廣西西江流域近50年氣溫和降水變化趨勢(shì)及突變分析

謝賢勝，王 升，閆 妍，胡寶清

(1.南寧師范大學(xué)北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧530001;2.南寧師范大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣西南寧530001;3.南寧師范大學(xué)廣西地表過程與智能模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧530001)

0 引 言

流域作為資源與人口相對(duì)集中的自然地理單元，是區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要依托[1]。然而，在全球氣候變化影響下，極端氣候事件頻發(fā)[2]，深刻影響著流域內(nèi)水資源循環(huán)[3]、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展[4]以及生態(tài)系統(tǒng)演變[5]等時(shí)空分布變化。氣候要素變化的不斷加快，更容易誘發(fā)不同程度的自然災(zāi)害，對(duì)人類生存和發(fā)展提出重要挑戰(zhàn)[6]。氣溫和降水作為表征氣候變化的最主要因子[7]，廣受學(xué)者們關(guān)注。不少研究分別基于數(shù)學(xué)模型[8-9]，如線性回歸法、變異系數(shù)法、累計(jì)距平法、滑動(dòng)平均法、小波分析法等，以及地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[10]，如克里金插值法、反距離權(quán)重插值法等空間插值法，從時(shí)間序列和空間尺度上分析了氣候要素的分布和趨勢(shì)演變，并利用Mann-Kendall(簡(jiǎn)稱“M-K”)檢驗(yàn)法、R/S分析法、Pettitt檢測(cè)法、有序聚類法等進(jìn)行突變?cè)\斷，在額爾古納河流域[11]、淮河流域[12]、塔里木河等流域[13]得到較好應(yīng)用。總體來看，在空間分析上，克里金插值法不管是從平均相對(duì)誤差、相關(guān)系數(shù)，還是從均方差誤差上看，其插值效果都是最優(yōu)的[14]。在時(shí)間變化趨勢(shì)上，線性回歸法、累計(jì)距平法、滑動(dòng)平均法因其原理簡(jiǎn)易，擬合性較好，已作為氣象要素的基礎(chǔ)研究方法。小波分析法利用能夠快速衰減到零的小波函數(shù)分析時(shí)間序列變化，探測(cè)其周期性特征[15]，具有較好振幅和相位信息表征效果，并以Morlet小波函數(shù)為主要代表；而變異系數(shù)法則易受均值變化擾動(dòng)，具有一定的局限性。在突變分析上，相對(duì)于上述其他檢驗(yàn)方法，M-K檢驗(yàn)法運(yùn)用最為廣泛，主要因其具備不需要樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)服從某種分布，不易受異常值干擾，定量化程度較高等優(yōu)點(diǎn)[16]。

西江作為我國(guó)西南向海的大通道，具有重要的戰(zhàn)略地位。然而，在氣候變化和人類活動(dòng)的雙重影響下，西江流域的生態(tài)環(huán)境面臨著嚴(yán)重威脅[17]；同時(shí)，由于流域地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，降水充沛，但時(shí)空分配不均[18]，容易形成旱澇災(zāi)害。據(jù)《廣西水利發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示，2017年廣西全區(qū)農(nóng)作物因旱澇而受災(zāi)的面積高達(dá)3 000 km2以上，直接經(jīng)濟(jì)損失100多億元，涵蓋了大部分西江流域地區(qū)。有關(guān)西江流域的研究，主要聚焦于氣溫變化[19]、降水徑流[20-21]、暴雨洪澇[22-23]、水沙變化[24]、植被變化[25]、參考作物蒸散量[26]等方面。直接對(duì)廣西西江流域氣溫和降水的時(shí)空變化趨勢(shì)和突變特征分析的研究仍然較少。因此，本研究將綜合運(yùn)用克里金插值法、線性回歸法、累計(jì)距平法、滑動(dòng)平均法、Morlet小波分析法，探討廣西西江流域1970年～2019年氣溫和降水在年際、年代際上的時(shí)空變化趨勢(shì)以及突變情況，以期為更好地應(yīng)對(duì)氣候變化形勢(shì)，促進(jìn)流域可持續(xù)發(fā)展提供有益參考。

1 研究區(qū)概況

廣西西江流域位于104°28′E～112°35′E，22°35′N～26°20′N，流域集雨面積約20×104km2，占廣西行政區(qū)總面積的85.88%[27]。廣西西江水系主要分為南盤江—紅水河—黔江—潯江—西江5個(gè)干流河段，主要支流為北盤江、柳江、郁江、桂江和賀江，全長(zhǎng)2 075 km。流域內(nèi)地形以山地和丘陵為主，巖溶地貌發(fā)育。該流域氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，雨熱同季，年平均氣溫16.5～23.1℃，平均降水量1 080～2 760 mm。

2 數(shù)據(jù)與研究方法

研究選取了廣西西江流域16個(gè)氣象站點(diǎn)1970年～2019年平均氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，主要來自國(guó)家氣象信息中心網(wǎng)站的中國(guó)地面氣候資料數(shù)據(jù)集(http:∥data.cma.cn)，對(duì)個(gè)別年份資料缺漏的，采用相鄰站點(diǎn)資料插補(bǔ)或均值插補(bǔ)法得到，保證序列資料的連續(xù)性。

2.1 克里金插值法

克里金插值法，又名空間自協(xié)方差最佳插值法。其實(shí)質(zhì)是對(duì)已知數(shù)據(jù)點(diǎn)的線性預(yù)測(cè)。假設(shè)采樣點(diǎn)間距離和方向可以反映一定空間關(guān)聯(lián)，通過確定待插點(diǎn)與周圍采樣點(diǎn)的權(quán)重來求取其近似值。本次對(duì)空間尺度上的研究，主要是通過ARCGIS工具箱中的插值分析-克里金法來實(shí)現(xiàn)[14]。

2.2 一元線性回歸法和滑動(dòng)平均法

一元線性回歸法主要是通過最小二乘法計(jì)算氣候要素與時(shí)間序列之間的回歸方程，滑動(dòng)平均法主要是通過計(jì)算給定的時(shí)間周期均值(平滑值)來擬合趨勢(shì)變化[12]。主要數(shù)學(xué)表達(dá)分別為

yi=a+bxi(i=1，2，…，n)

(1)

(2)

式中，yi為氣候要素值；xi為對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列值；a是常數(shù)項(xiàng)；b是傾斜率(趨勢(shì)系數(shù))，一般用10b表示氣候變化傾向率，量綱一般表示為℃/10 a(mm/10 a)；xj為滑動(dòng)均值；k為滑動(dòng)周期，本研究主要采用5 a滑動(dòng)均值來反映要素波動(dòng)情況。

2.3 累積距平法

累積距平法的核心要義是計(jì)算出要素一定時(shí)期內(nèi)的平均值，然后用當(dāng)年要素值減去平均值，得到的便是距平值，最后再進(jìn)行逐年累加[9]，其數(shù)學(xué)含義如下

(3)

2.4 Morlet小波分析法

小波分析[15]是基于傅里葉分析法上的重大發(fā)展，首先引入符合條件的小波函數(shù)φ(t)，對(duì)時(shí)間序列上的f(t)∈L2(R)的小波變換為

(4)

利用Morlet進(jìn)行連續(xù)小波變換。即

φ(t)=π-1/4eicte-t2/2

(5)

式中，c為常數(shù)；i為虛數(shù)。利用 MATLAB小波工具箱即可繪制小波變換實(shí)數(shù)部等值線圖。高值代表正小波系數(shù)，中心值大小反饋序列波動(dòng)的振蕩大小。同時(shí)，還可以結(jié)合小波方差觀察時(shí)間尺度上的擾動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)的峰值則為主要周期。

2.5 M-K檢驗(yàn)法

Mann-Kendall檢驗(yàn)法實(shí)質(zhì)是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法。主要數(shù)學(xué)方法如下[16]：

對(duì)于樣本個(gè)數(shù)為n的時(shí)間序列 ，構(gòu)造一秩序列

(6)

式中，秩序列Sk為第i時(shí)刻數(shù)值大于j時(shí)刻數(shù)值個(gè)數(shù)的累計(jì)數(shù)。在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定情況下定義統(tǒng)計(jì)量

(7)

式中，UK1=0；E(Sk)和var(Sk)分別為Sk的均值和方差。

在x1，x2，…，xn相互獨(dú)立，具有相同連續(xù)分布時(shí)，它們由下式算出

(8)

設(shè)UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，它是按照時(shí)間序列x1，x2，…，xn計(jì)算出來的統(tǒng)計(jì)量序列；再按時(shí)間序列xn，xn-1，…，x1，重復(fù)上述過程，同時(shí)使UBk=-UFk(k=n，n-1，…，1)，UB1=0。給定顯著性α=0.05，臨界值U0.05=±1.96，將UFk和UBk兩個(gè)統(tǒng)計(jì)量序列曲線和±1.96兩條臨界線繪制于一圖。若UFk和UBk兩條曲線在臨界線之間出現(xiàn)交點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的時(shí)刻即為突變開始時(shí)間。若某個(gè)時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)UFk和UBk的交點(diǎn)，則表示該要素變化情況處于波動(dòng)頻繁狀態(tài)。

3 結(jié)果與討論

3.1 空間變化特征

按照年代際分類法，將研究時(shí)間區(qū)段劃分為1970年～1979年、1980年～1989年、1990年～1999年、2000年～2009年、2010年～2019年。

(1)氣溫。總體上，流域氣溫呈現(xiàn)出緯度地帶性，由西南向東北遞減。在近50年基本形成了以南寧為中心的左右江高值區(qū)和以桂林為中心的東北部低值區(qū)(見圖1f)。1970年～1979年流域氣溫高低值區(qū)面積較小，絕大部分地區(qū)氣溫介于19.50～21.00 ℃之間(見圖1a)。1980年～1989年流域氣溫高值區(qū)開始向平果、田東等右江地區(qū)延伸，低值區(qū)也開始向四周擴(kuò)大，其余大部分地區(qū)氣溫和1970年～1979年一致(見圖1b)。到了1990年～1999年，流域進(jìn)一步升溫，原低值區(qū)(≤19.50 ℃)已消失，新低值區(qū)過渡到19.50～20.00 ℃區(qū)間。而原高值區(qū)面積(21.00～21.50 ℃)進(jìn)一步向都安、田東地區(qū)擴(kuò)大，并產(chǎn)生以南寧為代表的新高值中心(>22 ℃)(見圖1c)。進(jìn)入新世紀(jì)后，2000年～2009年流域普遍升溫，原高值區(qū)面積基本涵蓋流域的1/2，原低值區(qū)氣溫也相應(yīng)過渡到20.00～20.5 ℃，其余地區(qū)氣溫介于20.50 ～ 21.00 ℃之間(見圖1d)。2010年～2019年流域高值區(qū)已完全轉(zhuǎn)移到田東、平果、百色等右江地區(qū)，東北部低值區(qū)面積縮減，同時(shí)也出現(xiàn)了鳳山、蒙山、八步等相對(duì)低溫區(qū)，其余大部分地區(qū)介于20.50 ～21.50 ℃之間(圖見1e)。

圖1 廣西西江流域氣溫空間分布

(2)降水。流域降水的總體趨勢(shì)與氣溫恰好相反，表現(xiàn)為由東北向西南遞減的趨勢(shì)。在近50年基本形成了以桂林、融安為中心的東北部降水高值區(qū)，以及百色、田東、南寧等左右江降水低值區(qū)(見圖2f)。總的來看，可根據(jù)1 500 mm等降水量線的南北推移反映其空間豐欠變化。1970年～1979年流域降水偏多，基本以鳳山—都安—來賓—梧州一線為1 500 mm降水分界線，高值區(qū)降水均大于1 800 mm，低值區(qū)也普遍在1 300 mm以上(見圖2a)。1980年～1989年流域降水減少，1 500 mm等降水量線向北推移到八步—蒙山—融江上游一線，高值區(qū)降水縮減至1 600～1 700 mm之間(見圖2b)。1990年～1999年流域降水增多，1 500 mm等降水量線向南推移到右江—邕江一線，低值區(qū)降水普遍在1 400～1 500 mm之間(見圖2c)。2000年～2009年流域降水減少，低值區(qū)面積較大，介于1 200～1 300 mm之間，1 500 mm等降水量線向北推移到八步—柳州—龍江一線(見圖2d)。2010年～2019年流域降水增多，高值區(qū)降水在1 900 mm以上，1 500 mm等降水量線又往南向右江-邕江一帶推移，低值區(qū)降水也在1 300～1 400 mm之間(見圖2e)。

圖2 廣西西江流域降水空間分布

3.2 時(shí)間變化特征

(1)年際變化。從全流域上看，氣溫呈明顯的線性(R2=0.415 2)上升趨勢(shì)，傾向率約為0.19 ℃/10a，最低氣溫出現(xiàn)在1984年(19.6 ℃)，最高氣溫出現(xiàn)在2009年(21.4 ℃)，多年平均值約為20.6 ℃(見圖3a)。降水呈非線性(R2=0.003 1)變化趨勢(shì)，傾向率約為7.2 mm/10 a，最低降水出現(xiàn)在1989年(降水量為1 128 mm)，最高降水出現(xiàn)在2009年(降水量為2 018 mm)，多年平均值約為1 515 mm(見圖3b)。通過累計(jì)距平和5年滑動(dòng)平均趨勢(shì)來看，流域氣溫變化趨勢(shì)呈現(xiàn)“V”狀，1997年之前，氣溫波動(dòng)下降，之后逐漸回升，升降幅度大體相當(dāng)(見圖4a)。降水變化年際波動(dòng)頻繁，總體可分為3個(gè)豐水區(qū)間(1970年～ 1983年、1993年～2002年、2012年～2019年)和2個(gè)欠水區(qū)間(1984年～1992年、2003年～2011年)(見圖4b)，與上述空間年代際間變化趨勢(shì)基本一致，存在豐—欠—豐—欠—豐交替演變趨勢(shì)和規(guī)律。

圖3 廣西西江流域氣溫和降水年際變化趨勢(shì)

圖4 廣西西江流域氣溫和降水累計(jì)距平

從各站點(diǎn)變化趨勢(shì)上看，桂林、來賓、平果的氣溫變化傾向率較大，分別為0.329 ℃/10 a、0.226 ℃/10 a、0.315 ℃/10 a。降水變化傾向率較大則是蒙山、柳州、鳳山，分別為29.973 mm/10 a、32.340 mm/10 a、30.889 mm/10 a。各站點(diǎn)氣溫均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但降水變化不一。除融安、來賓、平果、靖西、那坡外，其余站點(diǎn)降水也都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)(見表1)。

表1 廣西西江流域各站點(diǎn)氣溫和降水變化趨勢(shì)

(2)周期變化。流域氣溫大致存在2～6 a、7～15 a兩個(gè)準(zhǔn)周期振蕩的時(shí)間尺度(見圖5a)，降水大致也存在2～8 a、13～25 a兩個(gè)準(zhǔn)周期振蕩的時(shí)間尺度(見圖5b)。結(jié)合小波方差，氣溫在上述尺度內(nèi)的4、12 a處存在峰值(見圖6a)，其中12 a為主峰值，說明氣溫變化的主周期為12 a，次周期為4 a。同理，降水在2、14、18 a處存在較為明顯的峰值，其中18 a為主峰值，說明降水變化的主周期為18 a，次周期為14 a和2 a(見圖6b)。

圖5 小波系數(shù)實(shí)部等值線

圖6 小波方差曲線

3.3 突變分析

(1)氣溫突變情況。從時(shí)間上看，在顯著性α=0.05、臨界值為±1.96條件下，全流域整體氣溫的UFk和UBk線交于1997年(見圖7a)，與上文累計(jì)距平分析相吻合，進(jìn)一步印證1997年是全流域近50年氣溫的突變時(shí)間點(diǎn)。從空間上看，流域中部氣溫的突變時(shí)間有所提前，表現(xiàn)于1987年和1990年(見圖8a)。而東部和西部氣溫的突變特征與全流域情況保持一致(見圖8b～8c)。

圖7 廣西西江全流域氣溫和降水M-K檢驗(yàn)

圖8 廣西西江流域東、中、西部氣溫和降水突變M-K檢驗(yàn)

(2)降水突變情況。從時(shí)間上看，在顯著性α=0.05，臨界值為±1.96條件下，全流域整體降水的UFk和UBk交于2014年(圖7b)，說明在此存在突變。另外2017年前后有多個(gè)交點(diǎn)，說明在該時(shí)段降水變化波動(dòng)頻繁。從空間上看，東部降水的突變特征與全流域降水情況保持一致(見圖8d)。而中部降水雖在2014年也存在明顯的突變節(jié)點(diǎn)，但在1970年～1985年存在多個(gè)波動(dòng)時(shí)間點(diǎn)，總體波動(dòng)趨勢(shì)最為劇烈(見圖8e)。西部降水突變趨勢(shì)和中部相似，但相應(yīng)的突變時(shí)間點(diǎn)延后至2017年(見圖8f)。

4 結(jié) 論

通過綜合運(yùn)用克里金插值法、線性回歸法、累計(jì)距平法、滑動(dòng)平均法、Morlet小波分析法、Mann-Kendall檢驗(yàn)法，對(duì)廣西西江流域1970年～2019年氣溫和降水在年際、年代際上的時(shí)空變化趨勢(shì)以及突變情況進(jìn)行定量分析，研究結(jié)果表明：

(1)流域各地區(qū)氣溫總體呈現(xiàn)出由西南向東北遞減的趨勢(shì)。氣溫高值區(qū)逐步由以南寧為中心的左江地區(qū)轉(zhuǎn)移到以百色、田東為中心的右江地區(qū)。以桂林、融安為中心的氣溫低值區(qū)面積不斷縮小，空間分布呈現(xiàn)破碎化趨勢(shì)。流域降水趨勢(shì)表現(xiàn)為由東北向西南遞減，并隨1 500 mm等降水量線的南北移動(dòng)而呈豐欠變化。

(2)在年際變化上，流域氣溫以0.19 ℃/10a的傾向率顯著(R2=0.415 2)上升，在近50年內(nèi)年際變化呈現(xiàn)“V”狀，1997年之前波動(dòng)下降，隨后上升。流域降水年際波動(dòng)頻繁，總體呈現(xiàn)不顯著上升趨勢(shì)(傾向率為7.2 mm/10 a)。在近50年內(nèi)存在1970年～1983年、1993年～2002年、2012年～2019年3個(gè)豐水區(qū)間和1984年～1992年、2003年～2011年2個(gè)欠水區(qū)間，呈豐—欠—豐—欠—豐交替演變規(guī)律。周期振蕩上，流域氣溫的主周期為12 a，次周期為4 a。降水的主周期為18 a，次周期為14 a和2 a。

(3)時(shí)間上，全流域氣溫的突變節(jié)點(diǎn)為1997年，降水的突變節(jié)點(diǎn)為2014年。空間上，東部氣溫和降水與全流域保持一致；而中部氣溫突變時(shí)間比全流域有所提前(1987年和1990年)，降水在1970年～1979年波動(dòng)較大；西部氣溫突變時(shí)間與全流域基本一致，但降水突變時(shí)間相對(duì)滯后(2017年)。