鄂州市近60年高影响天气变化特征及其对农业的影响

黄思先 王保 陈正洪

摘要：基于鄂州市1959―2018年氣候资料，应用线性趋势法、Mann-Kendall突变检验法、Morlet小波分析等方法，分析鄂州市近60年霜日数、积雪日数、低温日数、高温日数、雨日数和暴雨日数等6类高影响天气演变特征。结果表明，21世纪10年代以来鄂州市霜日数、积雪日数、低温日数、暴雨日数减少趋势十分明显，高温日数和雨日数增多趋势明显。近60年来霜日数和低温日呈现明显下降趋势;高温日数呈现明显增多趋势;积雪日数、雨日数和暴雨日数变化趋势总体平稳，略有增多。霜日数1月和12月最多;低温日数和积雪日数1月最多;高温日数7月最多;雨日数春季3―5月相对较多，秋季9―11月相对较少;暴雨日数6月最多。霜日数、积雪日数、低温日数、高温日数、雨日数、暴雨日数分别在2010、2001、1981、2005年，2000年和2015年之后，1968年发生突变。霜日数在整个时域上存在着准20年的年代际周期;积雪日数在1964―2014年存在着准20年的年代际周期;低温日数在整个时域上存在着18～22年的年代际周期;高温日数在整个时域上存在着准16年的年代际周期和4～6年的年际周期;雨日数在整个时域上存在着准22年的年代际周期和准8年的年际周期。高影响天气的变化能对鄂州市农业产生有利和不利的影响。

关键词：高影响天气;周期;趋势;突变;鄂州市

中图分类号：P467         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2020）10-0038-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.10.008             开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract：Based on the climatic data of Ezhou city from 1959 to 2018， the evolution characteristics of six types of high-influence weather in recent 60 years， including frost days， snow days， low temperature days， high temperature days， rainy days and rainstorm days are analyzed by means of linear trend method， Mann-Kendall mutation test and Morlet wavelet analysis. The results show that the decreasing trend of frost days， snow days， low temperature days and rainstorm days in Ezhou city is obvious since the 10s of the 21st century， and the increasing trend of high temperature days and rainstorm days is obvious. In the past 60 years， the number of frost days and low temperature days showed a significant downward trend; The number of high temperature days showed a significant increase trend; The number of snow days， rainy days and rainstorm days showed a steady and slightly increased trend. The number of frost days is the most in January and December; The number of low temperature days and snow days is the most in January; The number of high temperature days is the most in July; The number of rainy days is more from March to May in spring， less from September to November in autumn; And the number of rainstorm days is the most in June. The number of frost days， snow days， low temperature days， high temperature days， rainy days， rainstorm days mutated in 2010， 2001， 1981， 2005， 2000 and after 2015， 1968， respectively. The number of frost days has a quasi￣20￣year interdecadal cycle in the whole time domain; The number of days with snow cover from 1964 to 2014 has a quasi￣20￣year interdecadal cycle; The number of low temperature days has a 18～22 years interdecadal cycles in the whole time domain; The number of high temperature days has a quasi-16-year interdecadal cycle and 4～6 years annual cycle in the whole time domain. The number of rainy days has a quasi-22-year interdecadal cycle and quasi-8-year annual cycle in the whole time domain. The change of high-influence weather can produce favorable and unfavorable effects on agriculture in Ezhou city.

Key words： high￣influence weather; cycle; trend; mutation; Ezhou city

鄂州市位于湖北省东部，长江中游南岸，武汉城市圈和长江中游城市群重要成员之一，属亚热带季风气候区。鄂州市主要农业包括粮食、油料、瓜果、蔬菜、水产等，已建立有机稻、胡柚、蓝莓、有机鱼、番茄、青枣、铁皮石斛、蔬菜瓜果设施培育、蔬菜种植、梁子湖河蟹等10大生态农业核心示范基地。得天独厚的自然地理条件，缔造了鄂州“鱼米之乡”的天然生态，被湖北省政府确定为全省46个粮食生产大市之一。高影响天气气候事件是指可能造成严重灾害，从而对社会有重大影响的天气气候现象或异常[1]。相对于气候平均态的变化，高影响天气气候事件对社会经济、 生命财产等造成的后果可能是灾难性的[2]。在全球气候变暖的背景下，一些高影响天气气候事件，如高温、大雾、暴雨、洪涝和台风等在中国发生几率增大，对社会经济的发展造成的影响和损失增大[3]。国内外学者对高影响天气发生发展特征等进行了很多研究[4-14]，史军等[15]对长江三角洲高影响天气演变特征及成因进行分析，指出1959―2010年长江三角洲低温、雷暴、大风、大雾和降雪日数均显著减少，而高温和暴雨日数的变化趋势在统计上不显著;降雪、大雾、雷暴和低温日数发生了减少突变，而高温和暴雨日数发生了增多突变。翟盘茂等[16]指出气候变暖背景下长江中下游区域强降水事件更趋频繁，中国东部地区高温热浪天气更为明显;东北华北地区干旱趋势增加，尤其在20世纪末期和21世纪初期最为明显;近10年来西南地区干旱频繁发生。刘赟[17]、徐琼芳等[18]研究了天气变化对农业、水产养殖的影响。鄂州市农业产业布局对天气变化十分敏感，特别是高影响天气气候事件往往能对农业造成直接影响。本研究对鄂州市近60年高影响天气变化特征进行分析，探讨高影响天气对鄂州市农业生产的影响。

1  材料与方法

1.1  资料来源

研究资料选用湖北省鄂州市气象局地面气象观测站1959―2018年历史资料，资料数据质量经过质控检验，对近60年霜日数、积雪日数、低温（最低气温≤0 ℃）日数、高温（最高气温≥35 ℃）日数、雨日数和暴雨日数等6类高影响天气演变特征进行分析。

1.2 研究方法

利用线性趋势法[19]分析鄂州市近60年高影响天气气候事件的年代际和年际变化趋势，并利用Mann-Kendall（M-K）[20]方法进行突变检验，应用Morlet小波变换[21-24]进行周期分析。

Morlet小波是正弦和余弦波的振幅被高斯函数调节产生的，表示成复小波[25]，Morlet小波系数的实部表示不同特征时间尺度信号在不同时间上的分布和位相两方面的信息，正值的小波系数反映出分析对象在该时间段为偏多期，负值时反映为偏少期，零值对应着突变点。

2  高影响天气演变特征

2.1 年代际变化

由表1可知，近60年以来鄂州市霜日数在20世纪60年代和90年代增多趋势十分明显，达10 d/10年左右;20世纪70至80年代和21世纪00年代增多和减少趋势较小，为1～3 d/10年;21世纪10年代减少趋势十分明显，达15 d/10年左右。积雪日数在20世纪60年代和21世纪00年代增多趋势十分明显，达6～11 d/10年;20世纪70年代、90年代和21世纪10年代增多和减少趋势较小，为3～5 d/10年。低温日数在20世纪60年代增多趋势十分明显，达22 d/10年左右;20世纪80年代和21世纪10年代减少趋势十分明显，达13～14 d/10年;20世纪90年代和21世纪00年代增多趋势较明显，达5～8 d/10年;20世纪70年代增多趋势较小，为1 d/10年左右。高温日数在20世纪60年代和90年代减少趋势十分明显，达13～15 d/10年;20世紀70年代增多趋势十分明显，达13 d/10年左右;20世纪80年代和21世纪00至10年代增多趋势减缓，为1～5 d/10年。雨日数在20世纪60年代和21世纪10年代增多趋势十分明显，达11～16 d/10年;20世纪70年代减少趋势特别明显，达27 d/10年左右;20世纪80年代和21世纪00年代减少趋势十分明显，为8～12 d/10年;20世纪90年代减少趋势较小，为3 d/10年左右。暴雨日数在20世纪60至70年代和21世纪00年代减少趋势十分明显，达2～4 d/10年; 20世纪80至90年代增多趋势较明显， 为1 d/10年左右;21世纪10年代略有减少趋势，在1 d/10年以下。

2.2 年际变化

由图1可知，鄂州市近60年来，霜日数多年平均为25.1 d，年霜日数呈现明显减少趋势，以3.021 d/10年的倾向率减少，相关系数达0.522 7，通过了0.001水平的显著性检验，减少趋势十分显著。积雪日数多年平均为4.6 d，近60年变化趋势总体平稳，但各年之间有明显波动，以0.166 d/10年的倾向率略有减少。低温日数多年平均为18.9 d，近60年总体上呈波动减少趋势，以2.921 d/10年的倾向率减少，相关系数达0.488 2，通过了0.001水平的显著性检验，减少趋势十分显著。高温日数多年平均为26.4 d，近60年总体上呈波动增多趋势，以0.663 d/10年的倾向率增多。雨日数多年平均为129.4 d，近60年变化趋势总体平稳，以0.418 d/10 年的倾向率略有增多。暴雨日数多年平均为4.8 d，近60年变化趋势总体平稳，以0.027 d/10年的倾向率略有增多。

2.3  月季变化

由图2可知，近60年以来鄂州市霜日数和低温日数都仅出现在1―3月和11―12月，其中1月和12月霜日数最多，达8.0 d以上，低温日数1月最多，达9.0 d以上。积雪日数出现在1―3月和12月，其中1月积雪日数最多，达2.0 d以上。高温日数出现在5―9月，其中7月高温日数最多，达12.5 d，8月高温日数次之，为10.4 d。雨日数全年各月均在7.0 d以上，春季3―5月相对较多，每月都在13.0 d以上，秋季9―11月相对较少，每月都在9.0 d以下;逐月来看，3月雨日数最多，达14.1 d，12月雨日数最少，为7.4 d。暴雨日数出现在3―11月，主要分布在4―8月，其中6月暴雨日数最多，达1.3 d，7月暴雨日数次之，为1.0 d。

2.4 突变特征

由图3可知，鄂州市霜日数UF曲线在1990年之后小于零，表明霜日数自20世纪90年代初之后有明显减少趋势，2012年之后UF曲线超过0.05趋势线，表明21世纪10年代初至今鄂州市年霜日数减少趋势十分显著;UF与UB交叉点位于2010年并处于临界线以内，可判断鄂州市年霜日数在2010年发生突变。鄂州市积雪日数UF曲线在2001―2008年小于零，表明积雪日数此时间段内有减少趋势，2009―2016年UF曲线大于零，表明积雪日数在此时段有增多趋势;UF与UB交叉点位于2001年并处于临界线以内，可判断鄂州市年积雪日数在2001年发生突变。鄂州市低温日数UF曲线在1978年之后小于零，表明低温日数自20世纪70年代末之后有明显减少趋势，1989年之后UF曲线超过0.05趋势线，表明20世纪80年代末至今鄂州市年低温日数减少趋势十分显著;UF与UB交叉点位于1981年并处于临界线以内，可判断鄂州市年低温日数在1981年发生突变。鄂州市高温日数UF曲线在2006年之后大于零，表明高温日数自21世纪00年代中期之后有明显增多趋势;UF与UB交叉点位于2005―2008年并处于临界线以内，可判断鄂州市年高温日数可能在2005年发生突变。鄂州市雨日数UF曲线在1964―2006年大于零，表明雨日数在20世纪60年代中期到21世纪00年代中期有增多趋势，1968―1978年UF曲线超过0.05趋势线，表明20世纪60年代末到70年代末雨日数增加趋势十分显著;UF与UB交叉点主要位于2000年和2015年之后，并处于临界线以内，可判断鄂州市年雨日数在2000年和2015年之后可能发生突变。鄂州市暴雨日数UF曲线在1980年之后大于零，表明暴雨日数在20世纪80年代初至今有增多趋势，1990―2009年UF曲线超过0.05趋势线，表明20世纪90年代初到21世纪00年代末暴雨日数增加趋势十分显著;UF与UB交叉点位于在1968年之前，有多个交叉点，并处于临界线以内，综合判断鄂州市年暴雨日数可能在1968年发生突变。

3  周期变化规律

由图4可知，鄂州市近60年霜日数在整个时域上存在着准20年的年代际周期变化规律，准12年的周期变化规律在1994―2013年表现明显，准10年的周期变化规律在1961―1986年表现明显，准6年的周期变化规律在1987―2000年表现明显，准4年的周期变化规律在1959―1985年表現明显。近60年积雪日数在1964―2014年存在着准20年的年代际周期变化规律，准12年的周期变化规律在1959―1975年和1995年之后表现明显，准8年的周期变化规律在1980―1991年表现明显，准4年的周期变化规律在1961―1987年表现明显。近60年低温日数在整个时域上存在着18～22年的年代际周期变化规律，准12年的周期变化规律在1993年之后表现明显，准8年的周期变化规律在1966―1993年表现明显，准4年的周期变化规律在1959―1994年和2001―2012年表现明显。近60年高温日数在整个时域上存在着准16年的年代际周期变化规律和4～6年的年际周期变化规律。近60年雨日数在整个时域上存在着准22年的年代际周期变化规律和准8年的年际周期变化规律，准4年的周期变化规律在1981―2010年表现明显。近60年暴雨日数在1959―1982年存在着准10年的年代际周期变化规律，准6年的周期变化规律在1959―1996年表现明显，准4年的周期变化规律在1994年之后表现明显。

4  小结与讨论

鄂州市水利资源丰富，河网密布，气候适宜，为农业生产提供了有利的条件，但是霜、雪、低温、高温、暴雨等高影响天气仍对鄂州市农业生产造成不利影响。

1）近年来霜冻和低温天气明显减少，极有利于春小麦、豆类、油菜、胡柚等耐寒能力较差的作物生长，但由于近年来积雪日数较往年略有减少，不利于土壤保暖和积水，对春耕播种期间田间蓄水有一定影响，此外，还可能造成土壤中害虫增多，导致来年作物病虫害发生。

2）高温日数增多，可引起水稻因缺水灌浆受阻，有效分蘖减少，空秕粒增加，发生高温逼熟现象，进而影响产量，还可引起棉田缺水，落花落蕾，棉桃变小，蔬菜瓜果植株萎蔫，灼伤果实和叶片。此外高温引起水温偏高、水质变化快、水体发臭和水草腐烂导致虾蟹死亡。

3）近年来暴雨日数略有减少，有利于农作物的正常生长但也易因蓄水不足引起旱情发生，导致大量需水作物减产和人工灌水成本增加。而雨日增多，持续性的降雨，导致土壤水分一直处于饱和状态，农作物根系发育迟缓，且雨日较多导致光照偏少，使水稻、小麦等易出现病虫害，导致穗粒发芽、霉烂而降低产量和品质。

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