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，海口 570203；2 海南省氣候中心，海口 570203；3 海南省南海氣象防災減災重點實驗室，海口 570203）

0 引言

在我國大部分地區，尤其夏季月平均氣溫與降水量呈反相關關系，溫度高意味著降水少。高溫天氣日數增多，促使平均氣溫上升，導致地表蒸發量增加，夏季高溫酷暑天氣伴隨著干旱很可能會發生，或使干旱持續維持。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發現，地表變干和降水量減少與氣溫升高相關；地表變濕和降水量增多與氣溫降低有關。20世紀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年干旱變化時發現，土壤濕度與降水量呈正相關，與平均氣溫呈負相關，相關系數都比較高，尤其夏季（6—8月）的氣溫與土壤濕度呈顯著負相關。衛捷等[3]利用我國160站資料分析，發現夏季我國大部地區氣溫與降水反相關，即氣溫越高，降水可能偏少。這說明對于我國大部地區，在夏季干旱時段，可能會出現高溫酷暑天氣，反之局地高溫出現，也有利于產生干旱的大陸性暖高壓系統的維持。鄧振鏞等[4]研究認為我國北方夏季干旱范圍及嚴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，高溫熱浪頻繁發生，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的大氣環流異常背景。李新周等[5]對中國北方地區干旱研究表明，北方地區當前的干旱化時空格局與東亞夏季風異常特征密切相關，夏季風減弱以及由此造成水汽輸送量減少是導致干旱化發展的主要原因，而低層大氣反氣旋環流增強和氣旋性環流減弱是引起干旱化的異常環流特征。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異常偏強、偏西，長期穩定地控制在長江中下游和江南地區是造成2013 年夏季長江中下游和湖南省持續高溫干旱最重要最直接的原因。

海南島地處熱帶地區，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，導致干旱成為海南島最常出現、影響最廣、最難監測的災害性天氣。海南島一年四季均可發生干旱，干旱日數分布表現為南部多于北部，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，春旱可持續到5月，甚至6月[8]。高溫是導致干旱的重要因素，李偉光等[9]研究認為，由于溫度升高顯著，而降水僅弱增加，且降水集中，導致海南島干旱化趨勢嚴重，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展的，本文將對海南島西南部干旱與高溫進行相關分析，對4—6月極端旱年和澇年大氣環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在聯系以及極端旱年和澇年大氣環流異常特征，為更好地預測預報海南島西南部干旱提供科學依據。

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（CI）標準進行劃分；全球環流資料采用NCEP/NCAR再分析月平均數據資料集，包括緯向風、經向風、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在聯系

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

為研究海南島西南部高溫和干旱的內在聯系，本文選取海南島氣溫高且干旱比較嚴重的西南部地區的昌江、白沙、樂東和保亭4縣作為代表站，對高溫和干旱的相關關系進行分析。降水量取平均值，高溫日數取總天數，得出4—6月海南島西南部地區的距平演變。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，降水量與高溫日數剔除趨勢后的變化成明顯反相關，二者相關系數可達?0.706（P＜0.001）。與原序列求相關，其相關系數為?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。

由圖1可見，剔除趨勢后高溫日數異常偏多的典型（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。可見高溫和降水異常偏少出現的一致性相當好，進一步證實高溫與干旱之間存在內在聯系的客觀性。

圖1 1966—2018年海南島西南部地區4—6月剔除趨勢后的降水量和高溫日數距平演變圖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重的年份。下面對這5年4—6月西南部地區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%。由于西南部地區降水嚴重偏少，導致出現嚴重干旱，特別是在高溫過程結束前后，西南部4縣的干旱指數出現顯著變化。值得說明的是，CI與實際旱情相比較，干旱指數偏輕，但仍可反映干旱的發展趨勢，干旱指數在高溫過程結束前后的變化可反映高溫對干旱發展有促進作用。

表1 4—6月海南島西南部地區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

以高溫導致干旱最為嚴重的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月干旱開始發生，持續到1978年。西南部累積高溫日數達177 d，較多年平均高出107 d。在剔除趨勢后，其距平可達122 d，是同期高溫日數異常最多的年份。1977年的4—6月的高溫過程主要出現在4月25日—6月29日，對比同期CI指數分布圖（圖2）可見，由于高溫過程的出現，干旱得到快速發展。在主要高溫過程之前（4月24日），部分地區無氣象干旱，不少區域為輕度氣象干旱，僅個別市縣為重旱；到了6月29日，全省出現氣象干旱，絕大部分地區為中度以上，近1/3的地區為重度氣象干旱。西南部地區干旱程度加重，其中樂東由無旱發展到重旱，可見高溫的出現對干旱的發展有明顯的加重作用。

2015年4—6月，海南島西南部地區平均降水量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，海南島大部分地區氣象干旱發展，有11個縣市出現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縣累積高溫日數達179 d，較多年平均高出110 d。全省高溫日數也顯著偏多，其中5月中旬—6月中旬的高溫天氣過程具有高溫范圍大、累計日數多、連續日數長、局部地區最高氣溫高的特點，是2015年上半年7次高溫過程中最為嚴重的一次，也是歷史同期少見的高溫天氣過程。比較6月14日的CI指數和高溫大范圍活動之前的4月27日CI指數（圖3）可見，高溫過程使氣象干旱快速發展，西南部4縣由之前的無旱快速發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上，高溫的連續出現先于干旱的快速發展，即高溫的連續出現對干旱快速發展起促進加重作用。

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流異常形勢

為了更好理解海南島出現極端高溫干旱的大氣環流形勢，利用NCEP/NCAR再分析月平均數據資料集，包括緯向風、經向風、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，高溫日數偏少的1979、1990、1997和2012年大氣環流異常形勢。

由圖4a可見，在海南島4—6月極端干旱年份，500 hPa阿留申低壓區高度為正距平，即偏弱，東亞大槽區高度場為正距平，即大槽同樣偏弱；而阻塞高壓區高度場為負距平，即阻塞高壓也偏弱。其相互配置的結果是，中高緯環流以緯向為主，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。在以上大氣環流異常形勢的共同影響下，海南島更容易出現高溫，不利于降水，從而導致干旱維持與發展。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，將導致中緯度地區經向環流為主，從而有利于冷空氣南下影響海南島；而低緯地區由于南亞高壓偏弱，利于對流活動，有利于降水發生。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、東亞大槽區、阻塞高壓區及以南亞高壓區，這種差異變得更為明顯，從而導致旱、澇兩種極端氣候事件的發生。

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異常風場及兩者的差異場（c）（“A”代表反氣旋式環流，“C”代表氣旋式環流，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風場與前節阿留申低壓區高度為正距平（即偏弱）對應，其上空為反氣旋式環流；此外，西北太平洋西部和南海上空為明顯的反氣旋式環流，孟加拉灣上空也為明顯的反氣旋式環流，這與南亞高壓偏強有關；還有我國東南部地區上空，是南海異常反氣旋式環流的北側，為明顯的異常西南風。以上異常風場相互配置的結果與上述高度場異常反映的結果一致：中高緯環流以緯向為主，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流西北側的異常西南風控制，意味更容易產生高溫天氣，降水則不易產生。由圖5b可見，在降水異常偏多的年份，850 hPa風場西北太平洋西部和南海上空為異常氣旋式環流，海南島是該異常氣旋式環流的中心，意味著對流活躍，降水容易發生。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流中心，海南島位于我國東部反氣旋式環流中心的底部。從圖中可以看出，這里是一明顯的流線輻合區，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、低層輻散的結果是該區域近地層氣溫升高、降水不易發生，與前述高度、風場異常分析的結論一致。由圖6b可見，在降水異常偏多的年份，200 hPa流場我國華北區域上空為氣旋式異常環流，印度北部鄰近的中東上空也為氣旋式環流，日本以東洋面上空為反氣旋式環流。海南島位于氣旋式環流的底部，流線向西太平洋南北兩個方向輻散，上層輻散導致低層輻合，從而對流容易發生，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，也是干旱的易發地；海南高溫日數和降水量呈顯著的反相關，在西南干旱易發生地相關尤其顯著。

2）4—6月海南西南部地區高溫和干旱有內在的聯系，降水極端偏少年與高溫日數的極端偏多年有良好的一致性；高溫過程的出現會促進氣象干旱的快速發展，進而發生重大干旱災害。

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流背景；而極澇年的大氣環境配置大致相反。