Meteorological characteristics and monitoring index of drought in Hainan Island

本研究结合地面观测的气象数据与遥感反演的实际蒸散发量数据开展干旱特征分析。气象数据包含海南岛18个气象站的月平均气温、月降水量数据，时间范围为1961—2020年。实际蒸散发量数据是NASA基于Penman-Monteith模型算法^[11-12]生成的MOD16A2数据集，主要使用其中的地表蒸散发量(Evapotranspiration，ET)产品，空间分辨率为250 m，时间分辨率8 d，时间范围为2001—2019年（下载网址：http://files.ntsg.umt.edu/data/NTSG_Products/MOD16/）。

首先对气象站点观测数据进行质量控制，根据站点1—12月缺测情况剔除缺测超20%以上站点资料，然后计算逐月平均气温、降水量，合成季节、年平均气温、降水量。遥感反演的月、年平均蒸散发量计算分2步：第1步计算逐月平均蒸散发量，若遇到某年某月数据缺测，则计算其余年份相应月平均蒸散发量；第2步将12个月的平均蒸散发量相加获得年平均蒸散发量。

气象上常用干湿指数评价一个地区或时段的气候干湿状况。干湿指数(Dry wet index, DWI)采用公式1^[9]计算。

式中，P为月平均降水量，单位mm；${E_{0}} $为月平均潜在蒸散发量，单位mm，${E_{0}} $采用1998 年推荐的 FAO Penman-Menteith公式^[13]计算。

考虑到降水年际变化大，最大年降水量可能是最小值的5倍以上，所以在海南岛的东（琼海）、西（东方）、南（三亚）、北（海口）选择4个典型区域统计降水充沛月比例（降水量大于同期平均实际蒸散发量月数的比例）。

气象研究中通常采用干旱指数监测干旱事件的发生发展，发现长时间演变趋势。本研究采用Vicente-Serrano设计的标准化降水蒸散指数(The Standardized Precipitation-Evapotranspiration Index，SPEI)来监测海南岛干旱。

第1步用Thornthwaite法^[10]计算潜在蒸散发PET。

第2步计算逐月降水与PET的差值。

第3步是拟合降水与PET差值序列的概率分布。由于逐月降水与PET的差值可能存在负值，所以采用了3个参数的log-logistic概率分布。log-logistic概率分布的积累函数为：

其中α、β、γ参数分别采用线性矩的方法拟合获得^[10,14]。

最后，对积累概率密度进行标准化，计算SPEI：

当P≤0.5时，

当P>0.5 时，

式中，c₀ = 2.515 517，c₁ = 0.802 853，c₂ = 0.010 328，d₁ = 1.432 788，d₂ = 0.189 269，d₃ = 0.001 308。

海南岛年均降水量1 800 mm，是我国降水较多的区域之一。海南位于东亚季风区，受季风影响较明显，各月平均降水量呈单峰型分布（图1）。冬季主要受东北季风影响，盛行干冷的偏北气流，气候干旱少雨，12月至翌年3月降水较少，月平均降水在50 mm以下。春季，来自北方的冷空气势力大减，副热带高压加强北抬、西伸，与西南低压槽交替控制，天气晴好，气温上升，雨量开始增多；4月份增至100 mm。5月夏季风和热带气旋开始影响后降水迅速增多，达200 mm。夏季，主要受东南季风和来自印度洋的西南季风影响，盛行偏南暖湿气流，降水量较大；秋季热带系统仍很活跃，海南常受热带气旋正面袭击，产生强降水。8—9月是热带气旋影响的高峰期，雨量普遍增加到250 mm及以上；9月份平均降水量最多，达到300 mm。10月由于热带系统的影响还在，同时北方开始有冷空气南下影响，两者共同作用使海南的降水量仍很大。一般11月冬季风起主导作用后雨量迅速减少，12月到翌年1月达到最低值。春季雨季开始偏晚，秋季热带系统偏弱、热带气旋活动偏少，会出现春旱、秋旱。

海南岛中部的五指山山脉对降水空间分布影响显著，使海南岛同纬度地区降水东多西少差异悬殊。雨季东南风携带的暖湿气团沿山体迎风面爬升冷却，发生绝热降温过程，凝云致雨；在背风面回流收敛形成暖高压，发生绝热增温过程，产生干热的焚风，山体背风面雨影区干热化。来自西南孟加拉的暖湿气流经中南半岛长山山脉抬升后产生干热效应，两者叠加强化了海南岛西部的干热化，在该区域形成热带半干旱气候，孕育了脆弱的稀树草原^[15-17]。此外，五指山山脉阻碍台风、冷空气等天气系统，从而使某些地区降水时间加长，局地暴雨显著增加或减少。海南岛年降水量941～2 388 mm，空间上呈环状分布，东部多于西部，山区多于平原，山区又以东南坡最多。东部多雨区1 975～2 070 mm，多雨中心琼中年平均雨量达2 388 mm；西部沿海地区不足1 000 mm（东方941 mm），仅为东部多雨区的一半（图2）。

气象及地理上通常采用降水量与潜在蒸散发量的比值干湿指数来评价一个地区气候上的干燥湿润程度^[13]。海南岛降水分布时空不均衡，为准确评价海南的干湿差异，逐月计算了干湿指数。研究发现，海南岛的气候干燥时段主要集中在11月到翌年4月（图3）。11月，西部的东方、昌江、乐东和三亚的大部分区域干湿指数低于0.5，但东部干湿指数依然较高，琼中、万宁、琼海地区普遍在1～2之间。进入12月份后，海南的干燥化迅速发展，西南部区域的干湿指数迅速下降到0.2以下；而东部的干湿指数也降到0.5～1，仅琼中和万宁附近部分区域依旧处于1以上，保持相对湿润状态。1月份后，海南干燥区域依旧保持，并且面积有所扩大。海南岛的这种干燥状态一直持续到3月份，西部干湿指数维持在0.2以下，东部部分区域在0.5以上，中部和北部介于两者之间。进入4月份以后，伴随着降水逐渐增多，海南岛干湿指数开始迅速上升，东部、北部先后上升到1以上，西部干湿指数在0.2以下区域快速减小并消失。8、9、10月海南岛的湿润程度达到最高。

降水与潜在蒸散发量的比值反映的是降水满足大气最大蒸发蒸腾需求的能力，但一个地区的植被是对该区域气候长期适应的结果，植物叶面上的气孔对蒸腾有巨大调节作用，实际生态需水量与潜在蒸散发有较大差异。MODIS陆地蒸散发产品数据（MOD16A2）是遥感反演的实际蒸散发量产品。全球多个地区多种植被类型多种数据已经证明该产品精度较高，流域水分平衡法也证明MOD16模拟的海南年蒸散发量具有较高准确度，满足降水、蒸散发水分平衡分析干旱的需求^[8,18]。海南岛多年平均MOD16蒸散发量的空间分布（图4）与海南地形分布相似，中间山区高，四周平原台地较低。在植被覆盖度高的中部原始森林区，蒸散发量最高，年蒸散发量在1 300 mm以上，局部1 500 mm以上；四周的丘陵台地区蒸散发量稍低，为900～1100 mm；西部植被覆盖条件稍差的区域，年蒸散发量普遍在900 mm以下。从分布上来看，蒸散发量的分布与植被的分布相似，植被覆盖度高的区域蒸散发量大，而植被覆盖度低的地区蒸散发量小。

降水的年际波动幅度显著大于实际蒸散发量的变化幅度。为掌握干旱事件（降水量小于实际蒸散发量）的发生频率规律，进一步选择海南岛东（琼海）、西（东方）、南（三亚）、北（海口）4个典型区域统计了降水充沛月（月降水量大于同期月平均蒸散发量）的比例(图5)。海南岛的冬春季节（12月至翌年4月）降水充沛月比例最低，普遍在20%以下；南部和西部这种情况尤为明显。值得注意的是在2、3月份南部地区降水充沛月份比例甚至低于西部。4月份开始海南降水充沛月比例开始升高，5月份北部和东部已经进入高峰期，南部和西部大约滞后1个月。6—10月是海南岛降水充沛月比例最高的季节，北部、东部和南部地区普遍在70%以上，西部降水充沛月比例在6、7月仍偏低，8月份到达高峰。11月各地降水充沛月比例开始迅速下降，尤其是南部和西部。

气象学中通常用干旱指数来监测干旱事件，SPEI指数能够反映降水异常及温度对干旱的影响^[19-20]。SPEI指数反映的是降水与潜在蒸散发差值在历史上的排位，不同时间尺度的SPEI反映不同时间长度内降水满足蒸散发的状况，既可以反映短期内土壤水分的动态变化，又可以反映长期水资源的趋势。通过分析1961—2020年海南岛不同时间尺度（3、6、12个月）的SPEI指数（图6）可以评估不同类型干旱的影响。以2004—2005年海南岛发生的全岛性特大干旱为例，说明多尺度SPEI指数在评估干旱给农业生产和经济运行带来的危害中的应用。在2004年9、10月，海南岛降水严重偏少，3个月的SPEI指数下降明显，干旱开始发生；6、12个月的SPEI指数随后也迅速下降，2005年上半年的6、12个月的SPEI指数有非常低的时段。由于海南岛冬春农业用水主要依靠水库蓄水和地下水，长时间尺度（6、12个月）的SPEI指数最能反映农业生产实际的春季旱情。多次旱情资料分析结果表明，在海南湿润的季节(5—10月)，3个月的SPEI更能够反映出短期降水缺乏带来的旱灾；而在气温稍低、相对干燥的季节(11月至翌年4月)，6、12个月时间尺度的 SPEI值更适宜评估长期水库蓄水偏少带来的干旱危害。

海南岛位于热带季风区，季风性气候导致海南冬春季降水稀少，夏秋降水充沛。受中南部高山阻挡，海南岛东南部雨水充足、西部降水较少，降水空间分布不均匀。从气候干湿状况以及降水充沛月比例来看，海南岛11月至翌年4月气候干燥、降水满足地表蒸散发需求的能力极差，容易发生干旱；而5—10月气候湿润，降水满足蒸散发需求的比例普遍在70%以上，干旱发生的概率相对较小。在实际业务和研究中可以分别通过3、6、12个月时间尺度的 SPEI指数监测雨季、旱季干旱的发生发展，评估旱灾损失。

海南岛周年平均气温较高，满足作物生长对温度的要求。虽然从全年来看海南到属于湿润区域，但受季风和地形影响，降水时空分布不均匀^[21]，特别是冬夏季风转换季节，来自大陆腹地的干冷气流与来自热带海洋的暖湿空气交替侵入^[22]，造成了海南岛温度与降水的不匹配，从而容易发生农业干旱。为解决季节性缺水问题，海南修建了大量水利设施^[23]保障农业生产、居民生活用水；结合干旱监测与降水预报优化水库调度、合理排蓄是防洪抗旱的科学措施。