1971—2020 年廣西喀斯特地區(qū)高溫災(zāi)害時(shí)空變化特征

謝 映，陳燕麗*，陳耀飛，蘇相琴

（1.廣西壯族自治區(qū)氣象科學(xué)研究所，南寧 530022；2.環(huán)江毛南族自治縣氣象局，廣西 環(huán)江 547100；3.廣西信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530022）

大量研究表明在氣候變化和人類活動(dòng)的影響下，全球溫度明顯升高，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化委員會(huì)（IPCC）第六次評(píng)估報(bào)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(yù)計(jì)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(guó)氣溫變化與全球變化趨勢(shì)基本一致，而且有更明顯的增溫趨勢(shì)［3-4］。隨著氣候變暖，全國(guó)范圍內(nèi)高溫天氣頻發(fā)重發(fā)，高溫也成為我國(guó)嚴(yán)重的氣象災(zāi)害之一，不僅對(duì)人們?nèi)粘Ｉ?、生命健康造成不利影響，還嚴(yán)重制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，已成為學(xué)者們廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)話題［5］。郭春華等［6］對(duì)我國(guó)不同氣候區(qū)的綜合高溫危險(xiǎn)性開展研究，分析高溫危險(xiǎn)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(guó)東部地區(qū)極端高溫的時(shí)空變化規(guī)律；王鏡等［8］研究中國(guó)西南喀斯特地區(qū)極端高溫的時(shí)空變化，發(fā)現(xiàn)大部地區(qū)極端高溫出現(xiàn)上升變化趨勢(shì)；何慧等［9］對(duì)廣西高溫日數(shù)的時(shí)空變化開展研究，結(jié)果表明廣西高溫日數(shù)有明顯局地性特征；賴晟等［10］針對(duì)2021 年6—9 月廣西大范圍頻發(fā)重發(fā)的高溫天氣開展了相關(guān)研究分析。

廣西是我國(guó)喀斯特地貌發(fā)育典型的地區(qū)之一［11］，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，近年來，隨著氣候變暖廣西區(qū)域水熱分布也發(fā)生明顯變化［12］，尤其在廣西喀斯特生態(tài)脆弱地區(qū)，特殊的地質(zhì)環(huán)境導(dǎo)致地區(qū)石漠化景觀突出，植被生態(tài)環(huán)境退化使該地區(qū)對(duì)氣象災(zāi)害抵御能力和自我恢復(fù)能力很差［13-14］，氣候變化會(huì)對(duì)生態(tài)脆弱的喀斯特地區(qū)造成嚴(yán)重影響，尤其是發(fā)生高溫災(zāi)害，會(huì)加劇石漠化程度，制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展［8，15］。因此高溫也是影響喀斯特地區(qū)最重要的氣象災(zāi)害之一。目前已有專家對(duì)廣西喀斯特地區(qū)干旱時(shí)空分布規(guī)律開展研究［16］，發(fā)現(xiàn)不同程度的氣象干旱與植被存在不同響應(yīng)［14，16］，也發(fā)現(xiàn)該地區(qū)易受低溫凍害影響，但隨著氣溫升高其災(zāi)害程度有所下降［17］。近年來極端降水、高溫事件頻發(fā)重發(fā)，給喀斯特地區(qū)石漠化治理帶來了更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)［13，18-19］。氣候變暖的背景下，對(duì)頻發(fā)的高溫氣象災(zāi)害時(shí)空變化規(guī)律的調(diào)查研究是開展喀斯特地區(qū)氣候?yàn)?zāi)害影響評(píng)估的重要前提，但目前仍未見針對(duì)廣西喀斯特地區(qū)高溫氣象災(zāi)害時(shí)空變化規(guī)律的相關(guān)研究與報(bào)道。

探索高溫氣象災(zāi)害的演變規(guī)律對(duì)喀斯特地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此，本研究基于長(zhǎng)時(shí)間序列氣象觀測(cè)資料，選擇日≥35 ℃高溫日數(shù)、≥35 ℃有效積溫作為研究高溫氣象災(zāi)害的指數(shù)，利用線性趨勢(shì)分析法和空間插值分析法詳細(xì)分析廣西喀斯特地區(qū)高溫氣象災(zāi)害的時(shí)空變化規(guī)律，進(jìn)一步為該地區(qū)高溫氣象災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)、監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警以及當(dāng)?shù)厥卫砗椭脖簧鷳B(tài)修復(fù)等提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

廣西壯族自治區(qū)喀斯特地貌面積占其總國(guó)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(nèi)，全區(qū)共88 個(gè)市縣，其中80 個(gè)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(qū)［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(duì)高差一般為50～600 m），表層巖性風(fēng)化破碎嚴(yán)重，巖性多變，近地表結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)［23］，土壤貧瘠，生態(tài)環(huán)境惡劣，石漠化現(xiàn)象突出，自我恢復(fù)和抵御風(fēng)險(xiǎn)能力較弱，受氣候變化影響大、氣象災(zāi)害影響敏感脆弱性較高，嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

1.2 數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)取自廣西壯族自治區(qū)氣象信息中心提供的69 個(gè)覆蓋喀斯特地區(qū)氣象觀測(cè)站點(diǎn)1971—2020 年逐日氣溫?cái)?shù)據(jù)。中國(guó)氣象局把高溫定義為日最高氣溫≥35 ℃，對(duì)應(yīng)的天數(shù)定義為高溫日數(shù)［24-25］。因此，本研究選取≥35 ℃高溫日數(shù)、≥35 ℃有效積溫作為研究喀斯特地區(qū)高溫氣象災(zāi)害指數(shù)（表1），運(yùn)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(qū)高溫氣象災(zāi)害的時(shí)空變化規(guī)律。

表1 高溫氣象災(zāi)害指數(shù)

地理信息數(shù)據(jù)包括:來自地理空間數(shù)據(jù)云30 m空間分辨率的廣西數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM）數(shù)據(jù)（經(jīng)度、緯度和海拔高度、坡度和坡向等柵格數(shù)據(jù)）和廣西壯族自治區(qū)氣象科學(xué)研究所提供的1∶25 萬廣西區(qū)市縣行政邊界、廣西喀斯特地區(qū)矢量邊界、廣西氣象站點(diǎn)經(jīng)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(jì)算

高溫有效積溫（Effective Accumulated High Temperature，EAHT）計(jì)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(shì)分析

選取廣西行政區(qū)域范圍內(nèi)覆蓋喀斯特地區(qū)69個(gè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)觀測(cè)資料，運(yùn)用線性趨勢(shì)法分析1971—2020 年廣西喀斯特地區(qū)高溫氣象災(zāi)害長(zhǎng)時(shí)間序列的變化趨勢(shì)［27］。計(jì)算公式為:

式中，n 為年數(shù)，xi是第i 年高溫氣象災(zāi)害指數(shù)值，rxt為高溫氣象災(zāi)害指數(shù)變化趨勢(shì)率，其正負(fù)值的大小表示該要素在第n 年內(nèi)線性變化趨勢(shì)，為正值，表明在一段時(shí)間內(nèi)的年高溫氣象災(zāi)害呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；反之，負(fù)值表示呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

1.3.3 GIS 反距離加權(quán)空間插值

利用GIS 反距離加權(quán)空間插值法，對(duì)年、季≥35℃高溫日數(shù)、≥35 ℃積溫系數(shù)進(jìn)行空間插值，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)建高溫氣象災(zāi)害空間變化趨勢(shì)模型，通過殘差訂正，分析廣西喀斯特地區(qū)高溫氣象災(zāi)害空間變化規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 時(shí)間變化特征

1971—2020 年廣西喀斯特地區(qū)年平均≥35 ℃高溫日數(shù)為17.7 d，年平均≥35 ℃有效積溫為16.9℃，兩者的變化趨勢(shì)相似，總體均呈極顯著（p＜0.01）明顯增加變化趨勢(shì)，變化速率分別為2.8 d·（10a）-1、3.5 ℃·（10a）-1。逐10 a 變化分析發(fā)現(xiàn)，從70 年代開始至90 年代，研究區(qū)年平均≥35 ℃高溫日數(shù)呈現(xiàn)先增后減的波動(dòng)變化，但近30 a 呈階梯式遞增變化。在5 個(gè)10 a 時(shí)段中，1971—1980 時(shí)段年平均≥35 ℃高溫日數(shù)最少（12.2 d），2011—2020 時(shí)段最多（24.5 d）。≥35 ℃有效積溫年際變化趨勢(shì)與年平均≥35 ℃高溫日數(shù)一致，1971—1980 時(shí)段年平均≥35 ℃有效積溫最少（10.2℃），2011—2020 時(shí)段最多（25.1 ℃）（圖1）。各季節(jié)≥35 ℃高溫日數(shù)波動(dòng)也較大，春、夏和秋季均呈增加變化趨勢(shì)，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(shì)，變化速率為-0.009 d·（10a）-1。各季節(jié)≥35 ℃有效積溫變化趨勢(shì)與≥35 ℃高溫日數(shù)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(shì)。季節(jié)尺度上，1971—2020 年廣西喀斯特地區(qū)夏季≥35 ℃高溫日數(shù)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(shù)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(qū)歷年≥35℃高溫日數(shù)、≥35℃有效積溫變化分布圖

綜上所述，≥35 ℃高溫日數(shù)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(shì)，且年、夏季和秋季均為顯著增加趨勢(shì)。兩者逐10 a 變化中最大值和最小值出現(xiàn)的時(shí)段基本相同，夏季是喀斯特地區(qū)高溫的高發(fā)時(shí)段，需要重點(diǎn)關(guān)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(qū)≥35 ℃高溫日數(shù)總體上由西南向東北呈增加變化趨勢(shì)，高值區(qū)主要在百色市中部、崇左市北部，低值區(qū)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(shù)空間分布規(guī)律相似，整體由東北部向西南部增加，但冬季高溫日數(shù)非常少，平均小于0.2 d，春季高溫日數(shù)明顯多于冬季，高值區(qū)主要在崇左市中北部；夏季高值區(qū)主要分布在崇左市中北部、桂林市南部；秋季空間分布規(guī)律與春季、冬季相反，整體由西南向東北遞增，高值區(qū)主要在柳州市中部、西南部以及桂林市中南部。≥35 ℃有效積溫的空間分布規(guī)律與≥35 ℃高溫日數(shù)基本一致。

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

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

2.2.2 高溫變化趨勢(shì)空間分布

年尺度上，研究區(qū)≥35 ℃高溫日數(shù)大部分地區(qū)呈增加變化趨勢(shì)，氣候傾向率為0.13～8.11 d·（10a）-1，高值區(qū)主要在百色市東南部、南寧市西北部和桂林市中南部。季節(jié)尺度上，四季≥35 ℃高溫日數(shù)大部分地區(qū)呈增加變化趨勢(shì)，但正值變化的高值區(qū)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(shù)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(qū)≥35℃有效積溫大部分地區(qū)呈增加變化趨勢(shì)，部分地區(qū)呈弱減少變化趨勢(shì)，氣候傾向率為-0.38 ℃·（10a）-1，正值變化的高值區(qū)主要在百色市東南部、崇左市中部和桂林市中部地區(qū)。季節(jié)尺度上，四季≥35 ℃有效積溫大部分地區(qū)呈增加變化趨勢(shì)，部分地區(qū)減小幅度不大。正值變化的高值區(qū)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(shù)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(qū)年平均≥35℃高溫日數(shù)（a）、≥35℃有效積溫（b）變化趨勢(shì)分布圖

綜上所述，研究區(qū)≥35 ℃高溫日數(shù)、≥35 ℃有效積溫變化趨勢(shì)在不同時(shí)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(shù)時(shí)段高值明顯。

3 結(jié)論與討論

1971—2020 年廣西喀斯特地區(qū)年平均≥35 ℃高溫日數(shù)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(shì)，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(shù)和≥35 ℃有效積溫也出現(xiàn)上升變化趨勢(shì)，但7—8 月高溫更為集中。

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

總而言之，在全球氣候變暖大背景下，廣西氣象災(zāi)害頻發(fā)重發(fā)，了解廣西喀斯特生態(tài)脆弱地區(qū)高溫災(zāi)害時(shí)空變化具有重要意義。本研究利用線性趨勢(shì)、GIS 空間插值等方法對(duì)廣西喀斯特地區(qū)1971—2020年≥35 ℃高溫日數(shù)、≥35 ℃有效積溫進(jìn)行分析，初步探究其時(shí)空分布規(guī)律，但仍有待完善，文中未涉及目前國(guó)內(nèi)外所用的多個(gè)高溫氣象災(zāi)害指標(biāo)及研究產(chǎn)生高溫區(qū)域特征的機(jī)理。廣西喀斯特地區(qū)高溫變化規(guī)律及其可能產(chǎn)生影響，仍有待加強(qiáng)探究。