基于Morlet小波的北安市农业气候资源周期变化及趋势分析

2020-10-09徐铭远王海宁徐文龙

湖北农业科学 2020年14期

徐铭远王海宁徐文龙

摘要：根据黑龙江省北安国家基本气象站、农场气象站、区域气象站1959—2019年各项气象资料，采用小波分析法进行周期分析，采用一元线性拟合和二次多项式拟合进行线性趋势分析，对北安市近61年影响作物生长的农业气候资源进行分析。结果表明，近61年北安市作物生长季气温波动变化总体呈上升趋势;北安市积温呈显著上升趋势，以每10年70 （℃·d）的幅度缓慢上升，2000年以来处于较高水平，积温上升使热量资源表现出总体增加趋势。降水量呈现不显著下降趋势，小波分析生长季各月及季总降水量表现出周期变化。日照时数呈现周期变化的特点，线性趋势略呈减少。初霜日变化趋势是逐年延后，终霜日变化趋势是逐年提前，无霜期天数呈现周期变化，总体呈现增加趋势。

关键词：作物生长季;农业气候资源;小波分析;趋势分析; 北安市

中图分类号：S162.3;P467 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2020）14-0045-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.14.008 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： Based on the 1959—2019 meteorological data of the national basic meteorological stations， farm meteorological stations and regional meteorological stations in Bei'an city， Heilongjiang province， using Matlab to make wavelet analysis chart for cycle analysis， using one-dimensional linear fitting and quadratic polynomial fitting for linear trend analysis， the agricultural climate resources affecting crop growth in Bei'an city for nearly 61 years were analyzed. The results showed that the temperature fluctuation in the growing season of crops in Bei'an city had shown an overall rising trend in recent 61 years， while the accumulated temperature had shown a significant upward trend， rising slowly at the rate of 70 （℃·d） every 10 years， which had been at a higher level since 2000，and the accumulated temperature increase made the heat resources showing an overall increasing trend. The precipitation showed no significant decreasing trend. The wavelet analysis showed periodic changes in monthly and total precipitation of the growing season， and the sunshine hours showed periodic changes， and the linear trend slightly decreased. The change trend of the first frost day was delayed year by year， and the change trend of the final frost day was advanced year by year. The number of frost-free days showed periodic changes， and the overall trend showed an increasing trend.

Key words：crop growth period; agroclimatic resources; wavelet analysis; trend analysis; Bei'an city

關于气候变化的问题一直是学术界研究的热点。许多区域的作物研究表明，气候变化对粮食产量的不利影响比有利影响更为显著。农业气候资源的数量及其配置状况直接影响着农业生产过程，并为农业生产提供必要的物质和能量。农业气候资源主要包括光资源、热量资源和水分资源。植物的生长过程大多是在自然条件下进行并完成的，在自然条件下，光、热、水、气、温度等气象因子是影响植物生长的主要农业气候资源，这些因子的组合变化在很大程度上决定了该地区农业生产类型、作物种类，也决定了作物产量、品质优劣和成本高低，所以说农业气候资源变化对作物产量影响十分巨大[1-4]。

气候变化对农业生产的影响，首先表现为对农业气候资源的影响，由于农业气候资源在数量和配置上发生了变化，才导致了对农业生产过程的影响，并最终影响到农业种植制度、品种布局以及生长发育和产量形成。因此，系统分析气候变化背景下农业气候资源演变趋势有利于合理利用农业气候资源，还将为调整农业结构和种植制度提供一定的科学依据[5]。

北安市位于黑龙江省中北部、小兴安岭西南麓，是黑龙江省的大豆主产区，北安市气象要素多变、气象灾害及衍生灾害多发[6]。研究农业气候资源变化特征为评估区域气候变化对农业生产的影响、调整种植结构及农产品布局提供依据。

1 资料与方法

1.1 研究资料

选用气象资料序列完整且具有较好代表性的北安市国家基本气象站1959—2019年逐年（月）资料作为研究对象，站点位置126°30′E、48°15′N，主要对农业气候资源中的气温、积温、降水、日照、无霜期进行分析。根据气象资料的统计，北安市的作物生长季为每年5—9月。农业气候资源中的热量条件用≥10 ℃有效积温表示，水分条件用总降水量来表示，由于直接的太阳辐射观测资料稀少，而日照时数是常规的气象观测要素，又能够在很大程度上表征太阳辐射，因此光照条件用总日照时数表示。

1.2 研究方法

采用小波分析、线性趋势分析等方法对影响作物生长季的农业气候资源变化规律进行研究，采用Morlet小波对降水、无霜期、日照进行小波周期分析[7]，对气温、积温、无霜期、日照趋势分析进行一元线性拟合和二次多项式拟合[8]，分析北安市作物生长季气候资源变化的多时间尺度特征;通过Mann-Kendall检验[9]，判断趋势变化的显著性。

2 农业气候资源变化特征分析

2.1 日照

对北安市近61年作物生长季日照数据进行一元线性拟合和二次多项式拟合（图1a至1f），北安市作物生长季各月日照时数呈下降趋势（通过0.05的显著水平检验），从各月日照时数逐年的变化趋势进行分析，5、6、8月的日照时数年际变化呈下降趋势，7月日照时数年际变化不明显，9月日照时数年际变化略呈增加趋势，生长季总日照时数呈现减少趋势，变化倾向率为-12.2 h/10年（表1）。1959—1962年各月日照呈现逐步减少趋势，1963年开始逐步增加，持续至20世纪60年代后期，自20世纪70年代开始呈现下降趋势。北安市近61年年平均日照时数1 230.9 h，生长季7月日照时数最多，达265.9 h，其次为6月，达261.2 h，9月日照时数最少，为218.9 h。虽然北安市作物生长季日照时数呈现周期变化，但20世纪80年代至21世纪00年代的年代际变化小于20 h，20世纪70年代日照时数高于其他年代，2010年开始日照时数处于较低水平。与降水量变化趋势对比可以发现日照时数变化与降水量变化呈反相关性，一般降水量多的年份日照时数少，反之日照时数多。

2.2 气温

对北安市近61年作物生长期平均气温进行一元线性拟合和二次多项式拟合，从图2可以看出，近61年北安市作物生长季各月气温变化趋势明显，一元线性拟合和二次多项式拟合趋势一致，均通过显著性检验，5月升温趋势大于其他月份，气候倾向率以0.42 ℃/10年的幅度缓慢上升，2017—2019年的6、8月受降水量偏多影响气温偏低，6月气候倾向率低于5月，8月气候倾向率低于7、9月。作物生长季气温变化气候倾向率以0.39 ℃/10年的幅度缓慢上升。北安市作物生长季各月气温虽然均呈上升趋势但各阶段变化幅度不同，20世纪60年代初期气温呈现下降趋势，20世纪60年代后期至20世纪80年代变化比较平缓，比多年平均值偏低，1991—1999年增温最为显著，达1.4 ℃/10年，自2000年以来作物生长季气温维持在较高水平。因温度升高，稳定通过0 ℃界限温度也逐年提前，一般在4月上旬，最早出现在3月22日，最晚出现在4月26日。气温5 ℃以上是作物生长期始期，大田等早春作物开始播种，北安市稳定通过5 ℃界限温度为5月3日，最早出现在4月3日，最晚出现在5月11日。稳定通过5 ℃界限气温终日为9月27日。

2.3 ≥10 ℃积温变化特征

北安市稳定通过0、5、10 ℃日期（表2）均呈现西部早于东部、南部早于北部的趋势，南北差异明显。如图3所示，北安市积温呈现自西向东、自南向北逐渐减少的趋势，≥0 ℃积温南部种植区一般可达2 800 （℃·d）以上，北部种植区一般可达2 500 （℃·d）以上;≥10 ℃积温南部种植区一般可达2 400 （℃·d）以上，北部种植区近60年平均为2 340 （℃·d）[5]。稳定通过界限温度初日呈现逐年提前的趋势，稳定通过界限温度终日呈现逐年延后的趋势，稳定通过界限温度的初、终日数呈现增加的趋势。

由图4可以看出，近61年来北安市积温变化具有一定的波动性，具有明显的高低年份变化，总体呈增加趋势（通过0.05的显著水平检验），有2个峰值、6个低谷，1970年和2000年为2个峰值，1964、1978、1992、1995、1997、2007年为低谷，1963—1989年积温变化平缓，1992—1999年维持在较低水平，自2000年以来积温维持在较高水平。积温历史最低值为1 830.4 （℃·d），最高值为2 894.5 （℃·d）。

80%保证率下，积温为2 200 （℃·d）。从年代际变化（表3）分析来看，20世纪60、70年代维持在2 200 （℃·d），20世纪80年代开始增加，2000年以来处于较高水平。总体变化呈现波动上升趋势，以每10年70 （℃·d）的幅度缓慢上升，近30年增加明显，1993年是积温突变开始年份，由于积温增加，第五积温带北移。说明在全球气候变暖的形势下，北安市热量资源呈现总体改善的趋势，即作物生长所需的热量资源逐年增加，冷害逐年减少。

2.4 降水量

由图5可以看出，北安市近61年作物生长季平均降水量为464.3 mm，最大降水量为869.1 mm，最小降水量为263.1 mm，作物生长季最大降水量比最小降水量多606.0 mm。对作物生长季降水量进行一元线性回归和2阶多项式拟合如图6所示，年降水量的线性变化趋势并不明显，未通过显著性检验。1959—1976年作物生长季降水量呈现减少趋势，1977年开始呈现增加趋势，这与北安市的年降水量变化趋势一致[5]。

对北安市近61年逐年作物生长季各月降水量数据进行统计，得到各月降水量的多年平均值，再對各时间序列的距平值进行连续小波变换。北安市1959—2019年逐年作物生长季降水量Morlet小波变换的小波系数如图7所示，图上半部分为低频，对应较长尺度周期的振动;下半部分为高频，对应较短尺度周期的振动。结果显示，北安市作物生长季降水量变化具有明显的波动性。5月降水量小周期变化非常明显，1959—1972、1996—2012年存在准5年的高频变化周期，1959—1992年存在准17年的低频变化周期，1996—2019年存在准12年的变化周期。6月降水量在1963—1968、2001—2018年表现出准4年的高频变化周期，1959—1995年表现出准20年的低频变化周期，自20世纪90年代中期开始周期有变短的趋势，21世纪10年代中期缩短为16年。7月降水量在1959—1970、1988—2008年表现出4～6年的高频变化周期，1959—1995年表现出准16年的低频变化周期，自20世纪90年代开始周期有变短的趋势，21世纪10年代末期缩短为10年。8月降水量在1970—1990年表现出准4年的高频变化周期，1980—2019年表现出准7年的高频变化周期，1959—2019年表现出低频周期逐渐变长，由18年增加到22年。9月降水量在1959—2019年表现出准5年的高频变化周期，1959—1980年表现出准13年的变化周期，自20世纪80年代初期开始周期变长为17年。作物生长季降水量在1986—2019年表现出4～7年的高频变化周期，长周期方面在整个统计时间段表现出准22年的变化周期。近61年北安市作物生长季降水量变化周期变化明显，旱年、涝年间隔出现，2009—2014年是降水高峰期，1967—1984年大多年份降水量偏少，连续两年降水量偏少的概率较大，在70%以上。作物生长季降水量变率波动幅度较大，降水量最大月份在7月、最小月份在5月，总体变化趋势为降水量均略有增加，7月降水量略呈减少趋势。近20年作物生长季降水量变化呈增加趋势。

2.5 无霜期

利用小波分析（图8a）北安市无霜期日数呈现周期变化，1959—1990年表现出准6年的高频变化周期、准16年的低频变化周期，自1990年开始高频变化周期变长为准8年，低频变化周期开始变长为22年。利用一元线性拟合分析，总体呈现增加趋势（通过0.05的显著水平检验），倾向率每10年增加3.4 d。终霜日最早出现在4月26日，最晚出现在6月10日，终霜日变化趋势是逐年提前，初霜日变化趋势是逐年延后，初霜日最早出现在8月30日，最晚出现在10月6日。平均无霜期日数118.4 d，无霜期最长地区在北安市南部，无霜期在120 d以上，最短地区在北安市东北部山区，无霜期少于100 d。21世纪00年代比20世纪60年代增加11.6 d。無霜期低值年份出现在20世纪60年代，最少年份出现在1968年，为91 d，高值年份出现在2000年后，大多数年份高于历年平均值，在2000—2019年的20年中只有2004、2005、2011年3年低于118 d，最多年份出现在2016年，为153 d。从年代际分析来看，20世纪60年代至20世纪80年代无霜期较短，为110～116 d，自2006年以来无霜期处于北安市有记录以来的较长时期，大多数年份在120 d以上。利用小波变换对日照数据进行分析，周期变化不明显（图8b）。如图9所示，无霜冻期日数（图9a）与无霜期（图9b）的变化接近一致。

3 小结与讨论

通过小波分析、线性趋势分析等方法，研究了北安市近61年作物生长季农业气候资源周期变化特征及趋势，得出结果如下。

1）日照时数呈现周期变化的特点，略呈线性减少趋势。自20世纪80年代至21世纪00年代的年代际变化小于20 h，20世纪70年代日照时数高于其他年代，2010年开始日照时数处于较低水平。与作物生长季降水量变化趋势对比发现日照时数变化与降水量变化呈反相关性，一般降水量多的年份日照时数少，降水量少的年份日照时数多，这一结论不仅与黑龙江省变化趋势一致[10]，也与全国日照时数下降的大趋势一致[11]。

2）气温呈波动性变化。北安市作物生长期各月气温均呈显著上升趋势，气候倾向率以0.39 ℃/10年的幅度缓慢上升，20世纪60年代后期至20世纪80年代变化比较平缓，比多年平均值偏低，1991—1999年增温最为显著，达1.4 ℃/10年，自2000年以来作物生长季气温维持在较高水平，与黑龙江省变化趋势一致[12]。

3）积温呈显著上升趋势，以每10年70 （℃·d）的幅度缓慢上升。1992—1999年维持在较低水平，自2000年以来积温维持在较高水平。从年代际变化分析来看，20世纪60、70年代维持在较低水平，20世纪80年代开始增加，2000年以来处于较高水平。总体呈现波动上升趋势，近30年增加明显，1993年是积温突变年份。积温上升使热量资源表现出总体增加趋势[13]。

4）降水量呈现不显著下降趋势。小波分析生长季各月及总降水量表现出4～6年的高频周期变化，长周期方面表现出16～22年的变化周期，近10年平均降水量较60年平均呈增加趋势。自2000年开始降水量变化波动较前40年明显增大，变化趋势与黑龙江省变化趋势不同[10]。

5）无霜期日数呈现周期变化。1959—1990年表现出准6年的高频变化周期、准16年的低频变化周期，自1990年开始高频变化周期变长，为准8年，低频变化周期开始变长，为22年。初霜日变化趋势是逐年延后，终霜日变化趋势是逐年提前，无霜期日数总体呈现显著增加趋势，目前以每10年3.4 d的趋势增加，霜冻灾害逐年呈减少趋势。

农业气候资源的变化对农业的影响是综合的，气温升高及积温上升，总体增加了北安市的农业热量资源，从而使北安市的积温带向北移动，也使作物种植期提前，生长期缩短。无霜期与积温的变化使北安市的主要作物总产量潜力增加。降水变化影响光照的变化，它们共同作用对作物生产潜力的影响将大于热量资源的变化，且其影响具有不确定性[14-16]。本研究将为评估北安市气候变化对农业生产的影响、调整种植结构及农产品布局建议及措施的提出提供理论参考。

参考文献：

[1] 秦大河. 进入21世纪的气候变化科学——气候变化的事实、影响与对策[J]. 科技导报，2004（7）：4-7.

[2] 李阔，何霄嘉，许吟隆，等. 中国适应气候变化技术分类研究[J]. 中国人口·资源与环境，2016，26（2）：18-26.

[3] 赵锦，杨晓光，刘志娟，等. 全球气候变暖对中国种植制度的可能影响X. 气候变化对东北三省春玉米气候适宜性的影响 [J]. 中国农业科学，2014，47（16）：3143-3156.

[4] 赵俊芳，穆佳，郭建平. 近50年东北地区≥10 ℃农业热量资源对气候变化的响应[J]. 自然灾害学报，2015，24（3）：190-198.

[5] 徐文龙，王丽新，李西磊，等. 北安市近60年气候变化特征分析[J]. 农村经济与科技，2018，29（19）：52-53.

[6] 徐文龙，南极月，冷宏杰，等. 北安气候变化特征分析及其对农业生产的影响[J]. 安徽农业科学，2010，38（15）：8063-8064.

[7] 邱海军，曹明明，曾彬. 基于小波分析的西安降水时间序列的变化特征[J]. 中国农业气象，2011，32（1）：23-27.

[8] 王颖，施能，顾骏强，等. 中国雨日的气候变化[J]. 大气科学，2006，30（1）：162-170.

[9] 魏凤英. 现代气候统计诊断与预测技术[M]. 北京：北京气象出版社，1999.

[10] 方丽娟，陈莉，覃雪，等. 近50年黑龙江省作物生长季农业气候资源的变化分析[J]. 中国农业气象，2012，33（3）：340-347.

[11] 赵东，罗勇，高歌，等. 1961年至2007年中国日照的演变及其关键气候特征[J]. 资源科学，2010，32（4）：701-711.