1961～2021 年阜新市春播期降水变化特征

舒海燕白佳宁宁喜龙赵振宇孙 可万楠楠孙宝利

(阜新市气象局,辽宁 阜新 123000)

阜新市位于辽宁省的西北部,地形以低山丘陵为主,占总面积的60%左右。 阜新市气候受东亚季风的支配,属于北温带大陆性季风气候,春季多干旱。 春季农业生产受多种气象要素影响,最主要因子之一是降水。 春季是春耕播种和出苗的关键期,春季降水量是能够顺利进行春耕生产的重要指标,也是出苗率高低的关键要素。 而阜新市春季降水条件较差,总体来说,有“十年九旱”之说,所以春季降水量及首场透雨对阜新农业生产至关重要。 对阜新春季降水的研究结果,不仅能对决策气象服务提供科学依据,还能够指导春耕生产,为作物产量打下良好的基础。

随着全球的气候变暖,各种气候灾害频发,很多气象专家对春季降水在不同时间、不同空间进行研究[1～3],特别是辽宁西部地区,春季降水少,干旱频发。 杨文艳等人研究发现[4],盘锦地区1957 ～2019 年春季降水逐渐增加。

阜新市是辽宁省的主要粮食产区,粮食种植面积达33.3 万hm2左右,占总的农作物种植面积(55.3 万hm2左右)的61.0%左右。 本文通过对春季降水特征和规律的研究,发现阜新市春季降水变化规律及特点,可以根据降水的变化规律及时调整农业种植品种,适应气象变化规律,有效利用降水资源,科学种田,对当地减少干旱带来的损失,对阜新经济发展具有重要的作用。

1 资料来源与方法

1. 1 资料

本文应用1961 ～2021 年3 ～6 月逐日降水量数据,数据来源于阜新市阜蒙县及彰武县国家气象站,数据进行等权平均处理。 首场透雨日期的界定标准为:对于阜新市来说,春季首场透雨应是4 月至6 月中旬出现在本站及大部分乡镇平均降水量在10.0 mm 以上的第一场降水,且雨后消除干土层。 在分析过程中重点考虑气候因素,所以,降水量取阜蒙县和彰武县气象站4 月以后首场达到10.0 mm 或以上降水数据。 单日降水量大于或等于10.0 mm 的降雨过程的日期为首场透雨日期。

1. 2 方法

1. 2. 1 Morlet 小波分析

在统计学应用中,时间序列周期性分析方法,常用Morlet 小波分析方法来表示实部等值线图来反映气候序列的多时间尺度变化[5～8];由于Morlet 小波的实部是一个对称的小波函数,可以表示不同特征时间尺度信号在不同时间的强弱和位相两方面的信息;小波方差随着时间尺度的变化而体现时间序列的周期性,以及序列变化的干扰强度和主周期,小波方差图能反映降水量时间序列中所包含的各种时间尺度的周期性波动及其能量强弱随尺度变化的特性。 其公式如下:

2 结果与分析

2. 1 降水量年和年代际变化

由图1 可见,1961 ～2021 年阜新市3、4、5 月及春季(3 ～5 月)降水量都呈现增加趋势,其增加速率分别为0. 47 mm/10 年、0. 10 mm/10 年、3.04 mm/10 年,其趋势变化不显著。 3、4、5 月和春季61 年平均降水量分别为8.1 mm、23.8 mm、43.3 mm 和75. 2 mm,峰值降水量分别出现在1981、1983、2019、1988 年为56.5 mm、110.9 mm、136. 2 mm、151. 3 mm,谷值降水量分别出现在2005、2017、2002、2003 年为0. 0 mm、0. 3 mm、9.7 mm、15.9 mm。 从年代来看,3 月份降水在20世纪80 年代最多,达16.4 mm,20 世纪60 年代降水最少为3.8 mm;4 月份降水在20 世纪80 年代最多(31. 1 mm),20 世纪90 年代降水最少(15.7 mm);5 月份降水在21 世纪10 年代最多(59. 5 mm), 20 世纪 80 年代降水最少(33.4 mm);春季(3 ～5 月)在21 世纪10 年代最多(92.0 mm), 20 世纪 60 年代降水最少(65.7 mm)。

图1 1961 ～2021 年阜新市3 月(a)、4 月(b)、5 月(c)及春季(d)降水量变化曲线Figure 1 Precipitation over the Fuxin in March (a) , April (B) , May (c) and spring (D) form 1961 to 2021

2. 2 首场透雨频次及降水量的旬变化及年代际变化

通过对1961 ～2021 年阜新市4 ～6 月首场透雨出现的日期和降水量的统计可得,4 月共37次,5 月共19 次,6 月共5 次。 由图2(a)可知,从4 月上旬开始出现首场透雨,到6 月中旬首场透雨的频次呈减少趋势,减少速率为1. 8 次/旬,其减少的趋势通过了显著性检验;4 月中旬首场透雨的频次达到最大,为18 次,次多为4 月和5 月上旬(10 次),最少为6 月中旬(2 次),次少为5月下旬和6 月上旬(3 次)。 由图2(b)可知,首场透雨的各旬平均降水量呈增加趋势,增加速率为0. 4 次/旬,最大降水量出现在6 月上旬,为17.9 mm,最小降水量出现在4 月下旬,12.2 mm。

由图2(c)可见,从4 月上旬到6 月中旬各旬平均降水量呈增加趋势, 其增加速率为2.8 mm/旬,通过了显著性检验,其中6 月下旬的平均降水量最多,为25.8 mm,4 月上旬的平均降水量最少,为5.0 mm。 由图2(d)可见,首场透雨的降水量呈微弱的减少趋势,其减少速率为0.19 mm/10 年;从年代降水量来看,20 世纪70年代首场降雨的降水量最多,为16. 0 mm,20 世纪90 年代降水量最少,为11.7 mm;从首场降水的极值来看,1971 年首场降雨单日最多达到30.7 mm,1994 年次之,达28.6 mm。

图2 1961 ～2021 年阜新市首场透雨各旬频次 (a)和降水量(b)、旬平均降水量(c)及首场透雨的年代际降水量(d)变化曲线Figure 2 Frequency (a) and precipitation (b), average precipitation (c) and interdecadal precipitation (d) of the first drizzle over the Fuxin form 1961 to 2021

2. 3 首场透雨降水量和春季降水量年变化Morlet 分析

本文应用Morlet 小波分析方法绘制了1961 ～2021 年首场透雨量降水量和春季降水量的Morlet小波实部系数和小波方差图。 由图3(a)可见,首场透雨降水量的46 ～52 年的振荡周期最为明显,为第一主周期;30 ～32 年的振荡周期较为明显,为第二主周期。 由图3(b)可见,春季降水量约有58 ～66 年的振荡周期最为明显(由于数据长度原因,周期显示不全),为第一主周期; 34 ～38 年的振荡周期现较为明显,16 ～18 年的振荡周期在20世纪90 年代到21 世纪10 年代表现较为明显,10～12 年的振荡周期在20 世纪60 年代到80 年代表现较为明显。

图3 1961 ～2021 年阜新市首场透雨降水量(a)和春季降水量(b)Morlet 小波实部系数变化Figure 3 The variation of Morlet wavelet real part coefficients of the first rainfall (a) and the spring rainfall (b)in Fuxin form 1961 to 2021

由图4(a)可见,首场透雨降水量的48 年的准周期最为明显,还有31 年的准周期较为明显。由图4(b)可见,春季降水量约有62 年的准周期最为明显,还有36 年的准周期现较为明显,17 年的准周期在20 世纪90 年代到21 世纪10 年代表现较为明显,11 年的准周期在20 世纪60 年代到80 年代表现较为明显。

图4 1961 ～2021 年阜新市首场透雨降水量(a)和春季降水量 (b)小波方差变化Figure 4 The wavelet variance of the first rainfall (a) and the spring rainfall (b) in Fuxin form 1961 to 2021

3 讨论

3. 1 春季降水对农作物的影响

阜新地处辽宁的西北部,多丘陵,土地多沙化,属于干旱半干旱地区,有“十年九旱”之说。阜新市降水大部分集中在6 ～8 月,从历年平均(1991 ～2020 年)来看,阜新市春季降水占全年降水的15.9%,明显偏少。 春季降水直接影响土壤含水量,对春耕生产具有重要意义。 对于未播种的土地,主要影响是适时播种,土壤含水量不足,会推迟春播时间;对已播种的作物也会影响正常发芽、出苗,土壤含水量不足,会使幼苗出土困难,造成缺苗断条,甚至毁种。

3. 2 春季降水的影响因子

阜新市降水大部分集中在6 ～8 月,从历年平均(1991 ～2020 年)来看,阜新市春季降水占全年降水的15. 9%,明显偏少。 夏梅艳等研究表明[12],西太平洋副热带高压位置与夏季降水关系密切,与春季降水有着一定的关系,当春季位置偏西偏北时,春季降水偏小。 马晓刚等研究表明[13],太阳活动与夏季降水成极为密切的反相关关系,太阳黑子相对数与周期内的暴雨日数其相关系数达到了-0.842,极为显著。 周连童等研究表明[14],春季降水与前期太阳黑子平均数呈反相关,太阳黑子峰值年后3 年,易发生降水偏少。 通过分析表明,1991 ～2018 年太阳黑子平均数与阜新市1994 ～2021 年首场透雨降水量呈现出明显的正相关关系,相关系数r= 0.4658,P值为0.0098,通过了0.01 的显著性检验。 1961 ～2021年太阳黑子平均数与同期5 月份降水量呈反相关关系,相关系数r=-0.257,P值为 0.046,通过了0.05 的显著性检验。

4 结论

从1961 ～2021 年阜新市3、4、5 月及春季(3 ～5 月)降水量都呈现增加趋势。 从年代来看,春季在21 世纪10 年代最多,20 世纪60 年代降水最少。

首场透雨从4 月上旬开始出现到6 月中旬频次逐渐减少,减少速率为1.8 次/旬。 首场透雨的降水量呈减少趋势,增加速率为0.4 次/旬。

从4 月上旬到6 月中旬各旬平均降水量呈增加趋势,其增加速率为2. 8 mm/旬。 首场透雨的降水量呈微弱的减少趋势, 其减少速率为0.19 mm/10 年。

阜新市首场透雨降水量有准48 年和准31 年的周期,春季降水量有准62 年和准36 年的周期。

阜新市降水大部分集中在6 ～8 月,阜新市历年春季降水占全年降水的15.9%,明显偏少。

近30 年太阳黑子峰值的后3 年与首场透雨降水量呈现出明显的正相关关系,其相关系数为0.4658(P=0.0098)。 太阳黑子平均数与同期5月份降水量呈反相关关系,其相关系数r=-0.257(P= 0.046)。