恩施烟区气候周期性变化的特征分析

2011-01-16邓建强谭毛彦崔源波

烟草科技 2011年9期

邓建强,谭毛彦,杨军,崔源波

湖北省恩施土家族苗族自治州烟草公司恩施市烟叶分公司,湖北省恩施市航空路121号 445000

我国烟草种植区域分布广泛,有研究表明不同气候条件对烟叶产量、质量及风格有重要影响,且气象因子对烟草化学成分的影响也有相当多的研究[1-6]。恩施州作为湖北省烟叶的主产区,也是我国白肋烟的第一大产区,其烟叶类型多、可选择性强、适配面宽,兼具南北烟区烟叶风格、配伍性强等特点[7],在全国烟叶生产中具有重要的地位。前人曾将该区域气候特点与国外优质烟草产区进行对比,应用了聚类分析和模糊理论对恩施州气候条件进行了综合评价[7-9],但在气候周期性特征分析及预测方面尚未见相关报道。为此,对恩施烟区60年气象资料进行了统计分析,旨在探明该区域的气候周期性特征变化,为恩施烟区现代烟草农业基地单元建设的早期决策提供参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

从《中国地面国际交换站气候资料日值数据集》中提取恩施州地面气候资料国际交换站(东经:109°28′,北纬:30°17′)1951年1月至2010年5月的日变化气象资料,包括平均气温、降水量、平均相对湿度、日照时数和平均风速等。

1.2 小波分析

小波分析是通过自适应调节时频窗口对信号序列进行的多尺度细化分析,因而具有良好的时频局布化特点,被誉为信号分析的“显微镜”,在气象及水文学中得到了广泛的应用[10-11]。一维信号离散小波变换形式描述:

设连续气象因子函数f(t)离散化为f(tk):

其中t0和Δt分别表示初始时间和采样间隔时间,则气象因子的离散小波变换可定义为:

小波方差是通过对时间因子b域上所有小波系数的平方积分来确定气象时间序列中的主周期,可将小波方差描述为:

2 结果与分析

2.1 气象因子的统计分析

对恩施州1951～2010年气象资料统计分析可知:年平均气温为16.3±0.4℃,烟叶大田≥10℃活动积温为3061.8±66.6℃,最高温度出现在7月下旬和8月上旬,最低温度出现在1月;全年降水量为1434.9±260.9 mm,烟叶田间生长期累积降水量约为856.7 mm,占全年降水量的60%左右;年平均日照时数为1228.8±242.4 h,烟叶大田生长期日照时数为642.9 h;年平均相对湿度为81.5±9.1%,相对湿度最小值出现在7月下旬至9月中旬,最大值出现在12月份;年平均风速为0.64±0.59 m/s,最大和最小值分别出现在8月和12月。通过表1气象因子变异系数分析可知:恩施州气象因子年内变异性由大到小依次为降水量、平均气温、日照时数、平均风速和平均相对湿度;年间变异性由大到小依次为平均风速、日照时数、降水量、平均相对湿度和平均温度。

根据以上的统计结果,结合优质烟叶生产对气象因子的要求[12],表明恩施州的气候条件能够较好地满足烟叶生长发育的需要,且该区域8月和9月相对湿度下降,风速和日照时数的上升将有利于白肋烟的晾制。

2.2 气象因子周期性分析及预测

2.2.1 月季尺度分析

由图1中各气象因子在尺度为0～200d间的小波系数分布可以看出,该尺度下小波系数很小,规律不明显,说明恩施州气象因子在半年以下周期性非常弱;在尺度为200～400 d间的小波系数分布均有周期性,但其强弱及时域分布特点不同。平均气温的周期性最强,其次为日照时数、降水量、平均风速和平均相对湿度。平均气温、日照时数和平均相对湿度的周期性变化强弱规律分布均匀,具有时域全局化特征,而降水量和平均风速则具有时域局部化特征。

表1 气象因子变异系数(%)

图1 恩施州气象因子日尺度小波系数分布

2.2.2 年际尺度分析

小波方差是通过突出不同周期振幅强弱的差异性来分析时间序列主周期显著性的方法[13]。同时,小波方差图可以直观地反映波动能量随时间尺度变化的规律,用来确定时间序列中各种尺度波动能量的相对强度,对应峰值处的尺度称为该序列的主要周期。本试验应用M orlet小波对该区气象资料时间序列进行小波变换,计算出不同尺度下的小波系数。根据小波方差定义计算出不同尺度因子a下的小波方差,同时为了做图方便对每一气象资料下的小波方差进行[0,1]间归一化处理。

由图2可以看出,降水量除具有9～11年的小周期外,还具有与平均气温、日照时数、平均相对湿度相同的30～34年的主周期和18～20年的次周期;平均风速周期只存在33～35年的主周期,其它自然周期不明显;在年内的自然周期中,归一化小波方差由大到小依次为降水量、平均气温、日照时数、平均风速和平均相对湿度,这与表1中的各气象因子年内变异系数变化一致,说明小波变化能有效反映出各因子在时频区域能量分布特点。

图2 恩施市气象因子小波方差

由图3气象因子月尺度小波系数分布情况可知:各气象因子在33年主周期上具有时域全局特征,且一致呈现了“高值-低值-高值”的变化规律,表明恩施州在此周期上冷暖干湿周期变化明显;其它周期与主周期相比,小波系数偏低,周期性规律略小,部分因子具有时域局部特征;1970年前为以1960年为中心的高值闭合区(雨水偏多、温度偏高),1970～1989年为以1980年为中心的低值闭合区(雨水偏少、温度偏低),1990～2010年为以2000年为中心的高值闭合区(雨水偏多、温度偏高)。

基于气象因子周期变化规律相同,为了做图方便将各月尺度下小波系数进行[-1,1]归一化处理,并对其叠加取平均,提取33年,19年和10年的小波系数,以分析未来时间变化规律。由图4可知,无论是在主周期,还是其它周期上,当前恩施州的气候周期变化都处于转折时期。结合图3月尺度下200～600月的小波系数在时域上出现了或即将出现“0值”的趋势,表明在未来一段时间各气象因子小波系数分布即将出现低值区。根据这一气候强周期性的发展规律,可以推断未来16～18年间该区域降水量、气温、相对湿度、日照时数和平均风速将有下降趋势(下降趋势仅为大尺度下的整体行为,不排除小尺度下的气候异常突变)。结合表1各气象因子年间的变异系数可以推测平均风速下降相对速度最快,日照时数、降水量和平均相对湿度下降相对速度次之,平均气温下降相对速度可能最小。

3 小结与讨论

气象系统是一个复杂的混沌系统,其短时期周期性变化主要受系统内部及外界因素调控。恩施州气候周期变化具有多层次时间尺度结构特点,其气象因子周期约等于35年的布吕克纳周期,22年的太阳黑子磁周期及11年的太阳黑子基准周期,说明该烟区气候主要受太阳辐射周期变化影响,这与太阳辐射是气象十至百年尺度周期性变化的重要驱动力结论相一致[14]。恩施州气候属于中亚热带季风性山地气候,降雨量具有3～4年的微周期,但信号不强,说明恩施州气候周期变化与ENSO循环有关,但关系较弱。部分气象因子的周期性时域局部特征可能与气象系统内部自身反馈调控有关,尚需进一步深入研究。

已有研究表明,烟叶化学成分中烟碱、还原糖和石油醚提取物对气候因子的敏感程度最大[3-4],降水量与烟碱含量呈正相关,与石油醚提取物呈负相关,日照时数与还原糖为负相关[5-6]。根据统计,恩施州烟叶不同生育期的气温和降水量都较国外优质烟区高[9],且该烟区烟叶烟碱、还原糖和总氮等均高于国外优质烟区,烟碱含量显著高于我国云南和四川烟区[15]。综上所述,恩施州未来约17年间降水量和日照时数适当下降,可能会抑制烟叶烟碱合成,促进还原糖和石油醚提取物积累,有利于降低烟叶刺激性,增强香气质和香气量,提高烟叶品质。但是,气温和日照时数的下降会降低烟叶光合速率,可能不利于提高烟叶的单产。同时,烟草通过自身生理生化调节机制对气候周期变化有一定的适应性,但调节机制复杂,还需进一步研究探索。在烟叶生产中,应加强烟田综合管理,注重科学施肥,以保障未来恩施州烟叶产量与品质的稳步提高。

[1] 刘国顺.烟草栽培学[M].北京:中国农业出版社,2003:13-29.

[2] 韦成才,马英明,艾绥龙,等.陕南烤烟质量与气候关系研究[J].中国烟草科学,2004(3):38-41.

[3] 李天福,王彪,杨焕文,等.气象因子与烟叶化学成分及香吃味间的典型相关分析[J].中国烟草学报,2006,12(1):23-26.

[4] 胡国松,傅建政,张丙孝,等.目前我国烤烟烟叶质量的若干限制因子[J].中国烟草科学,1999(4):12-15.

[5] 戴冕.我国主产烟区若干气象因素与烟叶化学成分关系初探[J].中国烟草学报,2000,6(1):27-34.

[6] 温永琴,徐丽芬,陈宗瑜,等.云南烤烟石油醚提取物和多酚类与气候要素的关系[J].湖南农业大学学报(自然科学版),2002,28(2):103-105.

[7] 何结望,毕庆文,袁家富,等.湖北烟区气候与土壤生态因素分析[J].中国烟草科学,2006,27(4):13-17.

[8] 李锡宏,林国平,黎妍妍,等.恩施州烤烟种植气候适性与土壤适宜性研究[J].中国烟草科学,2008,29(5),18-21.

[9] 刘春奎.湖北恩施烟区气候因素和烤烟质量综合评价[D].郑州:河南农业大学,2008:18-25.

[10]李世雄.小波变化及其应用[M].北京:高等教育出版社,1997:8-16.

[11]郑治真.小波变换及其MATLAB工具的应用[M].北京:地震出版社,2001:93-109.

[12]韩锦峰.烟草栽培生理[M].北京:中国农业出版社,2003:20-22.