浅析扶绥县秋季降水的气候特征及甘蔗种植秋旱防御对策

黄丽球，崖伟松，蒙小寒，何家红，莫申萍*

(1广西东亚扶南精糖有限公司，广西崇左532199；2广西贵港市气象局，广西贵港537100；3广西崇左市扶绥县气象局，广西崇左532199)

0 前言

广西是中国最大食糖生产产区，但在全球气候变暖的背景下，广西气象灾害影响日益加剧，极端的干旱、低温冷害及热害的事件呈多发态势，由此造成的甘蔗减产也越来越严重[1]。广西是全国年降水量最丰富的地区之一，但降水时空分布非常不均匀，季节性干旱突发的频率很高，严重地影响了广西的蔗糖产业。甘蔗的水分主要来源于降水，面临的干旱风险较大[2-3]，特别当甘蔗在秋季处于茎节伸长后期和糖分积累期等生长的关键时期，如遭受到严重的干旱灾害，该时期的甘蔗会降低光合作用强度，加强呼吸作用，影响甘蔗的长生长，导致产量明显下降；处于糖分积累期的甘蔗糖分含量降低，胶质比重增大，出糖率和回收率就会下降，蔗糖商业品质下降[4]。扶绥县属亚热带季风气候，气候资源优势独特，十分适宜发展甘蔗生产，也是“中国糖都”较大的生产基地[5]。由于受热带海洋气团和极地大陆气团的交替控制，该县雨热同季，降水的时空分布不均和灌溉条件的限制，使得干旱灾害成为制约其甘蔗生产发展的主要农业气象灾害之一[6-7]。就崇左市而言，影响甘蔗单产高低的所有因素中，干旱尤其秋旱是首要因素，冬季寒冻害、台风的影响次之[8]。扶绥县 90%以上甘蔗是种植在无灌溉条件的旱地或者坡地上，甘蔗生长的水分主要来源于自然降水，面临的干旱风险较大[9-10]。在农业干旱等级中，主要的干旱指标有作物水分亏缺指数(Crop water deficit index，CWDI)、标准化降水指数(Standardized precipitation index，SPI)、降水量距平百分率(Precipitation anomaly in percentage，PA)、帕默尔干旱指数(Palmer drought severity index，PDSI)、土壤相对湿度(Relative soil moisture，RSM)和气象干旱综合指数(Meteorological drought composite index，MCI)。隋月等[11-12]以作物水分亏缺指数为干旱指标，分析了中国南方地区越冬粮油作物和玉米各生育阶段发生干旱的时空分布特征；李闯等[13]基于作物水分盈亏指数分析了昆明水稻生长季干旱特征及成因。笔者对扶绥县干旱的研究主要基于降水资料，通过线性回归、累积距平分析、Morlet小波等分析方法，分析秋季降水的气候特征以及秋旱发生频率，评估秋旱发生对甘蔗生长的影响，为今后的甘蔗种植趋利避害、合理安排生产以及开展相关研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

资料选取扶绥县1960～2019年秋季(9～11月)逐日降水资料。

1.2 分析方法

运用滑动平均法、一元线性回归、累计距平分析、Morlet小波分析等方法进行研究，揭示扶绥县60年秋季降水天气变化特征及秋旱发生频率。

1.2.1 Morlet小波

Morlet复数小波分析是分析变化周期的主要方法之一，其理论及其应用已经相当成熟[14-16]，被认为是Fourier分析方法的突破性进展，小波变换不仅可以给出气候序列变化的尺度，还可以显示出变化的时间位置[17]。用Morlet小波进行周期分析，它比窗口 Fourier分析更能反映出信号的局部特征。Morlet小波分析 Fourier变换公式见式(1)，Wf(a,b)即小波系数，通过小波系数做出二维等值线图，从而可得到关于时间序列变化的小波特征，不同时间尺度下的小波系数可以反映系统在该时间尺度下的演变特性和突变。

其中，f(t)是信号可积函数；a为伸缩尺度；1/a为频率；b是平移参数，是相对于t时刻作了长度的平移b；的复共轭函数。

1.2.2 降水量距平百分率

根据 GB/T 20481-2017[18]气象干旱等级中表述干旱等级的方法有气象干旱指数、降水量距平百分率、潜在蒸散量等，本文采用降水量距平百分率对甘蔗秋旱等级进行分析。降水量距平百分率(PA)是用于表征某时段降水量较常年值偏多或者偏少的指标之一，能直观反映降水异常引起的干旱，一般适用于半湿润、半干旱地区平均气温高于10℃的时段干旱事件的监测和评估。

表1 降水量距平百分率干旱等级划分表

2 结果与分析

2.1 近60年扶绥县秋季降水量特征分析

2.1.1 近60年扶绥县秋季降水量总体年际变化特征

从表 2中可知近 60年扶绥县年平均降水量为1214.1 mm，在全年的4个季节中，平均降水量最少的是冬季(89.4 mm，占全年降水量7.4%)，其次是秋季(年平均降水量为 246.2 mm，占全年降水量的20.3%)，最多的是夏季(年平均降水量为610.2 mm，占全年降水量的49.5%)。说明对扶绥县重要的降水集中在夏季，冬季、春季和秋季有很大可能性出现干旱。冬季为甘蔗成熟收获的季节，冬旱对甘蔗生产的影响较少，因为大多数甘蔗已在冬前收获或已成熟。根据扶绥县历年甘蔗种植生长的情况可知，春季甘蔗处于播种或出苗等生长初期，植株蒸腾较小，需水量较少[19]。夏、秋季是甘蔗拔节伸长期，甘蔗生长最旺盛，是甘蔗需水最多的时期[20]，同时秋季也是甘蔗成熟积累糖分的关键时期。从扶绥县各季降雨量的统计来讲，夏旱出现的机率相对较少，秋旱出现机率较大。

图1(a)(b)是扶绥县1960～2019年近60年秋季降水量和降水日数年际变化特征及趋势变化图，其回归方程分别为y=0.2894x+237.34、y=-0.114x+30.127。经分析可知，近60年扶绥县秋季降水量一元回归方程中降水量倾向率为2.894 mm/10 a，通过相关性函数分析60个(60年)降水量数据样本可知，其检验结果(r=0.0478)未通过r0.05的显著性检验临界值(r=0.250)，表明秋季年降水总量虽然具有向上增加的趋势，但是没有达到显著性标准；近60年扶绥县秋季降水日数气候倾向率为-1.14 d/10 a，已通过r0.05的显著性检验(r=-0.272)，表明秋季年降水日数具有向下减少的趋势，且已达到显著性标准。秋季年降水总量有向上增加的趋势而秋季年降水日数具有向下减少的趋势，这说明了扶绥县秋季降水的量级增加趋势明显。

表2 近60年扶绥县4季降水量情况及降水异常年份

图1(a)可以看出近60年扶绥县秋季降水量有一定的阶段性特征。根据秋季降水量趋势线的变化可以分为4个阶段，第一阶段从1960～1986年，这阶段秋季降水量是一个震荡递增趋势，这个阶段降水量为前期少后期多。第二个阶段从1987～2007年，这一阶段为普遍少雨期，在21年第二阶段的秋季降水量中，1987～1990年呈直线下降趋势且于 1990年低于 60年秋季年平均降水量值。在 1991～2007年里，大多数年份秋季降水都在平均值之下，且呈波动震荡趋势。扶绥县也呈现出了一些年份的相对干旱，其中2006年降水为78.5 mm，为60年来秋季降水最少的年份，1991年降水为95.2 mm是秋季降水次少年。第三阶段从2008～2015年，这个阶段秋季降水降水量波动上升，秋季降水量起伏较大，其中降水量在400 mm以上的年份有2008年(490.6 mm)、2011 年(481.1 mm)、2013 年(412.2 mm)和 2014年(455.3 mm)，也有降水量在200 mm以下的2009年(103.8 mm)和2010年(170.2 mm)，而起伏最大的出现在2008、2009年，降水量从490.6 mm急剧减少到103.8 mm，相差386.8 mm，这表明扶绥县秋季年降水量的年际间变化不小，容易影响甘蔗的产量和质量。第四阶段从2016～2019年，该阶段的秋季降水降水量呈直线下降趋势，说明该阶段降水量逐年加速减少。

图1(b)可看出近60年扶绥县秋季降水日数变化阶段性特征也很明显，第一阶段从1960～1991年，这一阶段为普遍多雨日，大多数年份秋季降水日数都在平均值之上；第二个阶段从1992～2019年，这一阶段为普遍少雨日，大多数年份秋季降水日数都在平均值之下，降水日数在20天以下的年份有9个年份(1988、1991、1992、1993、1998、2003、2004、2006、2009年)，其中2006年的降水日数为60年中秋季降水日数最少的一年仅有8天，降水日数仅占秋季日数8.8%。

图1 (a) 近60年扶绥县秋季降水量年际变化特征及趋势变化图

图1 (b) 近60年扶绥县秋季降水日数年际变化特征及趋势变化图

2.1.2 近60年扶绥县秋季各种降水量等级的年变化特征

利用 1960～2019年扶绥县秋季日降水资料分析各种降水量级的降水日数，根据气象部门雨量等级划分标准将降水划分为小雨、中雨、大雨和暴雨。小雨为日雨量小于10 mm，中雨为日雨量在10～25 mm之间，大雨为日雨量25～50 mm，暴雨及以上量级为日雨量在50 mm以上的降水。

从图2中可以看出，小雨和暴雨及以上量级呈上升趋势，趋势较为明显，中雨和大雨略呈下降趋势，趋势也较为明显。

从图2和表3中可以看出秋季小雨降水日数是其它几种量级中最多的一种，且比中雨、大雨及暴雨以上量级的总日数多77.6天，其降水日数占扶绥县秋季总降水日数的 92.6%。从降水量来看，虽然暴雨及以上量级的降水日数最少，且只占秋季总降水日数的 1%，但是其降水量却占秋季总降水量的29.2%，为所有雨量级中降水量最多的一种。通过以上分析可以知道，秋季的降水日数是以小雨为主，而暴雨及以上量级对降水量的贡献才是主要的，其次是中雨再次是大雨。

2.2 Morlet小波分析扶绥县秋季降水周期性分布特征

为了更清楚了解扶绥县秋季近 60年的降水量年度周期性变化，选用Morlet小波分析1960～2019年日降水量序列和频率域。因研究需要负小波系数区域突出显示，负小波系数越小对应的降水量为偏小值，正的小波系数越大对应的降水量为偏大值，小波系数绝对值越大，表明该时间尺度变化越显著[14]。

图2 秋季各降水量级日数的时间序列图

表3 秋季各降水量级降水日数和降水量占比统计表

图3是近60年扶绥县秋季降水小波变换的实部等值线图。图中，无色区域的等值线表示小波系数＞0，即降水量较多，扶绥县处于秋季降水量偏多时期；灰色区域等值线表示小波系数＜0，即降水量较少，扶绥县处于秋季降水量偏少时期。从图3可看出，扶绥县秋季降水序列存在4个较明显的特征时间尺度：2、6、14、30 a。其中，2、6 a的振荡周期偏弱；14、30 a的振荡周期偏强。14 a特征时间尺度在20世纪70年代末、90年代末、21世纪初以及2019年的降水序列中比较明显；30 a特征时间尺度，在20世纪60年代末到70年代初和90年代末到21世纪初的降水序列中比较明显，扶绥县秋季降水大致经历了2次降水量多与少相互交替，表现为2个多雨期和2个少雨期，这与扶绥县降水的年际变化基本一致。由此可以知道扶绥县秋季降水主要周期是14、30 a，但是也存在2、6 a、的弱周期振荡。目前实部等值线图中正的等值中心还未闭合，表明未来一到两年(2020～2021年)扶绥县秋季干旱的可能性仍较大且处于14 a的周期等值线范围内振荡。

2.3 近60年扶绥县秋旱发生的频率及防御对策

图3 扶绥县秋季降水小波变换实部等值线图

2.3.1 近60年扶绥县秋旱发生的频率

从表4中可以看出，扶绥县近60年中秋季发生干旱的年份有19年，发生频率为31.7%，其中轻旱发生年份有12年(1962、1963、1971、1977、1979、1992、1994、1996、1998、2002、2007、2010 年)，发生频率为 20.0%，秋季轻旱年平均无降水日数占整个秋季74.7%，平均中旱发生年份有7年(1969、1989、1991、2004、2006、2009、2019年)发生频率为 11.7%，秋季重旱年平均无降水日数占整个秋季80.2%，无旱年，秋季无降水日数的占比也超过68%，由此可见，扶绥县发生干旱的概率是比较高的。

2.3.2 秋旱发生的防御对策

表4 近60年扶绥县秋季干旱发生频率及无降水日数情况

扶绥县甘蔗大部分种植在平地，也有少部分乡镇种植在坡地，预防旱灾必须根据种植地形特点，因地制宜地将水源条件、选用抗旱品种、提高甘蔗栽培的技术等各种措施结合起来，才能达到效果[21]。

⑴充分利于原有农田水利设施，充分发挥有限水源的作用；可利用有利地势增修蓄水池，积蓄山塘水，增加水源；近水库、湖泊、河边等种植户可通过有效的抽淋设备抽水取用或者直接使用种植户蓄备的各种抗旱水箱；在政企合作下建立水利中转站，通过变电机房以及必要的水利设施有计划送水。

⑵大力推广甘蔗抗旱品种，引进干旱地区培育出来的耐旱良种，增强作物的抗旱能力。

⑶可采取大马力机械中耕、松土的方法，有效阻断深层土壤毛细管水份上升地表面，降低土壤上层水分的蒸发速度，达到保墒抗旱的目的。同时结合种植管理中肥料的施用，以促肥根、壮根，有利于甘蔗对较深层土壤水分的吸收，提高干旱时的水分利用率。

⑷推广旱作节水农业技术，如滴灌、微喷等，使有限的水资源得到充分利用。

⑸争取有利时机大力开展人工增雨作业，使有效的空中水资源得到充分有效的利用。

3 结论

3.1 扶绥县秋季降水分布特征

近60年扶绥县年平均降水量最多的是夏季，秋季的年平均降水量为 246.2 mm，占全年降水量的20.3%，秋季有很大的可能出现干旱。通过对扶绥县近60年秋季降水量和降水日数资料进行趋势分析，秋季降水量和降水日数都有不同的阶段性特点，但总体趋势而言，降水量具有向上增加的趋势而降水日数则相反呈向下减少趋势，扶绥县秋季降水的量级增加趋势明显。然而秋季的降水日数是以小雨为主，而暴雨及以上量级对降水量的贡献才是主要的，其次是中雨再次是大雨。

3.2 扶绥县秋季降水振荡周期

通过Morlet小波分析可知，扶绥县秋季降水序列存在4个较明显的时间特征尺度：2、6、14、30 a。其中，2、6 a的振荡周期偏弱；14、30 a的振荡周期偏强。未来一到两年(2020～2021年)扶绥县秋季干旱的可能性仍较大且处于14 a的周期等值线范围内振荡。

3.3 扶绥县秋旱频率

分析各年份秋季降水量距平百分率 PA值，发现扶绥县近60年中秋季干旱发生频率为31.7%，其中，轻旱发生频率为20.0%，重旱发生频率为11.7%。就整个秋季91天来说，至少有62天以上没有降雨的，占比超过68%。

本文基于扶绥县近60年降水资料，通过线性回归、累积距平分析、Morlet小波等分析方法，分析秋季降水的气候特征以及秋旱发生频率，并简单分析秋旱发生对甘蔗生长的影响，以期为今后的甘蔗种植趋利避害、合理安排生产以及开展相关研究提供参考。但本研究的不足之处在于仅基于降水资料的分析，缺乏对甘蔗需水量的考虑，未能对甘蔗生产提出具有针对性的指导措施。