柯元惠， 马明明， 符传博， 张春花

(1.海南省气象台，海口 570203； 2.海南省海南气象防灾减灾重点实验室，海口 570203；3.海南省生态环境厅，海口 570203； 4.海南省气象科学研究所，海口 570203)

引 言

IPCC第五次评估报告指出，人类活动极有可能是20世纪中期以来全球气候变暖的主要原因。在全球变暖的背景下，从20世纪50年代开始，地球上的极端天气就已经开始增多，干旱、洪水、热带风暴等显著增加[1-5]。极端天气气候事件的频发，造成极其严重的自然灾害，对人类和生态环境造成的经济损失和人员伤亡不断增加。频发的灾害性天气气候事件已经成为人类可持续发展面临的严峻挑战，越来越引起人们的重视。我国的极端降水事件也呈现增多的趋势[6-10]，并呈现一些明显的地域特征[11-17]。整体而言，长江中下游和东南沿海地区暴雨日数增多较为明显，江南、华北、东北地区暴雨频数异常年增多，强度加强[18-20]。海南岛的极端降水事件在近40年来也呈现一个微弱增加的趋势，冬季增加趋势最为明显[21]。

海南省地处热带北缘，属于热带季风气候。由于其特殊的地理环境，暴雨等灾害性天气时有发生。如2010年10月上旬的强降水过程，使海南省16个市县、全省1160多个村庄受淹，同时造成群众受灾、水库决口、农作物被淹，损失超过数十亿元。近年来，气象工作者对海南岛的降水天气进行了大量研究，较多关注于热带气旋带来的降水。陆桂荣等[22]对影响海南的台风暴雨进行了统计分析，发现20世纪80年代以前为海南台风影响高峰期，以后为影响低发期。吴胜安等[23]对海南热带气旋降水的气候特征进行分析发现，热带气旋降水与年总降水量相关显著，并且呈现明显的周期性。冯文等[24]对登陆海南的热带气旋中尺度降水分布的变化特征作了归纳。此外，还有一些个例分析[25-29]。

虽然对海南岛的降水研究不少，但多侧重于个例分析和热带气旋引起的降水，对暴雨次数长期变化的空间分布研究分析较少，对海南岛降水极值重现期的研究更少。本文利用海南岛18个地面气象观测站1966-2015年的逐日降水资料，采用多种气候统计方法，分析了海南岛极端降水的时间和空间分布特征，以此为基础，采用极值分布对海南岛的极端降水重现期进行了分析，以期能对海南防范暴雨灾害提供参考。

1 资料和方法

1.1 资 料

降水资料采用海南岛18个市县的国家观测站资料，根据其建站时间和资料情况，选取1966-2015年的资料。文中所用某天降水量是某站1 d(20:00-次日20:00)24 h累计降水量。最长连续降水量是指某站1次连续降水过程大于等于1 d的过程，其间若某天降水量小于0.1 mm，则认为是中断。

1.2 分布模型

耿贝尔分布是较为完全的极值理论分布，适用于许多分布呈现指数型的气象变量，利用耿贝尔I型极值分布，可得到较好的结果[30-31]。本文利用耿贝尔I型极值分布型，研究不同重现期降水极值的分布特征。

极值I型分布函数为

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

(1)

式(1)中,F(x)为极大值的分布函数，a和u是极大值分布参数。

不同重现期的降水量为

(2)

式(2)中，p为概率，即重现期的倒数。

1.3 检验方法

柯尔莫哥洛夫检验(KS检验)，与区间来考虑经验分布与理论分布的差异不同，它是逐点考虑它们的偏差，来检验经验分布与假设理论分布的差异是否显著。

统计量

(3)

称为Kolmogorov统计量或Kolmogorov-Smirnov统计量。Dn为对应所有样本的经验分布和理论分布之差的绝对最大值。

2 强降水的时空分布特征

2.1 暴雨日数的空间分布特征

2.1.1 暴雨日数的多年平均场分布

海南的地形为中间高四周低，降水受到地形和风向的影响，空间分布不均匀。海南岛的暴雨日数(图1a)和最长连续降水量(图2a)基本呈现东多西少的分布，分布型呈现“C”字状。

图1 1966-2015年海南岛平均暴雨日数(a)及其离差系数(b)的空间分布

海南岛暴雨日数最多的站点为琼中和万宁，年平均暴雨日数均为10.7天，最少的为东方，只有4.6天。北部、西部、中部、东部和南部平均暴雨日数分别为7.6、7.4、6.6、9.7、6.0天，东部是最容易出现暴雨的区域，暴雨日数比全岛平均多出1.6天。海南岛暴雨受典型热带系统的影响，强降水主要影响系统为热带气旋、热带辐合带、季风槽、副热带高压和冷空气。影响较为不稳定且又不可忽视的影响系统即为热带气旋。影响海南的热带气旋一般从南海及西太平洋面生成，主要以偏西路径影响海南岛[32]。台风影响形成的降水强度大值主要分布在沿海，并由沿海向内陆递减[33]。当台风从东部洋面西行，海南岛大多受气旋北部东风控制，地形的抬升作用增加了迎风坡的雨量，且地形对系统的移动有阻碍作用，对背风坡的降水有抑制作用。

图2 1966-2015年海南岛最长连续降水量(a)和离差系数(b)的空间分布

离差系数是变量相对离散程度的特征量。暴雨日数的离差系数(图1b)呈现西高东低的态势，结合暴雨日数，离差系数最大的正是最西部的东方，其降水日数最少，其次为西北部的临高。可见中东部不仅暴雨日数多，且相对稳定，年变化幅度小。

除了极端日降水量会造成灾害性天气外，连续性降水的累积效应往往也会造成洪涝灾害。最长连续降水量曲线呈“川”字型，最大值为万宁的1794.6 mm，最少的为乐东的589.4 mm。北部、西部、中部、东部和南部平均最长连续降水量分别为878.0 mm、709.1 mm、993.7 mm、1570.7 mm、858.9 mm，可见东部和中部最长连续降水量较大，和暴雨日数分布也相吻合。最长连续降水量和过程持续时间，以及过程强度均有关系，中东部不仅容易发生暴雨，持续性降水也较多。

从最长连续降水量的离差系数(图2b)来看，东部和西部的离差系数整体而言较大，最大的是西部的昌江，其次为东部的琼海。虽然东部暴雨日数多且稳定，又容易产生连续降水，但是连续降水的变幅较大。西部暴雨日数和最长连续雨量均不稳定，变化幅度大。综合来看，中部的降水条件最好，暴雨日数和连续雨量均较为稳定。

2.1.2 年暴雨日数的趋势场分布

统计结果(图3)表明，海南岛18个市县站点暴雨日数均呈现上升的趋势，西北部和南部增加趋势比较明显。其中，三亚暴雨日数增加趋势最明显，系数达到0.9天/10a，并且通过了0.05的显著性检验；西北部的澄迈、儋州分别为0.6天/10a和0.7天/10a，也通过了显著性检验。琼中和万宁暴雨日数增加幅度较小，分别为0.01天/10a和0.2天/10a。结合暴雨日数分布可以看出，暴雨日数多的区域暴雨日数增加趋势较为缓慢，而暴雨日数分布较少的北部、西部和南部反而呈现显著的增多趋势。

图3 1966-2015年海南岛暴雨日数线性趋势的空间分布

2.2 年暴雨日数的演变特征

2.2.1 年暴雨日数的年际变化

海南暴雨日数存在明显的年际和年代际变化，存在一个“少-多-少-多”的分布特征。20世纪80年代前，暴雨日数呈现显著的偏少状态，1966、1968、1969、1977、1979年均为明显的暴雨异常偏少年，尤其是1969年，偏少超过两个负标准差；中间度过了一段略为平稳的过渡期；2000年以后，暴雨日数明显呈现偏多的状态，2009、2010和2013年均为明显的暴雨异常偏多年，2009和2010年偏多显著，接近两个标准差(图4)。

2.2.2 年暴雨日数的周期变化

运用Morlet小波方法，对海南岛1966-2015年的年暴雨日数时间序列进行分析，得到年暴雨日数小波变换系数的实部(图5)和方差(图略)，图中信号的强弱通过小波系数的大小表示，正值表示在纵

图4 1966-2015年海南岛暴雨日数距平序列的年际变化

坐标周期暴雨日数处于偏多期，负值则为偏少。图中可以看出，1966-2015年海南暴雨日数存在3～5 a、8～10 a 、15～21 a和25～34 a的振荡周期。15～21 a和25～34 a的振荡周期振幅较大且周期稳定，8～10 a的振荡周期前期周期小，后期周期有所增大，振幅也比较明显，这3个时间尺度的周期变化具有全域性。3～5 a周期在1980s末和2000s中期开始表现得最为明显，其余时段表现较弱。同时，在25～34 a时间尺度上存在暴雨日数“少-多-少-多”的准四次振荡，与图4的多项式拟合曲线基本吻合。

图5 1966-2015年海南岛暴雨日数小波变换

3 降水极值重现期分析

有学者利用耿贝尔极值Ⅰ型分布，计算了海南风速极值重现期，并取得了较好的结果[34-36]，但用该分布型对海南岛降水极值重现期进行分析的较少，本文尝试利用此分布型对降水极值进行拟合。每个站选取1个日最大降水量年降水序列，利用耿贝尔极值Ⅰ型分布计算极值，又根据柯尔莫哥洛夫检验的计算公式，计算18个市县的KS检验统计量，D50范围在0.0568-0.1407。查表可知n=50水平为α=0.01的临界值为d50,0.01=0.22604，大于18个市县中的任意一个KS检验统计量D50，所以认为最大日降水量极值分布符合耿贝尔极值Ⅰ型分布，拟合成功，得到不同重现期年最大日降水量极值分布(图6)。利用同样的方法计算最长连续降水量极值和KS检验统计量，D50范围在0.0547-0.2032，进行检验，最长连续降水量极值分布也符合耿贝尔极值Ⅰ型分布，拟合成功，得到不同重现期最长连续降水量极值分布(图7)。

3.1 最大日降水量极值分布

海南岛不同重现期年最大日降水量极值呈南北低东西高的分布。10年一遇降水极值为223.6～361.1 mm，30年一遇降水极值为272.1～473.3 mm，50年一遇降水极值为294.3～523.1 mm，100年一遇降水极值为324.2～591.5 mm，均已经达到大暴雨标准。不同重现期降水极值均是昌江的最大，其次为屯昌、东方、琼海、白沙的，乐东的最小，排名前5的有3个为西部市县。按区域平均来看，西部日降水量极值最大，其次为东部、北部、南部、中部的。总体来说，海南岛不同重现期最大日降水量极值呈现南北低，东西高的态势(图6)。

图6 海南岛不同重现期年最大日降水量极值分布

3.2 最长连续降水量极值分布

海南岛不同重现期最长连续降水量极值呈现西低东高的分布。10年一遇的最长连续降水量极值为414.6～807.5 mm，最大值在琼中，其次为万宁的781.5 mm，最小值在东方；30年一遇的最长连续降水量极值为552.5～1041.9 mm，最大值在万宁，其次为琼中的1035.7 mm，最小值在东方；50年一遇的最长连续降水量极值为615.4～1160.8 mm，最大值在万宁，其次为琼中的1139.8 mm，最小值在东方；100年一遇的最长连续降水量极值为696.5～1321.1 mm，最大值在万宁，其次为琼中的1280.3 mm，最小值在乐东。10年、30年、50年、100年不同重现期的连续降水量极值按区域平均来看，从大到小依次为东部、中部、南部、北部、西部(图7)。

图7 海南岛不同重现期最长连续降水量极值分布

3.3 降水极值重现期成因分析

最大日降水量的极值分布对海南的降水规律作了较好的解释。海南岛的大级别降水主要发生在秋季和夏季，尤其是日降水量达到大暴雨级别的降水，多和热带气旋相关。夏季对海南降水影响较大的气旋多从琼海、文昌一带东部沿海登陆，朝西北移动，至临高、儋州附近出海。海南岛西部受热带气旋西南侧的西北气流的影响，由于西侧五指山的迎风效

应增加了降水量，因而西部尤其是昌江的降水极值最大。秋季，受到冷空气的影响，热带气旋多由海南岛南部海面经过或在东南侧陵水登陆，海南岛受热带气旋北侧的东风气流影响，又由于五指山的地形作用，在东部也会形成较大的日降水量极值[21、37]。1966-2015年海南岛日降水量最大值就出现在昌江，出现日期为2001年8月30日。此时热带气旋“菲特”影响海南，其于29日在文昌登陆，以西行路径影响海南岛，造成大范围降水，30日昌江出现日降水量644.6 mm的特大暴雨，即是在台风西南侧的西北气流影响下产生的，造成了100年一遇的重大气象灾害。

除热带气旋的影响外，海南秋季常常发生非台暴雨，低层偏东急流是暴雨形成的最重要天气系统[38]。9月过后，副高减弱，冷空气逐渐加强，季风交替，致使冷暖空气交汇频繁，当热带辐合带活跃时，更是为秋季暴雨提供了良好的触发条件[39-40]。中低层冷高南侧的东北风或东到东北风与热带辐合带东侧的偏南急流在南海北部到华南沿海一带辐合，最终在此区域形成显著的低层东风急流。该急流为暴雨提供了充足的水汽、热力和动力条件，在地形迎风坡效应的增幅作用下，会在海南岛东部造成较大的日降水量极值。例如万宁1966-2015年日降水量最大值出现在2000年10月14日，为355.1 mm，是典型的秋季暴雨。北方的强冷空气和南部热带低压的扰动共同作用在华南沿海形成低空东风急流，造成了万宁100年一遇的日降水极值。

长连续降水常常发生在夏季和秋季，尤其秋季更容易出现时间长、量级大的降水。秋季低层偏东急流不仅导致了海南岛东部较高的最大日降水量极值，也是东部最长连续降水量极值最大的原因。低层东风急流维持时间的长短，与降水维持时间的长短有很高的相关率[41]。2010年10月上旬的降水过程是对海南岛影响巨大的连续降水过程。此次过程就是在冷空气南侵、辐合带北抬、海南岛附近又新生了热带低压系统下发生的，致使在南海北部有低层东风急流发展并维持，7个市县(万宁、琼海、文昌、陵水、屯昌、五指山和白沙)的连续降水都达到了1966-2015年之最，万宁、琼海、文昌、陵水、屯昌5个市县的降水均达到100年一遇的极值，其余2个市县的降水也达到了50年一遇的量级。

结合最大日降水量重现期可看出，西部虽然日降水量极值大，但是连续性降水极值较小，说明西部容易出现暴雨，但是不易出现连阴雨天气。东部的持续降水量极值在各重现期都是最多的，且东部日降水量极值也仅次于西部的，因此在出现灾害性降水天气时，东部不仅容易出现暴雨，也容易出现连续阴雨天气，在防灾减灾中更要关注。

4 结论和讨论

利用统计分析、线性回归拟合、小波分析对海南岛降水资料进行了分析，并用极值分布对海南岛的极端降水重现期进行了分析和规律总结，得出如下结论：

(1)海南暴雨日数呈现东多西少的态势，中东部不仅容易发生暴雨，持续性降水也较多；在趋势变化上，海南的暴雨日数总体呈现上升的趋势，西北部和南部增加趋势比较明显，即暴雨日数少的区域暴雨呈现显著增加的态势，暴雨日数多的区域增长略为缓慢。

(2)海南暴雨日数存在明显的年际和年代际变化，存在“少-多-少-多”的分布特征，2000年以后，暴雨日数明显呈现一个偏多的状态，目前仍处于暴雨偏多期。

(3)海南暴雨日数存在3～5 a、8～10 a 、15～21 a和25～34 a的振荡周期，其中8～10 a 、15～21 a和25～34 a的振荡周期较为稳定且具有全域性，3～5a周期表现则不那么明显。

(4)海南岛不同重现期的最大日降水量呈现南北低东西高的态势，最长连续降水量极值分布呈现西低东高的态势。海南岛不同重现期的最大日降水量分布主要与热带气旋及秋季低层偏东急流有关，最长连续降水量极值分布与秋季低层偏东急流长时间维持有关。总的来说，西部日降水量极值最大，连续降水量极值最小，容易出现暴雨。东部日降水量极值和连续降水量值均较大，不仅容易出现暴雨，也容易出现连日的阴雨天气。

本文对海南岛降水极值的重现期进行了拟合与分析，得到较好的结果，对海南岛降水极值重现期有了初步了解。前人分析降水极值多侧重于拟合数据结果[42-43]或方法的比对[44-45]，本文结合天气学背景对极值结果进行了分析讨论，加深了对降水重现期的认识。而极端降水带来的深远影响，有待于在今后的工作中进一步研究与探讨。