近51年海南岛极端气温事件分析

宾昕 ，蒋贤玲 ，任晓玥

(1.海南省气象台，海南 海口 570203；2.南海气象防灾减灾重点实验室，海南 海口 570203；3.海南省气象信息中心，海南 海口 570203)

1 引 言

海南岛位于中国南海西北部，是季风热带山地为主的岛屿[1]，地势中间高四周低，从中部地区至环岛四周由山地、丘陵、台地和平原等环形层状梯级结构组成[2]。海南岛四面环海，经纬跨度小，大气环流、天气系统的区域差异较小，中部山区的阻隔和南海海温的变化对当地气候产生显著的影响[3-5]。在全球变暖背景下，海南岛的各气温要素均呈现上升趋势，导致极端气温事件频发[6-7]，对自然环境和人类社会的影响加剧。海南岛作为我国最大的热带岛屿，是重要的物种基因库[8]，针对该地区的极端气温事件和气候变化特征的研究对其生态多样性、经济效益均有重要意义。

近年来，极端气温事件发生频率与强度明显加剧，越来越多的学者就极端气温事件展开了相关研究。Tank 等[9]发现1976 年以来，欧洲极端暖事件的数量比预期增加近2倍，极端冷事件相应减少；Alexander 等[10]和Choi 等[11]研究表明暖事件相关指数在近年来变化频率更快；任福民等[12]对我国极端温度变率和变化趋势的区域分布以及季节变化特征进行了分析研究；马柱国等[13]指出中国北方地区增温趋势与极端最低温发生频率的减少和年最低温度的升高密切相关。

极端气候指数对极端气候变化监测、整体认识区域极端气候变化趋势具有重要指示意义[14]。国内许多学者利用极端气候指数对不同区域的极端气温事件进行了研究分析[15-19]。虽已有学者研究了海南岛一般气温要素变化特征[20-21]，但针对海南岛的极端气温事件开展的研究较少，选取资料站点数偏少，时效性不足，该研究区域经纬跨度小，之前的研究大多着眼于大气环流和天气系统，对地形作用考虑较少。

本研究基于海南岛1970—2020 年18 个站点逐日最高、最低气温数据和数字高程数据，选取“气候变化检测和指标”专家组确定的12个极端气温事件指数，结合气象倾向率、相关分析、t检验方法，分析了该地区51 a 极端气温事件时空分布特征，同时以海南岛中部山区为界限划分片区，分析了海拔和地形对极端气温指数的影响，以期为极端气温事件预报预测、气候变化研究等提供理论依据。

2 资料与方法

2.1 资料选取和处理

所用资料为海南省气象信息中心提供的海南岛18 个站点1970—2020 年共51 a 的逐日最高、最低气温均一化数据和地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/home)提供的90 m 分辨率数字高程数据(图1)。

图1 海南岛气象站点和DEM分布

由于所选资料时间序列较长，一些气象台站进行过换址迁移，换址前后数据可能发生突变，因此有必要对数据进行台站迁移检查和处理。依据两次站址间距大于20 km 或海拔高度差大于50 m的原则进行筛选[12]，发现三亚站在2009 年进行了换站迁移，换站前后海拔分别为6 m 和419.4 m，由于海拔的差异较大，导致三亚站2009 年之后的温度数据明显偏低。为了保证数据长度，本文依据间距和海拔高度差筛选原则，选取了M1067(吉阳区三亚气象局办公楼)和M1055(玫瑰谷)两个经过质量控制的自动观测站数据，利用这两个自动站的反距离权重插值对三亚站2009年之后的数据进行替换。对替换后的数据进行气候学界限和极值检查，没有发现异常值；并对替换前后的数据进行均一性检验，发现替换后的数据消除了因换址导致的均值突变情况，替换后的数据与换站前的数据具有内部、时间一致性。通过处理后的数据能够表征三亚原站址的气温状态。

2.2 研究方法

选取“气候变化检测和指标”专家组确定的12个极端气温事件指数(表1)，对海南岛51 a 极端气温事件进行时空特征分析。由于海南岛属于热带岛屿，平均气温较高，且日最低温小于0 ℃的天数极少，原定义中夏日日数为大于25 ℃的日数，霜日日数为小于0 ℃的日数，明显不适用于研究区域，故将夏日日数、霜日日数定义为日最高温大于35 ℃的日数和日最低温小于10 ℃的日数。其中极值指数(TXn、TXx、TNn、TNx)定义为每个月的极值气温，本研究以年为时间尺度，所以对极值指数进行了年平均处理。

表1 极端气候指数

极端气温事件指数中有部分指数计算需要应用到百分比阈值，本研究采用非参数化方案[22]来确定百分比阈值，其计算方法是将各站点每年的日最低、最高气温数据按升序排序，取10%、90%分位值为某站当年百分比阈值，并将日最低气温的10%分位值为极端低温阈值，日最高气温的90%分位值为极端高温阈值。

本文中极端气温阈值和指数的变化趋势采用气候倾向率算法，即：

式中：y(t)表示极端气温阈值或指数一次直线方程式，a1表示气候倾向率，其单位为℃/(10 a)或d/(10 a)，反映了指数的上升或下降趋势，并利用t检验方法对其进行显著性检验分析。

为了探讨海拔和极端气温事件之间的关系，利用18个站点的极端气温指数变化趋势和站点海拔高度进行相关分析，公式为：

式中：xi和yi为倾向率和海拔两组数据序列，xˉ和yˉ为两组数据的平均值，R为相关系数，同样利用t检验方法对其进行显著性检验分析。R大于0 表示两者存在正相关关系，表明海拔越高，极端气温指数变化趋势值越高，小于0 则存在负相关关系，表明海拔越高，极端气温指数变化趋势值越小。

3 结果分析

3.1 整体变化趋势

为了探究海南岛近51 a 极端气温事件的整体趋势，将18 个站点每年的极端气温阈值和指数进行平均，再进行趋势分析。通过分析发现1970—2020 年海南岛极端低温、高温阈值整体上均呈波动上升趋势，极端低温阈值变化趋势比极端高温阈值更大，分别为0.44 ℃/(10 a)和0.25 ℃/(10 a)(图2)。在不同时段气温阈值变化趋势存在差异，极端低温阈值在1970—1985 年波动大，但升温速率较慢，之后升温速率明显加快，在2008年出现一次异常偏低的波动，同周宁芳[23]指出2008 年1 月平均气温为1986 年以来最低值的结论一致，极端低温阈值在2019 年达到最大值17.7 ℃；极端高温阈值51 a 间波动小，呈稳定上升趋势，在2020 年达最大值35.4 ℃。

图2 1970—2020年海南岛极端低温(a)、高温(b)阈值时间序列和变化趋势

1970—2020 年海南岛极端气温指数整体表现为(表2)：霜日日数(FD)、冷夜日数(TN10p)、冷昼日数(TX10p)和冷持续日数(CSDI)分别呈-1.36、-4.72、-2.47和-3.11 d/(10 a)的速率减少，而夏日日数(SU)、暖夜日数(TN90p)、暖昼日数(TX90p)、热持续日数(WSDI)分别以4.22、9.08、7.09、4.12 d/(10 a)的速率增加，说明海南岛在51 a 间极端气温冷事件减少，暖事件增加，且暖事件增加幅度明显大于冷事件减少的幅度，其中暖夜和暖昼日数增加趋势尤为显著；日最低温极小值(TNn)、极大值(TNx)和日最高温极小值(TXn)、极大值(TXx)每10 a 分别增温0.47 ℃、0.35 ℃、0.28 ℃、0.31 ℃，说明海南岛极端高温、极端低温均表现出增温趋势，其中TNn增幅最大，TXn增幅最小。

表2 海南岛极端气温指数年际变化趋势

3.2 空间分布特征

海南岛1970—2020年极端气温阈值分布整体表现为以中部山区为界，南北不一的特点（图3）。其中极端低温阈值介于13.4(白沙)～18.4 ℃(三亚)，分布特征为中部山区低于四周平原，山区以南地区大于山区以北地区；极端高温阈值介于32.8(五指山)～35.5 ℃(儋州)，阈值呈现自西北至东南逐渐减小的趋势。这种极端低温、高温阈值的南北非对称分布，与中部山区对冬季风的阻挡、夏季风的抬升下沉作用有一定关系。

图3 海南岛极端低温(a)、高温(b)阈值空间分布

1970—2020年海南岛FD 和CSDI指数呈减少趋势，SU 和WSDI 指数呈增加趋势(图4)：FD 在中部地区变化速率处于-2～-3 d/(10 a)之间，其余地区变化速率均在-2 d/(10 a)以下，南半部沿海地区变化趋势不显著，各站点均通过了显著性检验(三亚除外)；CSDI减少幅度明显大于FD指数，除临高(-1.84 d/(10 a))外其余站点的减少速率均大于-2 d/(10 a)，中部地区下降趋势最明显，速率-4～-5 d/(10 a)，除临高、海口外，其余站点均通过了显著性检验。SU在南半部沿海地区上升幅度较小，速率在0～2 d/(10 a)之间，其余地区大多在4～10 d/(10 a)之间；WSDI 各站点的变化速率差异较小，变化速率均在2～6 d/(10 a)之间；SU 和WSDI 均只有东方未通过a=0.05的显著性检验。

图4 1970—2020年海南岛FD(a)、SU(b)、CSDI(c)和WSDI(d)变化趋势空间分布

51 a 间海南岛TN10p 和TX10p 指数呈减少趋势，TN90p和TX90p指数呈增加趋势(图5)：TN10p大部分站点减少速率在-4～-7 d/(10 a)之间，北部地区变化幅度小于其余地区，所有站点均通过了a=0.05 的显著性检验；TX10p 变化幅度空间差异性较小，除五指山、保亭的下降速率＞-3 d/(10 a)，其余站点下降速率均在-1～-3 d/(10 a)区间，且相比其他指数有较多站点未通过a=0.05 显著性检验；TN90p 各站点变化幅度差异较大，中部和北部内陆站点增加速率达10～14 d/(10 a)，沿海站点增加速率大多在4～8 d/(10 a)之间，而乐东变化速率仅3 d/(10 a)，且未通过ɑ=0.05 显著性检验；TX90p增加速率除东方(3.8 d/(10 a))和三亚(10.9 d/(10 a))外，其余站点均在4～8 d/(10 a)区间，仅东方站未通过a=0.05显著性检验。

图5 1970—2020年海南岛TN10p(a)、TN90p(b)、TX10p(c)和TX90p(d)变化趋势空间分布

各站点的日气温极值指数(TNn、TNx、TXn和TXx)均呈上升趋势，且都通过了a=0.05 显著性检验(图6)：TNn 和TNx 增加趋势均表现出中部内陆大于四周沿海，北部大于南部的特点；TNn 升温速率整体大于TNx，TNn 大部分站点升温速率＞0.4 ℃/(10 a)，琼中等7 个站点升温速率＞0.5 ℃/(10 a)，TNx 升温速率大多在0.2～0.5 ℃/(10 a)之间；TXn 和TXx 各站点升温速率差距不大，大部分站点均在0.2～0.4 ℃/(10 a)之间，TXn 变化速率在西北部地区略大于东南部地区，而TXx则相反。

图6 1970—2020年海南岛TNn(a)、TNx(b)、TXn(c)和TXx(d)变化趋势空间分布

3.3 海拔和区域特征

通过对比极端气温指数变化趋势与海拔的相关性(表3)发现，极端低温阈值变化趋势与海拔有显著的正相关关系，海拔越高，极端低温阈值变化趋势值越大，同时由于极端低温阈值变化趋势值大于0，也就说明海拔越高，极端低温阈值升高的幅度越大；而极端高温阈值与海拔之间没有明显相关关系；对比冷暖事件指数，发现冷事件相关指数(FD、TN10p、TX10p和CSDI)均与海拔呈显著负相关，除TX10P外均通过了a=0.05的显著性检验，同时冷事件指数变化趋势均小于0，说明海拔越高，冷事件减少的次数越多；而暖事件相关指数(SU、TN90p、TX90p 和WSDI)仅TN90p 与海拔有显著正相关关系，说明暖事件变化趋势与海拔没有明显相关关系；极值气温指数(TNn、TNx、TXn和TXx)除TXx 外，均与海拔呈正相关关系，其中日最低温极小值和日最高值极小值通过了ɑ=0.05的显著性检验，即日气温极小值随海拔升高变暖趋势越明显。

表3 海南岛极端气温指数变化趋势与海拔关系

为了深入了解海南岛中部山区对极端气温事件的影响，根据中部山区走向将海南岛分成3个区域(表4，见下页)：中部山区(白沙、琼中、五指山和保亭)、北部(海口、临高、澄迈、儋州、定安、屯昌、琼海和文昌)和南部(昌江、东方、乐东、三亚、万宁和陵水)。将不同区域每年极端气温指数进行平均，再进行趋势分析，结果显示，极端气温阈值均表现出升高的趋势：极端低温阈值的均值在南部地区明显大于中部和北部地区，变化速率在中部大于南部和北部，极端高温阈值的均值和变化速率的区域差异不大，北部地区略高于中部和南部地区；冷事件相关的极端气温指数(FD、TN10p、TX10p、CSDI)，其均值大部分指数没有明显的区域差异，仅FD 在南部地区明显小于中部和北部地区，且不同区域的冷事件指数均表现出减少趋势，中部山区的减少速率明显快于南北地区；在51 a 间不同区域的暖事件相关指数(SU、TN90p、TX90p、WSDI)均呈上升趋势，其中SU 的均值和变化速率在南部地区明显小于其余地区，TN90p 的均值和变化速率在中部山区较突出，而TX90p 和WSDI的均值和变化速率区域差异性较小；日最高、最低气温的极值指数(TNn、TNx、TXn、TXx)在不同区域均呈上升趋势，中部山区略大于南部和北部地区。

表4 1970—2020年海南岛不同区域极端气温指数均值(℃或d)与变化趋势(℃/(10 a)或d/(10 a))

随着经济发展，城市快速扩张，不少气象站的站址由郊区变为城区，有必要分析城市化进程对极端气温事件的影响。海南岛大部分市县城市化进程缓慢，特别是中部山区的市县地形复杂，热带原始雨林覆盖广，被国家列为重点生态功能区，受城市化进程影响小，而海南岛人口、经济等主要集中在三个地级市(海口、三亚和儋州)，因此将这三个站点定义为城市站，将其与城市化较缓慢的中部山区站点对比，发现51 a 间城市站的极端高温阈值变化趋势和中部山区站相当，极端低温阈值变化趋势明显小于中部山区站，而暖事件、冷事件相关指数的上升、下降趋势均比中部山区站小，极值气温指数的升温趋势也比中部山区小，说明城市化进程对海南岛地区极端气温事件的影响并不明显。

4 结 论

利用海南岛18 个气象站点资料，结合极端气温阈值和12 种极端气温指数，对海南岛1970—2020 年的极端气温事件的时空分布进行了分析，得出以下结论。

(1) 海南岛地区冷事件相关指数(FD、TN10p、TX10p、CSDI)均呈减少趋势，而暖事件相关指数(SU、TN90p、TX90p、WSDI)均呈增加趋势，且暖事件增加速率整体大于冷事件减少速率；日最高、最低气温极端指数(TNn、TNx、TXn、TXx)和极端气温阈值均呈增加趋势，说明海南岛极端气温事件发生频率和强度在逐渐增加。

(2) 极端低温阈值在中部山区低于四周平原，山区以南地区大于山区以北地区的分布特征，极端高温阈值呈现自西北至东南逐渐减小的趋势；各极端气温指数在海南岛不同地区变化趋势的方向一致，但变化速率空间差异性较大。

(3) 大部分冷事件相关指数(FD、TN10p 和CSDI) 的变化趋势均与海拔呈显著负相关，说明冷事件随着海拔升高减少幅度越大；暖事件相关指数的变化趋势与海拔相关性较小；TNn 和TXn的变化趋势均与海拔呈显著正相关关系，即日最低温、最高温极小值随海拔升高变暖趋势越明显。极端高温阈值、FD 和SU 的均值和变化速率在南部地区明显小于中部和北部地区，而极端低温阈值在南部地区均值最高，变化速率最低；TN10p、TN90p、TX10p、TX90p和CSDI等指数在中部山区变化趋势最明显。