1961—2019年广西喀斯特地区低温冻害时空变化规律

谢映 陈诚 陈燕丽* 张悦

（1.广西壮族自治区气象科学研究所，广西 南宁 530022；2.中国农业大学资源与环境学院 北京 100094）

低温冻害是指气温下降至0℃以下（T≤0℃），植物内部组织出现脱水结冰进而导致植物受害或死亡的现象，其中包括寒潮冻害和霜冻。［1］广西大部分地区易受低温冻害影响，特别是喀斯特地区，分布面广，约占全区土地总面积的35.1%，且石漠化现象较严重［2，3］，因此当地造壤能力差，长期受自然因素和人为因素的干扰，植被受破坏程度高，生态系统异常脆弱，抵御灾害风险的能力相对较低。受先天条件制约，广西喀斯特地区的经济发展落后，曾是典型贫困地区（少数民族聚居区、精准扶贫县市、革命老区及边境地区）。［4］近年来广西喀斯特地区大量种植热带、亚热带果树，越冬作物等，随着人口密度不断加大，加之防灾抗灾能力差，一旦发生低温冻害，会给当地经济造成巨大损失。历史资料显示，低温冻害曾给广西农业生产和人民生命财产安全带来过严重威胁，例如2008年广西发生的低温雨雪冰冻过程，桂北大部分喀斯特地区沦为重灾区。［5］

在全球气候变化、生态环境恶化的大背景下，自然灾害发生频繁且强度加剧发展［6］，相关研究人员对低温冻害、喀斯特地区开展了许多研究。如Hongliu Huang等［7］基于广西逐日气温、降水资料建立72小时低温冷害预测模型，发现该模型在非线性低温冷害预测方面具有较好的适用性。谭宗琨等［8］通过研究广西甘蔗冻害空间分布特征，结果发现低温冻害出现频率随纬度、海拔增加而增高，且影响程度加重。饶智杰［9］分析了四川西充县近8年西凤脐橙等果树产量资料和对应年份气象灾害成灾率资料，发现低温冻害对其产量影响最大。在对喀斯特地区研究中，蒙吉军等［10］利用NDVI、NPP数据集研究西南喀斯特地区植被变化与气候变化的响应，发现植被受气温表现显著。陈燕丽等［11］通过建立气候因子植被 EVI 拟合模型分析广西喀斯特地区植被指数与多种气候因子的相关性，发现气候因子对喀斯特地区植被 EVI 影响显著。杨艳萍等［12］研究广西喀斯特地区多年植被NDVI与地形、气候变化和土地利用的响应，发现气温和降水对植被NDVI均为正影响。目前对低温冻害、喀斯特地区及气温与喀斯特地区的关系开展的研究虽较多，但针对喀斯特生态脆弱区低温冻害的研究与报道仍未见。

本文采用覆盖广西喀斯特地区的69个国家级气象观测站观测资料，选取1961—2019年59年逐年逐日最低气温、≤0℃低温日数、≤0℃低温有效积温气象数据及地理信息数据，应用数理统计、线性趋势拟合、Mann-Kendall突变检验以及GIS反距离加权空间插值等方法，探究广西喀斯特地区低温冻害的时空分布规律，为提高农业生产防灾减灾抗灾能力、优化地区产业布局提供科学决策依据。

1 数据与方法

1.1 研究地区概况

广西壮族自治区地处中国南疆，位于东经104°28′～112°04′，北纬 20°54′～26°24′，北回归线横贯中部，地处两广丘陵西部，南临北部湾海面，西、北部为云贵高原边缘，东北为南岭山地。四周山地高原环绕，喀斯特地貌区广布，集中连片分布于桂西南、桂西北、桂中、桂东北，占广西总面积的37.8%。广西喀斯特地区及气象观测站点分布图如图1所示。

图1 广西喀斯特地区及气象观测站点分布图

1.2 数据来源与预处理

文章基于广西全区91个国家气象观测站，选取覆盖研究区域的观测站共69个，分别统计1961—2019年59年逐年逐日最低气温、≤0℃低温日数、≤0℃低温有效积温气象数据，数据来源于广西壮族自治区气象信息中心。

地理信息数据（矢量数据和栅格数据），即广西数字高程模型DEM数据（经度、纬度、海拔高度、坡度、坡向等栅格数据）、广西区和市行政边界、广西喀斯特地区矢量边界，广西气象站点经纬度信息等来源于国家地理信息中心。

1.3 研究方法

1.3.1 线性趋势拟合

统计出1961—2019年59年最低气温、≤0℃低温日数、≤0℃低温有效积温的指标值，运用趋势拟合法［13］等方法，计算出趋势线的斜率，为变化趋势。斜率大于0增加，反之减少，进而分析广西喀斯特地区低温冻害年际变化趋势。

1.3.2 GIS反距离加权空间插值

采用GIS反距离加权空间插值法，对选取的气象因子空间插值，在考虑海拔高度、坡度、坡向、经度、纬度5个地理参数因子基础上，构建广西低温冻害空间变化趋势模型，并通过残差订正，分析广西低温冻害的空间变化特征。

1.3.3 Mann-Kendall突变检验（M-K法）

M-K法是一种非参数统计检验法，优点是样本既不必遵从一定的分布规律，也不受少量异常数值的干扰。［14，15］在气候诊断与预测中会经常使用该方法，可以有效并且准确判断气候序列中是否存在气候突变，并确定突变发生的具体时间和区域。具体方法如下：

假设有一时间序列（x1，x2，…，xn），用一个统计量cr来表示这n个样本数据，计算方程分别为：

其中，m为第i个样本xi＞xj（1≤j≤i）的累积数值，E（ck）、δ（ck）分别为ck的平均值和方差，UFk为ck的标准化，按逆序列数据（xn，xn-1，…，x1）重复上面过程，使UB1=0。若UF值＞0，说明持续增长趋势；若UF值＜0，则下降趋势；UF值在0.05显著性水平线上，则通过0.05显著性检验；UF和UB曲线交点在置信水平区间［-1.96 1.96］内，说明该年份参数呈现突变性增长状态，且交点为突变点［16］；若交点在检验范围内，且没有通过0.05检验，则该年份参数不具突变上升性。

2 结果分析

2.1 低温气象因子时间变化特征

对研究区1961—2019年59年最低气温、≤0℃低温日数和≤0℃低温有效积温指数在年际上进行分析，结果如图2所示。图2（a）（最低气温）整体呈波动上升趋势，年际倾向率为0.41℃/10 a。60～70年代后期（1961—1978年）最低气温上升缓慢，在1963年达最低值，为-2.1℃；自70年代末期（1979—2009年）开始，呈上升趋势较明显；21世纪（2015年）出现峰值3.8℃。图2（b）（≤0℃低温日数）波动方向与最低气温相反，整体呈下降趋势，年际倾向率为-0.38 d/10 a。60年代至70年代中后期（1961—1976年）呈上升趋势，于1974年达峰值7 d；自70年代后期（1977—2019年）开始呈缓慢下降趋势，于20年代（2014年）达最小值0。图2（c）（≤0℃低温有效积温）波动方向与最低气温一致，整体呈上升趋势，年际倾向率为0.51℃/10 a。70年代后期（1961—1975年）之前呈下降趋势，于1974年达最低值-9.6℃；70年代后期（1976—2019年）逐渐波动上升。

图2 1961—2019年广西喀斯特地区最低气温、≤0℃低温日数和≤0℃低温有效积温时间变化趋势［（a）为最低气温，（b）为≤0℃低温日数，（c）为≤0℃低温有效积温）］

综上，广西喀斯特地区最低气温、≤0℃低温日数和≤0℃低温有效积温的变化特征有明显异同。相同点：三者倾向率绝对值相近，整体波动幅度接近，进入70年代后期波动的幅度均减缓，60～70年代期间达峰值；不同点：≤0℃低温日数和最低气温、≤0℃低温有效积温均具有明显的反方向对称性，其中≤0℃低温日数整体呈下降趋势，其他两者则相反。

2.2 低温气象因子的突变特征分析

利用M-K突变检验法对研究区1961—2019年59年日最低气温、≤0℃低温日数和≤0℃低温有效积温指数进行突变分析，结果如图3所示。图3（a）（最低气温），在60～80年代中前期（1961—1984年）期间波动变化不明显，进入80年代中期前（1984年）发生突变，且呈增长趋势明显，于1987年通过了∂＝0.05的显著性检验。图3（b）（≤0℃低温日数）在60～80年代中后期（1961—1986年）呈不明显波动，80年代中后期（1986年）UF和UB两条信度相交于曲线内，说明≤0℃低温日数在80年代之间（1986年）发生突变，之后呈明显下降趋势，并在1987年通过了∂＝0.05的显著性检验。图3（c）（≤0℃低温有效积温）在60～80年代中期（1961—1985年）之间波动不明显，在80年代中后期（1986年） UF和UB两条信度相交，说明1985年发生突变，之后呈明显上升趋势，并在1988年通过了∂＝0.05的显著性检验。

图3 1961—2019年广西喀斯特地区最低气温、≤0℃低温日数和≤0℃低温有效积温M-K突变点检验［（a）为最低气温，（b）为≤0℃低温日数，（c）为≤0℃低温有效积温］

综上，最低气温、≤0℃低温日数和≤0℃低温有效积温突变特征在年际上具有明显规律性：发生突变前（60～70年代），三者均呈无明显波动状态；进入80年代后，发生突变和通过显著性检验（P＜0.05），时间均在80年代中期前后；发生突变后，除≤0℃低温日数出现显著下降趋势，其余两者显著上升。

2.3 低温气象因子指数变化趋势的空间分布特征

利用GIS反距离加权空间插值法对研究区1961—2019年59年最低气温、≤0℃低温日数和≤0℃低温有效积温的指数变化趋势进行空间插值、显著性水平（P＜0.05）检验分析，研究广西喀斯特地区低温冻害空间变化趋势，结果如表1和图4所示。

表1 1961—2019年广西喀斯特地区低温因子显著性站点比

图4 1961—2019 年广西喀斯特地区最低气温、≤ 0℃低温日数和≤ 0℃低温有效积温变化趋势的空间分布［（a）为最低气温，（b）为≤ 0℃低温日数，（c）为≤ 0℃低温有效积温）］

图4（a）（最低气温）总体由东向西呈上升变化趋势，年际倾向率为0.39～0.44℃/a，升温幅度较大的区域分布在桂西南、桂西北地区，上升站点数占比达95.7%，约94.2%的站点通过显著性水平（P＜0.05）检验。图4（b）（≤0℃低温日数）在空间上整体由南向北呈下降变化趋势，年际倾向率为-1.37～0 d/a，桂北部下降幅度较大，峰值出现在东北部，下降站点数占比达98.5%，约80.0%的站点通过显著性水平（P＜0.05）检验。图4（c）（≤0℃低温有效积温）在空间上由南向北整体呈上升的变化趋势，年际倾向率为0～2.30℃/a，桂北的靠北地区上升幅度较大，峰值出现在资源、全州和兴安等地，上升的站点数占比达89.8%，约73.9%的站点通过显著性水平（P＜0.05）检验。

综上，广西喀斯特地区1961—2019年最低气温、≤0℃低温日数和≤0℃低温有效积温的变化趋势在空间分布上均受纬度、海拔高度等因素共同影响，呈现出明显的南北差异特征。其中最低气温整体呈上升波动变化趋势，由南向北随纬度、高度的增加变化速度越慢。≤0℃低温有效积温整体也呈上升趋势，但变化趋势与最低气温相反。≤0℃低温日数从南到北整体上则呈现下降趋势，随纬度、高度的增加下降趋势加快。

3 结论与讨论

在时间序列上：最低气温和≤0℃低温有效积温均呈上升变化趋势，倾向率分别为0.41℃/10 a和0.51℃/10 a，≤0℃低温日数则出现下降趋势，倾向率为-0.38 d/10 a。整体看来，近59年来气温总体呈上升趋势。［17］

在突变检验上：最低气温、≤0℃低温日数和≤0℃低温有效积温突变特征在年际上具有明显规律性，发生突变前（60～70年代），三者均呈无明显波动状态；80年代期间三者发生突变且通过显著性检验（P＜0.05）；发生突变后，除≤0℃低温日数出现显著下降趋势外，其余两者显著上升。从突变特征分析，在80年代中期前后气温开始出现明显的上升趋势。

在空间分布上：最低气温、≤0℃低温日数和≤0℃低温有效积温的变化趋势在空间分布上均受纬度、海拔高度等因素共同影响，呈现出明显的南北差异特征。最低气温和≤0℃低温有效积在空间上均呈上升变化趋势，但最低气温随纬度、高度增加变化趋势越慢，两者呈负相关；≤0℃低温有效积温则与最低气温相反；≤0℃低温日数从南到北整体呈现下降趋势，随纬度、高度的增加下降趋势加快，两者呈正相关。从空间分布规律可看出，气温总体呈上升趋势，且随着纬度、海拔高度增加温度降低越慢。

广西喀斯特地区近59年低温冻害时空变化中，气温总体呈上升变化趋势，这与全球气候变化特征具有一致性。［18］低温冻害对喀斯特地区农业生产和生态修复具有较大影响，因此，在科研上，需加强对喀斯特地区低温冻害的相关研究，构建低温冻害指标体系；在气象服务工作上，提高气象灾害监测预报预警能力；在农业生产上，尽量种植耐寒品种，提高管理水平和栽培技术。需要说明的是本文仅对广西喀斯特地区近59年年低温冻害时空变化特征进行了分析，气候因子的选取是否具有普适性仍需继续展开研究，后期将加强相关方面的学习，为进一步探究广西喀斯特地区低温冻害的发生和预测提供科学依据。