1971—2020 年廣西喀斯特地區高溫災害時空變化特征

謝 映，陳燕麗*，陳耀飛，蘇相琴

（1.廣西壯族自治區氣象科學研究所，南寧 530022；2.環江毛南族自治縣氣象局，廣西 環江 547100；3.廣西信息職業技術學院，南寧 530022）

大量研究表明在氣候變化和人類活動的影響下，全球溫度明顯升高，聯合國政府間氣候變化委員會（IPCC）第六次評估報告指出，與1850—1900 年相比，2011—2020 年全球地表平均溫度上升1.1 ℃［1］，預計未來20 a 全球溫度升高可能超過1.5 ℃，且升溫很難控制在2.0 ℃以下［2］。中國氣溫變化與全球變化趨勢基本一致，而且有更明顯的增溫趨勢［3-4］。隨著氣候變暖，全國范圍內高溫天氣頻發重發，高溫也成為我國嚴重的氣象災害之一，不僅對人們日常生活、生命健康造成不利影響，還嚴重制約社會經濟發展，已成為學者們廣泛關注的熱點話題［5］。郭春華等［6］對我國不同氣候區的綜合高溫危險性開展研究，分析高溫危險性的空間分布情況；梁梅等［7］基于1960—2012 年日最高氣溫資料，分析中國東部地區極端高溫的時空變化規律；王鏡等［8］研究中國西南喀斯特地區極端高溫的時空變化，發現大部地區極端高溫出現上升變化趨勢；何慧等［9］對廣西高溫日數的時空變化開展研究，結果表明廣西高溫日數有明顯局地性特征；賴晟等［10］針對2021 年6—9 月廣西大范圍頻發重發的高溫天氣開展了相關研究分析。

廣西是我國喀斯特地貌發育典型的地區之一［11］，屬于亞熱帶季風氣候，近年來，隨著氣候變暖廣西區域水熱分布也發生明顯變化［12］，尤其在廣西喀斯特生態脆弱地區，特殊的地質環境導致地區石漠化景觀突出，植被生態環境退化使該地區對氣象災害抵御能力和自我恢復能力很差［13-14］，氣候變化會對生態脆弱的喀斯特地區造成嚴重影響，尤其是發生高溫災害，會加劇石漠化程度，制約當地經濟發展［8，15］。因此高溫也是影響喀斯特地區最重要的氣象災害之一。目前已有專家對廣西喀斯特地區干旱時空分布規律開展研究［16］，發現不同程度的氣象干旱與植被存在不同響應［14，16］，也發現該地區易受低溫凍害影響，但隨著氣溫升高其災害程度有所下降［17］。近年來極端降水、高溫事件頻發重發，給喀斯特地區石漠化治理帶來了更嚴峻的挑戰［13，18-19］。氣候變暖的背景下，對頻發的高溫氣象災害時空變化規律的調查研究是開展喀斯特地區氣候災害影響評估的重要前提，但目前仍未見針對廣西喀斯特地區高溫氣象災害時空變化規律的相關研究與報道。

探索高溫氣象災害的演變規律對喀斯特地區防災減災具有重要的現實意義。因此，本研究基于長時間序列氣象觀測資料，選擇日≥35 ℃高溫日數、≥35 ℃有效積溫作為研究高溫氣象災害的指數，利用線性趨勢分析法和空間插值分析法詳細分析廣西喀斯特地區高溫氣象災害的時空變化規律，進一步為該地區高溫氣象災害防災減災、監測預報預警以及當地石漠化治理和植被生態修復等提供參考。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

廣西壯族自治區喀斯特地貌面積占其總國土面積的37.8%［20］，主要分布在105°02′～111°43′E，21°57′～26°06′N 范圍內，全區共88 個市縣，其中80 個市縣分布有石漠化景觀［21］，包括百色市、桂林市、南寧市、崇左市，以及河池市等老、少、邊和山的貧困地區［15］。廣西喀斯特地貌類型分為峰林平原、峰叢洼地和峰林谷地［22］，具有地形地貌地表起伏大（相對高差一般為50～600 m），表層巖性風化破碎嚴重，巖性多變，近地表結構復雜等特點［23］，土壤貧瘠，生態環境惡劣，石漠化現象突出，自我恢復和抵御風險能力較弱，受氣候變化影響大、氣象災害影響敏感脆弱性較高，嚴重制約當地經濟社會發展。

1.2 數據

氣象數據取自廣西壯族自治區氣象信息中心提供的69 個覆蓋喀斯特地區氣象觀測站點1971—2020 年逐日氣溫數據。中國氣象局把高溫定義為日最高氣溫≥35 ℃，對應的天數定義為高溫日數［24-25］。因此，本研究選取≥35 ℃高溫日數、≥35 ℃有效積溫作為研究喀斯特地區高溫氣象災害指數（表1），運用線性擬合、GIS 氣象要素空間插值等方法研究廣西喀斯特地區高溫氣象災害的時空變化規律。

表1 高溫氣象災害指數

地理信息數據包括:來自地理空間數據云30 m空間分辨率的廣西數字高程模型（digital elevation model，DEM）數據（經度、緯度和海拔高度、坡度和坡向等柵格數據）和廣西壯族自治區氣象科學研究所提供的1∶25 萬廣西區市縣行政邊界、廣西喀斯特地區矢量邊界、廣西氣象站點經度、緯度、海拔高度等信息。

1.3 研究方法

1.3.1 高溫有效積溫計算

高溫有效積溫（Effective Accumulated High Temperature，EAHT）計算公式［26，28］:

式中:Ae為有效積溫（℃）；Te為有效溫度（℃）；Ti為日最高溫度（℃）；B 為界限溫度（B=35℃）。

1.3.2 氣候趨勢分析

選取廣西行政區域范圍內覆蓋喀斯特地區69個氣象觀測站點觀測資料，運用線性趨勢法分析1971—2020 年廣西喀斯特地區高溫氣象災害長時間序列的變化趨勢［27］。計算公式為:

式中，n 為年數，xi是第i 年高溫氣象災害指數值，rxt為高溫氣象災害指數變化趨勢率，其正負值的大小表示該要素在第n 年內線性變化趨勢，為正值，表明在一段時間內的年高溫氣象災害呈現增加趨勢；反之，負值表示呈現降低趨勢。

1.3.3 GIS 反距離加權空間插值

利用GIS 反距離加權空間插值法，對年、季≥35℃高溫日數、≥35 ℃積溫系數進行空間插值，在考慮海拔高度、坡度、坡向、經度、緯度5 個地理參數因子基礎上，構建高溫氣象災害空間變化趨勢模型，通過殘差訂正，分析廣西喀斯特地區高溫氣象災害空間變化規律。

2 結果與分析

2.1 時間變化特征

1971—2020 年廣西喀斯特地區年平均≥35 ℃高溫日數為17.7 d，年平均≥35 ℃有效積溫為16.9℃，兩者的變化趨勢相似，總體均呈極顯著（p＜0.01）明顯增加變化趨勢，變化速率分別為2.8 d·（10a）-1、3.5 ℃·（10a）-1。逐10 a 變化分析發現，從70 年代開始至90 年代，研究區年平均≥35 ℃高溫日數呈現先增后減的波動變化，但近30 a 呈階梯式遞增變化。在5 個10 a 時段中，1971—1980 時段年平均≥35 ℃高溫日數最少（12.2 d），2011—2020 時段最多（24.5 d）?！?5 ℃有效積溫年際變化趨勢與年平均≥35 ℃高溫日數一致，1971—1980 時段年平均≥35 ℃有效積溫最少（10.2℃），2011—2020 時段最多（25.1 ℃）（圖1）。各季節≥35 ℃高溫日數波動也較大，春、夏和秋季均呈增加變化趨勢，變化速率分別為0.4 d·（10a）-1、1.8 d·（10a）-1和0.6 d·（10a）-1，其中夏季和秋季為顯著（p＜0.05）增加，冬季呈不明顯減少變化趨勢，變化速率為-0.009 d·（10a）-1。各季節≥35 ℃有效積溫變化趨勢與≥35 ℃高溫日數相似，變化速率分別為0.5 ℃·（10a）-1、2.5 ℃·（10a）-1和0.5 ℃·（10a）-1，春、夏和秋季均為顯著（p＜0.05）增加，冬季呈不明顯降低變化趨勢。季節尺度上，1971—2020 年廣西喀斯特地區夏季≥35 ℃高溫日數最多（15.2 d），秋季次之（2.6 d），冬季最少（0.0 d）；≥35℃有效積溫也是夏季最多（13.3 ℃），春季次之（1.8℃），冬季最少（0.02 ℃）。月尺度上，≥35 ℃高溫日數和≥35 ℃有效積溫高值主要集中在7 月和8 月。

圖1 1971—2020 年廣西喀斯特地區歷年≥35℃高溫日數、≥35℃有效積溫變化分布圖

綜上所述，≥35 ℃高溫日數和≥35 ℃有效積溫變化特征相似，兩者年、春季、夏季和秋季均呈增加變化趨勢，且年、夏季和秋季均為顯著增加趨勢。兩者逐10 a 變化中最大值和最小值出現的時段基本相同，夏季是喀斯特地區高溫的高發時段，需要重點關注7—8 月。

2.2 空間變化特征

2.2.1 高溫空間分布

1971—2020 年，研究區≥35 ℃高溫日數總體上由西南向東北呈增加變化趨勢，高值區主要在百色市中部、崇左市北部，低值區主要在河池市北部、百色市西南部以及桂林市東北部（圖2）。春季和冬季≥35 ℃高溫日數空間分布規律相似，整體由東北部向西南部增加，但冬季高溫日數非常少，平均小于0.2 d，春季高溫日數明顯多于冬季，高值區主要在崇左市中北部；夏季高值區主要分布在崇左市中北部、桂林市南部；秋季空間分布規律與春季、冬季相反，整體由西南向東北遞增，高值區主要在柳州市中部、西南部以及桂林市中南部?！?5 ℃有效積溫的空間分布規律與≥35 ℃高溫日數基本一致。

圖2 1971—2020 年廣西喀斯特地區年平均≥35℃高溫日數（a）、≥35℃有效積溫（b）空間分布圖

綜上所述，研究區≥35 ℃高溫日數、≥35 ℃有效積溫多年平均值以及四季空間分布規律相似，前者在年際以及春、夏和冬季，崇左市是高值區，后者在桂林中南部、柳州中部、西南部是高值區。值得注意的是，崇左市≥35 ℃高溫日數、≥35 ℃有效積溫明顯高于其他地區。

2.2.2 高溫變化趨勢空間分布

年尺度上，研究區≥35 ℃高溫日數大部分地區呈增加變化趨勢，氣候傾向率為0.13～8.11 d·（10a）-1，高值區主要在百色市東南部、南寧市西北部和桂林市中南部。季節尺度上，四季≥35 ℃高溫日數大部分地區呈增加變化趨勢，但正值變化的高值區有較大差異，春季主要在百色市西北部和東南部，夏季與年際空間分布相似，秋季在桂林市中部和南部，冬季≥35 ℃高溫日數氣候傾向率變幅總體較小，氣候傾向率僅為-0.05～0.03 d·（10a）-1。

研究區≥35℃有效積溫大部分地區呈增加變化趨勢，部分地區呈弱減少變化趨勢，氣候傾向率為-0.38 ℃·（10a）-1，正值變化的高值區主要在百色市東南部、崇左市中部和桂林市中部地區。季節尺度上，四季≥35 ℃有效積溫大部分地區呈增加變化趨勢，部分地區減小幅度不大。正值變化的高值區有較大差異，春季主要在百色市西北部和崇左市中部，夏季在百色市東南部、崇左市中西部和桂林市中南部，秋季在桂林市中南部，冬季≥35 ℃高溫日數氣候傾向率變幅總體較小，氣候傾向率僅為-0.04～0.03 ℃·（10a）-1（圖3）。

圖3 1971—2020 年廣西喀斯特地區年平均≥35℃高溫日數（a）、≥35℃有效積溫（b）變化趨勢分布圖

綜上所述，研究區≥35 ℃高溫日數、≥35 ℃有效積溫變化趨勢在不同時段空間分布有較大差異?？傮w而言，百色市東南部、桂林市中南部在多數時段高值明顯。

3 結論與討論

1971—2020 年廣西喀斯特地區年平均≥35 ℃高溫日數約為17.7 d，年平均≥35 ℃有效積溫為16.9 ℃，整體均呈上升變化趨勢，傾向率分別為2.8 d·（10a）-1、3.5 ℃·（10a）-1，春季、夏季和秋季≥35 ℃高溫日數和≥35 ℃有效積溫也出現上升變化趨勢，但7—8 月高溫更為集中。

空間分布上，≥35 ℃高溫日數和≥35 ℃有效積溫出現明顯南北差異特征，高溫強度空間上主要呈現西南高東北低的特點，崇左市為主要的高值區。從高溫變化趨勢空間分布來看，西南和東北均呈增多（強）變化趨勢，高值區主要在崇左市、桂林市。盡管桂林市≥35 ℃高溫日數不多，≥35 ℃有效積溫也低于其他地區，但變化趨勢卻明顯高于其他地區。

總而言之，在全球氣候變暖大背景下，廣西氣象災害頻發重發，了解廣西喀斯特生態脆弱地區高溫災害時空變化具有重要意義。本研究利用線性趨勢、GIS 空間插值等方法對廣西喀斯特地區1971—2020年≥35 ℃高溫日數、≥35 ℃有效積溫進行分析，初步探究其時空分布規律，但仍有待完善，文中未涉及目前國內外所用的多個高溫氣象災害指標及研究產生高溫區域特征的機理。廣西喀斯特地區高溫變化規律及其可能產生影響，仍有待加強探究。