高溫對海南島西南部干旱影響研究

張春花 吳勝安

（1 海南省氣象臺，?？?570203；2 海南省氣候中心，?？?570203；3 海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，?？?570203）

0 引言

在我國大部分地區(qū)，尤其夏季月平均氣溫與降水量呈反相關(guān)關(guān)系，溫度高意味著降水少。高溫天氣日數(shù)增多，促使平均氣溫上升，導(dǎo)致地表蒸發(fā)量增加，夏季高溫酷暑天氣伴隨著干旱很可能會發(fā)生，或使干旱持續(xù)維持。馬柱國等[1]利用我國北方160個氣象站資料研究地表濕潤指數(shù)發(fā)現(xiàn)，地表變干和降水量減少與氣溫升高相關(guān)；地表變濕和降水量增多與氣溫降低有關(guān)。20世紀(jì)90年代降水量減少明顯大于80年代，但溫度增加幅度大于80年代，造成90年代地表干旱強于80年代的原因是由于增溫所致。謝安等[2]利用實測土壤濕度資料研究東北近50年干旱變化時發(fā)現(xiàn)，土壤濕度與降水量呈正相關(guān)，與平均氣溫呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)都比較高，尤其夏季（6—8月）的氣溫與土壤濕度呈顯著負(fù)相關(guān)。衛(wèi)捷等[3]利用我國160站資料分析，發(fā)現(xiàn)夏季我國大部地區(qū)氣溫與降水反相關(guān)，即氣溫越高，降水可能偏少。這說明對于我國大部地區(qū)，在夏季干旱時段，可能會出現(xiàn)高溫酷暑天氣，反之局地高溫出現(xiàn)，也有利于產(chǎn)生干旱的大陸性暖高壓系統(tǒng)的維持。鄧振鏞等[4]研究認(rèn)為我國北方夏季干旱范圍及嚴(yán)重程度基本上與暖季極端氣候變化相一致。極端最高氣溫偏高，高溫?zé)崂祟l繁發(fā)生，干旱趨勢逐步加重，干旱范圍也逐步擴大，各干旱周期階段間距在縮小，同時存在著顯著的年代際變化。從全國范圍講，1965—1982年和1991—2000年是干旱面積較大的時段，平均干旱面積逐步增大，極端高溫年份的干旱面積顯著擴大。

大量研究表明，高溫和干旱異常都有相應(yīng)的大氣環(huán)流異常背景。李新周等[5]對中國北方地區(qū)干旱研究表明，北方地區(qū)當(dāng)前的干旱化時空格局與東亞夏季風(fēng)異常特征密切相關(guān)，夏季風(fēng)減弱以及由此造成水汽輸送量減少是導(dǎo)致干旱化發(fā)展的主要原因，而低層大氣反氣旋環(huán)流增強和氣旋性環(huán)流減弱是引起干旱化的異常環(huán)流特征。李曈等[6]、張劍明等[7]研究表明西太平洋副熱帶高壓的持續(xù)異常偏強、偏西，長期穩(wěn)定地控制在長江中下游和江南地區(qū)是造成2013 年夏季長江中下游和湖南省持續(xù)高溫干旱最重要最直接的原因。

海南島地處熱帶地區(qū)，各地年降水量949—2388 mm，由于地形因素，海南島年降水量充沛，但時空分布不均，降水集中于東部，西部沿海年平均降雨量不足1000 mm，導(dǎo)致干旱成為海南島最常出現(xiàn)、影響最廣、最難監(jiān)測的災(zāi)害性天氣。海南島一年四季均可發(fā)生干旱，干旱日數(shù)分布表現(xiàn)為南部多于北部，西部多于東部。常年的干旱時段主要集中在11月—次年4月，以冬春旱為主，個別年份雨季來得晚，春旱可持續(xù)到5月，甚至6月[8]。高溫是導(dǎo)致干旱的重要因素，李偉光等[9]研究認(rèn)為，由于溫度升高顯著，而降水僅弱增加，且降水集中，導(dǎo)致海南島干旱化趨勢嚴(yán)重，極端干旱事件呈增加趨勢。在海南島高溫是如何促進干旱發(fā)展的，本文將對海南島西南部干旱與高溫進行相關(guān)分析，對4—6月極端旱年和澇年大氣環(huán)流異常特征進行對比分析，揭示海南島西南部高溫和干旱的內(nèi)在聯(lián)系以及極端旱年和澇年大氣環(huán)流異常特征，為更好地預(yù)測預(yù)報海南島西南部干旱提供科學(xué)依據(jù)。

本文降水量和高溫資料取自海南島18個臺站1966—2018 年逐日降水和和高溫資料；氣象干旱等級采用國家綜合氣象干旱指數(shù)（CI）標(biāo)準(zhǔn)進行劃分；全球環(huán)流資料采用NCEP/NCAR再分析月平均數(shù)據(jù)資料集，包括緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)、位勢高度，水平分辨率為2.5°×2.5°。

1 海南島西南部高溫和干旱的內(nèi)在聯(lián)系

海南島各地35 ℃以上高溫年日數(shù)由西北向東南地區(qū)遞減，其中全省年最多日數(shù)就出現(xiàn)在西部的昌江縣達50 d，5—7月為高峰月，各月占年總高溫日數(shù)均超過20%；海南島常年4—6月平均最高氣溫出現(xiàn)在西南部地區(qū)，最高值出現(xiàn)在昌江33.4 ℃，其次是樂東和澄邁32.7 ℃。除澄邁位于北部地區(qū)，其余縣市位于海南島西南部地區(qū)。4—6月，西南部地區(qū)高溫日數(shù)明顯增多，同時該地區(qū)又處于中部五指山脈的雨影區(qū)，降水偏少，因此該地區(qū)干旱易迅速發(fā)展。

為研究海南島西南部高溫和干旱的內(nèi)在聯(lián)系，本文選取海南島氣溫高且干旱比較嚴(yán)重的西南部地區(qū)的昌江、白沙、樂東和保亭4縣作為代表站，對高溫和干旱的相關(guān)關(guān)系進行分析。降水量取平均值，高溫日數(shù)取總天數(shù)，得出4—6月海南島西南部地區(qū)的距平演變。圖1是剔除趨勢后的距平演變圖，因為氣溫的變暖趨勢顯著，同樣高溫天數(shù)的增長趨勢也很顯著，而降水的變化趨勢則不顯著，為了分析高溫日數(shù)年際變化對干旱的影響，有必要剔除這種線性趨勢的影響。由圖1可見，降水量與高溫日數(shù)剔除趨勢后的變化成明顯反相關(guān)，二者相關(guān)系數(shù)可達?0.706（P＜0.001）。與原序列求相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)為?0.653（P＜0.001），這說明剔除趨勢后可以更好地揭示年際變化的反相關(guān)。

由圖1可見，剔除趨勢后高溫日數(shù)異常偏多的典型（偏多50 d以上）年份為1969、1977、1983、2005和2015年，而降水異常偏少的典型（偏少近200 mm或以上）也是這5年?？梢姼邷睾徒邓惓Ｆ俪霈F(xiàn)的一致性相當(dāng)好，進一步證實高溫與干旱之間存在內(nèi)在聯(lián)系的客觀性。

圖1 1966—2018年海南島西南部地區(qū)4—6月剔除趨勢后的降水量和高溫日數(shù)距平演變圖Fig.1 Precipitation and high temperature days anomaly with trend removed in Southwestern Hainan Island from April to June in 1966-2018

2 西南部地區(qū)4—6月異常高溫活動對干旱的影響

1969、1977、1983、2005和2015年是海南島高溫日數(shù)異常偏多與降水異常偏少的典型年份，這5年也是海南島春旱異常嚴(yán)重的年份。下面對這5年4—6月西南部地區(qū)異常高溫活動對干旱的影響進行分析。

由表1可見，1 9 6 9、1 9 7 7、1 9 8 3、2 0 0 5和2015年，西南部地區(qū)平均降水量均比多年平均偏少36.5%～66.8%；全省平均降水量也較常年偏少26.5%～58.1%。由于西南部地區(qū)降水嚴(yán)重偏少，導(dǎo)致出現(xiàn)嚴(yán)重干旱，特別是在高溫過程結(jié)束前后，西南部4縣的干旱指數(shù)出現(xiàn)顯著變化。值得說明的是，CI與實際旱情相比較，干旱指數(shù)偏輕，但仍可反映干旱的發(fā)展趨勢，干旱指數(shù)在高溫過程結(jié)束前后的變化可反映高溫對干旱發(fā)展有促進作用。

表1 4—6月海南島西南部地區(qū)異常高溫活動對干旱的影響Table 1 Effects of abnormal high temperature activities on drought in southwestern Hainan Island from April to June

以高溫導(dǎo)致干旱最為嚴(yán)重的1 9 7 7年和2 0 1 5年為例。1977年4—6月，西南部地區(qū)平均降水量181.6 mm，比多年平均（544.0 mm）偏少66.8%，是同期降水最少的年份。全省平均降水量205.9 mm，較常年偏少58.1%。1977年5月干旱開始發(fā)生，持續(xù)到1978年。西南部累積高溫日數(shù)達177 d，較多年平均高出107 d。在剔除趨勢后，其距平可達122 d，是同期高溫日數(shù)異常最多的年份。1977年的4—6月的高溫過程主要出現(xiàn)在4月25日—6月29日，對比同期CI指數(shù)分布圖（圖2）可見，由于高溫過程的出現(xiàn)，干旱得到快速發(fā)展。在主要高溫過程之前（4月24日），部分地區(qū)無氣象干旱，不少區(qū)域為輕度氣象干旱，僅個別市縣為重旱；到了6月29日，全省出現(xiàn)氣象干旱，絕大部分地區(qū)為中度以上，近1/3的地區(qū)為重度氣象干旱。西南部地區(qū)干旱程度加重，其中樂東由無旱發(fā)展到重旱，可見高溫的出現(xiàn)對干旱的發(fā)展有明顯的加重作用。

2015年4—6月，海南島西南部地區(qū)平均降水量279.2 mm，比多年平均（544.0 mm）偏少49%。全省平均降水量360.7 mm，較常年偏少26.5%。受前期降水偏少、氣溫偏高的影響，截止5月31日，海南島大部分地區(qū)氣象干旱發(fā)展，有11個縣市出現(xiàn)了不同程度氣象干旱，其中昌江、三亞、保亭和五指山達到重度氣象干旱，7個市縣為輕到中度氣象干旱。6月上中旬我省氣象干旱發(fā)展迅速，6月14日氣象干旱達到最重，其中昌江、三亞為特重氣象干旱，樂東、瓊海為重度氣象干旱，8個市縣為輕到中度氣象干旱。同期西南部4縣累積高溫日數(shù)達179 d，較多年平均高出110 d。全省高溫日數(shù)也顯著偏多，其中5月中旬—6月中旬的高溫天氣過程具有高溫范圍大、累計日數(shù)多、連續(xù)日數(shù)長、局部地區(qū)最高氣溫高的特點，是2015年上半年7次高溫過程中最為嚴(yán)重的一次，也是歷史同期少見的高溫天氣過程。比較6月14日的CI指數(shù)和高溫大范圍活動之前的4月27日CI指數(shù)（圖3）可見，高溫過程使氣象干旱快速發(fā)展，西南部4縣由之前的無旱快速發(fā)展到之后的重旱和特旱。由此可見，2015年的高溫、干旱在大致同步的基礎(chǔ)上，高溫的連續(xù)出現(xiàn)先于干旱的快速發(fā)展，即高溫的連續(xù)出現(xiàn)對干旱快速發(fā)展起促進加重作用。

圖2 海南島1977年4月24日（a）和6月29日（b）的CI指數(shù)分布Fig. 2 CI index distribution over Hainan Island on 24 April (a) and 29 June (b) in 1977

圖3 海南島2015年4月27日（a）和6月14日（b）的CI指數(shù)分布Fig. 3 Same as Fig.2, but on 27 April (a) and 14 June (b) in 2015

3 高溫和干旱的大氣環(huán)流異常形勢

為了更好理解海南島出現(xiàn)極端高溫干旱的大氣環(huán)流形勢，利用NCEP/NCAR再分析月平均數(shù)據(jù)資料集，包括緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)、位勢高度，水平分辨率為2.5°× 2.5°，分析了1969、1977、1983、2005和2015年的大氣環(huán)流異常形勢，為了便于對比，也分別分析了4—6月降水異常偏多，高溫日數(shù)偏少的1979、1990、1997和2012年大氣環(huán)流異常形勢。

由圖4a可見，在海南島4—6月極端干旱年份，500 hPa阿留申低壓區(qū)高度為正距平，即偏弱，東亞大槽區(qū)高度場為正距平，即大槽同樣偏弱；而阻塞高壓區(qū)高度場為負(fù)距平，即阻塞高壓也偏弱。其相互配置的結(jié)果是，中高緯環(huán)流以緯向為主，不利于冷空氣南下影響海南島。另一方面，南亞高壓區(qū)高度場為正距平，表明南亞高壓偏強，意味著海南島氣溫偏高，降水偏少。在以上大氣環(huán)流異常形勢的共同影響下，海南島更容易出現(xiàn)高溫，不利于降水，從而導(dǎo)致干旱維持與發(fā)展。由圖4b可見，在降水異常偏多的年份，其異常形勢與極端干旱年大致相反，500 hPa阿留申低壓偏強，東亞大槽偏強，阻塞高壓偏強，南亞高壓偏弱。這些異常形勢共同影響，將導(dǎo)致中緯度地區(qū)經(jīng)向環(huán)流為主，從而有利于冷空氣南下影響海南島；而低緯地區(qū)由于南亞高壓偏弱，利于對流活動，有利于降水發(fā)生。圖4c是極端干旱年與降水異常偏多年的差異，可見阿留申低壓區(qū)、東亞大槽區(qū)、阻塞高壓區(qū)及以南亞高壓區(qū)，這種差異變得更為明顯，從而導(dǎo)致旱、澇兩種極端氣候事件的發(fā)生。

圖4 4—6月極端旱年（a）、極端澇年（b）500 hPa異常高度場及兩者差異場（c）Fig. 4 Abnormal height of 500 hPa level on extreme drought year (a), extreme flood year (b) and the difference(c) from April to June

圖5 4—6月極端旱年（a）、極端澇年（b）850 hPa異常風(fēng)場及兩者的差異場（c）（“A”代表反氣旋式環(huán)流，“C”代表氣旋式環(huán)流，下同）Fig. 5 Abnormal wind fields of 850 hPa level on extreme drought year (a), extreme flood year (b) and the difference(c) from April to June(“A” represents anticyclonic circulation, “C”represents cyclonic circulation, the same as below)

圖5a可見，在海南島4—6月極端干旱年份，850 hPa風(fēng)場與前節(jié)阿留申低壓區(qū)高度為正距平（即偏弱）對應(yīng)，其上空為反氣旋式環(huán)流；此外，西北太平洋西部和南海上空為明顯的反氣旋式環(huán)流，孟加拉灣上空也為明顯的反氣旋式環(huán)流，這與南亞高壓偏強有關(guān)；還有我國東南部地區(qū)上空，是南海異常反氣旋式環(huán)流的北側(cè)，為明顯的異常西南風(fēng)。以上異常風(fēng)場相互配置的結(jié)果與上述高度場異常反映的結(jié)果一致：中高緯環(huán)流以緯向為主，不利于冷空氣南下影響海南島。另一方面，海南島上空為反氣旋式異常環(huán)流西北側(cè)的異常西南風(fēng)控制，意味更容易產(chǎn)生高溫天氣，降水則不易產(chǎn)生。由圖5b可見，在降水異常偏多的年份，850 hPa風(fēng)場西北太平洋西部和南海上空為異常氣旋式環(huán)流，海南島是該異常氣旋式環(huán)流的中心，意味著對流活躍，降水容易發(fā)生。圖5c是極端干旱年與降水異常偏多年的差異，可見阿留申低壓和南海上空的反氣旋式差異環(huán)流變得更為明顯。

圖6 4—6月極端旱年（a）、極端澇年（b）200 hPa異常流場及兩者差異場（c）Fig. 6 Abnormal stream of 200 hPa level on extreme drought year (a), extreme flood year (b) and the difference(c) from April to June

由圖6a可見，在海南島4—6月極端干旱年份，200 hPa流場東北半球的主要異常形勢是：我國東部上空為一反氣旋式環(huán)流中心，我國西部鄰近的中東上空和其東部的中西太平洋上空為氣旋式環(huán)流中心，海南島位于我國東部反氣旋式環(huán)流中心的底部。從圖中可以看出，這里是一明顯的流線輻合區(qū)，西北太平洋和南亞上空的流線在海南島上空附近輻合，上層輻合，意味著高層大氣在此堆積，從而使低層氣壓偏高，進而向外輻散。這種高層輻合、低層輻散的結(jié)果是該區(qū)域近地層氣溫升高、降水不易發(fā)生，與前述高度、風(fēng)場異常分析的結(jié)論一致。由圖6b可見，在降水異常偏多的年份，200 hPa流場我國華北區(qū)域上空為氣旋式異常環(huán)流，印度北部鄰近的中東上空也為氣旋式環(huán)流，日本以東洋面上空為反氣旋式環(huán)流。海南島位于氣旋式環(huán)流的底部，流線向西太平洋南北兩個方向輻散，上層輻散導(dǎo)致低層輻合，從而對流容易發(fā)生，有利于降水偏多。圖6c是極端干旱年與降水異常偏多年的差異，其分布與圖6a較為相似，但輻散輻合更為明顯。

4 結(jié)論

1）海南島西南部4—6月高溫、干旱的空間分布較為相似，西南部高溫多，也是干旱的易發(fā)地；海南高溫日數(shù)和降水量呈顯著的反相關(guān)，在西南干旱易發(fā)生地相關(guān)尤其顯著。

2）4—6月海南西南部地區(qū)高溫和干旱有內(nèi)在的聯(lián)系，降水極端偏少年與高溫日數(shù)的極端偏多年有良好的一致性；高溫過程的出現(xiàn)會促進氣象干旱的快速發(fā)展，進而發(fā)生重大干旱災(zāi)害。

3）阻塞高壓、東亞大槽和阿留申低壓偏弱，南亞高壓偏強，海南上空為反氣旋式異常環(huán)流，高層輻合、低層輻散，這是4—6月海南島西南部高溫干旱的異常環(huán)流背景；而極澇年的大氣環(huán)境配置大致相反。