引言

气候变暖^[1]导致极端天气气候事件对社会环境产生的负面影响越来越受到关注，过去我国有关极端事件的研究主要集中在北方^[2-6]，海南岛地处南方热带地区，四面环海，气候独特，极端天气事件发生了怎样的变化？本文分析近39年海南岛大风、暴雨、雷暴、冰雹、高温、低温、霜冻、雾等极端天气的年频率变化特征，初步探讨变化机制。

1 资料与分析方法

IPCC第三次评估报告指出，极端事件是指某一地区从统计分布观点看极少发生的天气事件，若用累积分布函数表示, 其发生概率是相当于或小于第10(或大于第90)百分位数^[6]，但气象上也把对人类或生物的影响界限作为气候极端值或阈值。考虑到海南岛长暖无冬以及植物的抗冻、抗风能力等特点，结合海南省灾害天气标准^[7]，把某测站出现日最高温度≥37℃、日最低温度≤6℃、瞬时风速≥17m·s^-1、日降雨量≥50mm、水平能见度≤1000m作为本文筛选高低温、大风、暴雨和雾的标准。根据海南岛所有市县气象站建站、迁站时间等因素，选取1966—2004年全岛18个观测站发生大风、暴雨、雷暴、冰雹、高温、低温、霜冻、雾等极端天气的日数资料，并以18个测站极端天气的年平均日数，代表海南岛极端天气日数。

根据现代气候统计诊断方法^[8-9]，采用最小二乘法对各极端天气年均日数的趋势变化做线性估计，并用相关系数进行显著性检验。再用5年滑动平均、Mann-Kendall法(简称M-K法)及滑动t检验综合判断变化的阶段性、突变时间和上升或下降趋势显著时间。最后用Morlet小波^[9]分析不同时段变化周期。

2 极端天气事件频率的年变化特征 2.1 线性趋势估计

从1966—2004年海南岛8种主要极端天气事件年频率的线性趋势(表 1)可知：

大风:近39年海南岛大风日数明显趋少，平均10年约减少1.4天，趋势变化显著性水平α=0.001。大风显著减少原因最大可能是近年影响海南的冷空气强度减弱、频次减少，特别是热带气旋频数减少^[10]引起，此外城市建设发展也存在影响可能。

暴雨、雷暴和冰雹:跟北方暴雨频数趋少^[5]相反，海南暴雨与长江流域暴雨趋频^[4]一致，但增幅很小，39年增加1天，变化不显著。在所选8种极端天气中，雷暴日数减少幅度最大，平均10年减少7.9天，39年累计减少31天，α=0.001。冰雹日数的减少趋势不显著，减少幅度最小，39年累积变化不足0.1天。从这一点来看，冰雹日数基本处于少变的稳定态势。由于冰雹等强对流天气发生的局地性太强，现有的观测资料很难全面反映出它们的真实情况，只有一些试探性研究表明，冰雹与平均最低温度、湿球温度之间存在显著相关^{[1, 11]}。

高、低温和霜冻:海南岛高温频数呈现略增趋势，与我国大陆平均的炎热日减少趋势^[5-6]刚好相反，但与本区暴雨频数略增趋势一致，近39年全岛高温日数增加0.6天，增幅小于暴雨。海南岛低温、霜冻频数的总体趋势与全国平均的低温和寒潮事件明显趋少^[5]的变化一致。近39年，低温约减少1.1天，霜冻减少0.2天，趋势变化都不显著，与冬季北方增温比南方更明显^[5]的结论相符。

雾:雾日的变化幅度仅次于雷暴，平均10年减少3.7天，39年减少14天，趋势变化显著性水平α=0.001。刘小宁^[12]等指出我国大部分地区大雾日数呈减少趋势，但浓雾出现的年日数变化不明显。雾是空气中的水汽达到或接近饱和, 在凝结核上凝结而成, 因此, 形成雾有两种途径:即降低空气中温度, 使低层大气冷却到露点, 或增加空气中的水汽, 造成空气中水汽饱和以产生水汽凝结。雾主要出现在冬春季, 其出现与夜间的最低气温有关。因此冬春明显增暖^[13-15]是雾减少的主要原因之一。

2.2 阶段变化和突变性

从各极端天气年日数的滑动曲线走势(图 1)可以看出，海南岛高温、暴雨频数总体趋势增多，大风、雷暴、雾、低温、霜冻、冰雹总体趋势减少，基本证实前面线性趋势估计结果的正确性。结合M-K法及滑动t检验(图 2，其他图略)综合分析可知：

大风: 1980年代是海南岛大风多寡的过渡期，1970年代大风最多，1990年代开始偏少。变化趋势于1973年由增转减，1992年发生突变，1996年减少趋势，α=0.05，之后α=0.001(U_α=±2.56)。大风趋少的突变时间与影响海南热带气旋在1990年代明显减少^[10]时间基本相符。

暴雨、雷暴和冰雹:海南暴雨在1960年代出现频次最少，微弱的频数变化大致表现为先增后减再增，即1966—1973年增多，1973—1987年波动略减，1987年后波动略增，未发生突变。雷暴日数在1960—1970年代偏多，1980年代多寡相当，1980年代末开始进入偏少期。雷暴总变化趋势与大风相似，也是先增后减，具体转折时间为1975年、1984/1985年之交发生突变，1987年后显著减少，减少趋势显著性水平α=0.001。冰雹的变化曲线以1980年代中期为中轴近似对称：1960年代后期雹日偏多，1970年代偏少，1980年代偏多，1990年代至新世纪初长期偏少。总趋势变化可分3个主要阶段，即1966—1976年减少，1976—1983年增多，1983—2004年再次波动减少。进一步分析可知，近39年海南岛有11个无雹年(1969、1970、1971、1973、1976、1988、1994、1996、2002—2004年)，在海南岛平均气温显著增暖的1987年前后^[13]，无雹年频数略增，连续无雹年略延长，这种变化与气候变暖大背景下气象观测站属地城镇增温、冰雹落地前融化成雨水的可能性增大有一定关系。

高、低温和霜冻：高温的变化趋势表现为先减后增：1966—1976年波动略减、1976年后波动增多。虽然高温日数的极多年(1983年)和次多年(1977年)都出现在海南显著增暖^[13]之前，但1987年显著增暖之后，高温偏多年份增多、偏少年份减少了。低温和霜冻的阶段变化趋势基本一致：1975年之前为增多期，1975年开始进入波动减少期，减少趋势不显著，也无突变。再分析年变化曲线发现，1986年后连续无低温年、连续无霜年延长，无霜年的间隔时间缩短。这显然是冬春显著增温形成暖冬气候造成的结果。

雾：雾日的变化趋势于1985年由增转减，1983/1984年之交发生突变，1987年进入显著减少期，减少趋势显著水平α=0.001。1986年之前雾日偏多，之后雾日偏少。近10年雾呈现波动增多态势，但只有2004年超过平均值。总的来说气候变暖不利于雾的形成，但总体变暖期间也有阶段性偏冷期，此外，对流层水汽趋于增多^[16]，都可能是雾害抬头原因之一。

2.3 周期分析

各类天气日数存在周期性变化，分析Morlet小波(图 3)可以看出：

大风：大风日数变化周期主要出现在中低频区。主周期18年，次周期随年份从8年逐渐延长为9年，但在1990年代后期减弱消失，此外1977年后出现6年弱周期。

暴雨、雷暴和冰雹：暴雨日数的变化周期集中在中高频区。8.5年左右的主周期信号在1990年代趋于减弱，1980年代开始的5~6年周期信号则出现增强趋势；高频区有2年周期存在于1970年代后期到1990年代初期。雷暴日数只在中高频区有弱的阶段周期存在：1960年代后期无周期信号，3年、6~7年周期信号在1970年代初才开始出现。冰雹日数周期在低中高频区皆有表现：主周期从17年逐渐缩短为16年，且有继续缩短的可能，次周期8.5年左右，高频区在1977年之前存在3年周期，1977年后周期缩短为2年。

高、低温和霜冻：高温日数与雷暴日数一样也没有长期性变化周期，只在高频区有阶段性短周期：2年周期集中在1986年之前，5年周期出现于1977—2000年期间且信号趋弱，近几年无明显周期信号。低温日数的变化周期表现为中高频阶段性。在中频区为1986年以前的10年，1986年以后的8年、11年以及1980年后的6年等周期；在高频区有2年周期分布于1966—1978年、1982—1986年、1992—2001年期间。霜冻日数的周期与低温的周期分布较相似，表现为1980年以前的9年、1980年后的8年、6年以及1993—2004年间的2—3年弱周期。

雾：雾日只有长期变化周期，在中低频区表现明显，主周期18年，次周期从8年逐渐延长为9年。

3 总结与讨论

综合分析1966—2004年海南岛极端天气年日数的变化情况，得到几点结论：

(1) 大风、雷暴和雾的减少趋势显著，α=0.001，减少幅度依次为1.4天/10年、7.9天/10年、3.7天/10年，分别于1992年、1984/1985年、1983/1984年之交发生趋势突变。高温、暴雨呈现的弱增及低温、冰雹、霜冻呈现的弱减势都不显著、无突变。其中，高温、暴雨的增加幅度和低温减少幅度都很小，平均10年增减不足0.3天；冰雹、霜冻减少幅度更小，近39年分别减少0.1天，0.2天，可以说基本处于稳定态势。

(2) 1980年代为海南大风、雷暴和雾日由多趋寡的转折期，海南岛连续无低温年和连续无霜年延长，无霜年的间隔时间缩短，与1987年海南显著增暖^[13]有一定关系。

(3) 极端天气存在一定的振荡周期。主次周期分别为：大风18年；雾18年、8~9年；暴雨8.5年；冰雹17~16年、8.5年左右；低温10~11年；霜冻9~8年。高温、雷暴没有长期变化周期，只有时段性的中短周期，分别出现在2000年之前和1970年代之后。此外，冰雹存在周期趋短、其他极端天气则存在长期或阶段性周期变长的现象。

由于极端天气的变化比较复杂，不同的极端天气也有不同的影响机制，但总的来说可能与全球变暖有关。从统计学角度讲，气候平均值的变化可能会直接影响到极端值的变化，例如温度平均值的变化会直接影响到极端高温、低温事件。从物理机制讲，温室气体的大量排放，致使大气温度升高，与温度有关的极端事件就会增多或减少。气温的升高会使地表增暖，加剧地表水分蒸发，大气中水分含量也会增加，为了与蒸发过程相平衡，降水将增长，暴雨几率增大。降水率的加强，又会引起大气潜热的释放增加，影响风暴强度，可能还会影响到雷暴、冰雹等许多中小尺度极端天气^[17]。另一方面，大气变暖和水分增多后，大气循环加剧，导致大气环流发生调整，影响风暴以及冷空气的活动，从而影响大风频数。此外，极端天气的变化可能还与自然变化具有十分紧密的关系，更具体的原因尚有待进一步探讨。

致谢：邢旭煌为本文资料提供方便，翟盘茂研究员两次审改全文，一并深表谢意。