1984-2019年廣西地區極端氣候指數時空變化

招惠敏,張亞麗,童 凱,王 升,梁玉蓮

(1.南寧師范大學 a.地理科學與規劃學院; b.北部灣環境演變與資源利用教育部重點實驗室,廣西 南寧 530001;2.北部灣大學 資源與環境學院,廣西 欽州 535011)

氣候變化已成為影響人類社會發展的重大問題之一,其中極端氣候事件頻次變化對生態環境、社會生活和人類安全具有重要意義。如2013年超級臺風“海燕”在菲律賓登陸導致1123.6萬人受災,6009人死亡,損毀房屋118.1萬間,損失慘重[1]。2018年臺風“山竹”對我國造成直接經濟損失為142.3億元,間接經濟損失達到1272.7億元[2]。根據廣西過去70年統計年鑒記錄,期間總共發生了12次重大洪水和臺風類型自然災害,嚴重威脅人類人身安全及財產安全。

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

1 材料與方法

1.1 研究區概況

廣西壯族自治區地處中國西南地區,位于104°28'E～112°04E',北緯20°54'～26°24'(圖1)。北回歸線橫穿廣西,氣候屬于亞熱帶氣候地區和熱帶季風氣候,全年溫差較大;夏季雨水充沛,年平均降水量為15002mm,洪澇災害較為頻繁[17]?？λ固孛娣e為89311.95 km2,占廣西總面積的37.8%。廣西東北部地質地貌主要以巖溶、峰叢洼地,地表主要以碳酸鹽類物質為主,地下河分布廣泛,且其水質較好,喀斯特降水-徑流過程特殊[18],地下水豐富,土層薄,生態環境敏感性和脆弱性較高,對極端氣候事件極其敏感。

圖1 廣西氣象站點分布圖(注:圖1來源于2019年中國地圖審圖號GS(2019)1822號,地圖編制過程中對原地圖無任何修改)

1.2 數據來源與處理

氣象數據來源于中國氣象數據網(http://data.sheshiyuanyi.com/),選擇1984-2019年廣西18個氣象站點日最高溫、日最低溫數據和1984-2019年逐日降水時間序列數據[11]。對缺測的數據記錄統一設置為-99.9,通過RClim Dex模型處理,數據質量控制在3倍標準差以內,即[mean-3*std,mean+3*std][5],剔除超出3倍標準差的離群值,嚴格挑選符合要求的數據以保障數據處理質量。

1.3 研究內容

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

表1 極端氣溫指數定義

表2 極端降水指數定義

1.4 方法

1.4.1 趨勢分析法

利用一元線性回歸分析法[6]模擬廣西地區極端氣候指數的年變化趨勢,其計算式為:

式中,i為年份序號;Ki為第i年的極端氣溫指數;n為時間序列長度。slope>0表示指數變化為上升趨勢,反之則為下降趨勢,本研究一元線性回歸分析法均在0.05顯著性水平檢驗下進行。

1.4.2 Mann-Kendall突變檢驗法

利用Mann-Kendall突變檢驗法[11]結合滑動T檢驗法對極端氣候指數進行突變分析。兩者在置信度之間的交點為突變點,利用滑動T檢驗法來識別交點中的真實突變點以及虛假突變點。

1.4.3 反距離加權插值法

基于相鄰相似的原理對數據進行插值的方法[12]。兩個目標距離越近,它們的性質和屬性則越相近,它以插值點和樣本點之間的距離為權重,進行加權平均,離插值點越近的樣本點所賦予的權重越大。其計算式為:

2 結果與分析

2.1 極端氣溫指數時空變化特征

2.1.1 極端氣溫指數時間變化趨勢

根據顯著性水平檢驗,14個極端氣溫指數中,10個指數通過了0.05顯著性檢驗,TNn,TXn,DTR,GSL沒有通過。經過線性回歸分析后得出,廣西極端氣溫指數總體趨勢表現為上升趨勢(圖2)。在圖2的a圖中,TXx,TNn,TNx三者呈現上升趨勢,僅TXn指數呈現下降趨勢。說明近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,日最高氣溫最小值TXn呈現下降趨勢。在b,c,d圖中,低溫類指數下降,高溫類指數上升的變化趨勢。低溫類指數與a中的日最高氣溫最小值TXn相呼應。在e圖中,熱夜指數TR、夏天日數SU都在不同程度上呈現上升趨勢。在f,g圖中,兩圖呈現下降趨勢,說明廣西的溫度日較差在不斷縮小,生長期長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年際變化趨勢

2.1.2 極端氣溫指數突變分析

利用M-K突變檢驗法,再結合滑動T檢驗可以精確到突變年份(見表3),從14個極端氣溫指數分析,廣西1984-2019年極端氣溫指數發生突變具有隨機性,突變區間在1987-2012年,從1987年至2009年突變具有隨機性,2009年之后每年均有極端氣溫指數變化。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TX90、暖夜日數TN90以及熱夜日數TR等沒有發生突變情況,較為穩定。

表3 極端氣溫指數結合滑動t檢驗突變年份

2.2 極端降水指數時間變化特征

2.2.1 極端降水指數年際變化特征

根據顯著性水平檢驗,11個極端氣溫指數中,通過0.05顯著性檢驗指數有7個。只有CDDR10mm、R95、R99的指數沒有通過0.05顯著性水平檢驗。在11個指數中,極端降水指數年變化總體為上升趨勢,只有連續無雨日數CDD表現表現為下降趨勢,如圖3所示,說明廣西近36年降水量呈現上升趨勢。a圖年降水量PRCPTOT中,每年以6.8725mm的速度上升,說明廣西雨水逐年充沛;b圖中降水強度SDII也在不斷上升,表示降水強度的d,e,f圖均表現為較為明顯的上升趨勢。

圖3 1984-2019年廣西極端降水指數年際變化趨勢

2.2.2 極端降水指數突變分析

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

表4 極端降水指數結合滑動t檢驗突變年份

2.3 極端氣候指數變化趨勢空間分布特征

2.3.1 極端氣溫指數空間分布差異

利用ArcGis10.7中的反距離權重插值法(IDW)對極端氣溫指數進行空間插值(見圖4)。過去36年間,日最高溫TXx最大上升趨勢0.6℃/10a,主要分布在廣西的北部以及西部,最大下降趨勢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主要以上升趨勢為主,最大上升趨勢為0.8℃/10a,主要分布在廣西東部地區以及中部地區。日最低氣溫最大值TNx表現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空間格局變化趨勢

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

冷日持續日數CSDI以上升趨勢為主,最大上升趨勢主要分布在中部,東部相對有所降低。暖日持續日數WSDI與冷日持續日數CSDI分布相對一致,均是以上升趨勢為主,占廣西大部分地區。熱夜日數TR變化率,最大上升趨勢為11.5d/10a,與暖夜日數TN90趨勢變化一致。夏天日數SU主要以下降趨勢為主,只有廣西的東北部以及西部呈現上升趨勢,最大上升趨勢為8.3d/10a。生長期長度GSL中部地區以下降趨勢為主,北部和西部則以上升趨勢為主,最大上升趨勢為0.3d/10a,最低下降趨勢為0.8d/10a;溫度日較差DTR主要以下降趨勢為主,只有南寧市等南部地區呈現較大的上升趨勢,速率下降地區主要集中的廣西的中部地區。

2.3.2 極端降水指數空間分布差異

表示降水強度的指數包括年降水量PRCPTOT、強降水量R95、極強降水量R99,降水強度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生頻率和持續時長的指數包括連續有雨日數CWO、連續無雨日數CDD、小雨日數R10mm、大雨日數R20mm、暴雨日數R25mm。

根據過去36年時間序列數據插值結果,極端降水指數空間格局分布如下(圖5):廣西年降水量PRCPTOT、降水強度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。上述說明廣西降水強度以及降水頻率均由東向西逐漸降低,降水區域主要集中在廣西的東部,出現洪澇災害的可能性較高;連續無雨日數CDD最大速率1.2d/10a,最低下降趨勢值為4.1d/10a,東部地區年降水量PRCPTOT高,然而連續無雨日數CDD,說明東部降水特點具有驟發性,主要集中在汛期,即使西部地區連續無雨日數CDD處于下降趨勢,但年降水量PRCPTOT低,因此出現較為容易出現干旱現象。

圖5 1984-2019年廣西極端降水指數空間格局變化趨勢

連續有雨日數CWD、強降水量R95、極強降水量R99、1日最大降水量Rx1day、5日最大降水量Rx5day等5個指數均呈現大面積下降趨勢(續圖5),后4個指數上升趨勢最大地區均主要集中在都安瑤族自治縣,上升趨勢值在118.9～142.4mm/10a,其余地區均呈現明顯的下降趨勢。小雨日數R10mm、大雨日數R20mm、暴雨日數R25mm的指數變化趨勢由廣西東部向西方向逐漸降低,最大上升趨勢值處于3.6～5.4d/10a,東北部降水日數較西部地區多。

3 討 論

北回歸線橫穿廣西壯族自治區,熱帶氣旋等極端氣候事件發生的概率較為頻繁。據統計,1949-2020年間,因降水引起的重大臺風、洪澇災害事件發生了12起,威脅人民的人身安全以及財產安全。

從時間上來看,根據相關文獻,從1958-2022年,廣西整體平均氣溫不斷升高,到2005年已經升高了0.5℃,年平均最高、最低氣溫、年降水量從90年代之后均出現氣溫波動上升趨勢[19];西南5省中,TN10、TX10和DTR有明顯的下降,但其余指數均是上升趨勢[21],廣西地區除以上3個指數下降之外,另外還加上GSL、CSDI兩個指數。年降水量PRCPTOT上升、而連續無雨日數CDD呈下降趨勢,說明廣西整體降水從時間上分布極不均勻。珠江流域兩廣地區汛期與非汛期降水極不均勻,汛期降水量超出全年75%以上,說明廣西的降雨量在時間上分布極不均勻[20]。

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

4 結 論

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

(2)空間格局變化方面,極端高溫指數中日最高溫TXx最大上升趨勢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最大上升趨勢為0.8℃/10a,主要分布在廣西東部地區以及中部地區。日最低氣溫最大值TNx表現為有東北部向西南部逐步遞減。冷夜日數TN10、暖晝日數TX90空間格局呈下降趨勢,廣泛分布在廣西中部以及北部地區;冷晝日數TX10、暖夜日數TN90相反。冷日持續日數CSDI、暖日持續日數WSDI、熱夜日數均呈上升趨勢,主要分布在廣西中、東部區域,夏天日數SU、生長期長度GSL、溫度日較差DTR大部分地區呈下降趨勢。

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

(4)極端降水指數空間格局變化方面,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、降水強度SDII、連續無雨日數CDD、小雨日數R10mm、大雨日數R20mm、暴雨日數R25mm均呈自東向西遞減的空間格局變化;連續有雨日數CWD上升趨勢主要分布在融安縣;強降水量R95、極強降水量R99、1日最大降水量Rx1day、5日最大降水量Rx5day4個極端降水指數呈上升趨勢區域主要分布在都安瑤族自治縣。