招惠敏,張亞麗,童 凱,王 升,梁玉蓮

(1.南寧師范大學(xué) a.地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院; b.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.北部灣大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,廣西 欽州 535011)

氣候變化已成為影響人類社會(huì)發(fā)展的重大問(wèn)題之一,其中極端氣候事件頻次變化對(duì)生態(tài)環(huán)境、社會(huì)生活和人類安全具有重要意義。如2013年超級(jí)臺(tái)風(fēng)“海燕”在菲律賓登陸導(dǎo)致1123.6萬(wàn)人受災(zāi),6009人死亡,損毀房屋118.1萬(wàn)間,損失慘重[1]。2018年臺(tái)風(fēng)“山竹”對(duì)我國(guó)造成直接經(jīng)濟(jì)損失為142.3億元,間接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到1272.7億元[2]。根據(jù)廣西過(guò)去70年統(tǒng)計(jì)年鑒記錄,期間總共發(fā)生了12次重大洪水和臺(tái)風(fēng)類型自然災(zāi)害,嚴(yán)重威脅人類人身安全及財(cái)產(chǎn)安全。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者[3,4]從多時(shí)段、多尺度研究極端氣候事件發(fā)生頻率呈上升趨勢(shì),總結(jié)中國(guó)寧夏[5]、松花江流域[6]、雅礱江流域[7]、內(nèi)蒙古地區(qū)[8]等區(qū)域,發(fā)現(xiàn)極端氣候指數(shù)、陸地面積暖夜指數(shù)整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì),不同的區(qū)域有不同的變化規(guī)律。在印度北部戈馬蒂河流域[9]和巴西亞馬遜地區(qū)辛古河流域[10],極端氣溫均有所上升,局部有所差異,大部分區(qū)域呈現(xiàn)極端降水呈下降趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)極端氣候變化的研究主要集中在西南地區(qū)[11],如云南省、貴州省及廣西的交界處以及青藏高原[12]。內(nèi)蒙古地區(qū)極端降水指數(shù),主要呈現(xiàn)東北部和西部地區(qū)降雨較多[13,14],其他較少的空間分布。廣西的地形主要是喀斯特地貌,其最主要的特點(diǎn)是水溶性高,土壤侵蝕化嚴(yán)重,地表裸露,植被覆蓋度低等特點(diǎn)[15],受西南暖流和北方冷氣團(tuán)的交互影響,使廣西成為了災(zāi)害頻發(fā)的重災(zāi)區(qū)[16],尤其是每年的5-9月降水集中時(shí)段造成的水旱災(zāi)害對(duì)地表土壤侵蝕危害極大。主要研究廣西極端氣候指數(shù)的時(shí)空變化特征,為探索廣西1984-2019年極端氣溫指數(shù)以及極端降水指數(shù)的空間變化格局提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

廣西壯族自治區(qū)地處中國(guó)西南地區(qū),位于104°28'E～112°04E',北緯20°54'～26°24'(圖1)。北回歸線橫穿廣西,氣候?qū)儆趤啛釒夂虻貐^(qū)和熱帶季風(fēng)氣候,全年溫差較大;夏季雨水充沛,年平均降水量為15002mm,洪澇災(zāi)害較為頻繁[17]。喀斯特面積為89311.95 km2,占廣西總面積的37.8%。廣西東北部地質(zhì)地貌主要以巖溶、峰叢洼地,地表主要以碳酸鹽類物質(zhì)為主,地下河分布廣泛,且其水質(zhì)較好,喀斯特降水-徑流過(guò)程特殊[18],地下水豐富,土層薄,生態(tài)環(huán)境敏感性和脆弱性較高,對(duì)極端氣候事件極其敏感。

圖1 廣西氣象站點(diǎn)分布圖(注:圖1來(lái)源于2019年中國(guó)地圖審圖號(hào)GS(2019)1822號(hào),地圖編制過(guò)程中對(duì)原地圖無(wú)任何修改)

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.sheshiyuanyi.com/),選擇1984-2019年廣西18個(gè)氣象站點(diǎn)日最高溫、日最低溫?cái)?shù)據(jù)和1984-2019年逐日降水時(shí)間序列數(shù)據(jù)[11]。對(duì)缺測(cè)的數(shù)據(jù)記錄統(tǒng)一設(shè)置為-99.9,通過(guò)RClim Dex模型處理,數(shù)據(jù)質(zhì)量控制在3倍標(biāo)準(zhǔn)差以內(nèi),即[mean-3*std,mean+3*std][5],剔除超出3倍標(biāo)準(zhǔn)差的離群值,嚴(yán)格挑選符合要求的數(shù)據(jù)以保障數(shù)據(jù)處理質(zhì)量。

1.3 研究?jī)?nèi)容

為了探明廣西極端氣候事件的時(shí)間演變規(guī)律以及空間分布格局,本研究選取聯(lián)合國(guó)領(lǐng)導(dǎo)的政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)推薦的25個(gè)極端氣候指數(shù)[8],其中包括極端氣溫指數(shù)14個(gè)(表1)、極端降水指數(shù)11個(gè)(表2)兩部分。

表1 極端氣溫指數(shù)定義

表2 極端降水指數(shù)定義

1.4 方法

1.4.1 趨勢(shì)分析法

利用一元線性回歸分析法[6]模擬廣西地區(qū)極端氣候指數(shù)的年變化趨勢(shì),其計(jì)算式為:

式中,i為年份序號(hào);Ki為第i年的極端氣溫指數(shù);n為時(shí)間序列長(zhǎng)度。slope>0表示指數(shù)變化為上升趨勢(shì),反之則為下降趨勢(shì),本研究一元線性回歸分析法均在0.05顯著性水平檢驗(yàn)下進(jìn)行。

1.4.2 Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法

利用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法[11]結(jié)合滑動(dòng)T檢驗(yàn)法對(duì)極端氣候指數(shù)進(jìn)行突變分析。兩者在置信度之間的交點(diǎn)為突變點(diǎn),利用滑動(dòng)T檢驗(yàn)法來(lái)識(shí)別交點(diǎn)中的真實(shí)突變點(diǎn)以及虛假突變點(diǎn)。

1.4.3 反距離加權(quán)插值法

基于相鄰相似的原理對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值的方法[12]。兩個(gè)目標(biāo)距離越近,它們的性質(zhì)和屬性則越相近,它以插值點(diǎn)和樣本點(diǎn)之間的距離為權(quán)重,進(jìn)行加權(quán)平均,離插值點(diǎn)越近的樣本點(diǎn)所賦予的權(quán)重越大。其計(jì)算式為:

2 結(jié)果與分析

2.1 極端氣溫指數(shù)時(shí)空變化特征

2.1.1 極端氣溫指數(shù)時(shí)間變化趨勢(shì)

根據(jù)顯著性水平檢驗(yàn),14個(gè)極端氣溫指數(shù)中,10個(gè)指數(shù)通過(guò)了0.05顯著性檢驗(yàn),TNn,TXn,DTR,GSL沒(méi)有通過(guò)。經(jīng)過(guò)線性回歸分析后得出,廣西極端氣溫指數(shù)總體趨勢(shì)表現(xiàn)為上升趨勢(shì)(圖2)。在圖2的a圖中,TXx,TNn,TNx三者呈現(xiàn)上升趨勢(shì),僅TXn指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。說(shuō)明近36年,廣西氣溫中最高氣溫、最低氣溫均在升高,在三者提升的同時(shí),日最高氣溫最小值TXn呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在b,c,d圖中,低溫類指數(shù)下降,高溫類指數(shù)上升的變化趨勢(shì)。低溫類指數(shù)與a中的日最高氣溫最小值TXn相呼應(yīng)。在e圖中,熱夜指數(shù)TR、夏天日數(shù)SU都在不同程度上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。在f,g圖中,兩圖呈現(xiàn)下降趨勢(shì),說(shuō)明廣西的溫度日較差在不斷縮小,生長(zhǎng)期長(zhǎng)度也隨著溫度日較差的原因在縮短。

圖2 1984-2019年廣西極端氣溫指數(shù)年際變化趨勢(shì)

2.1.2 極端氣溫指數(shù)突變分析

利用M-K突變檢驗(yàn)法,再結(jié)合滑動(dòng)T檢驗(yàn)可以精確到突變年份(見(jiàn)表3),從14個(gè)極端氣溫指數(shù)分析,廣西1984-2019年極端氣溫指數(shù)發(fā)生突變具有隨機(jī)性,突變區(qū)間在1987-2012年,從1987年至2009年突變具有隨機(jī)性,2009年之后每年均有極端氣溫指數(shù)變化。從表3看,2009-2012年,廣西年際氣溫變化較大。除了日最低氣溫最大值TNx、晝暖日數(shù)TX90、暖夜日數(shù)TN90以及熱夜日數(shù)TR等沒(méi)有發(fā)生突變情況,較為穩(wěn)定。

表3 極端氣溫指數(shù)結(jié)合滑動(dòng)t檢驗(yàn)突變年份

2.2 極端降水指數(shù)時(shí)間變化特征

2.2.1 極端降水指數(shù)年際變化特征

根據(jù)顯著性水平檢驗(yàn),11個(gè)極端氣溫指數(shù)中,通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn)指數(shù)有7個(gè)。只有CDDR10mm、R95、R99的指數(shù)沒(méi)有通過(guò)0.05顯著性水平檢驗(yàn)。在11個(gè)指數(shù)中,極端降水指數(shù)年變化總體為上升趨勢(shì),只有連續(xù)無(wú)雨日數(shù)CDD表現(xiàn)表現(xiàn)為下降趨勢(shì),如圖3所示,說(shuō)明廣西近36年降水量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。a圖年降水量PRCPTOT中,每年以6.8725mm的速度上升,說(shuō)明廣西雨水逐年充沛;b圖中降水強(qiáng)度SDII也在不斷上升,表示降水強(qiáng)度的d,e,f圖均表現(xiàn)為較為明顯的上升趨勢(shì)。

圖3 1984-2019年廣西極端降水指數(shù)年際變化趨勢(shì)

2.2.2 極端降水指數(shù)突變分析

同理利用M-K突變檢驗(yàn)法結(jié)合滑動(dòng)T檢驗(yàn)法得到發(fā)生突變的確切年份(見(jiàn)表4),極端降水指數(shù)突變主要發(fā)生在1987-2007年,在1991年和2002年,出現(xiàn)突變的頻率較高,這兩年較其余年份變化差異較大。

表4 極端降水指數(shù)結(jié)合滑動(dòng)t檢驗(yàn)突變年份

2.3 極端氣候指數(shù)變化趨勢(shì)空間分布特征

2.3.1 極端氣溫指數(shù)空間分布差異

利用ArcGis10.7中的反距離權(quán)重插值法(IDW)對(duì)極端氣溫指數(shù)進(jìn)行空間插值(見(jiàn)圖4)。過(guò)去36年間,日最高溫TXx最大上升趨勢(shì)0.6℃/10a,主要分布在廣西的北部以及西部,最大下降趨勢(shì)0.2℃/10a,從廣西中部向東南方向遞減。日最高氣溫最小值TXn最大上升趨勢(shì)主要分布在東南方向,向西北部快速遞減。日最低溫度TNn主要以上升趨勢(shì)為主,最大上升趨勢(shì)為0.8℃/10a,主要分布在廣西東部地區(qū)以及中部地區(qū)。日最低氣溫最大值TNx表現(xiàn)為由東北部向西南部逐步遞減。

圖4 1984-2019年廣西極端氣溫指數(shù)空間格局變化趨勢(shì)

冷夜日數(shù)TN10主要以下降趨勢(shì)為主,其中南寧市的上升趨勢(shì)最大,變化率為1.6d/10a,下降趨勢(shì)大的地方主要集中在廣西西部、東北部。冷晝?nèi)諗?shù)TX10主要以上升趨勢(shì)為主,主要分布在廣西北部以及南寧市,最大下降速率為2℃/10a。暖晝?nèi)諗?shù)TX90主要以下降趨勢(shì)為主,最大下降趨勢(shì)為1.1d/10a,主要分布為廣西的中部地區(qū),由中間向兩邊逐漸升高。暖夜日數(shù)主要以上升趨勢(shì)為主,除了南寧市,其他區(qū)域均處于上升趨勢(shì),最大的上升趨勢(shì)為4.8d/10a(見(jiàn)續(xù)圖4)。

冷日持續(xù)日數(shù)CSDI以上升趨勢(shì)為主,最大上升趨勢(shì)主要分布在中部,東部相對(duì)有所降低。暖日持續(xù)日數(shù)WSDI與冷日持續(xù)日數(shù)CSDI分布相對(duì)一致,均是以上升趨勢(shì)為主,占廣西大部分地區(qū)。熱夜日數(shù)TR變化率,最大上升趨勢(shì)為11.5d/10a,與暖夜日數(shù)TN90趨勢(shì)變化一致。夏天日數(shù)SU主要以下降趨勢(shì)為主,只有廣西的東北部以及西部呈現(xiàn)上升趨勢(shì),最大上升趨勢(shì)為8.3d/10a。生長(zhǎng)期長(zhǎng)度GSL中部地區(qū)以下降趨勢(shì)為主,北部和西部則以上升趨勢(shì)為主,最大上升趨勢(shì)為0.3d/10a,最低下降趨勢(shì)為0.8d/10a;溫度日較差DTR主要以下降趨勢(shì)為主,只有南寧市等南部地區(qū)呈現(xiàn)較大的上升趨勢(shì),速率下降地區(qū)主要集中的廣西的中部地區(qū)。

2.3.2 極端降水指數(shù)空間分布差異

表示降水強(qiáng)度的指數(shù)包括年降水量PRCPTOT、強(qiáng)降水量R95、極強(qiáng)降水量R99,降水強(qiáng)度SDII,1日最大降水量Rx1day,5日最大降水量Rx5day;表示極端降水事件發(fā)生頻率和持續(xù)時(shí)長(zhǎng)的指數(shù)包括連續(xù)有雨日數(shù)CWO、連續(xù)無(wú)雨日數(shù)CDD、小雨日數(shù)R10mm、大雨日數(shù)R20mm、暴雨日數(shù)R25mm。

根據(jù)過(guò)去36年時(shí)間序列數(shù)據(jù)插值結(jié)果,極端降水指數(shù)空間格局分布如下(圖5):廣西年降水量PRCPTOT、降水強(qiáng)度SDII變化速率自東向西逐漸下降,最大上升速率分別為191.7mm/10a和1.4d/10a,最大下降速率分別為5.5mm/10a和3.7d/10a。上述說(shuō)明廣西降水強(qiáng)度以及降水頻率均由東向西逐漸降低,降水區(qū)域主要集中在廣西的東部,出現(xiàn)洪澇災(zāi)害的可能性較高;連續(xù)無(wú)雨日數(shù)CDD最大速率1.2d/10a,最低下降趨勢(shì)值為4.1d/10a,東部地區(qū)年降水量PRCPTOT高,然而連續(xù)無(wú)雨日數(shù)CDD,說(shuō)明東部降水特點(diǎn)具有驟發(fā)性,主要集中在汛期,即使西部地區(qū)連續(xù)無(wú)雨日數(shù)CDD處于下降趨勢(shì),但年降水量PRCPTOT低,因此出現(xiàn)較為容易出現(xiàn)干旱現(xiàn)象。

圖5 1984-2019年廣西極端降水指數(shù)空間格局變化趨勢(shì)

連續(xù)有雨日數(shù)CWD、強(qiáng)降水量R95、極強(qiáng)降水量R99、1日最大降水量Rx1day、5日最大降水量Rx5day等5個(gè)指數(shù)均呈現(xiàn)大面積下降趨勢(shì)(續(xù)圖5),后4個(gè)指數(shù)上升趨勢(shì)最大地區(qū)均主要集中在都安瑤族自治縣,上升趨勢(shì)值在118.9～142.4mm/10a,其余地區(qū)均呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。小雨日數(shù)R10mm、大雨日數(shù)R20mm、暴雨日數(shù)R25mm的指數(shù)變化趨勢(shì)由廣西東部向西方向逐漸降低,最大上升趨勢(shì)值處于3.6～5.4d/10a,東北部降水日數(shù)較西部地區(qū)多。

3 討 論

北回歸線橫穿廣西壯族自治區(qū),熱帶氣旋等極端氣候事件發(fā)生的概率較為頻繁。據(jù)統(tǒng)計(jì),1949-2020年間,因降水引起的重大臺(tái)風(fēng)、洪澇災(zāi)害事件發(fā)生了12起,威脅人民的人身安全以及財(cái)產(chǎn)安全。

從時(shí)間上來(lái)看,根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn),從1958-2022年,廣西整體平均氣溫不斷升高,到2005年已經(jīng)升高了0.5℃,年平均最高、最低氣溫、年降水量從90年代之后均出現(xiàn)氣溫波動(dòng)上升趨勢(shì)[19];西南5省中,TN10、TX10和DTR有明顯的下降,但其余指數(shù)均是上升趨勢(shì)[21],廣西地區(qū)除以上3個(gè)指數(shù)下降之外,另外還加上GSL、CSDI兩個(gè)指數(shù)。年降水量PRCPTOT上升、而連續(xù)無(wú)雨日數(shù)CDD呈下降趨勢(shì),說(shuō)明廣西整體降水從時(shí)間上分布極不均勻。珠江流域兩廣地區(qū)汛期與非汛期降水極不均勻,汛期降水量超出全年75%以上,說(shuō)明廣西的降雨量在時(shí)間上分布極不均勻[20]。

從空間上看,西南5省市中,廣西的低溫類指數(shù)與高溫類指數(shù)均屬于高值區(qū),且溫度日較差DTR變化微弱,說(shuō)明氣溫變化幅度小[21]。本研究中14個(gè)極端氣溫指數(shù),均較為穩(wěn)定,雖然在90年代以及21世紀(jì)初發(fā)生了突變,但在西南范圍內(nèi),尚在可接受范圍內(nèi)[22]。西南5省市中,極端降水指數(shù)中,年降水量PRCPTOT、Rx1day、Rx5day以及R95呈現(xiàn)自西北向東南遞增,從研究結(jié)果看,在廣西區(qū)域內(nèi)PRCPTOT、Rx1day、Rx5day以及R95均保持穩(wěn)定,只有都安瑤族自治縣的降水量有所增加,但不顯著,本研究結(jié)果與之一致。

4 結(jié) 論

(1)廣西地區(qū)極端氣溫指數(shù)年際變化趨勢(shì)方面總體呈現(xiàn)高溫類指數(shù)TXx、TNn、TNx、TX90、TN90、WSDI、TR、SU上升,低溫類指數(shù)TXn、TN10、TX10、CSDI、GSL、DTR下降的趨勢(shì)。極端氣溫指數(shù)突變情況為1987-2009年突變頻率具有隨機(jī)性,2009年之后頻率頻率高,日最低氣溫最大值TNx、晝暖日數(shù)TX90、暖夜日數(shù)TN90以及熱夜日數(shù)TR無(wú)突變現(xiàn)象。

(2)空間格局變化方面,極端高溫指數(shù)中日最高溫TXx最大上升趨勢(shì)0.6℃/10a,主要分布在廣西的北部以及西部;日最高氣溫最小值TXn最大上升趨勢(shì)主要分布在東南方向,向西北部快速遞減。日最低溫度TNn最大上升趨勢(shì)為0.8℃/10a,主要分布在廣西東部地區(qū)以及中部地區(qū)。日最低氣溫最大值TNx表現(xiàn)為有東北部向西南部逐步遞減。冷夜日數(shù)TN10、暖晝?nèi)諗?shù)TX90空間格局呈下降趨勢(shì),廣泛分布在廣西中部以及北部地區(qū);冷晝?nèi)諗?shù)TX10、暖夜日數(shù)TN90相反。冷日持續(xù)日數(shù)CSDI、暖日持續(xù)日數(shù)WSDI、熱夜日數(shù)均呈上升趨勢(shì),主要分布在廣西中、東部區(qū)域,夏天日數(shù)SU、生長(zhǎng)期長(zhǎng)度GSL、溫度日較差DTR大部分地區(qū)呈下降趨勢(shì)。

(3)極端降水指數(shù)指數(shù)總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì),其中PRCPTOT、SDII、CWD、Rx1day、Rx5day、R95、R99、R10mm、R20mm、R25mm呈上升趨勢(shì),僅連續(xù)無(wú)雨日數(shù)CDD呈下降趨勢(shì),極端降水指數(shù)突變年份主要集中在1991和2001年,其余年份突變較為隨機(jī)。

(4)極端降水指數(shù)空間格局變化方面,總體上為西部降水量下降,干旱程度比東部高,東部降水量呈上升。年降水量PRCPTOT、降水強(qiáng)度SDII、連續(xù)無(wú)雨日數(shù)CDD、小雨日數(shù)R10mm、大雨日數(shù)R20mm、暴雨日數(shù)R25mm均呈自東向西遞減的空間格局變化;連續(xù)有雨日數(shù)CWD上升趨勢(shì)主要分布在融安縣;強(qiáng)降水量R95、極強(qiáng)降水量R99、1日最大降水量Rx1day、5日最大降水量Rx5day4個(gè)極端降水指數(shù)呈上升趨勢(shì)區(qū)域主要分布在都安瑤族自治縣。