吳慧 ,胡德強(qiáng) ,邢彩盈 ,朱晶晶

(1.海南省氣候中心，海口 570203；2.海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，?？?570203)

引言

夏季旱澇趨勢的準(zhǔn)確預(yù)測對我國防災(zāi)減災(zāi)工作極其重要。針對我國夏季降水的氣候變化特征和影響因子有很多研究成果。研究表明，我國夏季降水具有明顯的年際振蕩和年代際變化，不同區(qū)域的夏季降水具有不同的線性變化趨勢和突變特征(陳興芳和晁淑懿，2000；丁一匯和張莉，2008；張峻和張藝玄，2019；鄭小華等，2019)，亞洲季風(fēng)、越赤道氣流、平流層QBO、西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)、南亞高壓、印度低壓、中緯度阻塞高壓、東亞遙相關(guān)型、南方濤動和北太平洋濤動等的異常對我國夏季降水有重要影響(趙漢光和張先恭，1996；趙振國等，2000；賈小龍等，2013；王芬等，2017)，不同影響系統(tǒng)的配置對我國夏季雨型有直接影響(趙俊虎等，2014)。太陽活動、海溫、土壤濕度、積雪和海冰等外強(qiáng)迫因子對我國夏季降水異常也具有不可忽視的作用(段長春和孫績?nèi)A，2006；袁媛等，2012；張文君等，2012；劉穎等，2017；張若楠等，2018)。

海南省是中國唯一的熱帶省份，其降水的季節(jié)分布特征、降水量變化、降水影響系統(tǒng)等均有別于我國的其他省份(王春乙等，2014；鄭國光等，2019)，影響夏季旱澇的因子也必然不同。近年來氣象工作者對海南島夏季降水的氣候變化規(guī)律和影響因子也進(jìn)行了一些研究。吳慧和陳小麗(2003)發(fā)現(xiàn)，1961 年以來的40 a 海南島氣候趨于變暖和變濕；各季降水量有不同程度增加，其中冬季增加顯著(陳小麗和吳慧,2004)。在夏季降水異常成因分析方面，吳慧等(2009)發(fā)現(xiàn)EN?SO 對海南島夏季降水的南北分布形式有顯著的滯后影響并且有影響增強(qiáng)的趨勢。胡德強(qiáng)等(2018)分析給出了海南島夏季降水空間分布特征和降水第一模態(tài)異常年的大氣環(huán)流特征。邢彩盈等(2018)揭示了海南島7—8 月和9—10 月旱澇急轉(zhuǎn)的大氣環(huán)流和海溫異常的若干特征。降水天氣系統(tǒng)是影響降水的最直接因素，但從天氣系統(tǒng)的角度分析其對海南島季節(jié)旱澇影響的研究不多。早期的研究認(rèn)為熱帶氣旋的影響頻數(shù)和強(qiáng)度對海南島旱澇有重要影響(海南大農(nóng)業(yè)建設(shè)與生態(tài)平衡考察團(tuán)氣候組，1982)。其后吳勝安等(2007)對海南島1962—2004年熱帶氣旋年降水量的變化特征和變化周期作了專門分析。Wu 等(2007)利用1962—2005年的資料統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，海南島的熱帶氣旋降水在6—11月各月的比重高達(dá)17.7%～44.5%，過去40多年海南島熱帶氣旋降水及降水貢獻(xiàn)率在下降，但熱帶氣旋引起的極端降水日數(shù)和極端降水事件則在增加。不同類型降水系統(tǒng)對海南島年降水量和年極端降水量的貢獻(xiàn)和變化具有較大差異(吳巖峻，2008)。鑒于不同類型降水對季節(jié)降水量的影響和表現(xiàn)不同，了解它們在季節(jié)降水量中的地位、變化及對旱澇的影響，對季節(jié)降水趨勢預(yù)測將有很大幫助。本文利用最新的降水觀測資料和天氣系統(tǒng)日歷表，較全面的分析了近53 a海南島夏季不同類型降水的空間分布、降水頻率和強(qiáng)度特征，不同類型降水量、降水頻率的變化，以及不同類型降水對海南島夏季旱澇的影響，這對于我們從新的角度認(rèn)識海南島夏季旱澇的影響因子具有重要意義。

1 資料和方法

所用資料為海南島18 個國家地面氣象觀測站1966 年1 月1 日至2018 年12 月31 日的逐日降水資料和同期海南省氣象臺的逐日天氣系統(tǒng)日歷表。其中的降水資料已經(jīng)過海南省氣象信息中心嚴(yán)格的質(zhì)量控制。

方法：根據(jù)影響海南的天氣系統(tǒng)日歷表，統(tǒng)計(jì)海南省夏季不同類型降水(吳巖峻,2008)，分析各類型降水的空間分布特征；采用線性傾向估計(jì)方法分析各類型降水的氣候變化趨勢(魏鳳英，2007)；利用相關(guān)分析方法分析夏季不同類型降水量與夏季總降水量之間的密切程度。

2 夏季不同類型降水的空間分布特征

2.1 夏季降水概況

1966—2018年，海南島夏季降水的多年平均值為731.9 mm。各地夏季降水大致呈中間多、四周少的分布(圖1a)。北部內(nèi)陸的定安、澄邁、儋州，西部內(nèi)陸的昌江，中部山區(qū)的白沙、保亭，以及南部的樂東等市縣均接近或超過800 mm，其中保亭最多，達(dá)到910.5 mm，昌江次多，達(dá)852.6 mm；西部沿海、南部沿海和東部沿海地區(qū)一般不足670 mm，其中西部沿海的東方只有512.4 mm。

吳巖峻(2008)研究表明，影響海南島夏季降水(SUMR)的天氣系統(tǒng)有五種，即熱帶氣旋、熱帶輻合帶、西南季風(fēng)槽、副高邊緣和冷空氣過程，其中最主要的是前四種。為此，本文分別把前四種天氣系統(tǒng)產(chǎn)生的降水分別定義為TCR、ITCZR、SWTR 和STHR?？梢姾Ｄ蠉uSUMR的主要影響系統(tǒng)與長江中游地區(qū)有較大不同(張家國等，2018)。以下分析這四種類型降水的空間分布特征。

2.2 TCR

TCR是海南島夏季最重要的降水來源。1966—2018年，TCR 的多年平均值為260.6 mm，占整個SUMR 的35.6%。TCR的空間分布(圖1b)表明，TCR為大范圍降水，各地基本在200～350 mm之間，其中中部山區(qū)和西部內(nèi)陸地區(qū)相對較多，西部內(nèi)陸的昌江最多，東南部沿海地區(qū)TCR相對較少。各地TCR占當(dāng)?shù)豐UMR的百分比(圖略),近似于“西北高中南低”的分布,其中西部沿海的東方高達(dá)51.3%,最少的是中部山區(qū)的保亭，為24.7%。這與吳勝安等(2007)統(tǒng)計(jì)的熱帶氣旋年降水量占年總降水量比例的高低值分布形態(tài)相近，但比例更高。

2.3 ITCZR

ITCZR是夏季海南島的第二大降水類型。1966—2018年，全島ITCZR平均為215.0 mm，占全島SUMR的29.4%。ITCZR 也是大范圍降水(圖1c)，各地在140～320 mm之間，基本呈中間多四周少、南多于北的分布，保亭為全島最多，西部沿海的東方、北部沿海的臨高和?？?、東部沿海的萬寧、南部沿海的陵水和三亞均為低值區(qū)。各地ITCZR占當(dāng)?shù)豐UMR的百分比達(dá)22.6%～34.9%(圖略)，呈東南高西北低的分布，東部的瓊海和中部山區(qū)的保亭為高值中心，保亭最高，北部的臨高最低。

2.4 SWTR

SWTR 是夏季海南島的第三大降水類型，全島多年平均值為111.9 mm，占全島SUMR的15.3%。SWTR的空間分布(圖1d)表明，其局地性較強(qiáng)，各地一般在20～200 mm 之間，基本呈U 型分布，北、中部地區(qū)較多，高值區(qū)在北部內(nèi)陸地區(qū)，西、南部地區(qū)和東部沿海地區(qū)較少，低值中心區(qū)在西部沿海的東方。各地SWTR 占當(dāng)?shù)豐UMR 的百分比的空間分布(圖略)類似于SWTR 的分布，最低值仍在西部沿海地區(qū),僅4.5%，西部內(nèi)陸的昌江為5.2%；最高值在北部內(nèi)陸的定安，達(dá)24.8%。

2.5 STHR

STHR 的全島多年平均值為107.5 mm，占全島SUMR的14.7%。圖1e為STHR的空間分布，其局地性特征亦較明顯，各地基本在40～180 mm之間，東北半部地區(qū)和西部沿海地區(qū)較少，西部沿海的東方最少，西部內(nèi)陸的昌江和中部山區(qū)的保亭為高值中心區(qū)。STHR占當(dāng)?shù)豐UMR百分比的空間分布（圖略）同樣類似于其降水量的分布，但最小值在東北角的文昌，為7.9%，最大值仍位于中部山區(qū)的保亭，為20%。

圖1 1966—2018年海南島SUMR(a)、TCR(b)、ITCZR(c)、SWTR(d)和STHR(e)的空間分布(單位：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).

可見SUMR 的分布形態(tài)總體與TCR 最相似，其次是ITCZR。SUMR 的兩個大值中心區(qū)與TCR 和ITCZR的大值中心區(qū)相一致，SWTR 的大值區(qū)對北部內(nèi)陸地區(qū)SUMR 也有較大貢獻(xiàn)；SUMR 在西部沿海地區(qū)的小值中心區(qū)主要與ITCZR、SWTR和STHR在該地降水較少有關(guān)，而SUMR 在東部沿海地區(qū)(萬寧)的小值中心區(qū)與四種類型降水在該地均較少有關(guān)。

3 不同類型降水的變化

圖2 為1966—2018 年期間SUMR、TCR、ITCZR、SWTR 和STHR 演變圖。表1 為該時段內(nèi)線性傾向估計(jì)的海南島夏季降水、夏季不同類型降水的檢測結(jié)果。

從圖2 和表1 可以看出，1966 年以來，SUMR 以25.3 mm·(10 a)-1的趨勢微弱增加。SUMR的年際波動和階段性變化均比較明顯，最多的年份達(dá)到1 258.3 mm(2018 年)，最少的年份僅491.8 mm(2015 年)，SUMR 在20世紀(jì)60年代中期至70年代初、80年代、90年代中期至21世紀(jì)初基本處于偏少階段，在其余時段一般處于偏多階段。

表1 1966―2018年海南島夏季不同類型降水的線性趨勢Table 2 Linear trend of different types of SUMR over Hainan Island from 1966 to 2018.

圖2 1966-2018年海南島夏季不同類型降水變化Fig.2 Changes of different types of SUMR over Hainan Island from 1966 to 2018.

TCR 以1.6 mm·(10 a)-1的趨勢微弱增加。TCR 最多的年份676.7 mm (2018 年)，最少的年份64.7 mm(1998年)。TCR在20世紀(jì)60年代中期至70年代前期、80年代、90年代后期、21世紀(jì)初至10年代中期基本處于偏少階段，在其余時段基本處于偏多階段。

ITCZR 則以51.8 mm·(10 a)-1的趨勢顯著增加。ITCZR年際波動更劇烈，最多的年份528.4 mm(2008年和2012年)，最少的年份僅4.0 mm(1998年)。ITCZR在20世紀(jì)60年代中期至70年代初、70年代中期至90年代末基本處于偏少階段，在其余時段基本處于偏多階段。

SWTR以9.0 mm·(10 a)-1的趨勢弱減少。SWTR最多的年份246.7 mm (1995 年)，最少的年份30.6 mm(1994年)。SWTR在20世紀(jì)60年代中后期、70年代后期至80 年代初、80 年代末至90 年代初期基本處于偏少階段，在其余時段基本處于偏多階段。

STHR以6.7 mm·(10 a)-1的趨勢弱減少。STHR的年際波動也比較劇烈，最多的年份366.0 mm (1998年)，最少的年份0.0 mm(2012 年)。STHR 在20 世紀(jì)70年代前中期、80 年代和21 世紀(jì)10 年代基本處于偏少階段，在其余時段基本處于偏多階段。

綜上所述，SUMR 的增加趨勢主要?dú)w功于ITCZR的顯著增加，TCR 對其增加趨勢有弱的正貢獻(xiàn)，而SWTR和STHR則是負(fù)貢獻(xiàn)。

4 不同類型降水發(fā)生頻次及其強(qiáng)度特征

降水的頻次和強(qiáng)度是描述降水的另外兩個重要特征量，為此也分析了海南島夏季不同類型降水的頻次和強(qiáng)度特征(表2)?？梢钥吹剑念惤邓?，發(fā)生頻次最少的是TCR，平均每年僅8.7 d，但其降水強(qiáng)度則最大，達(dá)到30.0 mm·d-1；發(fā)生頻次最多的是ITCZR，平均達(dá)16.3 d，其降水強(qiáng)度為次大，為13.2 mm·d-1；SWTR和STHR 的發(fā)生頻次和強(qiáng)度均較為接近，其中頻次約為11 d，強(qiáng)度均明顯小于TCR 和ITCZR。由于統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)大雨和暴雨以上(含暴雨)的降水對SUMR的貢獻(xiàn)率超過50%，因此這里還同時考察了不同類型降水中這兩個等級降水發(fā)生頻次的分布情況。結(jié)果表明，TCR和ITCZR的暴雨以上頻次分別為1.3 d和0.9 d，分別占整個夏季暴雨以上頻次的41.9%和29.0%，而SWTR 和STHR 的均僅占12.9%。大雨頻次則是ITC?ZR 的最多，為1.9 d，占整個夏季大雨頻次的33.9%；TCR的次之，為1.6 d，占28.6%；STHR的最少，為0.9 d，僅占16.1%。很顯然，大雨以上的強(qiáng)降水主要是由TCR 和ITCZR 造成的。以下再分析夏季各類型降水頻次、大雨和暴雨以上頻次的變化趨勢。

表2 海南島夏季不同類型降水的頻次和強(qiáng)度(1966―2018年平均)Table 2 Frequency and intensity of different types of SUMR over Hainan Island(average from 1966 to 2018).

從圖3 和線性傾向估計(jì)(表略)可知，1966 年以來SUMR的降水頻次以0.2 d·(10 a)-1的趨勢微弱增加；其中ITCZR的以3.6 d·(10 a)-1的趨勢顯著增加，SWTR和STHR的分別以1.0 d·(10 a)-1和1.1 d·(10 a)-1的趨勢顯著減少，TCR的以0.5 d·(10 a)-1的趨勢弱減少。

圖3 1966—2018年海南島夏季不同類型降水發(fā)生頻次變化Fig.3 Frequency changes of different types of SUMR over Hainan Island from 1966 to 2018.

1966年以來SUMR的暴雨以上頻次以0.1 d·(10 a)-1的趨勢弱增加；其中ITCZR 的以0.2 d·(10 a)-1的趨勢顯著增加，其余三種類型的為弱減少趨勢(圖4)。

圖4 同圖3，但為暴雨以上降水發(fā)生頻次變化Fig.4 As Fig.3,but for frequency changes of torrential rain and above.

同一時期SUMR 的大雨頻次也有弱的增加趨勢，大約為0.1 d·(10 a)-1，其中ITCZR 的以0.5 d·(10 a)-1的趨勢顯著增加，其余三種類型的均以0.1 d·(10 a)-1的趨勢弱減少(圖5)。

圖5 同圖3，但為大雨發(fā)生頻次變化Fig.5 As Fig.3,but for frequency changes of heavy rain.

5 不同類型降水對夏季旱澇的影響

為了解不同類型降水與SUMR之間的密切程度，分別計(jì)算了它們與SUMR之間的相關(guān)系數(shù)(表3)?？梢钥吹?，TCR 和ITCZR 與SUMR 之間均為顯著的正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)均超過0.001的顯著性檢驗(yàn)；SWTR與SUMR之間則為顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)超過0.01的顯著性檢驗(yàn)；STHR與SUMR的相關(guān)不顯著?？梢姡琓CR、ITC?ZR、SWTR 與SUMR 的關(guān)系密切，同時SWTR 與SUMR之間的密切程度弱于前兩者與SUMR之間的密切程度。

表3 海南島夏季不同類型降水量與夏季降水量的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficients between different types of precipitation and SUMR over Hainan Island.

由于SUMR異常與夏季旱澇有緊密聯(lián)系，進(jìn)一步對不同類型降水與夏季旱澇的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析。一般SUMR 較多年平均值偏少(多)20%以上常出現(xiàn)夏旱(澇)，因此重點(diǎn)分析這些年份中與SUMR相關(guān)顯著且占SUMR比重大的TCR和ITCZR兩種類型降水異常的情況。

圖6 表明，1990 年代以前的澇年(1973、1975 和1980 年)，SUMR 偏多21.7%～26.6%，對其偏多有重要貢獻(xiàn)的是TCR，普遍偏多73.3%～102.4%，但作為第二大類型降水的ITCZR在這三年中則普遍偏少36.4%～57.0%。而從1990年代開始的澇年(1991、1994、2001、2016 和2018 年)，SUMR 偏多29.4%～71.9%，TCR 和ITCZR 均對其偏多起重要作用，其中前者普遍偏多36.0%～159.6%，后者普遍偏多20.0%～134.5%。對于旱年(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%。

圖6 海南島夏季旱澇年對應(yīng)的重要類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 對海南島夏季旱澇具有重要影響，但對澇年的影響存在年代際變化，這種變化也導(dǎo)致了1990 年代以來SUMR 偏多的幅度增大。這與近53 a 以來ITCZR 的強(qiáng)降水頻次顯著增加和ITCZR顯著增加的趨勢是一致的。

6 結(jié)論和討論

(1) 海南島夏季降水的主要類型有TCR、ITCZR、SWTR 和STHR，它們分別占SUMR 的35.6%、29.4%、15.3%和14.7%。

(2)海南島夏季不同類型降水及其對SUMR 貢獻(xiàn)率的空間分布具有鮮明的特點(diǎn)。其中TCR 呈西北多東南少的分布，其對SUMR 貢獻(xiàn)率為西北高中南低的分布。ITCZR 基本呈中間多四周少的分布，其對SUMR的貢獻(xiàn)率為東南高西北低的分布。SWTR及其對SUMR 貢獻(xiàn)率的分布基本為U 型分布，U 型的中心為高值區(qū)，U型的外部為低值區(qū)。STHR及其對SUMR貢獻(xiàn)率的分布呈東北和西南少、中間多的特點(diǎn)。

(3) 海南島夏季TCR 發(fā)生頻次最少，平均每年僅8.7 d，但其降水強(qiáng)度則最大，達(dá)到30.0 mm.d-1；ITCZR發(fā)生頻次最多，平均每年達(dá)16.3 d，其降水強(qiáng)度為次大，為13.2 mm.d-1。大雨以上的強(qiáng)降水主要由TCR 和ITCZR造成。

(4)最近53 a海南島SUMR呈弱的增加趨勢，這主要?dú)w功于ITCZR的顯著增加，TCR的貢獻(xiàn)微弱，SWTR和STHR 則為負(fù)貢獻(xiàn)。SUMR 的頻次有微弱增加趨勢，其中ITCZR 的頻次顯著增加，SWTR 和STHR 的頻次顯著減少，TCR 的頻次微弱減少。SUMR 的大雨和暴雨以上頻次均為弱的增加趨勢，其中ITCZR的相應(yīng)頻次均為顯著增加趨勢，其余三種類型的相應(yīng)頻次均為弱的減少趨勢。

(5)TCR和ITCZR對海南島夏季旱澇有重要影響，TCR和ITCZR偏少往往出現(xiàn)夏旱，但對澇年的影響存在年代際變化。1990 年代以前主要是TCR 的顯著偏多導(dǎo)致海南島出現(xiàn)夏澇，1990年代開始TCR和ITCZR共同偏多導(dǎo)致海南島的夏澇，并使得這一時期SUMR偏多的幅度增大。

本文主要分析了海南島夏季不同類型降水的特征，以及不同類型降水對夏季旱澇的影響，發(fā)現(xiàn)了TCR 和ITCZR 對夏季旱澇的重要影響及其對澇年的影響具有年代際變化。下一步將探討不同年代際背景下海南島夏季澇年大氣環(huán)流的異常特征，以及與之相關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵行星尺度天氣系統(tǒng)和可能的外強(qiáng)迫因子的配置情況，為海南島夏季澇年的預(yù)測提供新的參考依據(jù)。