1. 引言

降水作为水循环的关键组成部分，对于陆地水资源的分配和生态系统的维持发挥着重要作用[1]-[3]。在热带地区，海陆降水分布差异是热带海陆气象系统相互作用最显著的现象之一，体现了海陆气象系统的复杂相互作用[4] [5]。降水的强度和分布直接影响着暴雨和干旱的发生，进而对人类社会生产生活造成深远影响[6] [7]。因此，深入理解海陆降水分布及其变化规律，不仅具有重要的科学意义，更具有现实的应用价值，可为水资源管理、农业规划和防灾减灾等领域提供科学依据。

在过去几十年里，气象和遥感技术的发展极大推动了海陆降水分布及其变化机制的研究。一些研究人员基于全球和区域气候模式分析了大尺度海陆降水分布的季节和年际变化特征[8]。同时通过对遥感数据的分析揭示了海洋和陆地降水的显著差异。一些学者还进一步探讨了海陆降水差异形成的动力和热力学机制[9] [10]。海陆降水分布差异主要源于陆地和海洋在热力和动力特性上的巨大差异。在陆地上，白天太阳辐射加热导致地表温度迅速升高，形成了强烈的湍流对流，促进了强降水的发生。相比之下，海洋上，降水过程主要受大尺度环流系统的控制，呈现出更均匀、持续的特征[11] [12]。

沿岸地区降水的时空分布格外复杂，兼具陆地和海洋降水的特征。大量研究集中在热带沿岸地区，如南亚和东亚季风区、北美墨西哥湾沿岸等地，分析了区域尺度上offshore (近海)和onshore (近陆)降水分布以及传播特征[10] [13]-[15]。这些研究揭示了热带沿岸地区降水的显著非均匀性(白天降水主要发生在陆地上，在夜间最大降水区则位于近海地区)。同时，还发现沿岸降水系统存在从陆地向海洋传播的特征[10] [16]。这主要归因于重力波辐射、地面冷池以及陆海风环流等机制[17]-[19]。然而，对于热带海岛地区的海陆降水分布差异及其变化规律，目前还缺乏系统的研究。

本研究拟利用长时间序列的高分辨率遥感降水数据，对海南岛及其邻近海域的海陆降水分布特征进行分析以期为深入理解热带地区海陆降水分布差异提供新的科学依据。

2. 研究方法与数据

2.1. 研究区域概况

海南岛，作为我国第二大岛，坐落于国土最南端，地理位置独特。它位于北纬18˚10'至20˚10'，东经108˚37'至111˚03'之间。岛屿东临南海，西面琼州海峡与雷州半岛隔海相望，南与南沙群岛遥遥相对，北以海南海峡与广东省陆地分界。海南岛总面积达3.54万平方公里，地貌呈现典型的“四周低平，中部高耸”的穹隆山地形态为了系统分析海陆降水的时空分布特征，本研究将研究区域定义为自海岸线向内陆和向海洋各延伸10公里的区域(图1)。在此基础上，考虑到生态系统和资源利用的差异，我们采用K-means聚类算法进行更精细的区域划分(图1(a))：1) 自海岸线向内陆延伸10公里以内的区域，也称为沿海地区；2) 自海岸线向外海延伸10公里以外的区域，也称为外海地区。此外，为了更全面地分析海南岛不同海岸带的特征，我们根据行政区划将海岸带划分为三个区域(图1(b))：1) 西部海岸，包括乐东至昌江沿海地区；2) 东部海岸，涵盖临高至万宁沿海区域；3) 南部海岸，覆盖陵水至三亚沿海地带。

Figure 1. Partitioning of marine and land areas in Hainan island, as well as coastal zones. Note: (a) represents the division of marine and land areas, (b) represents the division of the western coast, eastern coast, and southern coast

图1. 海南岛海洋与陆地分区以及海岸带分区。注：(a) 为海洋与陆地分区，(b) 为西部海岸、东部海岸和南部海岸分区

2.2. 数据来源

本文使用的降水数据来自全球卫星测图计划(Global Satellite Mapping of Precipitation, GSMaP)提供的逐小时降水数据集。该数据融合了多源微波辐射计和红外传感器的观测数据，空间分辨率为0.1˚ × 0.1˚，时间分辨率为1小时。和传统的雨量站数据相比，GSMaP数据在时间和空间上都具有更高的分辨率，能够更好地反映研究区的降水时空变化特征，尤其是海洋地区的降水变化。研究时段为2000年至2019年，共计20年。在数据预处理过程中，首先根据研究区的经纬度范围对数据进行裁剪，然后依次对逐小时、日和月数据进行异常值检验、缺测值插补等质量控制，最后在此基础上计算各类降水指标。

2.3. 研究方法

本文系统地分析了海南岛海洋和陆地降水在时间和空间尺度上的差异特征。首先，分析海陆降水的空间分布格局及其演变特征；其次，分别计算海洋和陆地不同时间尺度(年、季节、月和日)的降水量及各类极端指标，定量刻画海陆降水的时间变化规律；最后，选取典型天气过程，对比分析不同背景下海陆降水的异同。

本研究主要分析的极端降水指标包括：

1) 不同强度降水事件(小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨等)的月度频数；

2) 不同小时时次(0时、8时和16时)降水的空间分布特征；

3) 不同天气背景(台风和寒潮过程)下的降水空间格局。

根据不同降水强度并结合研究区实际情况，本研究依据《全国智能网格气象预报业务规定＜试行＞》(气预函) (201736号)，设定了3小时尺度和日尺度下的定义了8个降水阈值级别(表1)，以评估不同降水产品对降水强度的检测能力。

Table 1. Rainfall classes defined in the study

表1. 研究中定义的雨量等级

3. 结果

3.1. 年际变化规律

图2是海南岛降水呈现出显著的“东多西少”格局，这一特征同时体现在陆地和海洋区域。全岛近海和海岸年降水量范围大致在1100~2200 mm之间。降水的空间分布高度不均匀，东部直接迎接来自太平洋的水汽输送，而西部则处于相对的雨影区。海洋降水最大值(约2000~2200 mm)出现在万宁–琼海交界处的近海区域，而陆地降水最大值(可能超过2200 mm)分布在文昌–琼海–万宁–陵水一带。相比之下，海洋降水最小值(约1100~1200 mm)出现在文昌市东部海域，陆地降水最小值(约1300~1400 mm)则位于东方–昌江交界处。全岛最大降水值与最小降水值之差高达1100 mm左右，凸显了降水分布的显著空间异质性。海陆降水差异在不同区域表现各异。北部地区(图2(b)，文昌–海口–澄迈–临高–儋州)呈现出显著的海陆降水差异，陆地降水量明显高于海洋，差异可达200~300 mm。而南部地区(图2(d)，三亚–乐东–东方–昌江)的海陆降水差异不明显，差值通常在100 mm以内。这种分布特征可能与地形效应和局地环流的相互作用密切相关。从海岸带来看，东部海岸是全岛降水最为集中的区域，特别是琼海和万宁附近，年降水量可达2000~2200 mm。东部海岸陆地降水普遍高于海洋降水200~300 mm，最大降水中心位于琼海市陆地，可能超过2200 mm。相比之下，西部海岸降水最少，年降水量大多在1300~1600 mm之间，海陆降水差异最小，普遍不超过100 mm。西部海岸最大降水值出现在儋州市陆地，约1600~1700 mm。这种相对均匀的分布可能与该区域较为平缓的地形和背风效应有关。南部海岸降水则呈现从东北(约1900~2000 mm)向西南(约1400~1500 mm)递减的趋势。南部海岸陆地降水略高于海洋，差值在100~200 mm左右。这种分布可能与地形和局地环流的相互作用密切相关。通过定量比较，我们可以发现东部海岸的平均降水量比西部海岸高约500~700 mm，北部陆地降水比南部高约200~300 mm，而海洋降水的南北差异不明显。

Figure 2. Spatial distribution of annual precipitation over land and sea, 2000~2019. Note: (a) is ocean, (b) is land, (c) is eastern coast, (d) is southern coast, and (e) is western coast

图2. 2000~2019年海陆年降水空间分布。注：(a) 为海洋，(b) 为陆地，(c) 为东部海岸，(d) 为南部海岸，(e) 为西部海岸

图3给出了海洋与陆地2000~2019年的降水趋势空间变化。海洋的趋势有增有减，在三亚市–东方市–乐东县呈现下降的趋势，在北部地区呈现上升的趋势。而陆地呈现整体增加的趋势，相较于南部，北部陆地降水的趋势变化较大。从海岸带来看，东部海岸整体增加，南部海岸和西部海岸有增有减，减少的区域仍然是三亚市、乐东县和东方市的海洋地区。

年降水量对比

按照图1(b)的分区，分析不同分区的年降水时间变化，可以看出海洋和陆地降水的年际变化趋势大致相似(图4(a)和图4(b))，但存在明显的差异。海洋区域的年降水量普遍高于陆地，这与热带海洋地区水汽供应充足有关。海洋年降水量在600~1000 mm之间波动，而陆地在540~950 mm之间变化。海洋降水最小值出现在2004年(600.33 mm)，最大值在2011年(995.44 mm)。陆地降水最小值同样在2004年(543.79 mm)，但最大值推迟到2018年(943.12 mm)。对于海岸带降水(图4(c)~(e))，东部和南部海岸的降水量明显高于西部海岸，这可能与东南季风的影响有关。东部海岸年降水量在967~2317 mm之间变化，南部海岸在1096~2235 mm之间，而西部海岸仅在1084~2045 mm之间。三个海岸带的降水变化趋势大致相同，

Figure 3. Distribution of spatial variability of annual precipitation trends for land and sea. Note: (a) is ocean, (b) is land, (c) is eastern coast, (d) is southern coast, and (e) is western coast

图3. 海陆年降水趋势空间变化分布。注：(a) 为海洋，(b) 为陆地，(c) 为东部海岸，(d) 为南部海岸，(e) 为西部海岸

Figure 4. Comparison of annual-scale coastal zone precipitation time series. Note: (a) is ocean, (b) is land, (c) is eastern coast, (d) is southern coast, and (e) is western coast

图4. 年尺度海岸带降水时间序列对比。注：(a) 为海洋，(b) 为陆地，(c) 为东部海岸，(d) 为南部海岸，(e) 为西部海岸

但存在细微差异。最小值年份基本一致(2003~2004年)，但最大值年份有所不同：东部海岸为2009年，南部海岸为2010年，西部海岸为2018年。

3.2. 年内变化规律

3.2.1. 雨季和旱季的空间分布特征与趋势变化

图5给出了2000~2019年雨季海洋与陆地降水的空间分布。整体上看，雨季海陆降水的空间分布与年尺度相差不大。由图5(a)可知，降水在临高县–澄迈县和海口市附近的海洋以及万宁市–陵水县交界处的海洋降水较多，在文昌市的东部以及海南岛西部降水较少。此外，万宁东北部的海洋相较于周边地区降水较少。而陆地降水的分布呈现为自东南向西北逐渐减少的特点，琼海市–万宁市–陵水县区域降水相对较多，昌江县–东方市–乐东县降水相对较少。从海岸的降水空间分布来看，西部海岸降水较少，海洋与陆地的降水接近，最大值出现在儋州市的西北部。东部海岸在文昌市东部的海洋降水达到了最小值，自西向东至内陆，降水逐渐增加，最大值出现在琼海市的陆地。南部海岸的降水自东北向西南逐渐减少，陆地降水多于海洋降水，降水最大值出现在万宁市–陵水县–保亭县的陆地，降水最小值出现在三亚市的西南部海洋。

Figure 5. Spatial distribution of land and sea precipitation during the rainy season, 2000~2019. Note: (a) is ocean, (b) is land, (c) is eastern coast, (d) is southern coast, and (e) is western coast

图5. 2000~2019年雨季海陆降水空间分布。注：(a) 为海洋，(b) 为陆地，(c) 为东部海岸，(d) 为南部海岸，(e) 为西部海岸

图6展示了2000~2019年旱季海南岛海洋与陆地降水的空间分布格局。与雨季相比，海洋与陆地在旱季的降水较少，空间分布格局与雨季一致，呈现东多西少、南多北少的特点。在海洋，降水最大值出现在文昌市–琼海市的交界处，在东方市的西部和文昌市的东部降水较少。在陆地，降水最大值出现在琼海市，最小值出现在东方市的西部地区。结合图6(c)~(e)来看，由于受到地形的影响，西部海岸的降水相较于东部海岸和南部海岸偏低，而东部海岸的最大值仍出现在琼海市，最小值出现在文昌市东部的海洋，南部海岸的最大值出现在万宁市的陆地，最小是出现在三亚市西部的海洋。

Figure 6. Spatial distribution of land and sea precipitation during the dry season, 2000~2019. Note: (a) is ocean, (b) is land, (c) is eastern coast, (d) is southern coast, and (e) is western coast

图6. 2000~2019年旱季海陆降水空间分布。注：(a) 为海洋，(b) 为陆地，(c) 为东部海岸，(d) 为南部海岸，(e) 为西部海岸

图7为2000~2019年雨季海洋与陆地降水趋势变化的空间分布。整体来看，近20年海陆降水主体呈现增加的趋势，在局部地区略有下降。在海洋，临高县–澄迈县–海口市–文昌市东部的海洋地区和乐东县–三亚市的部分海洋地区降水逐渐增加，在东方市西部的海洋地区，越靠近海岸线降水逐渐减少，而在降水最多的琼海市–万宁市区域，降水变化有增有减。在陆地，降水仅在文昌市东部的陆地区域有小幅度的减少，其余地区均呈现上升趋势，北部沿海陆地区域降水逐渐增加的幅度较大。从海岸带来看，三个区域的降水趋势变化有增有减。在东部海岸，降水趋势增加的区域主要集中在海南岛北部地区。在南部海岸，降水减少的区域主要集中在海南岛南部的海洋。在西部海岸，陆地降水呈现上升的趋势，海洋降水呈现下降的趋势。

Figure 7. Spatial distribution of changes in rainy season precipitation trends for land and sea. Note: (a) is the ocean, (b) is land, (c) is the eastern coast, (d) is the southern coast, and (e) is the western coast

图7. 海陆雨季降水趋势变化的空间分布。注：(a) 为海洋，(b) 为陆地，(c) 为东部海岸，(d) 为南部海岸，(e) 为西部海岸

图8展示了2000~2019年旱季海南岛海陆降水的趋势变化的空间分布。整体来看，旱季降水的趋势变化幅度较小，大部分区域呈现上升的趋势，仅在海南岛西部的部分地区表现出下降的趋势。在海洋，东方市–乐东县–三亚市的海洋地区降水呈现下降的趋势，在东部区域呈现上升趋势，其余区域轻微上升。在陆地，东部地区降水呈现上升区域，在西部地区降水趋势各有升降，大部分地区轻微上升。根据三个海岸带来看，东部海岸整体呈现上升的趋势，在万宁市显著上升。而在南部海岸和西部海岸，降水变化趋势各有升降，具体表现为：南部海岸的最南端降水呈现减少的趋势，其余区域上升；西部海岸的最西端降水呈现减少的趋势，其余区域轻微上升。

Figure 8. Distribution of spatial variability of dry-season precipitation trends for land and sea. Note: (a) is ocean, (b) is land, (c) is eastern coast, (d) is southern coast, and (e) is western coast

图8. 海陆旱季降水趋势空间变化分布。注：(a) 为海洋，(b) 为陆地，(c) 为东部海岸，(d) 为南部海岸，(e) 为西部海岸

3.2.2. 月尺度降水的变化规律

表2海陆分区多年平均月降水量。海陆降水都呈现出典型的热带季风气候特征，降水主要集中在5~10月，占全年降水量的80%以上。这与热带季风气候的特点高度一致，反映了夏季风带来的充沛水汽对该地区降水的主导作用。海洋和陆地的降水峰值都出现在8月，分别为22.61 mm和21.26 mm，占全年降水量的17.49%和16.99%。这可能与夏季风最强盛期和台风活动频繁期相吻合。12月至次年4月为干季，降水量明显减少。其中，2月降水量最少，海洋和陆地分别仅为1.25 mm和1.32 mm，占全年降水量的0.97%和1.05%。这反映了冬季风控制下的干燥特征。虽然海洋和陆地的降水分配模式相似，但存在一些细微差异。海洋降水总量略高于陆地，这可能与海洋持续的水汽供应有关。在雨季(5~10月)，海洋降水比例(84.16%)略高于陆地(84.34%)。陆地在5月和10月的降水比例略高于海洋，这可能与陆地春秋两季的对流活动更为活跃有关。海洋和陆地的降水集中度都很高，最多月(8月)降水量是最少月(2月)的18倍左右。总的来说，海南岛的海陆降水分配呈现出典型的热带季风气候特征，具有显著的季节性和高度集中的降水模式。

Table 2. Distribution of multi-year average monthly precipitation over ocean and land

表2. 海陆多年平均月尺度降水量

3.3. 不同强度降水事件的月度分布特征

从无雨日频数的分布(图9(a))来看，海陆之间存在明显差异。陆地无雨日频数全年高于海洋，尤其在冬季(12~2月)差异最为显著，陆地无雨频数达到80~100次/月，而海洋仅为60~75次/月。这种差异可能与海洋持续的水汽供应有关，使得海洋地区更容易形成降水。对于小雨事件(图9(b))，海洋全年频数普遍高于陆地，尤其在夏季(6~8月)差异最大，海洋小雨日数达到400次/月左右，而陆地仅为350~375次/月。这反映了海洋环境中更易形成稳定的层状云系统，产生持续性的小雨。中雨事件(图9(c))的分布呈现出明显的季节性特征。在夏季(6~9月)，陆地中雨频数显著高于海洋，最高可达120次/月，而海洋仅为100次/月左右。这可能与夏季陆地强烈的对流活动有关，导致陆地降水强度增加。大雨事件(图9(d))的分布模式与中雨类似，但海陆差异更为显著。在7~9月的台风季节，陆地大雨频数明显高于海洋，最高可达40次/月，而海洋仅为35次/月左右。这种差异可能与台风登陆后，地形抬升效应导致陆地降水增强有关。暴雨(图9(e))和大暴雨(图9(f))事件主要集中在5~10月，这与海南岛的雨季分布一致。在这些极端降水事件中，陆地的频数普遍高于海洋，尤其是在7~9月的台风季节，差异最为显著。例如，9月份陆地暴雨频数可达25次/月，而海洋仅为20次/月左右；大暴雨事件中，9月陆地频数可达11次/月，海洋仅为6次/月左右。这种极端降水事件的海陆差异可能与地形抬升效应、陆地强烈对流以及台风登陆后的增强效应有关。综合来看，季节尺度上冬季海洋降水频数高于陆地，而夏季则相反。在降水强度上，小雨事件海洋多于陆地，而中雨及以上强度的降水事件陆地频数普遍高于海洋。针对极端降水，暴雨和大暴雨事件在陆地上的发生频率显著高于海洋。

Figure 9. Monthly frequency distribution of precipitation events with varying intensities in Hainan island, 2000~2019. Note: Subplots a-f represent: (a) No rain; (b) Light rain; (c) Moderate rain; (d) Heavy rain; (e) Rainstorm; (f) Heavy rainstorm

图9. 2000~2019年海南岛海陆不同强度降水事件的月度频数。注：(a) 为无雨，(b) 为小雨，(c) 为中雨，(d) 为大雨，(e) 为暴雨，(f) 为大暴雨

Figure 10. Spatial patterns of daily average hourly precipitation on ocean and land from 2000 to 2019. Note: Left side represents ocean, right side represents land. (a) and (b) represents midnight, (c) and (d) represents 8:00 AM, (e) and (f) represents 4:00 PM

图10. 2000~2019年海洋与陆地日平均逐小时降水的空间格局。注：左侧为海洋，右侧为陆地，(a)和(b)为0点，(c)和(d)为8点，(e)和(f)为16点

3.4. 日尺度下海陆降水差异

图10展示了海南岛2000~2019年三个时刻的降水空间格局，依次为0点、8点和16点，分别对应夜间、上午和下午。在0点，海洋与陆地降水接近，降水相较于8点和16点偏低，北部降水多于南部，以文昌市–三亚市为分界线呈对称分布。在8点，海洋与陆地降水差异明显，陆地降水多于海洋。海洋降水的空间分布格局整体变化不大，在海口市和澄迈县附近降水相对较多。而陆地的降水自东北向西南逐渐减少，降水最多的区域主要发生在儋州市–临高县–澄迈县–海口市–文昌市–万宁市周围，西部东方市–乐东县降水较少。在16点，相较于前两个时间点，海洋与陆地降水较多。海洋降水分布呈现东多西少的特点，降水主要集中在文昌市与琼海市的交界处和万宁市与陵水县的交界处，在文昌市东部降水较少，万宁市与琼海市的交界处与周围区域相比降水较少。陆地的降水格局可以划分为北部、南部、东部和西部四个区域，东部(陵水–文昌)降水最多，北部(临高–海口)和南部(三亚–乐东)次之，西部(儋州–乐东)降水最少。

4. 结果与讨论

本章根据2000~2019年GSMaP数据对海南岛海洋与陆地降水时空分布差异进行分析，得出以下结论：

1) 2000~2019年，海南岛的降水呈现显著的空间和时间变化特征。总体上，东部海岸降水最多，西部海岸最少。陆地降水多于海洋，尤其在文昌市–琼海市–万宁市一带。降水趋势显示，北部陆地和东部海岸的降水明显增加，而南部和西部海岸降水趋势有增有减。年际变化中，海洋和陆地降水变化规律相似，但极值年份不一致，东部和南部海岸降水依次在2009年和2010年达到最大。

2) 海南岛的雨季和旱季降水空间分布和趋势变化显著。雨季降水主要集中在东南地区，西部降水较少。旱季降水较少，分布与雨季相似，东多西少、南多北少。降水趋势显示，雨季大部分地区降水增加，旱季变化幅度减小，东部海岸显著上升。月尺度降水集中在5~10月，8月海洋降水最大，10月陆地降水最大。总体来看，降水受季风和地形影响明显。

3) 海南岛不同强度降水事件主要集中在6~10月，尤其是9月和10月。无雨事件在旱季多发，小雨最多，大暴雨在10月最多。整体降水趋势一致。在日尺度降水差异中表现为0点降水较少且均匀分布，8点陆地降水明显多于海洋，16点降水最多且东部显著多于西部。

NOTES

^*通讯作者。

参考文献