1961—2019年廣西喀斯特地區(qū)極端氣候事件時空變化規(guī)律

陳燕麗，謝 映，張 會，韋春霞

（1.廣西壯族自治區(qū)氣象科學研究所，廣西南寧 530022；2.保定市氣象局，河北保定 071030）

極端氣候事件具有破壞性強、可預測性差的特點，對生態(tài)環(huán)境、生產、生活及經(jīng)濟發(fā)展均有較大影響，已引起社會各界的廣泛關注[1-2]。學者們采用趨勢分析和空間分析等方法研究不同地區(qū)極端氣候事件變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)極端氣溫和降水事件存在次數(shù)增加、強度增大的趨勢[3-7]。喀斯特地貌區(qū)是廣西典型的生態(tài)脆弱區(qū)，石漠化現(xiàn)象突出，特殊的生境使得該地區(qū)植被對氣候變化響應非常敏感且承災能力弱，摸清該地區(qū)極端氣候事件變化規(guī)律可為其石漠化治理、植被保護和生態(tài)修復提供科學參考。

水熱分配不均導致的旱澇災害是影響喀斯特地區(qū)植被和石漠化最重要的因素。喀斯特地區(qū)的植被比非喀斯特地區(qū)更易受干旱影響[8]，且喀斯特地區(qū)受旱程度越重，植物對干旱的敏感性越強[9]。暴雨對喀斯特植被的影響存在閾值效應；在貴州省喀斯特地區(qū)，降水要素與石漠化呈顯著正相關，暴雨量級的增加會加速石漠化的發(fā)生和發(fā)展[10]。采用常規(guī)指數(shù)分析喀斯特地區(qū)氣象災害時空規(guī)律已有研究[11-12]。近年來，西南喀斯特地區(qū)的極端災害事件發(fā)生次數(shù)明顯增多，嚴重威脅喀斯特地區(qū)植被健康生長和石漠化治理。目前，有關喀斯特地區(qū)極端氣候事件時空演變規(guī)律的報道較少。孔鋒[3]詳細報道了全國極端冷暖事件變化格局，針對廣西地區(qū)的研究僅分析極端氣溫的變化且選用的氣象站點較少，研究結論在廣西喀斯特地區(qū)應用時有局限性。

為了更全面研究廣西喀斯特地區(qū)極端氣候事件時空變化規(guī)律，本研究基于長時間序列歷史氣象觀測資料，選擇世界氣象組織推薦的6個極端氣溫指數(shù)和2個極端降水指數(shù)，采用Mann-Kendall法和線性趨勢分析法詳細分析廣西喀斯特地區(qū)極端氣候事件時空變化特征，擬為該地區(qū)石漠化治理、植被保護修復和氣象防災減災等提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

廣西壯族自治區(qū)（104°26'～112°04'E，20°54'～26°24'N）地處中國南部，形似盆地，山地多、平原少；喀斯特地貌區(qū)面積占廣西總面積的37.8%，土地貧瘠，石漠化現(xiàn)象突出，自然災害嚴重，嚴重制約了當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展，屬于全國貧困地區(qū)。廣西喀斯特地區(qū)分布如圖1所示。

圖1 廣西喀斯特地區(qū)分布Fig.1 Distribution of Guangxi karst areas

1.2 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)為廣西氣象信息中心提供的69個氣象站點1961—2019年逐日的最高、最低氣溫和降水數(shù)據(jù)。氣溫和降水是影響喀斯特地區(qū)植被生長最重要的氣象因子，本研究選取世界氣象組織（WMO）推薦的27個極端氣候指數(shù)中的6個極端氣溫指數(shù)和2個極端降水指數(shù)（表1）。

1.3 研究方法

采用RClimDex軟件計算極端氣候指數(shù)值，采用Mann-Kendall法對廣西喀斯特地區(qū)極端氣候指數(shù)進行突變檢驗，采用氣候傾向率分析極端氣候事件的年際變化趨勢。

Mann-Kendall法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，用于明確時間變化序列突變開始時間[13-14]，計算方法為：

假定時間序列為{xi}（i=1，2，3，……，n），定義統(tǒng)計量（dk）為：

式中，mi為第i個樣本xi＞xj[1≤j≤i]的累計數(shù)。

在時間序列獨立的假定下，定義統(tǒng)計量為：

式中，E(dk)和var(dk)分別為統(tǒng)計量dk的均值和方差。UFk為標準正態(tài)分布序列；當UF＞0時，表示該時間序列呈上升趨勢；當UF＜0時，為下降趨勢；UF和UB曲線在臨界線內存在交點，該交點對應的時間為突變發(fā)生的時間。當UF超過95%置信水平（α=1.96）時，說明指數(shù)上升或下降趨勢顯著。

利用氣候傾向率分析極端氣候指數(shù)（y）的年際變化趨勢和大小，一般采用一次線性方程表示，計算公式為[15]：

式中，t為年份，t=1，2，…，n；b×10為氣候傾向率；a為常數(shù)。氣候傾向率為正時，表示極端氣候指數(shù)隨時間呈上升趨勢，反之呈下降趨勢。

2 結果與分析

2.1 極端氣溫指數(shù)時空變化趨勢

2.1.1 時間變化趨勢

1961—2019 年，廣西喀斯特地區(qū)TX10p呈減少趨勢，變化不顯著，氣候傾向率約為-0.6 d/10a（圖2a）；TN10p呈顯著減少趨勢（P＜0.05），氣候傾向率約為-2.9 d/10a（圖2b）；TX90p和TN90p均呈顯著增加趨勢（P＜0.05），兩者氣候傾向率分別為2.9和4.7 d/10a（圖2c～d）；TX10p減少幅度小于TN10p，TX90p增加幅度小于TN90p，說明廣西喀斯特地區(qū)夜間氣溫的增加幅度大于白天。CSDI呈顯著減少趨勢（P＜0.05），氣候傾向率為-1.8 d/10a（圖2e）；WSDI呈增加趨勢，變化不顯著，氣候傾向率為1.0 d/10a（圖2f）。說明廣西喀斯特地區(qū)熱天氣持續(xù)日數(shù)在增加。6個極端氣溫指數(shù)中，TN10p、TX90p、TN90p和CSDI的年際變化趨勢均能較好地反映喀斯特地區(qū)近60年的時間變化趨勢。廣西喀斯特地區(qū)對全球變暖為正響應，其氣溫變化趨勢以變暖為主。

圖2 廣西喀斯特地區(qū)極端氣溫指數(shù)變化趨勢Fig.2 Trends of extreme temperature indices in Guangxi karst areas

MK檢驗結果表明，近60年廣西喀斯特地區(qū)TX10p未發(fā) 生 顯著 突變，UF和UB曲線 在1962—1964年和1996—1997年相交，但未對整體變化趨勢產生較大影響（圖3a）。TN10p的UF和UB曲線在1988—1990年相交，TN10p發(fā)生突變，其變化前后分別為41.3和31.1天；UF曲線在1997年后超過了0.05顯著性水平線，說明TN10p呈顯著下降趨勢（圖3b）。TX90p的UF和UB曲線在2004—2005年相交，TX90p發(fā)生突變，變化前后分別為31.6和46.5天；UF曲線在1970—1980年超過了0.05顯著性水平線，說明TX90p呈顯著下降趨勢；2009年后超過0.05顯著性水平線，說明TX90p呈顯著上升趨勢（圖3c）。TN90p的UF和UB曲線在1996—1998年相交，TN90p發(fā)生突變，變化前后分別為29.0和44.3天；UF曲線在1982年后超過0.05顯著性水平線，說明TN90p呈顯著上升趨勢（圖3d）。CSDI的UF和UB曲線在1990—1994年相交，CSDI發(fā)生突變，突變前后分別為21.3和14.6天；UF曲線在2017年超過0.05顯著性水平線，說明CSDI呈顯著下降趨勢（圖3e）。WSDI的UF和UB曲線在2004—2006年、2010—2013年相交，WSDI在該期間波動劇烈，除1970—1977年外，其他時段UF曲線均在0.05顯著性水平線內，總體變化趨勢不明顯；在1961—1977年，WSDI呈下降趨勢，其UF曲線在1970—1977年超過0.05顯著性水平線，說明WSDI呈顯著下降趨勢（圖3f）。

圖3 廣西喀斯特地區(qū)極端氣溫指數(shù)突變特征Fig.3 Mutation characteristics of extreme temperature indices in Guangxi karst areas

2.1.2 空間變化特征

1961—2019 年，TX10p在空間上多呈下降趨勢，氣候傾向率為-20.6～2.8 d/10a，下降站點數(shù)占比為95.7%，約2.9%站點通過0.05顯著性水平（圖4a）。河池市中部和崇左市中偏東部地區(qū)，TX10p增加趨勢較明顯；桂林市中部、東部和百色市東北部、西南部，TX10p減少趨勢較明顯。

TN10p在空間上全部呈下降趨勢，氣候傾向率為-45.1～-13.7 d/10a，下降站點數(shù)占比達100%，約94.2%站點通過0.05顯著性水平（圖4b）。桂林市中偏南部、北部和百色市西北部，TN10p減少趨勢較明顯；河池市南部、西部及崇左市西南部，TN10p減少趨勢較弱。

TX90p在空間上多呈上升趨勢，氣候傾向率為-3.8～88.9 d/10a，上升站點數(shù)占比達97.1%，約68.1%站點通過0.05顯著性水平（圖4c）。TX90p由西南向東北呈減少趨勢；百色市東北部、西南部，TX90p增加趨勢較明顯；桂林市東北部、河池市中部、柳州市西南部、來賓市西北部和賀州市中部，TX90p增加趨勢較弱。

TN90p在空間上多呈上升趨勢，氣候傾向率為-10.5～100.0 d/10a，上升站點數(shù)占比98.6%，約89.9%站點通過0.05顯著性水平（圖4d）。TN90p變化趨勢空間分布規(guī)律與TX90p相似。

CSDI在空間上全部呈下降趨勢，氣候傾向率為-32.5～-4.8 d/10a，下降站點數(shù)占比100%，約42.0%站點通過0.05顯著性水平（圖4e）。西北部和東北部CSDI減少趨勢高于中部和東南部；桂林市南部和百色市西部、北部，CSDI減少趨勢較明顯。

WSDI在空間上多呈上升趨勢，氣候傾向率為-7.7～37.6 d/10a，上升站點數(shù)占比84.1%，約31.9%站點通過0.05顯著性水平（圖4f）。河池東南部與來賓市交界處、桂林市東北部、百色市東北部及崇左市中南部部分地區(qū)，WSDI減少趨勢較明顯；百色市西南部、東北部和桂林市中部，WSDI增加趨勢較明顯。

圖4 廣西喀斯特地區(qū)極端氣溫指數(shù)變化趨勢空間分布Fig.4 Spatial distributions of change trends of extreme temperature indices in Guangxi karst areas

2.2 極端降水指數(shù)時空變化趨勢

2.2.1 時間變化趨勢

1961—2019 年，廣西喀斯特地區(qū)R95p呈增加趨勢，變化不顯著，氣候傾向率約為19.9 mm/10a；R99p呈顯著增加趨勢（P＜0.05），氣候傾向率約為14.6 mm/10a（圖5a～b）。廣西喀斯特地區(qū)降水變化以增加趨勢為主，極強降水量增加趨勢比強降水量更明顯。MK檢驗結果表明，59年間廣西喀斯特地區(qū)R95p和R99p均并未發(fā)生顯著變化，R95p、R99p的UF和UB曲線在多個時段相交，但UF曲線仍在0.05顯著性水平線內，說明盡管部分時期強降水量和極強降水量發(fā)生較大波動，但并未對整體變化趨勢產生較大影響（圖6a～b）。

圖5 廣西喀斯特地區(qū)極端降水指數(shù)變化趨勢Fig.5 Change trends of extreme precipitation indices in Guangxi karst areas

圖6 廣西喀斯特地區(qū)極端降水指數(shù)突變特征Fig.6 Mutation characteristics of extreme precipitation indices in Guangxi karst areas

2.2.2 空間變化特征

R95p在空間上多呈上升趨勢，氣候傾向率為-51.8～707.0 mm/10a，上升站點數(shù)占比89.9%，但僅11.6%站點通過0.05顯著性水平（圖7a）。R95p由西南向東北呈增加趨勢，桂林市大多數(shù)地區(qū)增加趨勢明顯高于其他地區(qū)，崇左市中部、北部及其與南寧市和百色市的交界地區(qū)減少趨勢較明顯。R99p在空間上多呈上升趨勢，氣候傾向率為-216.0～651.0 mm/10a，上升站點數(shù)占比87.0%，但僅18.8%站點通過0.05顯著性水平（圖7b）。R99p的空間分布與R95p相似，由西南向東北呈增加趨勢，桂林市中部增加趨勢明顯高于其他地區(qū)，崇左市南部減少趨勢較明顯。

圖7 廣西喀斯特地區(qū)極端降水指數(shù)變化趨勢空間分布Fig.7 Spatial distributions of change trends of extreme precipitation indices in Guangxi karst areas

3 討論

研究發(fā)現(xiàn)廣西喀斯特地區(qū)極端氣溫和極端降水總體表現(xiàn)為增加趨勢，極端氣溫和極端降水增加、減少較明顯的地區(qū)與平均氣溫和平均降水的高低值中心較符合[16]，說明本身較暖的地方趨于更暖，降水多的地方更容易發(fā)生強降水事件。本研究時間尺度為年，從季節(jié)尺度上研究極端氣候指數(shù)演變特征可進一步研究冬季暖冬、夏季洪澇的變化趨勢。已有研究利用月平均降水和氣溫計算標準化降水蒸散指數(shù)研究廣西喀斯特地區(qū)干旱特征，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)冬旱和夏旱呈波動減弱趨勢，春旱和秋旱呈增強趨勢[11]，如能結合極端氣溫和極端降水指數(shù)時空演變特征，可為該地區(qū)重旱、特旱的發(fā)展趨勢預測提供更科學的參考依據(jù)。

近60年廣西喀斯特地區(qū)極端氣溫和降水的變化呈現(xiàn)較大的隨機性和不連續(xù)性。6個極端氣溫指數(shù)中，冷晝日數(shù)、冷持續(xù)日數(shù)和暖持續(xù)日數(shù)突變并不明顯。對于極端降水指數(shù)而言，盡管強降水量和極強降水量均呈增加趨勢，但兩者的突變趨勢均不明顯，說明廣西喀斯特地區(qū)極端氣溫和降水事件變化的不規(guī)律性給該地區(qū)氣象災害防御帶來極大挑戰(zhàn)。研究中采用的極端氣候指數(shù)為國際標準[17]；其中，極端氣溫指數(shù)為10%和90%分位數(shù)，極端降水指數(shù)為5%和1%分位數(shù)。研究區(qū)某些指標的變化趨勢并不明顯，如對于極端降水指數(shù)，R95p（5%分位數(shù)）為不顯著增加，R99p（1%分位數(shù)）為顯著增加，進一步研究中，針對極端氣候指數(shù)可補充計算更多指標體系的極端氣候指數(shù)，更全面分析極端氣候事件變化情況，為定量評估極端氣候事件對喀斯特地區(qū)植被影響提供更科學的參考依據(jù)。

4 結論

本研究分析廣西喀斯特地區(qū)極端氣溫和極端降水時間的時空演變規(guī)律。廣西喀斯特地區(qū)對全球變暖為正響應，極端氣溫變化以變暖趨勢為主，白天和夜間均趨于更暖，且夜間氣溫的增加幅度大于白天，表明廣西喀斯特地區(qū)近60年來白天和夜間的高溫天氣事件明顯增多。極端降水指數(shù)總體呈增加趨勢，極強降水量表現(xiàn)尤其明顯，表明研究區(qū)極強降水事件增加，洪澇災害發(fā)生概率增大。不同極端氣溫指數(shù)空間分布上存在較大異質性，總體而言研究區(qū)中部增溫趨勢較小，西北部（百色市）增溫趨勢較明顯。極端降水指數(shù)空間異質性比極端氣溫小，極端降水增加趨勢最明顯地區(qū)主要分布在東北部（桂林市），減少趨勢最明顯的地區(qū)主要分布在西南部（崇左市）。