陈燕丽，谢 映，张 会，韦春霞
（1.广西壮族自治区气象科学研究所，广西南宁 530022；
2.保定市气象局，河北保定 071030）
极端气候事件具有破坏性强、可预测性差的特点，对生态环境、生产、生活及经济发展均有较大影响，已引起社会各界的广泛关注[1-2]。学者们采用趋势分析和空间分析等方法研究不同地区极端气候事件变化规律，发现极端气温和降水事件存在次数增加、强度增大的趋势[3-7]。喀斯特地貌区是广西典型的生态脆弱区，石漠化现象突出，特殊的生境使得该地区植被对气候变化响应非常敏感且承灾能力弱，摸清该地区极端气候事件变化规律可为其石漠化治理、植被保护和生态修复提供科学参考。
水热分配不均导致的旱涝灾害是影响喀斯特地区植被和石漠化最重要的因素。喀斯特地区的植被比非喀斯特地区更易受干旱影响[8]，且喀斯特地区受旱程度越重，植物对干旱的敏感性越强[9]。暴雨对喀斯特植被的影响存在阈值效应；
在贵州省喀斯特地区，降水要素与石漠化呈显著正相关，暴雨量级的增加会加速石漠化的发生和发展[10]。采用常规指数分析喀斯特地区气象灾害时空规律已有研究[11-12]。近年来，西南喀斯特地区的极端灾害事件发生次数明显增多，严重威胁喀斯特地区植被健康生长和石漠化治理。目前，有关喀斯特地区极端气候事件时空演变规律的报道较少。孔锋[3]详细报道了全国极端冷暖事件变化格局，针对广西地区的研究仅分析极端气温的变化且选用的气象站点较少，研究结论在广西喀斯特地区应用时有局限性。
为了更全面研究广西喀斯特地区极端气候事件时空变化规律，本研究基于长时间序列历史气象观测资料，选择世界气象组织推荐的6个极端气温指数和2个极端降水指数，采用Mann-Kendall法和线性趋势分析法详细分析广西喀斯特地区极端气候事件时空变化特征，拟为该地区石漠化治理、植被保护修复和气象防灾减灾等提供参考。
1.1 研究区概况
广西壮族自治区（104°26"～112°04"E，20°54"～26°24"N）地处中国南部，形似盆地，山地多、平原少；
喀斯特地貌区面积占广西总面积的37.8%，土地贫瘠，石漠化现象突出，自然灾害严重，严重制约了当地经济发展，属于全国贫困地区。广西喀斯特地区分布如图1所示。
图1 广西喀斯特地区分布Fig.1 Distribution of Guangxi karst areas
1.2 气象数据
气象数据为广西气象信息中心提供的69个气象站点1961—2019年逐日的最高、最低气温和降水数据。气温和降水是影响喀斯特地区植被生长最重要的气象因子，本研究选取世界气象组织（WMO）推荐的27个极端气候指数中的6个极端气温指数和2个极端降水指数（表1）。
1.3 研究方法
采用RClimDex软件计算极端气候指数值，采用Mann-Kendall法对广西喀斯特地区极端气候指数进行突变检验，采用气候倾向率分析极端气候事件的年际变化趋势。
Mann-Kendall法是一种非参数统计检验方法，用于明确时间变化序列突变开始时间[13-14]，计算方法为：
假定时间序列为{xi}（i=1，2，3，……，n），定义统计量（dk）为：
式中，mi为第i个样本xi＞xj[1≤j≤i]的累计数。
在时间序列独立的假定下，定义统计量为：
式中，E(dk)和var(dk)分别为统计量dk的均值和方差。UFk为标准正态分布序列；
当UF＞0时，表示该时间序列呈上升趋势；
当UF＜0时，为下降趋势；
UF和UB曲线在临界线内存在交点，该交点对应的时间为突变发生的时间。当UF超过95%置信水平（α=1.96）时，说明指数上升或下降趋势显著。
利用气候倾向率分析极端气候指数（y）的年际变化趋势和大小，一般采用一次线性方程表示，计算公式为[15]：
式中，t为年份，t=1，2，…，n；
b×10为气候倾向率；
a为常数。气候倾向率为正时，表示极端气候指数随时间呈上升趋势，反之呈下降趋势。
2.1 极端气温指数时空变化趋势
2.1.1 时间变化趋势
1961—2019 年，广西喀斯特地区TX10p呈减少趋势，变化不显著，气候倾向率约为-0.6 d/10a（图2a）；
TN10p呈显著减少趋势（P＜0.05），气候倾向率约为-2.9 d/10a（图2b）；
TX90p和TN90p均呈显著增加趋势（P＜0.05），两者气候倾向率分别为2.9和4.7 d/10a（图2c～d）；
TX10p减少幅度小于TN10p，TX90p增加幅度小于TN90p，说明广西喀斯特地区夜间气温的增加幅度大于白天。CSDI呈显著减少趋势（P＜0.05），气候倾向率为-1.8 d/10a（图2e）；
WSDI呈增加趋势，变化不显著，气候倾向率为1.0 d/10a（图2f）。说明广西喀斯特地区热天气持续日数在增加。6个极端气温指数中，TN10p、TX90p、TN90p和CSDI的年际变化趋势均能较好地反映喀斯特地区近60年的时间变化趋势。广西喀斯特地区对全球变暖为正响应，其气温变化趋势以变暖为主。
图2 广西喀斯特地区极端气温指数变化趋势Fig.2 Trends of extreme temperature indices in Guangxi karst areas
MK检验结果表明，近60年广西喀斯特地区TX10p未发 生 显著 突变，UF和UB曲线 在1962—1964年和1996—1997年相交，但未对整体变化趋势产生较大影响（图3a）。TN10p的UF和UB曲线在1988—1990年相交，TN10p发生突变，其变化前后分别为41.3和31.1天；
UF曲线在1997年后超过了0.05显著性水平线，说明TN10p呈显著下降趋势（图3b）。TX90p的UF和UB曲线在2004—2005年相交，TX90p发生突变，变化前后分别为31.6和46.5天；
UF曲线在1970—1980年超过了0.05显著性水平线，说明TX90p呈显著下降趋势；
2009年后超过0.05显著性水平线，说明TX90p呈显著上升趋势（图3c）。TN90p的UF和UB曲线在1996—1998年相交，TN90p发生突变，变化前后分别为29.0和44.3天；
UF曲线在1982年后超过0.05显著性水平线，说明TN90p呈显著上升趋势（图3d）。CSDI的UF和UB曲线在1990—1994年相交，CSDI发生突变，突变前后分别为21.3和14.6天；
UF曲线在2017年超过0.05显著性水平线，说明CSDI呈显著下降趋势（图3e）。WSDI的UF和UB曲线在2004—2006年、2010—2013年相交，WSDI在该期间波动剧烈，除1970—1977年外，其他时段UF曲线均在0.05显著性水平线内，总体变化趋势不明显；
在1961—1977年，WSDI呈下降趋势，其UF曲线在1970—1977年超过0.05显著性水平线，说明WSDI呈显著下降趋势（图3f）。
图3 广西喀斯特地区极端气温指数突变特征Fig.3 Mutation characteristics of extreme temperature indices in Guangxi karst areas
2.1.2 空间变化特征
1961—2019 年，TX10p在空间上多呈下降趋势，气候倾向率为-20.6～2.8 d/10a，下降站点数占比为95.7%，约2.9%站点通过0.05显著性水平（图4a）。河池市中部和崇左市中偏东部地区，TX10p增加趋势较明显；
桂林市中部、东部和百色市东北部、西南部，TX10p减少趋势较明显。
TN10p在空间上全部呈下降趋势，气候倾向率为-45.1～-13.7 d/10a，下降站点数占比达100%，约94.2%站点通过0.05显著性水平（图4b）。桂林市中偏南部、北部和百色市西北部，TN10p减少趋势较明显；
河池市南部、西部及崇左市西南部，TN10p减少趋势较弱。
TX90p在空间上多呈上升趋势，气候倾向率为-3.8～88.9 d/10a，上升站点数占比达97.1%，约68.1%站点通过0.05显著性水平（图4c）。TX90p由西南向东北呈减少趋势；
百色市东北部、西南部，TX90p增加趋势较明显；
桂林市东北部、河池市中部、柳州市西南部、来宾市西北部和贺州市中部，TX90p增加趋势较弱。
TN90p在空间上多呈上升趋势，气候倾向率为-10.5～100.0 d/10a，上升站点数占比98.6%，约89.9%站点通过0.05显著性水平（图4d）。TN90p变化趋势空间分布规律与TX90p相似。
CSDI在空间上全部呈下降趋势，气候倾向率为-32.5～-4.8 d/10a，下降站点数占比100%，约42.0%站点通过0.05显著性水平（图4e）。西北部和东北部CSDI减少趋势高于中部和东南部；
桂林市南部和百色市西部、北部，CSDI减少趋势较明显。
WSDI在空间上多呈上升趋势，气候倾向率为-7.7～37.6 d/10a，上升站点数占比84.1%，约31.9%站点通过0.05显著性水平（图4f）。河池东南部与来宾市交界处、桂林市东北部、百色市东北部及崇左市中南部部分地区，WSDI减少趋势较明显；
百色市西南部、东北部和桂林市中部，WSDI增加趋势较明显。
图4 广西喀斯特地区极端气温指数变化趋势空间分布Fig.4 Spatial distributions of change trends of extreme temperature indices in Guangxi karst areas
2.2 极端降水指数时空变化趋势
2.2.1 时间变化趋势
1961—2019 年，广西喀斯特地区R95p呈增加趋势，变化不显著，气候倾向率约为19.9 mm/10a；
R99p呈显著增加趋势（P＜0.05），气候倾向率约为14.6 mm/10a（图5a～b）。广西喀斯特地区降水变化以增加趋势为主，极强降水量增加趋势比强降水量更明显。MK检验结果表明，59年间广西喀斯特地区R95p和R99p均并未发生显著变化，R95p、R99p的UF和UB曲线在多个时段相交，但UF曲线仍在0.05显著性水平线内，说明尽管部分时期强降水量和极强降水量发生较大波动，但并未对整体变化趋势产生较大影响（图6a～b）。
图5 广西喀斯特地区极端降水指数变化趋势Fig.5 Change trends of extreme precipitation indices in Guangxi karst areas
图6 广西喀斯特地区极端降水指数突变特征Fig.6 Mutation characteristics of extreme precipitation indices in Guangxi karst areas
2.2.2 空间变化特征
R95p在空间上多呈上升趋势，气候倾向率为-51.8～707.0 mm/10a，上升站点数占比89.9%，但仅11.6%站点通过0.05显著性水平（图7a）。R95p由西南向东北呈增加趋势，桂林市大多数地区增加趋势明显高于其他地区，崇左市中部、北部及其与南宁市和百色市的交界地区减少趋势较明显。R99p在空间上多呈上升趋势，气候倾向率为-216.0～651.0 mm/10a，上升站点数占比87.0%，但仅18.8%站点通过0.05显著性水平（图7b）。R99p的空间分布与R95p相似，由西南向东北呈增加趋势，桂林市中部增加趋势明显高于其他地区，崇左市南部减少趋势较明显。
图7 广西喀斯特地区极端降水指数变化趋势空间分布Fig.7 Spatial distributions of change trends of extreme precipitation indices in Guangxi karst areas
研究发现广西喀斯特地区极端气温和极端降水总体表现为增加趋势，极端气温和极端降水增加、减少较明显的地区与平均气温和平均降水的高低值中心较符合[16]，说明本身较暖的地方趋于更暖，降水多的地方更容易发生强降水事件。本研究时间尺度为年，从季节尺度上研究极端气候指数演变特征可进一步研究冬季暖冬、夏季洪涝的变化趋势。已有研究利用月平均降水和气温计算标准化降水蒸散指数研究广西喀斯特地区干旱特征，发现研究区冬旱和夏旱呈波动减弱趋势，春旱和秋旱呈增强趋势[11]，如能结合极端气温和极端降水指数时空演变特征，可为该地区重旱、特旱的发展趋势预测提供更科学的参考依据。
近60年广西喀斯特地区极端气温和降水的变化呈现较大的随机性和不连续性。6个极端气温指数中，冷昼日数、冷持续日数和暖持续日数突变并不明显。对于极端降水指数而言，尽管强降水量和极强降水量均呈增加趋势，但两者的突变趋势均不明显，说明广西喀斯特地区极端气温和降水事件变化的不规律性给该地区气象灾害防御带来极大挑战。研究中采用的极端气候指数为国际标准[17]；
其中，极端气温指数为10%和90%分位数，极端降水指数为5%和1%分位数。研究区某些指标的变化趋势并不明显，如对于极端降水指数，R95p（5%分位数）为不显著增加，R99p（1%分位数）为显著增加，进一步研究中，针对极端气候指数可补充计算更多指标体系的极端气候指数，更全面分析极端气候事件变化情况，为定量评估极端气候事件对喀斯特地区植被影响提供更科学的参考依据。
本研究分析广西喀斯特地区极端气温和极端降水时间的时空演变规律。广西喀斯特地区对全球变暖为正响应，极端气温变化以变暖趋势为主，白天和夜间均趋于更暖，且夜间气温的增加幅度大于白天，表明广西喀斯特地区近60年来白天和夜间的高温天气事件明显增多。极端降水指数总体呈增加趋势，极强降水量表现尤其明显，表明研究区极强降水事件增加，洪涝灾害发生概率增大。不同极端气温指数空间分布上存在较大异质性，总体而言研究区中部增温趋势较小，西北部（百色市）增温趋势较明显。极端降水指数空间异质性比极端气温小，极端降水增加趋势最明显地区主要分布在东北部（桂林市），减少趋势最明显的地区主要分布在西南部（崇左市）。
猜你喜欢喀斯特降水气温基于FY-3D和FY-4A的气温时空融合成都信息工程大学学报(2022年3期)2022-07-21四川盆地极端降水演变特征及拟合成都信息工程大学学报(2021年4期)2021-11-22黑龙江省玉米生长季自然降水与有效降水对比分析黑龙江气象(2021年2期)2021-11-05深冬气温多变 蔬菜管理要随机应变今日农业(2021年2期)2021-03-19“别有洞天”的喀斯特王国乡村地理(2019年2期)2019-11-16————水溶蚀岩石的奇观">喀斯特————水溶蚀岩石的奇观家教世界(2019年4期)2019-02-26Cloud seeding疯狂英语·新读写(2018年3期)2018-11-29与气温成反比的东西小雪花·成长指南(2015年10期)2015-10-23ESSENTIAL NORMS OF PRODUCTS OF WEIGHTED COMPOSITION OPERATORS AND DIFFERENTIATION OPERATORS BETWEEN BANACH SPACES OF ANALYTIC FUNCTIONS∗Acta Mathematica Scientia(English Series)(2015年6期)2015-02-10重庆金佛山喀斯特等入选世界自然遗产文化月刊·下旬刊(2014年6期)2014-08-28