1971—2020 年广西喀斯特地区高温灾害时空变化特征

谢 映，陈燕丽*，陈耀飞，苏相琴

（1.广西壮族自治区气象科学研究所，南宁 530022；2.环江毛南族自治县气象局，广西 环江 547100；3.广西信息职业技术学院，南宁 530022）

大量研究表明在气候变化和人类活动的影响下，全球温度明显升高，联合国政府间气候变化委员会（IPCC）第六次评估报告指出，与1850—1900 年相比，2011—2020 年全球地表平均温度上升1.1 ℃［1］，预计未来20 a 全球温度升高可能超过1.5 ℃，且升温很难控制在2.0 ℃以下［2］。中国气温变化与全球变化趋势基本一致，而且有更明显的增温趋势［3-4］。随着气候变暖，全国范围内高温天气频发重发，高温也成为我国严重的气象灾害之一，不仅对人们日常生活、生命健康造成不利影响，还严重制约社会经济发展，已成为学者们广泛关注的热点话题［5］。郭春华等［6］对我国不同气候区的综合高温危险性开展研究，分析高温危险性的空间分布情况；梁梅等［7］基于1960—2012 年日最高气温资料，分析中国东部地区极端高温的时空变化规律；王镜等［8］研究中国西南喀斯特地区极端高温的时空变化，发现大部地区极端高温出现上升变化趋势；何慧等［9］对广西高温日数的时空变化开展研究，结果表明广西高温日数有明显局地性特征；赖晟等［10］针对2021 年6—9 月广西大范围频发重发的高温天气开展了相关研究分析。

广西是我国喀斯特地貌发育典型的地区之一［11］，属于亚热带季风气候，近年来，随着气候变暖广西区域水热分布也发生明显变化［12］，尤其在广西喀斯特生态脆弱地区，特殊的地质环境导致地区石漠化景观突出，植被生态环境退化使该地区对气象灾害抵御能力和自我恢复能力很差［13-14］，气候变化会对生态脆弱的喀斯特地区造成严重影响，尤其是发生高温灾害，会加剧石漠化程度，制约当地经济发展［8，15］。因此高温也是影响喀斯特地区最重要的气象灾害之一。目前已有专家对广西喀斯特地区干旱时空分布规律开展研究［16］，发现不同程度的气象干旱与植被存在不同响应［14，16］，也发现该地区易受低温冻害影响，但随着气温升高其灾害程度有所下降［17］。近年来极端降水、高温事件频发重发，给喀斯特地区石漠化治理带来了更严峻的挑战［13，18-19］。气候变暖的背景下，对频发的高温气象灾害时空变化规律的调查研究是开展喀斯特地区气候灾害影响评估的重要前提，但目前仍未见针对广西喀斯特地区高温气象灾害时空变化规律的相关研究与报道。

探索高温气象灾害的演变规律对喀斯特地区防灾减灾具有重要的现实意义。因此，本研究基于长时间序列气象观测资料，选择日≥35 ℃高温日数、≥35 ℃有效积温作为研究高温气象灾害的指数，利用线性趋势分析法和空间插值分析法详细分析广西喀斯特地区高温气象灾害的时空变化规律，进一步为该地区高温气象灾害防灾减灾、监测预报预警以及当地石漠化治理和植被生态修复等提供参考。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

广西壮族自治区喀斯特地貌面积占其总国土面积的37.8%［20］，主要分布在105°02′～111°43′E，21°57′～26°06′N 范围内，全区共88 个市县，其中80 个市县分布有石漠化景观［21］，包括百色市、桂林市、南宁市、崇左市，以及河池市等老、少、边和山的贫困地区［15］。广西喀斯特地貌类型分为峰林平原、峰丛洼地和峰林谷地［22］，具有地形地貌地表起伏大（相对高差一般为50～600 m），表层岩性风化破碎严重，岩性多变，近地表结构复杂等特点［23］，土壤贫瘠，生态环境恶劣，石漠化现象突出，自我恢复和抵御风险能力较弱，受气候变化影响大、气象灾害影响敏感脆弱性较高，严重制约当地经济社会发展。

1.2 数据

气象数据取自广西壮族自治区气象信息中心提供的69 个覆盖喀斯特地区气象观测站点1971—2020 年逐日气温数据。中国气象局把高温定义为日最高气温≥35 ℃，对应的天数定义为高温日数［24-25］。因此，本研究选取≥35 ℃高温日数、≥35 ℃有效积温作为研究喀斯特地区高温气象灾害指数（表1），运用线性拟合、GIS 气象要素空间插值等方法研究广西喀斯特地区高温气象灾害的时空变化规律。

表1 高温气象灾害指数

地理信息数据包括:来自地理空间数据云30 m空间分辨率的广西数字高程模型（digital elevation model，DEM）数据（经度、纬度和海拔高度、坡度和坡向等栅格数据）和广西壮族自治区气象科学研究所提供的1∶25 万广西区市县行政边界、广西喀斯特地区矢量边界、广西气象站点经度、纬度、海拔高度等信息。

1.3 研究方法

1.3.1 高温有效积温计算

高温有效积温（Effective Accumulated High Temperature，EAHT）计算公式［26，28］:

式中:Ae为有效积温（℃）；Te为有效温度（℃）；Ti为日最高温度（℃）；B 为界限温度（B=35℃）。

1.3.2 气候趋势分析

选取广西行政区域范围内覆盖喀斯特地区69个气象观测站点观测资料，运用线性趋势法分析1971—2020 年广西喀斯特地区高温气象灾害长时间序列的变化趋势［27］。计算公式为:

式中，n 为年数，xi是第i 年高温气象灾害指数值，rxt为高温气象灾害指数变化趋势率，其正负值的大小表示该要素在第n 年内线性变化趋势，为正值，表明在一段时间内的年高温气象灾害呈现增加趋势；反之，负值表示呈现降低趋势。

1.3.3 GIS 反距离加权空间插值

利用GIS 反距离加权空间插值法，对年、季≥35℃高温日数、≥35 ℃积温系数进行空间插值，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，构建高温气象灾害空间变化趋势模型，通过残差订正，分析广西喀斯特地区高温气象灾害空间变化规律。

2 结果与分析

2.1 时间变化特征

1971—2020 年广西喀斯特地区年平均≥35 ℃高温日数为17.7 d，年平均≥35 ℃有效积温为16.9℃，两者的变化趋势相似，总体均呈极显著（p＜0.01）明显增加变化趋势，变化速率分别为2.8 d·（10a）-1、3.5 ℃·（10a）-1。逐10 a 变化分析发现，从70 年代开始至90 年代，研究区年平均≥35 ℃高温日数呈现先增后减的波动变化，但近30 a 呈阶梯式递增变化。在5 个10 a 时段中，1971—1980 时段年平均≥35 ℃高温日数最少（12.2 d），2011—2020 时段最多（24.5 d）。≥35 ℃有效积温年际变化趋势与年平均≥35 ℃高温日数一致，1971—1980 时段年平均≥35 ℃有效积温最少（10.2℃），2011—2020 时段最多（25.1 ℃）（图1）。各季节≥35 ℃高温日数波动也较大，春、夏和秋季均呈增加变化趋势，变化速率分别为0.4 d·（10a）-1、1.8 d·（10a）-1和0.6 d·（10a）-1，其中夏季和秋季为显著（p＜0.05）增加，冬季呈不明显减少变化趋势，变化速率为-0.009 d·（10a）-1。各季节≥35 ℃有效积温变化趋势与≥35 ℃高温日数相似，变化速率分别为0.5 ℃·（10a）-1、2.5 ℃·（10a）-1和0.5 ℃·（10a）-1，春、夏和秋季均为显著（p＜0.05）增加，冬季呈不明显降低变化趋势。季节尺度上，1971—2020 年广西喀斯特地区夏季≥35 ℃高温日数最多（15.2 d），秋季次之（2.6 d），冬季最少（0.0 d）；≥35℃有效积温也是夏季最多（13.3 ℃），春季次之（1.8℃），冬季最少（0.02 ℃）。月尺度上，≥35 ℃高温日数和≥35 ℃有效积温高值主要集中在7 月和8 月。

图1 1971—2020 年广西喀斯特地区历年≥35℃高温日数、≥35℃有效积温变化分布图

综上所述，≥35 ℃高温日数和≥35 ℃有效积温变化特征相似，两者年、春季、夏季和秋季均呈增加变化趋势，且年、夏季和秋季均为显著增加趋势。两者逐10 a 变化中最大值和最小值出现的时段基本相同，夏季是喀斯特地区高温的高发时段，需要重点关注7—8 月。

2.2 空间变化特征

2.2.1 高温空间分布

1971—2020 年，研究区≥35 ℃高温日数总体上由西南向东北呈增加变化趋势，高值区主要在百色市中部、崇左市北部，低值区主要在河池市北部、百色市西南部以及桂林市东北部（图2）。春季和冬季≥35 ℃高温日数空间分布规律相似，整体由东北部向西南部增加，但冬季高温日数非常少，平均小于0.2 d，春季高温日数明显多于冬季，高值区主要在崇左市中北部；夏季高值区主要分布在崇左市中北部、桂林市南部；秋季空间分布规律与春季、冬季相反，整体由西南向东北递增，高值区主要在柳州市中部、西南部以及桂林市中南部。≥35 ℃有效积温的空间分布规律与≥35 ℃高温日数基本一致。

图2 1971—2020 年广西喀斯特地区年平均≥35℃高温日数（a）、≥35℃有效积温（b）空间分布图

综上所述，研究区≥35 ℃高温日数、≥35 ℃有效积温多年平均值以及四季空间分布规律相似，前者在年际以及春、夏和冬季，崇左市是高值区，后者在桂林中南部、柳州中部、西南部是高值区。值得注意的是，崇左市≥35 ℃高温日数、≥35 ℃有效积温明显高于其他地区。

2.2.2 高温变化趋势空间分布

年尺度上，研究区≥35 ℃高温日数大部分地区呈增加变化趋势，气候倾向率为0.13～8.11 d·（10a）-1，高值区主要在百色市东南部、南宁市西北部和桂林市中南部。季节尺度上，四季≥35 ℃高温日数大部分地区呈增加变化趋势，但正值变化的高值区有较大差异，春季主要在百色市西北部和东南部，夏季与年际空间分布相似，秋季在桂林市中部和南部，冬季≥35 ℃高温日数气候倾向率变幅总体较小，气候倾向率仅为-0.05～0.03 d·（10a）-1。

研究区≥35℃有效积温大部分地区呈增加变化趋势，部分地区呈弱减少变化趋势，气候倾向率为-0.38 ℃·（10a）-1，正值变化的高值区主要在百色市东南部、崇左市中部和桂林市中部地区。季节尺度上，四季≥35 ℃有效积温大部分地区呈增加变化趋势，部分地区减小幅度不大。正值变化的高值区有较大差异，春季主要在百色市西北部和崇左市中部，夏季在百色市东南部、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 ℃高温日数气候倾向率变幅总体较小，气候倾向率仅为-0.04～0.03 ℃·（10a）-1（图3）。

图3 1971—2020 年广西喀斯特地区年平均≥35℃高温日数（a）、≥35℃有效积温（b）变化趋势分布图

综上所述，研究区≥35 ℃高温日数、≥35 ℃有效积温变化趋势在不同时段空间分布有较大差异。总体而言，百色市东南部、桂林市中南部在多数时段高值明显。

3 结论与讨论

1971—2020 年广西喀斯特地区年平均≥35 ℃高温日数约为17.7 d，年平均≥35 ℃有效积温为16.9 ℃，整体均呈上升变化趋势，倾向率分别为2.8 d·（10a）-1、3.5 ℃·（10a）-1，春季、夏季和秋季≥35 ℃高温日数和≥35 ℃有效积温也出现上升变化趋势，但7—8 月高温更为集中。

空间分布上，≥35 ℃高温日数和≥35 ℃有效积温出现明显南北差异特征，高温强度空间上主要呈现西南高东北低的特点，崇左市为主要的高值区。从高温变化趋势空间分布来看，西南和东北均呈增多（强）变化趋势，高值区主要在崇左市、桂林市。尽管桂林市≥35 ℃高温日数不多，≥35 ℃有效积温也低于其他地区，但变化趋势却明显高于其他地区。

总而言之，在全球气候变暖大背景下，广西气象灾害频发重发，了解广西喀斯特生态脆弱地区高温灾害时空变化具有重要意义。本研究利用线性趋势、GIS 空间插值等方法对广西喀斯特地区1971—2020年≥35 ℃高温日数、≥35 ℃有效积温进行分析，初步探究其时空分布规律，但仍有待完善，文中未涉及目前国内外所用的多个高温气象灾害指标及研究产生高温区域特征的机理。广西喀斯特地区高温变化规律及其可能产生影响，仍有待加强探究。