1961—2019年廣西喀斯特地區極端氣候事件時空變化規律

陳燕麗，謝 映，張 會，韋春霞

（1.廣西壯族自治區氣象科學研究所，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，對生態環境、生產、生活及經濟發展均有較大影響，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極端氣候事件變化規律，發現極端氣溫和降水事件存在次數增加、強度增大的趨勢[3-7]。喀斯特地貌區是廣西典型的生態脆弱區，石漠化現象突出，特殊的生境使得該地區植被對氣候變化響應非常敏感且承災能力弱，摸清該地區極端氣候事件變化規律可為其石漠化治理、植被保護和生態修復提供科學參考。

水熱分配不均導致的旱澇災害是影響喀斯特地區植被和石漠化最重要的因素。喀斯特地區的植被比非喀斯特地區更易受干旱影響[8]，且喀斯特地區受旱程度越重，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，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生和發展[10]。采用常規指數分析喀斯特地區氣象災害時空規律已有研究[11-12]。近年來，西南喀斯特地區的極端災害事件發生次數明顯增多，嚴重威脅喀斯特地區植被健康生長和石漠化治理。目前，有關喀斯特地區極端氣候事件時空演變規律的報道較少。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應用時有局限性。

為了更全面研究廣西喀斯特地區極端氣候事件時空變化規律，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個極端氣溫指數和2個極端降水指數，采用Mann-Kendall法和線性趨勢分析法詳細分析廣西喀斯特地區極端氣候事件時空變化特征，擬為該地區石漠化治理、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 研究區概況

廣西壯族自治區（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；喀斯特地貌區面積占廣西總面積的37.8%，土地貧瘠，石漠化現象突出，自然災害嚴重，嚴重制約了當地經濟發展，屬于全國貧困地區。廣西喀斯特地區分布如圖1所示。

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

1.2 氣象數據

氣象數據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、最低氣溫和降水數據。氣溫和降水是影響喀斯特地區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個極端氣候指數中的6個極端氣溫指數和2個極端降水指數（表1）。

1.3 研究方法

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

Mann-Kendall法是一種非參數統計檢驗方法，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），定義統計量（dk）為：

式中，mi為第i個樣本xi＞xj[1≤j≤i]的累計數。

在時間序列獨立的假定下，定義統計量為：

式中，E(dk)和var(dk)分別為統計量dk的均值和方差。UFk為標準正態分布序列；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生的時間。當UF超過95%置信水平（α=1.96）時，說明指數上升或下降趨勢顯著。

利用氣候傾向率分析極端氣候指數（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。氣候傾向率為正時，表示極端氣候指數隨時間呈上升趨勢，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熱天氣持續日數在增加。6個極端氣溫指數中，TN10p、TX90p、TN90p和CSDI的年際變化趨勢均能較好地反映喀斯特地區近60年的時間變化趨勢。廣西喀斯特地區對全球變暖為正響應，其氣溫變化趨勢以變暖為主。

圖2 廣西喀斯特地區極端氣溫指數變化趨勢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TX10p未發 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 廣西喀斯特地區極端氣溫指數突變特征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，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，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 廣西喀斯特地區極端氣溫指數變化趨勢空間分布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R95p和R99p均并未發生顯著變化，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 廣西喀斯特地區極端降水指數變化趨勢Fig.5 Change trends of extreme precipitation indices in Guangxi karst areas

圖6 廣西喀斯特地區極端降水指數突變特征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，桂林市大多數地區增加趨勢明顯高于其他地區，崇左市中部、北部及其與南寧市和百色市的交界地區減少趨勢較明顯。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，崇左市南部減少趨勢較明顯。

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

3 討論

研究發現廣西喀斯特地區極端氣溫和極端降水總體表現為增加趨勢，極端氣溫和極端降水增加、減少較明顯的地區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生強降水事件。本研究時間尺度為年，從季節尺度上研究極端氣候指數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研究廣西喀斯特地區干旱特征，發現研究區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時空演變特征，可為該地區重旱、特旱的發展趨勢預測提供更科學的參考依據。

近60年廣西喀斯特地區極端氣溫和降水的變化呈現較大的隨機性和不連續性。6個極端氣溫指數中，冷晝日數、冷持續日數和暖持續日數突變并不明顯。對于極端降水指數而言，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極端氣溫和降水事件變化的不規律性給該地區氣象災害防御帶來極大挑戰。研究中采用的極端氣候指數為國際標準[17]；其中，極端氣溫指數為10%和90%分位數，極端降水指數為5%和1%分位數。研究區某些指標的變化趨勢并不明顯，如對于極端降水指數，R95p（5%分位數）為不顯著增加，R99p（1%分位數）為顯著增加，進一步研究中，針對極端氣候指數可補充計算更多指標體系的極端氣候指數，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植被影響提供更科學的參考依據。

4 結論

本研究分析廣西喀斯特地區極端氣溫和極端降水時間的時空演變規律。廣西喀斯特地區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。極端降水指數總體呈增加趨勢，極強降水量表現尤其明顯，表明研究區極強降水事件增加，洪澇災害發生概率增大。不同極端氣溫指數空間分布上存在較大異質性，總體而言研究區中部增溫趨勢較小，西北部（百色市）增溫趨勢較明顯。極端降水指數空間異質性比極端氣溫小，極端降水增加趨勢最明顯地區主要分布在東北部（桂林市），減少趨勢最明顯的地區主要分布在西南部（崇左市）。