1984-2019年广西地区极端气候指数时空变化

招惠敏,张亚丽,童 凯,王 升,梁玉莲

(1.南宁师范大学 a.地理科学与规划学院; b.北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室,广西 南宁 530001;2.北部湾大学 资源与环境学院,广西 钦州 535011)

气候变化已成为影响人类社会发展的重大问题之一,其中极端气候事件频次变化对生态环境、社会生活和人类安全具有重要意义。如2013年超级台风“海燕”在菲律宾登陆导致1123.6万人受灾,6009人死亡,损毁房屋118.1万间,损失惨重[1]。2018年台风“山竹”对我国造成直接经济损失为142.3亿元,间接经济损失达到1272.7亿元[2]。根据广西过去70年统计年鉴记录,期间总共发生了12次重大洪水和台风类型自然灾害,严重威胁人类人身安全及财产安全。

国内外众多学者[3,4]从多时段、多尺度研究极端气候事件发生频率呈上升趋势,总结中国宁夏[5]、松花江流域[6]、雅砻江流域[7]、内蒙古地区[8]等区域,发现极端气候指数、陆地面积暖夜指数整体呈现上升趋势,不同的区域有不同的变化规律。在印度北部戈马蒂河流域[9]和巴西亚马逊地区辛古河流域[10],极端气温均有所上升,局部有所差异,大部分区域呈现极端降水呈下降趋势。国内学者对极端气候变化的研究主要集中在西南地区[11],如云南省、贵州省及广西的交界处以及青藏高原[12]。内蒙古地区极端降水指数,主要呈现东北部和西部地区降雨较多[13,14],其他较少的空间分布。广西的地形主要是喀斯特地貌,其最主要的特点是水溶性高,土壤侵蚀化严重,地表裸露,植被覆盖度低等特点[15],受西南暖流和北方冷气团的交互影响,使广西成为了灾害频发的重灾区[16],尤其是每年的5-9月降水集中时段造成的水旱灾害对地表土壤侵蚀危害极大。主要研究广西极端气候指数的时空变化特征,为探索广西1984-2019年极端气温指数以及极端降水指数的空间变化格局提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

广西壮族自治区地处中国西南地区,位于104°28'E～112°04E',北纬20°54'～26°24'(图1)。北回归线横穿广西,气候属于亚热带气候地区和热带季风气候,全年温差较大;夏季雨水充沛,年平均降水量为15002mm,洪涝灾害较为频繁[17]。喀斯特面积为89311.95 km2,占广西总面积的37.8%。广西东北部地质地貌主要以岩溶、峰丛洼地,地表主要以碳酸盐类物质为主,地下河分布广泛,且其水质较好,喀斯特降水-径流过程特殊[18],地下水丰富,土层薄,生态环境敏感性和脆弱性较高,对极端气候事件极其敏感。

图1 广西气象站点分布图(注:图1来源于2019年中国地图审图号GS(2019)1822号,地图编制过程中对原地图无任何修改)

1.2 数据来源与处理

气象数据来源于中国气象数据网(http://data.sheshiyuanyi.com/),选择1984-2019年广西18个气象站点日最高温、日最低温数据和1984-2019年逐日降水时间序列数据[11]。对缺测的数据记录统一设置为-99.9,通过RClim Dex模型处理,数据质量控制在3倍标准差以内,即[mean-3*std,mean+3*std][5],剔除超出3倍标准差的离群值,严格挑选符合要求的数据以保障数据处理质量。

1.3 研究内容

为了探明广西极端气候事件的时间演变规律以及空间分布格局,本研究选取联合国领导的政府间气候变化专门委员会(IPCC)推荐的25个极端气候指数[8],其中包括极端气温指数14个(表1)、极端降水指数11个(表2)两部分。

表1 极端气温指数定义

表2 极端降水指数定义

1.4 方法

1.4.1 趋势分析法

利用一元线性回归分析法[6]模拟广西地区极端气候指数的年变化趋势,其计算式为:

式中,i为年份序号;Ki为第i年的极端气温指数;n为时间序列长度。slope>0表示指数变化为上升趋势,反之则为下降趋势,本研究一元线性回归分析法均在0.05显著性水平检验下进行。

1.4.2 Mann-Kendall突变检验法

利用Mann-Kendall突变检验法[11]结合滑动T检验法对极端气候指数进行突变分析。两者在置信度之间的交点为突变点,利用滑动T检验法来识别交点中的真实突变点以及虚假突变点。

1.4.3 反距离加权插值法

基于相邻相似的原理对数据进行插值的方法[12]。两个目标距离越近,它们的性质和属性则越相近,它以插值点和样本点之间的距离为权重,进行加权平均,离插值点越近的样本点所赋予的权重越大。其计算式为:

2 结果与分析

2.1 极端气温指数时空变化特征

2.1.1 极端气温指数时间变化趋势

根据显著性水平检验,14个极端气温指数中,10个指数通过了0.05显著性检验,TNn,TXn,DTR,GSL没有通过。经过线性回归分析后得出,广西极端气温指数总体趋势表现为上升趋势(图2)。在图2的a图中,TXx,TNn,TNx三者呈现上升趋势,仅TXn指数呈现下降趋势。说明近36年,广西气温中最高气温、最低气温均在升高,在三者提升的同时,日最高气温最小值TXn呈现下降趋势。在b,c,d图中,低温类指数下降,高温类指数上升的变化趋势。低温类指数与a中的日最高气温最小值TXn相呼应。在e图中,热夜指数TR、夏天日数SU都在不同程度上呈现上升趋势。在f,g图中,两图呈现下降趋势,说明广西的温度日较差在不断缩小,生长期长度也随着温度日较差的原因在缩短。

图2 1984-2019年广西极端气温指数年际变化趋势

2.1.2 极端气温指数突变分析

利用M-K突变检验法,再结合滑动T检验可以精确到突变年份(见表3),从14个极端气温指数分析,广西1984-2019年极端气温指数发生突变具有随机性,突变区间在1987-2012年,从1987年至2009年突变具有随机性,2009年之后每年均有极端气温指数变化。从表3看,2009-2012年,广西年际气温变化较大。除了日最低气温最大值TNx、昼暖日数TX90、暖夜日数TN90以及热夜日数TR等没有发生突变情况,较为稳定。

表3 极端气温指数结合滑动t检验突变年份

2.2 极端降水指数时间变化特征

2.2.1 极端降水指数年际变化特征

根据显著性水平检验,11个极端气温指数中,通过0.05显著性检验指数有7个。只有CDDR10mm、R95、R99的指数没有通过0.05显著性水平检验。在11个指数中,极端降水指数年变化总体为上升趋势,只有连续无雨日数CDD表现表现为下降趋势,如图3所示,说明广西近36年降水量呈现上升趋势。a图年降水量PRCPTOT中,每年以6.8725mm的速度上升,说明广西雨水逐年充沛;b图中降水强度SDII也在不断上升,表示降水强度的d,e,f图均表现为较为明显的上升趋势。

图3 1984-2019年广西极端降水指数年际变化趋势

2.2.2 极端降水指数突变分析

同理利用M-K突变检验法结合滑动T检验法得到发生突变的确切年份(见表4),极端降水指数突变主要发生在1987-2007年,在1991年和2002年,出现突变的频率较高,这两年较其余年份变化差异较大。

表4 极端降水指数结合滑动t检验突变年份

2.3 极端气候指数变化趋势空间分布特征

2.3.1 极端气温指数空间分布差异

利用ArcGis10.7中的反距离权重插值法(IDW)对极端气温指数进行空间插值(见图4)。过去36年间,日最高温TXx最大上升趋势0.6℃/10a,主要分布在广西的北部以及西部,最大下降趋势0.2℃/10a,从广西中部向东南方向递减。日最高气温最小值TXn最大上升趋势主要分布在东南方向,向西北部快速递减。日最低温度TNn主要以上升趋势为主,最大上升趋势为0.8℃/10a,主要分布在广西东部地区以及中部地区。日最低气温最大值TNx表现为由东北部向西南部逐步递减。

图4 1984-2019年广西极端气温指数空间格局变化趋势

冷夜日数TN10主要以下降趋势为主,其中南宁市的上升趋势最大,变化率为1.6d/10a,下降趋势大的地方主要集中在广西西部、东北部。冷昼日数TX10主要以上升趋势为主,主要分布在广西北部以及南宁市,最大下降速率为2℃/10a。暖昼日数TX90主要以下降趋势为主,最大下降趋势为1.1d/10a,主要分布为广西的中部地区,由中间向两边逐渐升高。暖夜日数主要以上升趋势为主,除了南宁市,其他区域均处于上升趋势,最大的上升趋势为4.8d/10a(见续图4)。

冷日持续日数CSDI以上升趋势为主,最大上升趋势主要分布在中部,东部相对有所降低。暖日持续日数WSDI与冷日持续日数CSDI分布相对一致,均是以上升趋势为主,占广西大部分地区。热夜日数TR变化率,最大上升趋势为11.5d/10a,与暖夜日数TN90趋势变化一致。夏天日数SU主要以下降趋势为主,只有广西的东北部以及西部呈现上升趋势,最大上升趋势为8.3d/10a。生长期长度GSL中部地区以下降趋势为主,北部和西部则以上升趋势为主,最大上升趋势为0.3d/10a,最低下降趋势为0.8d/10a;温度日较差DTR主要以下降趋势为主,只有南宁市等南部地区呈现较大的上升趋势,速率下降地区主要集中的广西的中部地区。

2.3.2 极端降水指数空间分布差异

表示降水强度的指数包括年降水量PRCPTOT、强降水量R95、极强降水量R99,降水强度SDII,1日最大降水量Rx1day,5日最大降水量Rx5day;表示极端降水事件发生频率和持续时长的指数包括连续有雨日数CWO、连续无雨日数CDD、小雨日数R10mm、大雨日数R20mm、暴雨日数R25mm。

根据过去36年时间序列数据插值结果,极端降水指数空间格局分布如下(图5):广西年降水量PRCPTOT、降水强度SDII变化速率自东向西逐渐下降,最大上升速率分别为191.7mm/10a和1.4d/10a,最大下降速率分别为5.5mm/10a和3.7d/10a。上述说明广西降水强度以及降水频率均由东向西逐渐降低,降水区域主要集中在广西的东部,出现洪涝灾害的可能性较高;连续无雨日数CDD最大速率1.2d/10a,最低下降趋势值为4.1d/10a,东部地区年降水量PRCPTOT高,然而连续无雨日数CDD,说明东部降水特点具有骤发性,主要集中在汛期,即使西部地区连续无雨日数CDD处于下降趋势,但年降水量PRCPTOT低,因此出现较为容易出现干旱现象。

图5 1984-2019年广西极端降水指数空间格局变化趋势

连续有雨日数CWD、强降水量R95、极强降水量R99、1日最大降水量Rx1day、5日最大降水量Rx5day等5个指数均呈现大面积下降趋势(续图5),后4个指数上升趋势最大地区均主要集中在都安瑶族自治县,上升趋势值在118.9～142.4mm/10a,其余地区均呈现明显的下降趋势。小雨日数R10mm、大雨日数R20mm、暴雨日数R25mm的指数变化趋势由广西东部向西方向逐渐降低,最大上升趋势值处于3.6～5.4d/10a,东北部降水日数较西部地区多。

3 讨 论

北回归线横穿广西壮族自治区,热带气旋等极端气候事件发生的概率较为频繁。据统计,1949-2020年间,因降水引起的重大台风、洪涝灾害事件发生了12起,威胁人民的人身安全以及财产安全。

从时间上来看,根据相关文献,从1958-2022年,广西整体平均气温不断升高,到2005年已经升高了0.5℃,年平均最高、最低气温、年降水量从90年代之后均出现气温波动上升趋势[19];西南5省中,TN10、TX10和DTR有明显的下降,但其余指数均是上升趋势[21],广西地区除以上3个指数下降之外,另外还加上GSL、CSDI两个指数。年降水量PRCPTOT上升、而连续无雨日数CDD呈下降趋势,说明广西整体降水从时间上分布极不均匀。珠江流域两广地区汛期与非汛期降水极不均匀,汛期降水量超出全年75%以上,说明广西的降雨量在时间上分布极不均匀[20]。

从空间上看,西南5省市中,广西的低温类指数与高温类指数均属于高值区,且温度日较差DTR变化微弱,说明气温变化幅度小[21]。本研究中14个极端气温指数,均较为稳定,虽然在90年代以及21世纪初发生了突变,但在西南范围内,尚在可接受范围内[22]。西南5省市中,极端降水指数中,年降水量PRCPTOT、Rx1day、Rx5day以及R95呈现自西北向东南递增,从研究结果看,在广西区域内PRCPTOT、Rx1day、Rx5day以及R95均保持稳定,只有都安瑶族自治县的降水量有所增加,但不显著,本研究结果与之一致。

4 结 论

(1)广西地区极端气温指数年际变化趋势方面总体呈现高温类指数TXx、TNn、TNx、TX90、TN90、WSDI、TR、SU上升,低温类指数TXn、TN10、TX10、CSDI、GSL、DTR下降的趋势。极端气温指数突变情况为1987-2009年突变频率具有随机性,2009年之后频率频率高,日最低气温最大值TNx、昼暖日数TX90、暖夜日数TN90以及热夜日数TR无突变现象。

(2)空间格局变化方面,极端高温指数中日最高温TXx最大上升趋势0.6℃/10a,主要分布在广西的北部以及西部;日最高气温最小值TXn最大上升趋势主要分布在东南方向,向西北部快速递减。日最低温度TNn最大上升趋势为0.8℃/10a,主要分布在广西东部地区以及中部地区。日最低气温最大值TNx表现为有东北部向西南部逐步递减。冷夜日数TN10、暖昼日数TX90空间格局呈下降趋势,广泛分布在广西中部以及北部地区;冷昼日数TX10、暖夜日数TN90相反。冷日持续日数CSDI、暖日持续日数WSDI、热夜日数均呈上升趋势,主要分布在广西中、东部区域,夏天日数SU、生长期长度GSL、温度日较差DTR大部分地区呈下降趋势。

(3)极端降水指数指数总体呈现上升趋势,其中PRCPTOT、SDII、CWD、Rx1day、Rx5day、R95、R99、R10mm、R20mm、R25mm呈上升趋势,仅连续无雨日数CDD呈下降趋势,极端降水指数突变年份主要集中在1991和2001年,其余年份突变较为随机。

(4)极端降水指数空间格局变化方面,总体上为西部降水量下降,干旱程度比东部高,东部降水量呈上升。年降水量PRCPTOT、降水强度SDII、连续无雨日数CDD、小雨日数R10mm、大雨日数R20mm、暴雨日数R25mm均呈自东向西递减的空间格局变化;连续有雨日数CWD上升趋势主要分布在融安县;强降水量R95、极强降水量R99、1日最大降水量Rx1day、5日最大降水量Rx5day4个极端降水指数呈上升趋势区域主要分布在都安瑶族自治县。