東方、西南區(qū)三亞日照時(shí)數(shù)發(fā)生突變，突變年份分別為1966、1993、1993、1993、1973、2008年。以上地區(qū)日照時(shí)數(shù)突變前分別為181.3、163.7、174.4、173.7、220.3、205.1 h，突變后分別為152.3、154.2、162.6、190.8、215.9、200.5 h。東北區(qū)日照時(shí)數(shù)未發(fā)生明顯突變。降水量只有西南區(qū)東方、三亞有突變發(fā)生，突變年份為1995年，表現(xiàn)為突變后降水量增多，降水量在突變前分別為103.7、124.6 mm，在突變后分別為113.6、131.8 mm(表3)。

表2 海南島8項(xiàng)氣候要素的傾向率、決定系數(shù)和極差

注：“*”“**”“***”分別表示通過(guò)顯著性水平為0.05、0.01、0.001的檢驗(yàn)。下表同。

表3 海南島8項(xiàng)氣候要素的突變年份

注：“*”“**”分別表示通過(guò)0.05、0.01顯著性水平的檢驗(yàn)。

4 海南島各氣候要素R/S分析及Hurst指數(shù)試驗(yàn)

4.1 海南島各氣候要素R/S分析

由表4可以得出，海南島各氣候要素的R/S整體分析結(jié)果：(1)極端最低氣溫的Hurst指數(shù)為-4級(jí)的有瓊海，-3級(jí)的有?？?、儋州、瓊中、陵水、東方和三亞，反向持續(xù)性均較強(qiáng)。從海南島平均相對(duì)濕度長(zhǎng)時(shí)間序列的變化趨勢(shì)來(lái)看，均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。極端最高氣溫的Hurst指數(shù)為1級(jí)的有東方，表現(xiàn)出很弱的同向持續(xù)性；-3級(jí)的有儋州和三亞，-4級(jí)的有?？凇偤：土晁?，-5級(jí)的有瓊中，均表現(xiàn)出較強(qiáng)的反向持續(xù)性。年平均氣溫的Hurst指數(shù)為-1級(jí)的有三亞，表現(xiàn)出很弱的反向持續(xù)性；-2級(jí)的有瓊中，表現(xiàn)出較弱的反向持續(xù)性；-3級(jí)的有?？凇①僦?、瓊海、陵水和東方，均表現(xiàn)出較強(qiáng)的反向持續(xù)性，表明這些站點(diǎn)的增溫趨勢(shì)會(huì)有較大程度的減弱。年平均最低氣溫的Hurst指數(shù)為-2級(jí)的有?？凇傊?、陵水、三亞，表現(xiàn)出較弱的反向持續(xù)性；-3級(jí)的有儋州、瓊海，-4級(jí)的有東方，表現(xiàn)出較強(qiáng)的反向持續(xù)性。年平均最高氣溫的Hurst指數(shù)為-2級(jí)的有陵水、東方和三亞，表現(xiàn)出較弱的反向持續(xù)性；-3級(jí)的有?？?、儋州、瓊中、瓊海，表現(xiàn)出較強(qiáng)的反向持續(xù)性。

(2)相對(duì)濕度的Hurst指數(shù)為-2級(jí)的有瓊中、陵水和三亞，反向持續(xù)性較弱；-3級(jí)的有海口、儋州、瓊海和東方，反向持續(xù)性較強(qiáng)。由日照時(shí)數(shù)R/S分析能夠看出，所有站點(diǎn)的Hurst值均小于0.5，海南島日照時(shí)數(shù)的長(zhǎng)期相關(guān)特征表現(xiàn)為反向持續(xù)性，西南區(qū)三亞站點(diǎn)的Hurst指數(shù)達(dá)到-2級(jí)，其余氣候區(qū)均為-3級(jí)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的反向持續(xù)性。海南島所有站點(diǎn)降水量的Hurst值均小于0.5，長(zhǎng)期相關(guān)特征表現(xiàn)為很強(qiáng)的反向持續(xù)性，其中東方站點(diǎn)的Hurst指數(shù)為-4級(jí)，Hurst指數(shù)為0.22，其余站點(diǎn)的Hurst指數(shù)為-3級(jí)。

表4 海南島8項(xiàng)氣候要素的Hurst指數(shù)

4.2 海南島各氣候要素Hurst指數(shù)試驗(yàn)

對(duì)海南島氣候要素的R/S進(jìn)行分析，從整體變化來(lái)看，有著幾乎完全一致的反向持續(xù)性，但是關(guān)于這種變化趨勢(shì)能持續(xù)的時(shí)間、持續(xù)性強(qiáng)度會(huì)繼續(xù)增強(qiáng)還是減弱等方面的問(wèn)題，都需要進(jìn)一步研究。筆者采用馮新靈設(shè)計(jì)的Hurst指數(shù)試驗(yàn)分析方案[22]，分析部分臺(tái)站(選取?？凇傊?、三亞，分別代表海南島東北部、中部、西南部)的平均氣溫、平均相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、降水量等時(shí)間序列的未來(lái)變化趨勢(shì)，以期從總體上進(jìn)行推斷。為了能夠更清晰地反映其變化趨勢(shì)，本研究將時(shí)間序列長(zhǎng)度定為20年。具體的試驗(yàn)方案如下：從時(shí)間序列數(shù)據(jù)開(kāi)始年起，計(jì)算第1個(gè)20年序列(1959—1978年)的Hurst指數(shù)，接下來(lái)計(jì)算第2個(gè)20年序列(1960—1979年)的Hurst指數(shù)，再緊接著計(jì)算第3個(gè)20年序列(1961—1980年)的Hurst指數(shù)，以此類推，連續(xù)計(jì)算形成1個(gè)Hurst指數(shù)序列，最終形成以20年為序列長(zhǎng)度的Hurst指數(shù)序列，部分臺(tái)站20年Hurst指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。通過(guò)對(duì)比分析20年Hurst指數(shù)序列與之前研究所得傾向率的線性變化趨勢(shì)，預(yù)測(cè)未來(lái)的變化趨勢(shì)。

4.2.1 年平均氣溫Hurst指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果分析 海南島東北區(qū)年平均氣溫20年試驗(yàn)趨勢(shì)呈波狀起伏。在1959—1978年的20年試驗(yàn)中，Hurst指數(shù)開(kāi)始出現(xiàn)小于0.5的0.347 2，隨后連續(xù)12個(gè)20年試驗(yàn)的Hurst指數(shù)都小于0.5。1979年的年平均氣溫開(kāi)始降低，而這種下降趨勢(shì)一致持續(xù)了12年。在1991—2010年的20年試驗(yàn)中，Hurst指數(shù)開(kāi)始大于0.5，連續(xù)6個(gè)20年試驗(yàn)的Hurst指數(shù)都大于0.5，但Hurst指數(shù)一直在0.5附近徘徊，由此可以推測(cè)，未來(lái)10年海南島東北區(qū)年平均氣溫仍將有微弱的增加趨勢(shì)。

海南島中部山區(qū)年平均氣溫20年指數(shù)試驗(yàn)變化幅度不大，年平均氣溫Hurst指數(shù)總體小于0.5。在1974—1993年的20年指數(shù)試驗(yàn)中，Hurst指數(shù)小于0.5，而這種現(xiàn)象持續(xù)了21年，盡管1995—2014年的20年指數(shù)試驗(yàn)出現(xiàn)大于0.5的0.506 4，但并沒(méi)有保持穩(wěn)定，在接下來(lái)的1個(gè)20年Hurst指數(shù)試驗(yàn)中又躍回原態(tài)，表明中部山區(qū)未來(lái)10年依然會(huì)按照氣候傾向率0.254 ℃/10年有微弱下降的趨勢(shì)。

西南區(qū)三亞年平均氣溫20年指數(shù)試驗(yàn)曲線呈現(xiàn)波狀起伏，1992—2011年Hurst指數(shù)中出現(xiàn)大于0.5的0.547 0，此后連續(xù)6個(gè)20年試驗(yàn)序列中的Hurst指數(shù)都大于0.5，且Hurst指數(shù)值在不斷增加，于是出現(xiàn)了自2012年起三亞年平均氣溫下降的趨勢(shì)，由此可以推測(cè)，未來(lái)10年西南區(qū)三亞年平均氣溫依氣候傾向率0.145 ℃會(huì)有繼續(xù)下降的趨勢(shì)。

4.2.2 日照時(shí)數(shù)Hurst指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果分析 海南島東北區(qū)日照時(shí)數(shù)的20年Hurst指數(shù)試驗(yàn)曲線呈波狀增加趨勢(shì)。在1959—1978年的20年試驗(yàn)中，Hurst指數(shù)小于0.5，此后連續(xù)18個(gè)20年試驗(yàn)的Hurst指數(shù)都小于0.5。對(duì)比分析東北區(qū)日照時(shí)數(shù)變化趨勢(shì)可知，1979年的日照時(shí)數(shù)開(kāi)始增加，這種上升趨勢(shì)十分明顯。在1988開(kāi)始的20年指數(shù)試驗(yàn)中，Hurst指數(shù)開(kāi)始出現(xiàn)大于0.5的0.565 4，此后連續(xù)9個(gè)20年試驗(yàn)中，Hurst指數(shù)均大于0.5，由此可以推測(cè)，未來(lái)東北區(qū)日照時(shí)數(shù)仍將依氣候傾向率有繼續(xù)下降的趨勢(shì)。

在海南島中部山區(qū)日照時(shí)數(shù)的20年Hurst指數(shù)中，1962—1981年的Hurst指數(shù)開(kāi)始出現(xiàn)小于0.5的0.418 3，此后連續(xù)22個(gè)20年試驗(yàn)的Hurst指數(shù)都小于0.5，1984—2003年的Hurst指數(shù)開(kāi)始出現(xiàn)大于0.5的0.510 8，日照時(shí)數(shù)開(kāi)始出現(xiàn)由反向持續(xù)性向持續(xù)性轉(zhuǎn)變。2002年中部山區(qū)日照時(shí)數(shù)降低到1 647.8 h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于多年平均值。自1988年以后的6個(gè)20年試驗(yàn)中，Hurst指數(shù)一直大于0.5，但卻在不斷減少，到1994—2013年的20年試驗(yàn)中，出現(xiàn)Hurst指數(shù)小于0.5的情況，由此可以推測(cè)，在未來(lái)10年內(nèi)，中部山區(qū)日照時(shí)數(shù)將會(huì)有微弱下降的趨勢(shì)。

海南島西南區(qū)三亞日照時(shí)數(shù)的20年試驗(yàn)曲線在波動(dòng)中有十分微弱的增加趨勢(shì)，自1962年以后的18個(gè)20年試驗(yàn)中，Hurst指數(shù)一直小于0.5，1991年日照時(shí)數(shù)增加到 2 774.5 h。在1981—2000年的20年指數(shù)試驗(yàn)中，Hurst指數(shù)開(kāi)始出現(xiàn)大于0.5的0.525 6，之后連續(xù)16個(gè)20年試驗(yàn)的Hurst指數(shù)都大于0.5，而且一路攀升，推測(cè)西南區(qū)三亞日照時(shí)數(shù)將依氣候傾向率平均每10年減少79.5 h。

4.2.3 年平均相對(duì)濕度Hurst指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果分析 在1988—2007年的20年試驗(yàn)中，東北區(qū)年平均相對(duì)濕度的Hurst指數(shù)開(kāi)始出現(xiàn)大于0.5的0.521 0，此后連續(xù)9個(gè)20年試驗(yàn)的Hurst指數(shù)都大于0.5，相應(yīng)的，2008年?yáng)|北區(qū)的平均相對(duì)濕度開(kāi)始增加，且上升趨勢(shì)十分明顯，由此可推測(cè)，未來(lái)10年?yáng)|北區(qū)的年平均相對(duì)濕度平均每10年下降0.882%。

在1965—1984年中部山區(qū)年平均相對(duì)濕度的20年試驗(yàn)中，Hurst指數(shù)開(kāi)始出現(xiàn)了大于0.5的0.502 5，此后連續(xù)12個(gè)20年試驗(yàn)的Hurst指數(shù)都大于0.5，平均相對(duì)濕度也就出現(xiàn)由反向持續(xù)性到持續(xù)性的轉(zhuǎn)折，在1985年達(dá)到最大值 87.25%，之后持續(xù)性下降，這種變化一直持續(xù)了12年。在1988年之后的9個(gè)20年試驗(yàn)中，Hurst指數(shù)一直大于0.5，而且一路攀升，由此可以推測(cè)，在未來(lái)10年，中部山區(qū)的年平均相對(duì)濕度仍將以氣候傾向率平均每10年下降0.547%的速率發(fā)展。

西南區(qū)的三亞臺(tái)站年平均相對(duì)濕度20年試驗(yàn)曲線為波狀，“U”形波谷特別明顯，在1966—1985年的20年試驗(yàn)中，Hurst指數(shù)開(kāi)始出現(xiàn)大于0.5的0.509 8，在此后連續(xù)8個(gè)20年試驗(yàn)序列中的Hurst指數(shù)都大于0.5。在1976—1995年的20年試驗(yàn)中，Hurst指數(shù)開(kāi)始出現(xiàn)持續(xù)14個(gè)20年試驗(yàn)的Hurst指數(shù)小于0.5，1996年的年平均相對(duì)濕度開(kāi)始下降，且下降趨勢(shì)越來(lái)越明顯，這種下降趨勢(shì)一直持續(xù)了14年。在自1990年以后的7個(gè)20年試驗(yàn)中，Hurst指數(shù)又開(kāi)始轉(zhuǎn)為大于0.5，相應(yīng)的平均相對(duì)濕度變化曲線也開(kāi)始出現(xiàn)增加的相關(guān)性特征，由此可以推測(cè)，在未來(lái)10年，西南區(qū)的三亞臺(tái)站年平均相對(duì)濕度仍將按照氣候傾向率以平均每10年增加 0.623%的速率發(fā)展。

4.2.4 降水量Hurst指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果分析 海南島東北區(qū)降水量總體表現(xiàn)增加趨勢(shì)，其氣候傾向率為57.48 mm/10年。在1959—1978年的20年試驗(yàn)中，Hurst指數(shù)小于0.5，在此后32個(gè)20年的試驗(yàn)中，Hurst指數(shù)都小于0.5，直到1990—2009年的20年試驗(yàn)中，Hurst指數(shù)開(kāi)始出現(xiàn)大于0.5的0.532 3，降水量的趨勢(shì)開(kāi)始由反向持續(xù)性向持續(xù)性轉(zhuǎn)變，在此后連續(xù)6個(gè)20年試驗(yàn)的Hurst指數(shù)都大于0.5，由此可以推測(cè)，東北區(qū)未來(lái)降水量仍將有微弱增加趨勢(shì)。

海南島中部山區(qū)降水量總體有微弱的下降趨勢(shì)，其氣候傾向率為15.30 mm/10年。通過(guò)20年試驗(yàn)可以看出，在1977—1996、1987—2006、1991—2010、1992—2011年這4個(gè)20年試驗(yàn)中出現(xiàn)了Hurst指數(shù)大于0.5的情況，對(duì)比分析中部山區(qū)降水量變化曲線可以看出，降水量減少，曲線下滑，但這種變化并沒(méi)有保持穩(wěn)定，隨即躍回原態(tài)，總體上看，20年試驗(yàn)的Hurst指數(shù)小于0.5，表明中部山區(qū)降水量在未來(lái)會(huì)有一定程度的增加。

西南區(qū)三亞降水量變化曲線呈增加趨勢(shì)，氣候傾向率為84.82 mm/10年。20年Hurst指數(shù)試驗(yàn)的結(jié)果與中部山區(qū)十分類似，在1990—2009年的20年試驗(yàn)中，Hurst指數(shù)開(kāi)始出現(xiàn)大于0.5的0.561 6，但持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，僅連續(xù)3個(gè)20年試驗(yàn)后，Hurst指數(shù)又開(kāi)始小于0.5，表明西南區(qū)三亞降水量始終保持著反向持續(xù)性的特征，降水量減少的態(tài)勢(shì)是明顯的。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)海南島1959—2015年平均氣溫、平均最低氣溫、平均最高氣溫、極端最低氣溫、極端最高氣溫、平均相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)和年降水量8項(xiàng)氣候要素的變化特征進(jìn)行分析，并結(jié)合氣候區(qū)差異，揭示了近57年來(lái)海南島氣候變化特點(diǎn)及未來(lái)變化趨勢(shì)。主要結(jié)論如下：

(1)在全球變暖大趨勢(shì)下，海南島各氣候區(qū)的極端最高氣溫、極端最低氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、平均氣溫總體均呈上升趨勢(shì)(三亞除外)；其中極端最高氣溫、極端最低氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、平均氣溫最高增長(zhǎng)率分別位于東南區(qū)的陵水、西南區(qū)的東方、東南區(qū)瓊海、西南區(qū)的東方、中部山區(qū)。海南島日照時(shí)數(shù)(瓊中除外)、平均相對(duì)濕度(三亞除外)總體呈下降趨勢(shì)，日照時(shí)數(shù)和平均相對(duì)濕度下降率較高的位于東北區(qū)；降水量總體呈上升趨勢(shì)(瓊中除外)，降水量的最高增長(zhǎng)率位于西南區(qū)的三亞。

(2)在近60年的時(shí)間內(nèi)，海南島5個(gè)氣溫指標(biāo)的突變特征差異較大。海南島各氣候區(qū)極端最低氣溫只有東北區(qū)、東南區(qū)陵水、西南區(qū)三亞發(fā)生突變，其中東北區(qū)突變發(fā)生時(shí)間較早；大部分氣候區(qū)的極端最高氣溫均有突變現(xiàn)象發(fā)生，突變發(fā)生時(shí)間最早的是西北區(qū)，發(fā)生時(shí)間最晚的是西南區(qū)；年平均氣溫只有東北區(qū)、東南區(qū)、西南區(qū)發(fā)生突變；大部分氣候區(qū)的年平均最低氣溫均發(fā)生突變，但突變年份相差并不大，基本在10年內(nèi)，其中西南區(qū)發(fā)生突變較早；所有氣候區(qū)的年平均最高氣溫均發(fā)生突變，東南區(qū)發(fā)生突變的時(shí)間較早，中部山區(qū)發(fā)生突變的時(shí)間較晚。

(3)海南島各氣候區(qū)的平均相對(duì)濕度除東北區(qū)外，下降趨勢(shì)均發(fā)生突變現(xiàn)象，西南區(qū)突變現(xiàn)象發(fā)生得較早，東南區(qū)較晚發(fā)生突變。海南島日照時(shí)數(shù)有西北區(qū)、中部山區(qū)、東南區(qū)、西南區(qū)發(fā)生突變，其中西北區(qū)突變現(xiàn)象發(fā)生較早，西南區(qū)發(fā)生突變時(shí)間較晚。海南島降水量只有西南區(qū)有突變現(xiàn)象，突變時(shí)間均為1995年。

(4)對(duì)海南島各氣候要素的R/S分析表明，海南島各氣候區(qū)的8個(gè)氣候要素的Hurst指數(shù)均小于0.5(除西南區(qū)東方的極端最高氣溫)，表現(xiàn)出不同程度的反向持續(xù)性，各氣候區(qū)極端最高氣溫、極端最低氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、平均氣溫總體上升趨勢(shì)將會(huì)有不同程度的減弱(三亞除外)，海南島日照時(shí)數(shù)(瓊中除外)、平均相對(duì)濕度(三亞除外)將會(huì)有適當(dāng)?shù)幕厣?。通過(guò)對(duì)海南島部分臺(tái)站的平均氣溫、年平均相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、降水量的20年Hurst指數(shù)試驗(yàn)可以看出，海南島未來(lái)10年日照時(shí)數(shù)將按照氣候傾向率持續(xù)下降，這一結(jié)果與陳小敏等的研究結(jié)果[16]一致；而平均氣溫、年平均相對(duì)濕度、降水量的未來(lái)變化存在不同的區(qū)域性差異。