1961—2019年廣西喀斯特地區(qū)低溫凍害時(shí)空變化規(guī)律

謝映 陳誠(chéng) 陳燕麗* 張悅

（1.廣西壯族自治區(qū)氣象科學(xué)研究所，廣西 南寧 530022；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 北京 100094）

低溫凍害是指氣溫下降至0℃以下（T≤0℃），植物內(nèi)部組織出現(xiàn)脫水結(jié)冰進(jìn)而導(dǎo)致植物受害或死亡的現(xiàn)象，其中包括寒潮凍害和霜凍。［1］廣西大部分地區(qū)易受低溫凍害影響，特別是喀斯特地區(qū)，分布面廣，約占全區(qū)土地總面積的35.1%，且石漠化現(xiàn)象較嚴(yán)重［2，3］，因此當(dāng)?shù)卦烊滥芰Σ?，長(zhǎng)期受自然因素和人為因素的干擾，植被受破壞程度高，生態(tài)系統(tǒng)異常脆弱，抵御災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的能力相對(duì)較低。受先天條件制約，廣西喀斯特地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展落后，曾是典型貧困地區(qū)（少數(shù)民族聚居區(qū)、精準(zhǔn)扶貧縣市、革命老區(qū)及邊境地區(qū)）。［4］近年來(lái)廣西喀斯特地區(qū)大量種植熱帶、亞熱帶果樹，越冬作物等，隨著人口密度不斷加大，加之防災(zāi)抗災(zāi)能力差，一旦發(fā)生低溫凍害，會(huì)給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)造成巨大損失。歷史資料顯示，低溫凍害曾給廣西農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)過嚴(yán)重威脅，例如2008年廣西發(fā)生的低溫雨雪冰凍過程，桂北大部分喀斯特地區(qū)淪為重災(zāi)區(qū)。［5］

在全球氣候變化、生態(tài)環(huán)境惡化的大背景下，自然災(zāi)害發(fā)生頻繁且強(qiáng)度加劇發(fā)展［6］，相關(guān)研究人員對(duì)低溫凍害、喀斯特地區(qū)開展了許多研究。如Hongliu Huang等［7］基于廣西逐日氣溫、降水資料建立72小時(shí)低溫冷害預(yù)測(cè)模型，發(fā)現(xiàn)該模型在非線性低溫冷害預(yù)測(cè)方面具有較好的適用性。譚宗琨等［8］通過研究廣西甘蔗凍害空間分布特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)低溫凍害出現(xiàn)頻率隨緯度、海拔增加而增高，且影響程度加重。饒智杰［9］分析了四川西充縣近8年西鳳臍橙等果樹產(chǎn)量資料和對(duì)應(yīng)年份氣象災(zāi)害成災(zāi)率資料，發(fā)現(xiàn)低溫凍害對(duì)其產(chǎn)量影響最大。在對(duì)喀斯特地區(qū)研究中，蒙吉軍等［10］利用NDVI、NPP數(shù)據(jù)集研究西南喀斯特地區(qū)植被變化與氣候變化的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)植被受氣溫表現(xiàn)顯著。陳燕麗等［11］通過建立氣候因子植被 EVI 擬合模型分析廣西喀斯特地區(qū)植被指數(shù)與多種氣候因子的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)氣候因子對(duì)喀斯特地區(qū)植被 EVI 影響顯著。楊艷萍等［12］研究廣西喀斯特地區(qū)多年植被NDVI與地形、氣候變化和土地利用的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)氣溫和降水對(duì)植被NDVI均為正影響。目前對(duì)低溫凍害、喀斯特地區(qū)及氣溫與喀斯特地區(qū)的關(guān)系開展的研究雖較多，但針對(duì)喀斯特生態(tài)脆弱區(qū)低溫凍害的研究與報(bào)道仍未見。

本文采用覆蓋廣西喀斯特地區(qū)的69個(gè)國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站觀測(cè)資料，選取1961—2019年59年逐年逐日最低氣溫、≤0℃低溫日數(shù)、≤0℃低溫有效積溫氣象數(shù)據(jù)及地理信息數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、線性趨勢(shì)擬合、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)以及GIS反距離加權(quán)空間插值等方法，探究廣西喀斯特地區(qū)低溫凍害的時(shí)空分布規(guī)律，為提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)防災(zāi)減災(zāi)抗災(zāi)能力、優(yōu)化地區(qū)產(chǎn)業(yè)布局提供科學(xué)決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究地區(qū)概況

廣西壯族自治區(qū)地處中國(guó)南疆，位于東經(jīng)104°28′～112°04′，北緯 20°54′～26°24′，北回歸線橫貫中部，地處兩廣丘陵西部，南臨北部灣海面，西、北部為云貴高原邊緣，東北為南嶺山地。四周山地高原環(huán)繞，喀斯特地貌區(qū)廣布，集中連片分布于桂西南、桂西北、桂中、桂東北，占廣西總面積的37.8%。廣西喀斯特地區(qū)及氣象觀測(cè)站點(diǎn)分布圖如圖1所示。

圖1 廣西喀斯特地區(qū)及氣象觀測(cè)站點(diǎn)分布圖

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

文章基于廣西全區(qū)91個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站，選取覆蓋研究區(qū)域的觀測(cè)站共69個(gè)，分別統(tǒng)計(jì)1961—2019年59年逐年逐日最低氣溫、≤0℃低溫日數(shù)、≤0℃低溫有效積溫氣象數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源于廣西壯族自治區(qū)氣象信息中心。

地理信息數(shù)據(jù)（矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)），即廣西數(shù)字高程模型DEM數(shù)據(jù)（經(jīng)度、緯度、海拔高度、坡度、坡向等柵格數(shù)據(jù)）、廣西區(qū)和市行政邊界、廣西喀斯特地區(qū)矢量邊界，廣西氣象站點(diǎn)經(jīng)緯度信息等來(lái)源于國(guó)家地理信息中心。

1.3 研究方法

1.3.1 線性趨勢(shì)擬合

統(tǒng)計(jì)出1961—2019年59年最低氣溫、≤0℃低溫日數(shù)、≤0℃低溫有效積溫的指標(biāo)值，運(yùn)用趨勢(shì)擬合法［13］等方法，計(jì)算出趨勢(shì)線的斜率，為變化趨勢(shì)。斜率大于0增加，反之減少，進(jìn)而分析廣西喀斯特地區(qū)低溫凍害年際變化趨勢(shì)。

1.3.2 GIS反距離加權(quán)空間插值

采用GIS反距離加權(quán)空間插值法，對(duì)選取的氣象因子空間插值，在考慮海拔高度、坡度、坡向、經(jīng)度、緯度5個(gè)地理參數(shù)因子基礎(chǔ)上，構(gòu)建廣西低溫凍害空間變化趨勢(shì)模型，并通過殘差訂正，分析廣西低溫凍害的空間變化特征。

1.3.3 Mann-Kendall突變檢驗(yàn)（M-K法）

M-K法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法，優(yōu)點(diǎn)是樣本既不必遵從一定的分布規(guī)律，也不受少量異常數(shù)值的干擾。［14，15］在氣候診斷與預(yù)測(cè)中會(huì)經(jīng)常使用該方法，可以有效并且準(zhǔn)確判斷氣候序列中是否存在氣候突變，并確定突變發(fā)生的具體時(shí)間和區(qū)域。具體方法如下：

假設(shè)有一時(shí)間序列（x1，x2，…，xn），用一個(gè)統(tǒng)計(jì)量cr來(lái)表示這n個(gè)樣本數(shù)據(jù)，計(jì)算方程分別為：

其中，m為第i個(gè)樣本xi＞xj（1≤j≤i）的累積數(shù)值，E（ck）、δ（ck）分別為ck的平均值和方差，UFk為ck的標(biāo)準(zhǔn)化，按逆序列數(shù)據(jù)（xn，xn-1，…，x1）重復(fù)上面過程，使UB1=0。若UF值＞0，說明持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)；若UF值＜0，則下降趨勢(shì)；UF值在0.05顯著性水平線上，則通過0.05顯著性檢驗(yàn)；UF和UB曲線交點(diǎn)在置信水平區(qū)間［-1.96 1.96］內(nèi)，說明該年份參數(shù)呈現(xiàn)突變性增長(zhǎng)狀態(tài)，且交點(diǎn)為突變點(diǎn)［16］；若交點(diǎn)在檢驗(yàn)范圍內(nèi)，且沒有通過0.05檢驗(yàn)，則該年份參數(shù)不具突變上升性。

2 結(jié)果分析

2.1 低溫氣象因子時(shí)間變化特征

對(duì)研究區(qū)1961—2019年59年最低氣溫、≤0℃低溫日數(shù)和≤0℃低溫有效積溫指數(shù)在年際上進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。圖2（a）（最低氣溫）整體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，年際傾向率為0.41℃/10 a。60～70年代后期（1961—1978年）最低氣溫上升緩慢，在1963年達(dá)最低值，為-2.1℃；自70年代末期（1979—2009年）開始，呈上升趨勢(shì)較明顯；21世紀(jì)（2015年）出現(xiàn)峰值3.8℃。圖2（b）（≤0℃低溫日數(shù)）波動(dòng)方向與最低氣溫相反，整體呈下降趨勢(shì)，年際傾向率為-0.38 d/10 a。60年代至70年代中后期（1961—1976年）呈上升趨勢(shì)，于1974年達(dá)峰值7 d；自70年代后期（1977—2019年）開始呈緩慢下降趨勢(shì)，于20年代（2014年）達(dá)最小值0。圖2（c）（≤0℃低溫有效積溫）波動(dòng)方向與最低氣溫一致，整體呈上升趨勢(shì)，年際傾向率為0.51℃/10 a。70年代后期（1961—1975年）之前呈下降趨勢(shì)，于1974年達(dá)最低值-9.6℃；70年代后期（1976—2019年）逐漸波動(dòng)上升。

圖2 1961—2019年廣西喀斯特地區(qū)最低氣溫、≤0℃低溫日數(shù)和≤0℃低溫有效積溫時(shí)間變化趨勢(shì)［（a）為最低氣溫，（b）為≤0℃低溫日數(shù)，（c）為≤0℃低溫有效積溫）］

綜上，廣西喀斯特地區(qū)最低氣溫、≤0℃低溫日數(shù)和≤0℃低溫有效積溫的變化特征有明顯異同。相同點(diǎn)：三者傾向率絕對(duì)值相近，整體波動(dòng)幅度接近，進(jìn)入70年代后期波動(dòng)的幅度均減緩，60～70年代期間達(dá)峰值；不同點(diǎn)：≤0℃低溫日數(shù)和最低氣溫、≤0℃低溫有效積溫均具有明顯的反方向?qū)ΨQ性，其中≤0℃低溫日數(shù)整體呈下降趨勢(shì)，其他兩者則相反。

2.2 低溫氣象因子的突變特征分析

利用M-K突變檢驗(yàn)法對(duì)研究區(qū)1961—2019年59年日最低氣溫、≤0℃低溫日數(shù)和≤0℃低溫有效積溫指數(shù)進(jìn)行突變分析，結(jié)果如圖3所示。圖3（a）（最低氣溫），在60～80年代中前期（1961—1984年）期間波動(dòng)變化不明顯，進(jìn)入80年代中期前（1984年）發(fā)生突變，且呈增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯，于1987年通過了?＝0.05的顯著性檢驗(yàn)。圖3（b）（≤0℃低溫日數(shù)）在60～80年代中后期（1961—1986年）呈不明顯波動(dòng)，80年代中后期（1986年）UF和UB兩條信度相交于曲線內(nèi)，說明≤0℃低溫日數(shù)在80年代之間（1986年）發(fā)生突變，之后呈明顯下降趨勢(shì)，并在1987年通過了?＝0.05的顯著性檢驗(yàn)。圖3（c）（≤0℃低溫有效積溫）在60～80年代中期（1961—1985年）之間波動(dòng)不明顯，在80年代中后期（1986年） UF和UB兩條信度相交，說明1985年發(fā)生突變，之后呈明顯上升趨勢(shì)，并在1988年通過了?＝0.05的顯著性檢驗(yàn)。

圖3 1961—2019年廣西喀斯特地區(qū)最低氣溫、≤0℃低溫日數(shù)和≤0℃低溫有效積溫M-K突變點(diǎn)檢驗(yàn)［（a）為最低氣溫，（b）為≤0℃低溫日數(shù)，（c）為≤0℃低溫有效積溫］

綜上，最低氣溫、≤0℃低溫日數(shù)和≤0℃低溫有效積溫突變特征在年際上具有明顯規(guī)律性：發(fā)生突變前（60～70年代），三者均呈無(wú)明顯波動(dòng)狀態(tài)；進(jìn)入80年代后，發(fā)生突變和通過顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05），時(shí)間均在80年代中期前后；發(fā)生突變后，除≤0℃低溫日數(shù)出現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，其余兩者顯著上升。

2.3 低溫氣象因子指數(shù)變化趨勢(shì)的空間分布特征

利用GIS反距離加權(quán)空間插值法對(duì)研究區(qū)1961—2019年59年最低氣溫、≤0℃低溫日數(shù)和≤0℃低溫有效積溫的指數(shù)變化趨勢(shì)進(jìn)行空間插值、顯著性水平（P＜0.05）檢驗(yàn)分析，研究廣西喀斯特地區(qū)低溫凍害空間變化趨勢(shì)，結(jié)果如表1和圖4所示。

表1 1961—2019年廣西喀斯特地區(qū)低溫因子顯著性站點(diǎn)比

圖4 1961—2019 年廣西喀斯特地區(qū)最低氣溫、≤ 0℃低溫日數(shù)和≤ 0℃低溫有效積溫變化趨勢(shì)的空間分布［（a）為最低氣溫，（b）為≤ 0℃低溫日數(shù)，（c）為≤ 0℃低溫有效積溫）］

圖4（a）（最低氣溫）總體由東向西呈上升變化趨勢(shì)，年際傾向率為0.39～0.44℃/a，升溫幅度較大的區(qū)域分布在桂西南、桂西北地區(qū)，上升站點(diǎn)數(shù)占比達(dá)95.7%，約94.2%的站點(diǎn)通過顯著性水平（P＜0.05）檢驗(yàn)。圖4（b）（≤0℃低溫日數(shù)）在空間上整體由南向北呈下降變化趨勢(shì)，年際傾向率為-1.37～0 d/a，桂北部下降幅度較大，峰值出現(xiàn)在東北部，下降站點(diǎn)數(shù)占比達(dá)98.5%，約80.0%的站點(diǎn)通過顯著性水平（P＜0.05）檢驗(yàn)。圖4（c）（≤0℃低溫有效積溫）在空間上由南向北整體呈上升的變化趨勢(shì)，年際傾向率為0～2.30℃/a，桂北的靠北地區(qū)上升幅度較大，峰值出現(xiàn)在資源、全州和興安等地，上升的站點(diǎn)數(shù)占比達(dá)89.8%，約73.9%的站點(diǎn)通過顯著性水平（P＜0.05）檢驗(yàn)。

綜上，廣西喀斯特地區(qū)1961—2019年最低氣溫、≤0℃低溫日數(shù)和≤0℃低溫有效積溫的變化趨勢(shì)在空間分布上均受緯度、海拔高度等因素共同影響，呈現(xiàn)出明顯的南北差異特征。其中最低氣溫整體呈上升波動(dòng)變化趨勢(shì)，由南向北隨緯度、高度的增加變化速度越慢?！?℃低溫有效積溫整體也呈上升趨勢(shì)，但變化趨勢(shì)與最低氣溫相反?！?℃低溫日數(shù)從南到北整體上則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，隨緯度、高度的增加下降趨勢(shì)加快。

3 結(jié)論與討論

在時(shí)間序列上：最低氣溫和≤0℃低溫有效積溫均呈上升變化趨勢(shì)，傾向率分別為0.41℃/10 a和0.51℃/10 a，≤0℃低溫日數(shù)則出現(xiàn)下降趨勢(shì)，傾向率為-0.38 d/10 a。整體看來(lái)，近59年來(lái)氣溫總體呈上升趨勢(shì)。［17］

在突變檢驗(yàn)上：最低氣溫、≤0℃低溫日數(shù)和≤0℃低溫有效積溫突變特征在年際上具有明顯規(guī)律性，發(fā)生突變前（60～70年代），三者均呈無(wú)明顯波動(dòng)狀態(tài)；80年代期間三者發(fā)生突變且通過顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05）；發(fā)生突變后，除≤0℃低溫日數(shù)出現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)外，其余兩者顯著上升。從突變特征分析，在80年代中期前后氣溫開始出現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)。

在空間分布上：最低氣溫、≤0℃低溫日數(shù)和≤0℃低溫有效積溫的變化趨勢(shì)在空間分布上均受緯度、海拔高度等因素共同影響，呈現(xiàn)出明顯的南北差異特征。最低氣溫和≤0℃低溫有效積在空間上均呈上升變化趨勢(shì)，但最低氣溫隨緯度、高度增加變化趨勢(shì)越慢，兩者呈負(fù)相關(guān)；≤0℃低溫有效積溫則與最低氣溫相反；≤0℃低溫日數(shù)從南到北整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，隨緯度、高度的增加下降趨勢(shì)加快，兩者呈正相關(guān)。從空間分布規(guī)律可看出，氣溫總體呈上升趨勢(shì)，且隨著緯度、海拔高度增加溫度降低越慢。

廣西喀斯特地區(qū)近59年低溫凍害時(shí)空變化中，氣溫總體呈上升變化趨勢(shì)，這與全球氣候變化特征具有一致性。［18］低溫凍害對(duì)喀斯特地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)修復(fù)具有較大影響，因此，在科研上，需加強(qiáng)對(duì)喀斯特地區(qū)低溫凍害的相關(guān)研究，構(gòu)建低溫凍害指標(biāo)體系；在氣象服務(wù)工作上，提高氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警能力；在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，盡量種植耐寒品種，提高管理水平和栽培技術(shù)。需要說明的是本文僅對(duì)廣西喀斯特地區(qū)近59年年低溫凍害時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析，氣候因子的選取是否具有普適性仍需繼續(xù)展開研究，后期將加強(qiáng)相關(guān)方面的學(xué)習(xí)，為進(jìn)一步探究廣西喀斯特地區(qū)低溫凍害的發(fā)生和預(yù)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。