赵宝山，严程明，苏俊波，孔 冉，张 彪，安东升

（1.中国热带农业科学院南亚热带作物研究所，广东 湛江 524091；2.国家农业绿色发展长期固定观测湛江试验站，广东湛江 524091）

0 引 言

以全球显著变暖为特征的气候变化是农业、生态系统和人类生存发展等领域研究的焦点[1-3]。IPCC 发布的最新气候变化评估报告指出，全球地表气温很可能在2030-2052年间比工业化前水平升高约1.5 ℃[3]。在气候变暖背景下，区域其他气象要素（如降水、辐射、湿度、风速、蒸散发等）也会在时空分布上发生不同程度变化[4]，进而可能导致暴雨洪涝、高温干旱等极端灾害事件频发[1]。农业是对气候变化最为敏感的领域之一，气候变化将对农业生产和粮食安全产生重大影响[5,6]。海南岛地处热带北缘，地理位置特殊，是中国重要且独特的热带农业生产区和“南繁硅谷”基地[7,8]。海南岛气候特点具有较强的代表性，其气候受热带气旋、季风和冷空气等多种天气系统影响，并且热带岛屿对气候变暖的响应更加敏感[9]。探究海南岛气候变化规律，不仅对认识气候变暖下热带岛屿地区的气候响应具有科学价值，也可为海南岛及周边地区热带农业生产规划布局及气象灾害防御提供科学依据。

近年来，国内外学者针对气候变化在不同时空尺度下开展了大量研究。例如，在全球大尺度下，沈贝蓓[1]分析了1981-2019 年全球气温变化时空特征及主要国家气温变化，Yin 等[10]揭示了1929-2017 年全球极端暴雨径流事件对气候变化和人类活动的响应机制；在中等尺度下，刘凯等[11]量化分析了中国气温和降水的时空演变特征；在较小尺度上，则对流域、省域及特定地区开展了大量研究[12-14]。针对海南岛气候变化趋势，国内学者也开展了部分研究[9,15-17]。但已有研究大都针对单一气象要素[9,15]；或者研究时间较为久远，难以反映近15 a以来的气候变化趋势[16]；或未开展针对海南岛季节性尺度和周期性变化趋势的研究[17]，总体而言，已有研究对海南岛气候及其变化趋势规律的认识仍较为缺乏。鉴于此，本研究基于收集的1960-2020 年海南岛内7 个气象站点观测资料，采用气候倾向率法、Mann-Kendall法和Morlet小波分析等方法，分析近61 a 来海南岛气温、降水及ET0的时空演变趋势，探讨该地区气候变化对全球变暖的区域响应，旨在提高对海南岛气候变化规律的认识和农业用水管理等领域应对气候变化的能力。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

海南岛（18°10'～20°10'N，108°37'～111°03'E）位于中国南部，为热带岛屿，是中国光、热、水资源最丰富的地区之一，面积约3.39 万km2。海南岛属热带季风海洋性气候，年平均气温23.1～27.0 ℃，年降水量940.8～2 388.2 mm，年日照时数1 827.6～2 810.6 h，是中国重要的冬季瓜菜、天然橡胶、南繁育种、热带水果和花卉生产基地。

1.2 研究方法

1.2.1 数据来源及处理

收集1960-2020 年海南岛内7 个全国基准基本站地面气象日值资料，其气象站点分布概况如表1所示，收集数据包括降水、平均气温、最高气温、最低气温、平均相对湿度、平均风速和日照时数等，数据来源于国家气象科学数据中心。对于其中极个别缺失数据，采用该日相邻2 d 数据的平均值插值代替[18]。采用气象学标准划分季节，以3-5 月为春季，6-8 月为夏季，9-11月为秋季，12-次年2月为冬季。

表1 研究区气象站点分布概况Tab.1 Information on the distribution of meteorological stations in the study area

1.2.2 ET0计算

采用FAO 推荐的Penman-Monteith 公式计算ET0，该公式被全球各地广泛采用作为计算ET0的标准方法[19,20]。其公式如下：

式中：Δ 为饱和水汽压曲线斜率，kPa/℃；Rn为净辐射，MJ/(m2·d)；G 为土壤热通量，MJ/(m2·d)；γ为湿度计常数，kPa/℃；T为平均气温，℃，T为日最高气温和日最低气温的均值；u2为2 m高处风速，m/s；es为饱和水汽压，kPa；ea为实际水汽压，kPa。

1.2.3 气候倾向率计算

气候倾向率可表征气象要素随时间序列的变化趋势，通过最小二乘法拟合一元线性回归方程估算[21]：

式中：t 为时间序列，a；y(t)为与时间序列相对应的气象要素值；a1为线性回归所得的斜率，a1＞0 表明气象要素随t 呈上升趋势，a1＜0 表明各要素随t 呈下降趋势，a0为截距。以a1的10倍（即10 a1）作为各要素的倾向率。

1.2.4 Mann-Kendal检验

Mann-Kendall（MK）检验法是世界气象组织推荐并已被广泛使用的一种非参数检验方法，可有效检验时间序列的变化趋势及时间序列是否发生突变[22]。本研究通过该方法检验海南岛气温、降水及ET0时间序列的变化趋势，其检验过程见文献[5]。

1.2.5 小波分析

小波分析被广泛应用于水文气象序列变化的周期分析[13,23]。本研究利用MATLAB 2018a 软件中小波分析工具箱将气温、降水和ET0序列数据做延伸处理，并进行Morlet 小波变换，之后根据分析结果绘制小波变换系数实部图，从而确定气温、降水和ET0序列变化的时间尺度，并根据小波系数的周期变化预测各要素未来变化趋势。

2 结果与分析

2.1 气温、降水及参考作物蒸散量的时间变化趋势

2.1.1 气温、降水及参考作物蒸散量的年际变化

1960-2020 年海南岛气温、降水及ET0的年际变化趋势如图1 所示。对各要素的时间序列进行MK 突变检验并绘制UF、UB 变化曲线，结果如图2 所示。海南岛年平均气温呈显著上升趋势[见图1(a)]，气候倾向率为0.22 ℃/(10 a)，略低于全国平均0.23 ℃/(10 a)的增温速率[21]。气温的多年平均值为24.34 ℃，最大年平均气温为25.67 ℃（2019 年），最小年平均气温为23.12 ℃（1962年）。MK检验得到1965-2020年间UF＞0，表明气温在此期间呈上升趋势，并且1980年之后UF曲线突破显著性检验上限，说明1980 年之后岛内气温的增温趋势显著。UB曲线和UF 曲线的交点处于显著水平线之外，表明气温序列不存在明显的突变情况。

图1 1960-2020年海南岛气温、降水及ET0的年际变化趋势Fig.1 Interannual variation of the temperature, precipitation and ET0 in Hainan Island from 1960 to 2020

图2 气温、降水及ET0序列的Mann-Kendall突变检验曲线Fig.2 Mann-Kendall mutation test curve of the temperature, precipitation and ET0 series

海南岛年均降水量年际变化波动较大[见图1(b)]，多年平均降水量1 762.09 mm，其中最大年降水量为2 264.18 mm（2009 年），最小年降水量为1 009.65 mm（1977 年）。年降水量在波动中以33.66 mm/(10 a)的速率上升。MK检验得出1960-1999 年和2004-2008 年UF＜0，表明降水量在此期间下降；其余时间段UF＞0，降水量呈上升趋势。UB曲线和UF曲线相交于2007 年且交点处于显著水平线之间，表明降水序列在2007年左右存在明显的突变情况。

海南岛多年平均ET0为1 320.18 mm，整体呈不显著下降趋势[见图1(c)]，气候倾向率为-0.30 mm/(10 a)。最大年平均ET0为1 433.51 mm（1977 年），最小年平均ET0为1 234.92 mm（1962 年）。MK 检验表明ET0在2010 年、2014 年和2018 年期间存在突变情况。

2.1.2 各季节气温、降水及参考作物蒸散量的变化趋势

海南岛不同季节气温、降水及ET0的年际变化趋势如图3所示，结合表2 可以看出，不同季节气温均呈显著增高趋势[见图3(a)]，其中冬季平均气温最低，为19.37 ℃，但增温速率最大，达到0.26 ℃/(10 a)；秋季平均气温为24.84 ℃，增温速率为0.24 ℃/(10 a)；春季平均气温为25.26 ℃，增温速率为0.18 ℃/(10 a)；夏季平均气温最高，增温速率最小，为0.16 ℃/(10 a)。

图3 1960-2020年海南岛不同季节气温、降水及ET0的年际变化趋势Fig.3 Interannual variation of the temperature, precipitation and ET0 in different seasons in Hainan Island from 1960 to 2020

表2 1960-2020年海南岛气温、降水和ET0的变化特征值Tab.2 Characteristic values of the temperature, precipitation and ET0 in Hainan Island from 1960 to 2020

降水量在四季均呈不显著上升趋势[见图3(b)]，夏秋两季气候倾向率较高，分别为14.36 mm/(10 a)和12.33 mm/(10 a)，其中秋季降水因受热带气旋影响年际间波动较大。海南岛降水主要集中在夏季和秋季，降水量分别为676.52 mm 和687.52 mm，约占全年降水的78.1%。冬季和春季降水量较少，分别为85.21 mm 和298.18 mm，降水量最少的冬季降水仅占全年的4.9%。

ET0在春、夏、秋三季呈不显著上升趋势[见图3(c)]，气候倾向率分别为0.21、1.21 和0.58 mm/(10 a)；ET0在冬季呈不显著下降趋势，下降速率为-1.14 mm/(10 a)。不同季节多年平均ET0排序为：夏季（425.62 mm）＞春季（374.55 mm）＞秋季（303.27 mm）＞冬季（220.20 mm）。从表2 还可以看出，夏季和秋季降水量高于ET0，而冬春季降水量低于ET0。

2.2 气温、降水及参考作物蒸散量的空间变化趋势

2.2.1 气温、降水及参考作物蒸散量的年际变化

基于1960-2020 年海南岛各站点气温、降水量和ET0数据，利用ArcGIS 软件进行反距离权重插值，得到各要素年际空间分布及变化趋势如图4所示。

图4 海南岛年气温、降水及ET0的空间分布及变化趋势Fig.4 Spatial distribution and trends of the annual temperature, precipitation and ET0 in Hainan Island

海南岛多年平均气温以中部琼中为低值中心向周边沿海地区增加[见图4(a)]，东南部气温整体高于东北部。三亚站多年平均气温25.41 ℃，为海南岛年平均气温的高值区；琼中多年平均气温22.99 ℃，为海南岛气温的低值区。除三亚站增温趋势不显著外，其余站点气温呈显著上升趋势，其中琼中站气温上升幅度最大，达到0.29 ℃/(10 a)。

受地形、季风气候和热带气旋等因素影响，海南岛多年平均降水量以中部琼中为中心向周边沿海地区减小[见图4(b)]。琼中多年平均降水量最高，达到2 390.73 mm；西部东方为降水量最少的地区，年均降水量仅985.98 mm。除琼中年降水量呈不显著下降趋势外，其余地区降水量呈上升趋势，其中三亚站降水呈显著上升趋势，上升速率为126.42 mm/(10 a)。

海南岛多年平均ET0整体上呈从东北向西南递增的趋势[见图4(c)]，东方多年平均ET0最高，为1 539.81 mm；琼中多年平均ET0最低，为1 170.53mm。所有站点中，南部的陵水和三亚ET0呈显著下降趋势，其余站点ET0呈上升趋势，其中东方和琼中ET0呈显著上升趋势，上升速率分别为15.09 mm/(10 a)和21.84 mm/(10 a)。

2.2.2 各季节气温、降水及参考作物蒸散量的空间分布及变化趋势

海南岛各季节气温整体均呈显著上升趋势[见图5(a)～图5(d)]，不同季节气温差异较大，年平均气温的排序为：夏季（28.10 ℃） ＞春季（25.29 ℃） ＞秋季（24.88 ℃） ＞冬季（19.47 ℃）。除三亚站外，其余站点气温在不同季节均呈显著上升趋势。在空间分布上，气温空间分布存在差异，三亚为春、秋、冬三季海南省气温高值区，平均气温分别为26.11、25.74和21.62 ℃，夏季东方气温最高，多年平均气温29.21 ℃。琼中为不同季节平均气温的低值区，各季节气温依次为24.09、26.76、23.15、17.81 ℃。

图5 海南岛不同季节气温、降水及ET0的空间分布及变化趋势Fig.5 Spatial distribution and trends of the annual temperature, precipitation and ET0 in different seasons in Hainan Island

海南岛各季节降水量差异较大，而且空间分布上也具有不同特征[见图5(e)～图5(h)]。降水量从高到低依次为秋季（686.32 mm）＞夏季（671.72 mm）＞春季（295.65 mm）＞冬季（83.49 mm），夏季和秋季降水量约占全年的78.18%。春季降水受西南季风和冷空气南下的交互影响，降水较冬季明显增多，且多降水区域较冬季由东部向中部延伸。夏季降水受热带气旋等多系统的影响，大部分地区降水量较高，只有西部地区降水量不足550 mm。秋季降水受热带气旋或冷空气南下影响，降水量呈东多西少的特征。冬季降水主要受东北季风控制，降水呈东北部向西南部减小的分布特征。三亚站夏季和秋季降水呈显著上升趋势外，其余站点的降水在不同季节变化并不显著。海南岛西部和南部在春季和夏季为降水量低值地区，东南部在秋季和冬季为降水量高值地区。

海南岛各季节ET0空间分布不均[见图5(i)～图5(l)]，从高到低依次为夏季（425.22 mm） ＞春季（374.44 mm） ＞秋季（304.55 mm）＞冬季（222.03 mm）。南部的三亚和陵水四季ET0呈下降趋势，其中三亚站ET0显著下降。除三亚和陵水外，其余站点ET0在春、夏、秋季呈上升趋势；冬季除琼中呈显著上升趋势外，海南岛ET0整体呈下降趋势。在空间分布上，琼中在不同季节里均为ET0的低值区，东方在春、夏、秋三季为ET0的高值区，三亚在冬季为ET0的高值区。

2.3 气温、降水及参考作物蒸散量的变化周期分析

对1960-2020 年海南岛气温、降水及ET0的年序列进行周期分析，在MATLAB中利用Morlet小波分析对各要素进行小波变换，确定各要素年序列变化存在的主周期。

图6(a)为1960-2020 年气温序列的小波变换系数实部图，可以看出，气温序列存在44 a、55 a 的震荡周期，且55 a 的周期震荡最强，相位变化最为显著，为气温变化的第一主周期。气温在55 a尺度上经历了2次“升-降”的循环变化过程，震荡周期约为30 a。海南岛气温偏高的阶段为：1965-1982 年和2000-2017年，其余时段气温偏低。2020年小波变换系数的负相位等值线未完全闭合，推测未来一段时间岛内气温将处于偏低阶段。

图6 海南岛气温、降水及ET0序列的小波变换系数实部Fig.6 Real part of the wavelet transform coefficients of the temperature, precipitation and ET0 in different seasons in Hainan Island

降水序列的小波变换系数实部图如图6(b)所示。可以看出，降水序列存在6 a、13 a、26 a、43 a、56 a 的震荡周期，且56 a 的周期震荡最强，相位变化最为显著，为降水序列变化的第一主周期。海南岛降水偏高的阶段为：1967-1982年和2001-2017 年，其余时段降水量偏低。13 a 的时间尺度为降水序列的第二主周期，在13a 尺度上，降水变化的周期约为10 a，1960-2020年经历了6次“升-降”的循环变化过程。2020年小波变换系数的负相位等值线未完全闭合，推测未来一段时间海南岛降水量将处于偏少期。

ET0序列的小波变换系数实部图如图6(c)所示。可以看出，ET0序列仅存在56 a 的震荡周期。在主周期56 a 的时间尺度上，降水变化的周期约为30 a，1960-2020 年经历了2 次“升-降”的循环变化过程。海南岛ET0偏高的阶段为：1966-1982 年，2000-2016 年，其余时段ET0处于偏低阶段。2020 年小波变换系数的负相位等值线未完全闭合，推测未来一段时间海南岛ET0将处于偏低阶段。

3 讨 论

研究期间海南岛年均气温整体以0.22 ℃/(10 a)的速率上升，与中国范围内0.23 ℃/(10 a)的增温速率接近[11]，低于全球陆地气温0.32 ℃/(10 a)的增温速率[1]。海南岛绝大部分地区增温趋势显著，这与邹海平等的研究结果一致[17]。岛内年均气温以及不同季节气温均呈显著上升趋势，气候变暖使热带作物可利用热量资源更加丰富，对于延长热带作物适宜的生长期，以及提高热带作物种植面积和产量具有积极作用。不同季节中冬季升温速率最高，达到0.26 ℃/(10 a)，对当地早稻和冬季瓜菜等作物生长有利。但伴随气温升高极端气象灾害（如局部地区干旱、夏季高温）和病虫害出现的可能性也会增大，对农业生产造成减产或影响农产品质量。相对于气温显著增加，海南岛降水增加时间较滞后且缓慢，降水以33.66 mm/(10 a)的速率呈增加趋势，高于中国整体上8.10 mm/(10 a)的增加速率[11]。在空间分布上，仅三亚站降水量呈显著增加趋势，进一步分析发现该站降水量仅夏季和秋季显著增加，这可能与当地夏秋两季热带辐合带和热带气旋影响产生的降水量增加有关。海南岛降水在不同季节均呈轻微增加趋势，但夏季和秋季增加趋势较春季和冬季明显，且春、冬两季降水量只占全年的21.82%，特别是冬季降水尤少，仅83.49 mm。夏季和秋季降水的增加可能导致海南岛暴雨、洪涝灾害更加频繁，而冬季和春季降水的增加一定程度上有利于满足农作物尤其当地雨养农业的用水需求。

ET0综合反映一定气象条件下地表不受水分限制的大气蒸发能力，是评估气候变化的重要指标[24]。气温升高、降水增多的环境下，海南岛ET0整体以-0.30 mm/(10 a)的速率轻微下降，低于中国整体-4.2 mm/(10 a)的下降速率[21]。本研究表明，海南岛气温增暖和降水量的增多并未导致潜在蒸散发的增加，存在所谓的“蒸发悖论”现象。事实上，“蒸发悖论”现象在包括中国在内的世界大部分地区报道[25,26]。究其原因是ET0除与气温呈正相关外，还受相对湿度、风速、日照时数等气象要素变化的综合影响，ET0与这些气象参数存在复杂的非线性关系[24]。气候变暖背景下，海南岛ET0的下降可能与风速和日照时数的减少有关[15]，风速和日照时数的减少使得ET0下降，并且很大程度上掩盖了气温升高对ET0的增大作用[21]，最终导致海南岛ET0下降。ET0是确定作物需水量的基础参数，在制定农作物灌溉制度和灌溉管理时应考虑ET0的变化特征，做好水资源的合理配置。

降水和气温的增加以及ET0的下降表明海南岛气候呈暖湿化趋势，这与华南地区气候变化趋势一致[27]。气候暖湿化对海南岛热带农业发展总体有利，但海南岛降水量时空分布不均，春季和冬季降水增加趋势并不显著，且周期性分析表明该地区未来一段时间降水量将处于偏少期，因此海南岛发生春冬季节性干旱的可能性增加，不利于地区农业生产。尤其应关注东方和琼中（海南岛中东部地区）气温、ET0显著上升，这些农业区作物耗水量增加，灌溉用水需求增加，未来水资源供需矛盾突出。通过高效节水灌溉理论与技术的研究和推广，以及加强农田水利基础配套设施建设，是保障气候变化下海南岛热带特色高效农业安全可持续发展的重要工作内容。

4 结 论

（1）海南岛气候总体呈暖湿化变化趋势，对全球变暖响应显著。年均气温以0.22 ℃/(10 a)的速率显著上升，降水以33.66 mm/(10 a)的速率增加，ET0以-0.30 mm/(10 a)的速率轻微下降。

（2）海南岛年平均气温以中部琼中为低值中心向周边沿海地区增加，变化范围为22.99～25.41 ℃，东南部气温整体高于东北部；年平均降水量以中部琼中为高值中心向周边沿海地区减小，变化范围为985.98～2 390.73 mm；年平均ET0呈从东北向西南递增的趋势，变化范围为1 170.53～1 539.81 mm。

（3）Morlet 小波分析结果表明，海南岛气温存在55 a 的强显著周期，降水和ET0存在56 a 的强显著周期，并且降水还存在13 a 的小尺度变化周期。根据分析结果，推测未来一段时间海南岛气温、降水和ET0将处于偏少期。