柯元惠， 馬明明， 符傳博， 張春花

(1.海南省氣象臺，?？?570203； 2.海南省海南氣象防災減災重點實驗室，?？?570203；3.海南省生態(tài)環(huán)境廳，海口 570203； 4.海南省氣象科學研究所，?？?570203)

引 言

IPCC第五次評估報告指出，人類活動極有可能是20世紀中期以來全球氣候變暖的主要原因。在全球變暖的背景下，從20世紀50年代開始，地球上的極端天氣就已經開始增多，干旱、洪水、熱帶風暴等顯著增加[1-5]。極端天氣氣候事件的頻發(fā)，造成極其嚴重的自然災害，對人類和生態(tài)環(huán)境造成的經濟損失和人員傷亡不斷增加。頻發(fā)的災害性天氣氣候事件已經成為人類可持續(xù)發(fā)展面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，越來越引起人們的重視。我國的極端降水事件也呈現增多的趨勢[6-10]，并呈現一些明顯的地域特征[11-17]。整體而言，長江中下游和東南沿海地區(qū)暴雨日數增多較為明顯，江南、華北、東北地區(qū)暴雨頻數異常年增多，強度加強[18-20]。海南島的極端降水事件在近40年來也呈現一個微弱增加的趨勢，冬季增加趨勢最為明顯[21]。

海南省地處熱帶北緣，屬于熱帶季風氣候。由于其特殊的地理環(huán)境，暴雨等災害性天氣時有發(fā)生。如2010年10月上旬的強降水過程，使海南省16個市縣、全省1160多個村莊受淹，同時造成群眾受災、水庫決口、農作物被淹，損失超過數十億元。近年來，氣象工作者對海南島的降水天氣進行了大量研究，較多關注于熱帶氣旋帶來的降水。陸桂榮等[22]對影響海南的臺風暴雨進行了統計分析，發(fā)現20世紀80年代以前為海南臺風影響高峰期，以后為影響低發(fā)期。吳勝安等[23]對海南熱帶氣旋降水的氣候特征進行分析發(fā)現，熱帶氣旋降水與年總降水量相關顯著，并且呈現明顯的周期性。馮文等[24]對登陸海南的熱帶氣旋中尺度降水分布的變化特征作了歸納。此外，還有一些個例分析[25-29]。

雖然對海南島的降水研究不少，但多側重于個例分析和熱帶氣旋引起的降水，對暴雨次數長期變化的空間分布研究分析較少，對海南島降水極值重現期的研究更少。本文利用海南島18個地面氣象觀測站1966-2015年的逐日降水資料，采用多種氣候統計方法，分析了海南島極端降水的時間和空間分布特征，以此為基礎，采用極值分布對海南島的極端降水重現期進行了分析，以期能對海南防范暴雨災害提供參考。

1 資料和方法

1.1 資 料

降水資料采用海南島18個市縣的國家觀測站資料，根據其建站時間和資料情況，選取1966-2015年的資料。文中所用某天降水量是某站1 d(20:00-次日20:00)24 h累計降水量。最長連續(xù)降水量是指某站1次連續(xù)降水過程大于等于1 d的過程，其間若某天降水量小于0.1 mm，則認為是中斷。

1.2 分布模型

耿貝爾分布是較為完全的極值理論分布，適用于許多分布呈現指數型的氣象變量，利用耿貝爾I型極值分布，可得到較好的結果[30-31]。本文利用耿貝爾I型極值分布型，研究不同重現期降水極值的分布特征。

極值I型分布函數為

F(x)=exp(-exp(-a(x-u)))

(1)

式(1)中,F(x)為極大值的分布函數，a和u是極大值分布參數。

不同重現期的降水量為

(2)

式(2)中，p為概率，即重現期的倒數。

1.3 檢驗方法

柯爾莫哥洛夫檢驗(KS檢驗)，與區(qū)間來考慮經驗分布與理論分布的差異不同，它是逐點考慮它們的偏差，來檢驗經驗分布與假設理論分布的差異是否顯著。

統計量

(3)

稱為Kolmogorov統計量或Kolmogorov-Smirnov統計量。Dn為對應所有樣本的經驗分布和理論分布之差的絕對最大值。

2 強降水的時空分布特征

2.1 暴雨日數的空間分布特征

2.1.1 暴雨日數的多年平均場分布

海南的地形為中間高四周低，降水受到地形和風向的影響，空間分布不均勻。海南島的暴雨日數(圖1a)和最長連續(xù)降水量(圖2a)基本呈現東多西少的分布，分布型呈現“C”字狀。

圖1 1966-2015年海南島平均暴雨日數(a)及其離差系數(b)的空間分布

海南島暴雨日數最多的站點為瓊中和萬寧，年平均暴雨日數均為10.7天，最少的為東方，只有4.6天。北部、西部、中部、東部和南部平均暴雨日數分別為7.6、7.4、6.6、9.7、6.0天，東部是最容易出現暴雨的區(qū)域，暴雨日數比全島平均多出1.6天。海南島暴雨受典型熱帶系統的影響，強降水主要影響系統為熱帶氣旋、熱帶輻合帶、季風槽、副熱帶高壓和冷空氣。影響較為不穩(wěn)定且又不可忽視的影響系統即為熱帶氣旋。影響海南的熱帶氣旋一般從南海及西太平洋面生成，主要以偏西路徑影響海南島[32]。臺風影響形成的降水強度大值主要分布在沿海，并由沿海向內陸遞減[33]。當臺風從東部洋面西行，海南島大多受氣旋北部東風控制，地形的抬升作用增加了迎風坡的雨量，且地形對系統的移動有阻礙作用，對背風坡的降水有抑制作用。

圖2 1966-2015年海南島最長連續(xù)降水量(a)和離差系數(b)的空間分布

離差系數是變量相對離散程度的特征量。暴雨日數的離差系數(圖1b)呈現西高東低的態(tài)勢，結合暴雨日數，離差系數最大的正是最西部的東方，其降水日數最少，其次為西北部的臨高?？梢娭袞|部不僅暴雨日數多，且相對穩(wěn)定，年變化幅度小。

除了極端日降水量會造成災害性天氣外，連續(xù)性降水的累積效應往往也會造成洪澇災害。最長連續(xù)降水量曲線呈“川”字型，最大值為萬寧的1794.6 mm，最少的為樂東的589.4 mm。北部、西部、中部、東部和南部平均最長連續(xù)降水量分別為878.0 mm、709.1 mm、993.7 mm、1570.7 mm、858.9 mm，可見東部和中部最長連續(xù)降水量較大，和暴雨日數分布也相吻合。最長連續(xù)降水量和過程持續(xù)時間，以及過程強度均有關系，中東部不僅容易發(fā)生暴雨，持續(xù)性降水也較多。

從最長連續(xù)降水量的離差系數(圖2b)來看，東部和西部的離差系數整體而言較大，最大的是西部的昌江，其次為東部的瓊海。雖然東部暴雨日數多且穩(wěn)定，又容易產生連續(xù)降水，但是連續(xù)降水的變幅較大。西部暴雨日數和最長連續(xù)雨量均不穩(wěn)定，變化幅度大。綜合來看，中部的降水條件最好，暴雨日數和連續(xù)雨量均較為穩(wěn)定。

2.1.2 年暴雨日數的趨勢場分布

統計結果(圖3)表明，海南島18個市縣站點暴雨日數均呈現上升的趨勢，西北部和南部增加趨勢比較明顯。其中，三亞暴雨日數增加趨勢最明顯，系數達到0.9天/10a，并且通過了0.05的顯著性檢驗；西北部的澄邁、儋州分別為0.6天/10a和0.7天/10a，也通過了顯著性檢驗。瓊中和萬寧暴雨日數增加幅度較小，分別為0.01天/10a和0.2天/10a。結合暴雨日數分布可以看出，暴雨日數多的區(qū)域暴雨日數增加趨勢較為緩慢，而暴雨日數分布較少的北部、西部和南部反而呈現顯著的增多趨勢。

圖3 1966-2015年海南島暴雨日數線性趨勢的空間分布

2.2 年暴雨日數的演變特征

2.2.1 年暴雨日數的年際變化

海南暴雨日數存在明顯的年際和年代際變化，存在一個“少-多-少-多”的分布特征。20世紀80年代前，暴雨日數呈現顯著的偏少狀態(tài)，1966、1968、1969、1977、1979年均為明顯的暴雨異常偏少年，尤其是1969年，偏少超過兩個負標準差；中間度過了一段略為平穩(wěn)的過渡期；2000年以后，暴雨日數明顯呈現偏多的狀態(tài)，2009、2010和2013年均為明顯的暴雨異常偏多年，2009和2010年偏多顯著，接近兩個標準差(圖4)。

2.2.2 年暴雨日數的周期變化

運用Morlet小波方法，對海南島1966-2015年的年暴雨日數時間序列進行分析，得到年暴雨日數小波變換系數的實部(圖5)和方差(圖略)，圖中信號的強弱通過小波系數的大小表示，正值表示在縱

圖4 1966-2015年海南島暴雨日數距平序列的年際變化

坐標周期暴雨日數處于偏多期，負值則為偏少。圖中可以看出，1966-2015年海南暴雨日數存在3～5 a、8～10 a 、15～21 a和25～34 a的振蕩周期。15～21 a和25～34 a的振蕩周期振幅較大且周期穩(wěn)定，8～10 a的振蕩周期前期周期小，后期周期有所增大，振幅也比較明顯，這3個時間尺度的周期變化具有全域性。3～5 a周期在1980s末和2000s中期開始表現得最為明顯，其余時段表現較弱。同時，在25～34 a時間尺度上存在暴雨日數“少-多-少-多”的準四次振蕩，與圖4的多項式擬合曲線基本吻合。

圖5 1966-2015年海南島暴雨日數小波變換

3 降水極值重現期分析

有學者利用耿貝爾極值Ⅰ型分布，計算了海南風速極值重現期，并取得了較好的結果[34-36]，但用該分布型對海南島降水極值重現期進行分析的較少，本文嘗試利用此分布型對降水極值進行擬合。每個站選取1個日最大降水量年降水序列，利用耿貝爾極值Ⅰ型分布計算極值，又根據柯爾莫哥洛夫檢驗的計算公式，計算18個市縣的KS檢驗統計量，D50范圍在0.0568-0.1407。查表可知n=50水平為α=0.01的臨界值為d50,0.01=0.22604，大于18個市縣中的任意一個KS檢驗統計量D50，所以認為最大日降水量極值分布符合耿貝爾極值Ⅰ型分布，擬合成功，得到不同重現期年最大日降水量極值分布(圖6)。利用同樣的方法計算最長連續(xù)降水量極值和KS檢驗統計量，D50范圍在0.0547-0.2032，進行檢驗，最長連續(xù)降水量極值分布也符合耿貝爾極值Ⅰ型分布，擬合成功，得到不同重現期最長連續(xù)降水量極值分布(圖7)。

3.1 最大日降水量極值分布

海南島不同重現期年最大日降水量極值呈南北低東西高的分布。10年一遇降水極值為223.6～361.1 mm，30年一遇降水極值為272.1～473.3 mm，50年一遇降水極值為294.3～523.1 mm，100年一遇降水極值為324.2～591.5 mm，均已經達到大暴雨標準。不同重現期降水極值均是昌江的最大，其次為屯昌、東方、瓊海、白沙的，樂東的最小，排名前5的有3個為西部市縣。按區(qū)域平均來看，西部日降水量極值最大，其次為東部、北部、南部、中部的?？傮w來說，海南島不同重現期最大日降水量極值呈現南北低，東西高的態(tài)勢(圖6)。

圖6 海南島不同重現期年最大日降水量極值分布

3.2 最長連續(xù)降水量極值分布

海南島不同重現期最長連續(xù)降水量極值呈現西低東高的分布。10年一遇的最長連續(xù)降水量極值為414.6～807.5 mm，最大值在瓊中，其次為萬寧的781.5 mm，最小值在東方；30年一遇的最長連續(xù)降水量極值為552.5～1041.9 mm，最大值在萬寧，其次為瓊中的1035.7 mm，最小值在東方；50年一遇的最長連續(xù)降水量極值為615.4～1160.8 mm，最大值在萬寧，其次為瓊中的1139.8 mm，最小值在東方；100年一遇的最長連續(xù)降水量極值為696.5～1321.1 mm，最大值在萬寧，其次為瓊中的1280.3 mm，最小值在樂東。10年、30年、50年、100年不同重現期的連續(xù)降水量極值按區(qū)域平均來看，從大到小依次為東部、中部、南部、北部、西部(圖7)。

圖7 海南島不同重現期最長連續(xù)降水量極值分布

3.3 降水極值重現期成因分析

最大日降水量的極值分布對海南的降水規(guī)律作了較好的解釋。海南島的大級別降水主要發(fā)生在秋季和夏季，尤其是日降水量達到大暴雨級別的降水，多和熱帶氣旋相關。夏季對海南降水影響較大的氣旋多從瓊海、文昌一帶東部沿海登陸，朝西北移動，至臨高、儋州附近出海。海南島西部受熱帶氣旋西南側的西北氣流的影響，由于西側五指山的迎風效

應增加了降水量，因而西部尤其是昌江的降水極值最大。秋季，受到冷空氣的影響，熱帶氣旋多由海南島南部海面經過或在東南側陵水登陸，海南島受熱帶氣旋北側的東風氣流影響，又由于五指山的地形作用，在東部也會形成較大的日降水量極值[21、37]。1966-2015年海南島日降水量最大值就出現在昌江，出現日期為2001年8月30日。此時熱帶氣旋“菲特”影響海南，其于29日在文昌登陸，以西行路徑影響海南島，造成大范圍降水，30日昌江出現日降水量644.6 mm的特大暴雨，即是在臺風西南側的西北氣流影響下產生的，造成了100年一遇的重大氣象災害。

除熱帶氣旋的影響外，海南秋季常常發(fā)生非臺暴雨，低層偏東急流是暴雨形成的最重要天氣系統[38]。9月過后，副高減弱，冷空氣逐漸加強，季風交替，致使冷暖空氣交匯頻繁，當熱帶輻合帶活躍時，更是為秋季暴雨提供了良好的觸發(fā)條件[39-40]。中低層冷高南側的東北風或東到東北風與熱帶輻合帶東側的偏南急流在南海北部到華南沿海一帶輻合，最終在此區(qū)域形成顯著的低層東風急流。該急流為暴雨提供了充足的水汽、熱力和動力條件，在地形迎風坡效應的增幅作用下，會在海南島東部造成較大的日降水量極值。例如萬寧1966-2015年日降水量最大值出現在2000年10月14日，為355.1 mm，是典型的秋季暴雨。北方的強冷空氣和南部熱帶低壓的擾動共同作用在華南沿海形成低空東風急流，造成了萬寧100年一遇的日降水極值。

長連續(xù)降水常常發(fā)生在夏季和秋季，尤其秋季更容易出現時間長、量級大的降水。秋季低層偏東急流不僅導致了海南島東部較高的最大日降水量極值，也是東部最長連續(xù)降水量極值最大的原因。低層東風急流維持時間的長短，與降水維持時間的長短有很高的相關率[41]。2010年10月上旬的降水過程是對海南島影響巨大的連續(xù)降水過程。此次過程就是在冷空氣南侵、輻合帶北抬、海南島附近又新生了熱帶低壓系統下發(fā)生的，致使在南海北部有低層東風急流發(fā)展并維持，7個市縣(萬寧、瓊海、文昌、陵水、屯昌、五指山和白沙)的連續(xù)降水都達到了1966-2015年之最，萬寧、瓊海、文昌、陵水、屯昌5個市縣的降水均達到100年一遇的極值，其余2個市縣的降水也達到了50年一遇的量級。

結合最大日降水量重現期可看出，西部雖然日降水量極值大，但是連續(xù)性降水極值較小，說明西部容易出現暴雨，但是不易出現連陰雨天氣。東部的持續(xù)降水量極值在各重現期都是最多的，且東部日降水量極值也僅次于西部的，因此在出現災害性降水天氣時，東部不僅容易出現暴雨，也容易出現連續(xù)陰雨天氣，在防災減災中更要關注。

4 結論和討論

利用統計分析、線性回歸擬合、小波分析對海南島降水資料進行了分析，并用極值分布對海南島的極端降水重現期進行了分析和規(guī)律總結，得出如下結論：

(1)海南暴雨日數呈現東多西少的態(tài)勢，中東部不僅容易發(fā)生暴雨，持續(xù)性降水也較多；在趨勢變化上，海南的暴雨日數總體呈現上升的趨勢，西北部和南部增加趨勢比較明顯，即暴雨日數少的區(qū)域暴雨呈現顯著增加的態(tài)勢，暴雨日數多的區(qū)域增長略為緩慢。

(2)海南暴雨日數存在明顯的年際和年代際變化，存在“少-多-少-多”的分布特征，2000年以后，暴雨日數明顯呈現一個偏多的狀態(tài)，目前仍處于暴雨偏多期。

(3)海南暴雨日數存在3～5 a、8～10 a 、15～21 a和25～34 a的振蕩周期，其中8～10 a 、15～21 a和25～34 a的振蕩周期較為穩(wěn)定且具有全域性，3～5a周期表現則不那么明顯。

(4)海南島不同重現期的最大日降水量呈現南北低東西高的態(tài)勢，最長連續(xù)降水量極值分布呈現西低東高的態(tài)勢。海南島不同重現期的最大日降水量分布主要與熱帶氣旋及秋季低層偏東急流有關，最長連續(xù)降水量極值分布與秋季低層偏東急流長時間維持有關。總的來說，西部日降水量極值最大，連續(xù)降水量極值最小，容易出現暴雨。東部日降水量極值和連續(xù)降水量值均較大，不僅容易出現暴雨，也容易出現連日的陰雨天氣。

本文對海南島降水極值的重現期進行了擬合與分析，得到較好的結果，對海南島降水極值重現期有了初步了解。前人分析降水極值多側重于擬合數據結果[42-43]或方法的比對[44-45]，本文結合天氣學背景對極值結果進行了分析討論，加深了對降水重現期的認識。而極端降水帶來的深遠影響，有待于在今后的工作中進一步研究與探討。