马拉维北部降雨与温度时空趋势及变异性分析：基于CMIP6模型的历史演变与未来预估

本综述系统分析了马拉维北部1991–2020年降雨与温度时空变化趋势，并基于降尺度偏差校正的CMIP6模型预估至2080年未来气候情景。研究综合应用Pettitt突变检验、Mann-Kendall趋势分析与Sen斜率估计，揭示该区域显著增温（如Mzuzu站最低温度年增0.078°C/年）及降水空间异质性（如Bolero站年增7.25 mm）。未来高排放情景（SSP5–8.5）下最高温度预计上升2.51°C，降水呈现季节内重组与极端事件增强趋势。成果为气候韧性农业、水资源管理及区域适应性政策制定提供科学依据。

　　

研究背景与意义

马拉维作为高度依赖雨养农业的国家，其对气候变化的敏感性尤为突出。全球气候模型（IPCC, 2021）预测，包括马拉维在内的撒哈拉以南非洲地区将面临水资源短缺、生物多样性丧失及粮食安全危机。尽管已有研究关注马拉维全国尺度的气候趋势，但北部地区复杂地形下的局地气候变异及其时空动态尚未得到系统解析。本研究通过集成历史观测与CMIP6模型预估，旨在填补这一研究空白，为区域气候适应策略提供依据。

研究区域特征

马拉维北部位于南纬9.15°–12.15°、东经32.48°–34.34°之间，地形复杂多样，包括高原地带、起伏的丘陵及马拉维湖滨区域。年降水量空间分异显著，从西部Karonga站的700 mm至湖滨Nkhata Bay站的2400 mm不等。该区域气候受到热带辐合带（ITCZ）和厄尔尼诺-南方振荡（ENSO）的显著影响，极端天气事件频率近年呈上升趋势。温度方面，低温区域如Karonga过去30年升温约1°C，高原地区如Nyika Plateau同期升温0.7°C。已有研究表明，温度每上升1°C，玉米产量可能下降10–15%，凸显气候变暖对农业的严峻威胁。

数据来源与研究方法

研究使用马拉维气候变化与气象服务部（DCCMS）提供的1991–2020年逐月降水、最高温度（T_max）和最低温度（T_min）数据，选取Bolero、Karonga、Mzimba、Mzuzu及Nkhata Bay五个台站。数据完整性均超过99%，缺失值通过CHIRPS卫星降水数据与空间插值进行补全。采用Pettitt检验识别时间序列中的突变点，并基于分段后的序列应用Mann-Kendall趋势检验与Sen斜率估计以量化趋势幅度。未来气候预估使用ACCESS-CM2、FIO-ESM-2–0、INM-CM5-0和MIROC6四个CMIP6模型，在SSP2–4.5和SSP5–8.5情景下进行降尺度与偏差校正。降水校正采用Delta方法，温度校正则使用分位数映射（QM）和经验分位数映射（EQM）。模型性能通过RMSE、MAE、MBE、相关系数（r）、Nash-Sutcliffe效率系数（NSE）及一致性指数（d）进行全面评估。

气候序列均一性分析

Pettitt检验显示，Mzuzu站年降水量在1999年发生显著突变（p = 0.033）。月尺度温度序列中，Mzimba（2002年8月）、Mzuzu（1996年8月）和Nkhata Bay（2009年8月）的T_max均检测到突变点；T_min突变点出现在Mzimba（2002年9月）和Karonga（2011年4月）。年尺度温度序列中，除Mzuzu站T_max外，所有站点在2002–2011年间均存在显著突变，与区域增暖信号一致。

降水与温度的时间分布特征

降水呈现明显季节性格局，湿季为11月至次年4月，干季为5–10月。Nkhata Bay站年降水量最高（1630.98 mm），Bolero站最低（688.63 mm）。温度方面，月平均温度介于13.49°C（Mzuzu）至29.54°C（Karonga）之间，表现出典型的热带季风气候特征。月最高温度在11月达到峰值（31.57°C），7月降至最低（24.79°C）；月最低温度12月最高（20.46°C），7月最低（10.71°C）。1961–2005至1991–2020年间，区域平均最高温度上升约0.3°C。

空间分布规律

降水量空间分异显著，东南部地区年雨量最高，中部地区则低于823.2 mm。温度分布受海拔与湖泊调节作用影响，南部和中部低温区T_min低于16.7°C、T_max约27.44°C，北部地区T_max可达30.53°C、T_min为20.62°C。

历史趋势分析

年降水量方面，仅Bolero站在突变前呈现显著上升趋势（Sen斜率 = 7.25 mm/年，p = 0.032）。温度趋势显示，Mzimba站T_max在突变后显著上升（斜率0.029°C/年，p = 0.049），Mzuzu站T_min在突变前显著上升（斜率0.078°C/年，p = 0.002）。值得注意的是，Mzimba与Karonga站T_min在突变后呈下降趋势，可能反映土地利用变化或局地人为因素的干扰。

未来气候预估

模型性能评估表明，FIO-ESM-2–0在降水模拟中表现最佳（r = 0.808），温度预估中集成方法优于单一模型。未来降水变化呈现季节内重组：SSP5–8.5情景下1–2月降水增加超过50 mm，但3–8月普遍减少。年尺度上，SSP5–8.5情景下Mzimba、Mzuzu和Nkhata Bay站降水呈显著增加趋势，而SSP2–4.5则显示下降趋势。温度预估一致表明显著增暖，SSP5–8.5情景下至2080年T_max上升2.51°C，T_min增幅超过3.1°C。空间上，中部地区增温最显著，东部地区降水增量最大（最高118 mm），凸显气候响应的区域异质性。

讨论与展望

本研究揭示马拉维北部气候变化的显著时空异质性，特别是夜间增温高于白天的非对称性特征（DTR缩小），对农业生理过程与水资源管理构成重大挑战。降水季节结构重组可能导致生长季缩短与干旱风险加剧，尽管年总量可能增加。研究结果强调必须开展结合气候与社会经济指标的脆弱性评估，例如纳入农户收入、性别化资源获取与土地利用等多维数据，以制定更具针对性的适应策略。未来研究需融合作物模型（如DSSAT、AquaCrop）与参与式制图等方法，深化对气候—生计系统耦合机制的理解，为区域可持续发展提供科学支撑。