李偉光，張京紅，劉少軍，車秀芬，陳小敏，鄒海平

（1.海南省氣候中心，?？?570203; 2.海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，?？?570203;3.海南省氣象科學(xué)研究所，?？?570203）

海南島地處中國最南端、南海北沿，屬熱帶季風(fēng)性氣候，其地貌中間高、四周低，呈環(huán)形層狀分布。中部偏南的五指山、鸚哥嶺等山峰最高，四周山地、丘陵、臺地、平原層層銜接，海拔高度逐級降低。受熱帶季風(fēng)氣候和復(fù)雜地形的影響，海南島降水時空分布不均勻，降水集中、強度大，季節(jié)、年際變異大，暴雨、干旱等氣象災(zāi)害頻發(fā)。在全球氣候變化背景下，大多數(shù)森林生態(tài)系統(tǒng)都面臨著季節(jié)性的水分脅迫[1-2]。海南分布最廣的熱帶季雨林就是受水分脅迫較重的群落類型之一。隨著全球極端氣候事件出現(xiàn)頻率的改變[3-4]，降水的年際波動幅度變大，降水更加集中，連續(xù)無雨日數(shù)增加，旱季持續(xù)時間和強度均顯著提高[5-6]。

干旱是最復(fù)雜的氣象災(zāi)害之一，不同地區(qū)的成因和特征不同[7]。海南島周年氣溫較高，降水時空分布不均衡，降水成為制約生態(tài)和生產(chǎn)的主要限制因子。海南島植被豐富，植物可周年生長，植物氣孔阻力項是影響植被蒸騰需水量的重要因素[8]，準(zhǔn)確估計實際蒸散發(fā)量對客觀評價水分平衡、干旱發(fā)生具有重要意義。全面掌握海南島干旱特征不僅需從降水的時空分布、降水波動等角度分析水分平衡的供給項，還需從逐月的干燥濕潤度演化[9]方面評價年內(nèi)氣候狀況，更需結(jié)合降水與實際蒸散發(fā)需水量判斷季節(jié)、地區(qū)間水分平衡差異[8]。在干旱監(jiān)測指標(biāo)選擇方面，選用標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）[10]，能夠綜合考慮時間、降水對干旱的影響，同時發(fā)揮其時間尺度靈活、形式簡單和時空可比性強等特性優(yōu)勢。多角度研究海南島干旱特征、開展氣象干旱監(jiān)測與評估，是科學(xué)制定應(yīng)對干旱措施，減輕干旱對區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展負面影響的基礎(chǔ)，利于保障人民生活平穩(wěn)，實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。本研究從降水分布、干旱成因、干濕狀況、水分平衡及監(jiān)測指標(biāo)等角度描述海南島干旱的氣象特征，旨在為科學(xué)制定應(yīng)對干旱措施，減輕干旱對海南生態(tài)和生產(chǎn)的影響，為相關(guān)決策和研究提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究資料 本研究結(jié)合地面觀測的氣象數(shù)據(jù)與遙感反演的實際蒸散發(fā)量數(shù)據(jù)開展干旱特征分析。氣象數(shù)據(jù)包含海南島18個氣象站的月平均氣溫、月降水量數(shù)據(jù)，時間范圍為1961—2020年。實際蒸散發(fā)量數(shù)據(jù)是NASA基于Penman-Monteith 模型算法[11-12]生成的 MOD16A2 數(shù)據(jù)集，主要使用其中的地表蒸散發(fā)量(Evapotranspiration，ET)產(chǎn)品，空間分辨率為 250 m，時間分辨率 8 d，時間范圍為2001—2019年（下載網(wǎng)址：http://files.ntsg.umt.edu/data/NTSG_Products/MOD16/）。

1.2 降水等氣象要素與蒸散發(fā)量數(shù)據(jù)的預(yù)處理 首先對氣象站點觀測數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制，根據(jù)站點1—12月缺測情況剔除缺測超20%以上站點資料，然后計算逐月平均氣溫、降水量，合成季節(jié)、年平均氣溫、降水量。遙感反演的月、年平均蒸散發(fā)量計算分2步：第1步計算逐月平均蒸散發(fā)量，若遇到某年某月數(shù)據(jù)缺測，則計算其余年份相應(yīng)月平均蒸散發(fā)量；第2步將12個月的平均蒸散發(fā)量相加獲得年平均蒸散發(fā)量。

1.3 干濕指數(shù)的計算 氣象上常用干濕指數(shù)評價一個地區(qū)或時段的氣候干濕狀況。干濕指數(shù)(Dry wet index, DWI)采用公式 1[9]計算。

式中，P為月平均降水量，單位mm；E0為月平均潛在蒸散發(fā)量，單位mm，E0采用1998 年推薦的FAO Penman-Menteith 公式[13]計算。

1.4 降水充沛月比例 考慮到降水年際變化大，最大年降水量可能是最小值的5倍以上，所以在海南島的東（瓊海）、西（東方）、南（三亞）、北（?？冢┻x擇4個典型區(qū)域統(tǒng)計降水充沛月比例（降水量大于同期平均實際蒸散發(fā)量月數(shù)的比例）。

1.5 干旱指數(shù) 氣象研究中通常采用干旱指數(shù)監(jiān)測干旱事件的發(fā)生發(fā)展，發(fā)現(xiàn)長時間演變趨勢。本研究采用Vicente-Serrano設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù) (The Standardized Precipitation-Evapotranspiration Index，SPEI)來監(jiān)測海南島干旱。

第1步用Thornthwaite法[10]計算潛在蒸散發(fā)PET。

第2步計算逐月降水與PET的差值。

第3步是擬合降水與PET差值序列的概率分布。由于逐月降水與PET的差值可能存在負值，所以采用了3個參數(shù)的log-logistic概率分布。loglogistic概率分布的積累函數(shù)為：

其中α、β、γ參數(shù)分別采用線性矩的方法擬合獲得[10,14]。

最后，對積累概率密度進行標(biāo)準(zhǔn)化，計算SPEI：

式中，c0= 2.515 517，c1= 0.802 853，c2= 0.010 328，d1= 1.432 788，d2= 0.189 269，d3= 0.001 308。

2 結(jié)果與分析

2.1 海南島降水時空分布與成因 海南島年均降水量1 800 mm，是我國降水較多的區(qū)域之一。海南位于東亞季風(fēng)區(qū)，受季風(fēng)影響較明顯，各月平均降水量呈單峰型分布（圖1）。冬季主要受東北季風(fēng)影響，盛行干冷的偏北氣流，氣候干旱少雨，12月至翌年3月降水較少，月平均降水在50 mm以下。春季，來自北方的冷空氣勢力大減，副熱帶高壓加強北抬、西伸，與西南低壓槽交替控制，天氣晴好，氣溫上升，雨量開始增多；4月份增至100 mm。5月夏季風(fēng)和熱帶氣旋開始影響后降水迅速增多，達200 mm。夏季，主要受東南季風(fēng)和來自印度洋的西南季風(fēng)影響，盛行偏南暖濕氣流，降水量較大；秋季熱帶系統(tǒng)仍很活躍，海南常受熱帶氣旋正面襲擊，產(chǎn)生強降水。8—9月是熱帶氣旋影響的高峰期，雨量普遍增加到250 mm及以上；9月份平均降水量最多，達到300 mm。10月由于熱帶系統(tǒng)的影響還在，同時北方開始有冷空氣南下影響，兩者共同作用使海南的降水量仍很大。一般11月冬季風(fēng)起主導(dǎo)作用后雨量迅速減少，12月到翌年1月達到最低值。春季雨季開始偏晚，秋季熱帶系統(tǒng)偏弱、熱帶氣旋活動偏少，會出現(xiàn)春旱、秋旱。

圖1 海南各月平均降水量變化

海南島中部的五指山山脈對降水空間分布影響顯著，使海南島同緯度地區(qū)降水東多西少差異懸殊。雨季東南風(fēng)攜帶的暖濕氣團沿山體迎風(fēng)面爬升冷卻，發(fā)生絕熱降溫過程，凝云致雨；在背風(fēng)面回流收斂形成暖高壓，發(fā)生絕熱增溫過程，產(chǎn)生干熱的焚風(fēng)，山體背風(fēng)面雨影區(qū)干熱化。來自西南孟加拉的暖濕氣流經(jīng)中南半島長山山脈抬升后產(chǎn)生干熱效應(yīng)，兩者疊加強化了海南島西部的干熱化，在該區(qū)域形成熱帶半干旱氣候，孕育了脆弱的稀樹草原[15-17]。此外，五指山山脈阻礙臺風(fēng)、冷空氣等天氣系統(tǒng)，從而使某些地區(qū)降水時間加長，局地暴雨顯著增加或減少。海南島年降水量941～2 388 mm，空間上呈環(huán)狀分布，東部多于西部，山區(qū)多于平原，山區(qū)又以東南坡最多。東部多雨區(qū)1 975～2 070 mm，多雨中心瓊中年平均雨量達2 388 mm；西部沿海地區(qū)不足 1 000 mm（東方941 mm），僅為東部多雨區(qū)的一半（圖2）。

圖2 海南島年平均降水量空間分布

2.2 海南島干濕狀況年內(nèi)變化 氣象及地理上通常采用降水量與潛在蒸散發(fā)量的比值干濕指數(shù)來評價一個地區(qū)氣候上的干燥濕潤程度[13]。海南島降水分布時空不均衡，為準(zhǔn)確評價海南的干濕差異，逐月計算了干濕指數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，海南島的氣候干燥時段主要集中在11月到翌年4月（圖3）。11月，西部的東方、昌江、樂東和三亞的大部分區(qū)域干濕指數(shù)低于0.5，但東部干濕指數(shù)依然較高，瓊中、萬寧、瓊海地區(qū)普遍在1～2之間。進入12月份后，海南的干燥化迅速發(fā)展，西南部區(qū)域的干濕指數(shù)迅速下降到0.2以下；而東部的干濕指數(shù)也降到0.5～1，僅瓊中和萬寧附近部分區(qū)域依舊處于1以上，保持相對濕潤狀態(tài)。1月份后，海南干燥區(qū)域依舊保持，并且面積有所擴大。海南島的這種干燥狀態(tài)一直持續(xù)到3月份，西部干濕指數(shù)維持在0.2以下，東部部分區(qū)域在0.5以上，中部和北部介于兩者之間。進入4月份以后，伴隨著降水逐漸增多，海南島干濕指數(shù)開始迅速上升，東部、北部先后上升到1以上，西部干濕指數(shù)在0.2以下區(qū)域快速減小并消失。8、9、10月海南島的濕潤程度達到最高。

圖3 海南島 2001—2019 年逐月干濕指數(shù)分布

2.3 海南島水分平衡變化特征 降水與潛在蒸散發(fā)量的比值反映的是降水滿足大氣最大蒸發(fā)蒸騰需求的能力，但一個地區(qū)的植被是對該區(qū)域氣候長期適應(yīng)的結(jié)果，植物葉面上的氣孔對蒸騰有巨大調(diào)節(jié)作用，實際生態(tài)需水量與潛在蒸散發(fā)有較大差異。MODIS陸地蒸散發(fā)產(chǎn)品數(shù)據(jù)（MOD16A2）是遙感反演的實際蒸散發(fā)量產(chǎn)品。全球多個地區(qū)多種植被類型多種數(shù)據(jù)已經(jīng)證明該產(chǎn)品精度較高，流域水分平衡法也證明MOD16模擬的海南年蒸散發(fā)量具有較高準(zhǔn)確度，滿足降水、蒸散發(fā)水分平衡分析干旱的需求[8,18]。海南島多年平均MOD16蒸散發(fā)量的空間分布（圖4）與海南地形分布相似，中間山區(qū)高，四周平原臺地較低。在植被覆蓋度高的中部原始森林區(qū)，蒸散發(fā)量最高，年蒸散發(fā)量在 1 300 mm 以上，局部 1 500 mm以上；四周的丘陵臺地區(qū)蒸散發(fā)量稍低，為900～1 100 mm；西部植被覆蓋條件稍差的區(qū)域，年蒸散發(fā)量普遍在900 mm以下。從分布上來看，蒸散發(fā)量的分布與植被的分布相似，植被覆蓋度高的區(qū)域蒸散發(fā)量大，而植被覆蓋度低的地區(qū)蒸散發(fā)量小。

圖4 海南島 2001—2019 年 MOD16 年蒸散發(fā)量分布圖

降水的年際波動幅度顯著大于實際蒸散發(fā)量的變化幅度。為掌握干旱事件（降水量小于實際蒸散發(fā)量）的發(fā)生頻率規(guī)律，進一步選擇海南島東（瓊海）、西（東方）、南（三亞）、北（?？冢?個典型區(qū)域統(tǒng)計了降水充沛月（月降水量大于同期月平均蒸散發(fā)量）的比例(圖5)。海南島的冬春季節(jié)（12月至翌年4月）降水充沛月比例最低，普遍在20%以下；南部和西部這種情況尤為明顯。值得注意的是在2、3月份南部地區(qū)降水充沛月份比例甚至低于西部。4月份開始海南降水充沛月比例開始升高，5月份北部和東部已經(jīng)進入高峰期，南部和西部大約滯后1個月。6—10月是海南島降水充沛月比例最高的季節(jié)，北部、東部和南部地區(qū)普遍在70%以上，西部降水充沛月比例在6、7月仍偏低，8月份到達高峰。11月各地降水充沛月比例開始迅速下降，尤其是南部和西部。

圖5 海南典型區(qū)域降水充沛月份比例

2.4 海南干旱監(jiān)測指數(shù)的應(yīng)用 氣象學(xué)中通常用干旱指數(shù)來監(jiān)測干旱事件，SPEI指數(shù)能夠反映降水異常及溫度對干旱的影響[19-20]。SPEI指數(shù)反映的是降水與潛在蒸散發(fā)差值在歷史上的排位，不同時間尺度的SPEI反映不同時間長度內(nèi)降水滿足蒸散發(fā)的狀況，既可以反映短期內(nèi)土壤水分的動態(tài)變化，又可以反映長期水資源的趨勢。通過分析1961—2020年海南島不同時間尺度（3、6、12個月）的SPEI指數(shù)（圖6）可以評估不同類型干旱的影響。以2004—2005年海南島發(fā)生的全島性特大干旱為例，說明多尺度SPEI指數(shù)在評估干旱給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟運行帶來的危害中的應(yīng)用。在2004年9、10月，海南島降水嚴重偏少，3個月的SPEI指數(shù)下降明顯，干旱開始發(fā)生；6、12個月的SPEI指數(shù)隨后也迅速下降，2005年上半年的6、12個月的SPEI指數(shù)有非常低的時段。由于海南島冬春農(nóng)業(yè)用水主要依靠水庫蓄水和地下水，長時間尺度（6、12個月）的SPEI指數(shù)最能反映農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際的春季旱情。多次旱情資料分析結(jié)果表明，在海南濕潤的季節(jié)(5—10月)，3個月的SPEI更能夠反映出短期降水缺乏帶來的旱災(zāi)；而在氣溫稍低、相對干燥的季節(jié)(11月至翌年4月)，6、12個月時間尺度的 SPEI值更適宜評估長期水庫蓄水偏少帶來的干旱危害。

圖6 1961—2020 年多尺度 SPEI干旱指數(shù)演化曲線

3 結(jié)論與討論

海南島位于熱帶季風(fēng)區(qū)，季風(fēng)性氣候?qū)е潞Ｄ隙杭窘邓∩?，夏秋降水充沛。受中南部高山阻擋，海南島東南部雨水充足、西部降水較少，降水空間分布不均勻。從氣候干濕狀況以及降水充沛月比例來看，海南島11月至翌年4月氣候干燥、降水滿足地表蒸散發(fā)需求的能力極差，容易發(fā)生干旱；而5—10月氣候濕潤，降水滿足蒸散發(fā)需求的比例普遍在70%以上，干旱發(fā)生的概率相對較小。在實際業(yè)務(wù)和研究中可以分別通過3、6、12個月時間尺度的 SPEI指數(shù)監(jiān)測雨季、旱季干旱的發(fā)生發(fā)展，評估旱災(zāi)損失。

海南島周年平均氣溫較高，滿足作物生長對溫度的要求。雖然從全年來看海南到屬于濕潤區(qū)域，但受季風(fēng)和地形影響，降水時空分布不均勻[21]，特別是冬夏季風(fēng)轉(zhuǎn)換季節(jié)，來自大陸腹地的干冷氣流與來自熱帶海洋的暖濕空氣交替侵入[22]，造成了海南島溫度與降水的不匹配，從而容易發(fā)生農(nóng)業(yè)干旱。為解決季節(jié)性缺水問題，海南修建了大量水利設(shè)施[23]保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、居民生活用水；結(jié)合干旱監(jiān)測與降水預(yù)報優(yōu)化水庫調(diào)度、合理排蓄是防洪抗旱的科學(xué)措施。