婁底市農業(yè)氣候資源與油菜產量的特征研究

伍智文，蔡海朝

（婁底市氣象局，湖南 婁底 417000）

婁底市位于湖南省中部，地處亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，氣候具有顯著的季風性與大陸性特點，冬季嚴寒期短，最冷月平均氣溫5.1℃，十分有利于油菜的生長，是傳統(tǒng)的“稻—稻—油”三熟制高產區(qū)。近年來，隨著惠農政策的普及和人們生活水平的提高，菜籽油越來越受到青睞，雜交優(yōu)質油菜播種面積逐年增加，特別是“油菜—超級稻”模式發(fā)展較快，但由于受播種期任意性及氣象條件制約的影響，油菜產量始終在1 100 kg/hm2左右。為挖掘油菜生產潛力，充分利用冬季農業(yè)氣候資源，對油菜生育期內的氣象災害可采取積極防御、趨利避害的措施。該研究利用婁底市常規(guī)氣象觀測資料和油菜產量統(tǒng)計資料，對1981～2010年婁底市油菜不同生育期的氣象條件進行主分量分析，計算出可以反映氣候變化的氣候綜合指標，再通過Morlet 小波變換對氣候綜合指標和油菜產量進行多時間尺度特征研究，從而探討婁底市農業(yè)氣候資源對油菜產量的影響，以期為婁底市油菜生產合理布局和科學決策提供可靠依據(jù)。

1 資料與方法

該研究使用1981～2010年婁底市所轄5 個縣（市）的逐日氣溫、降水量和日照時數(shù)等為地面氣象觀測資料，對應的油菜產量資料來源于婁底市農業(yè)局。

采用主分量分析法[1]定義氣候綜合指標K，將代表熱、濕、光3 個氣象要素的氣溫x1、降水量x2、日照時數(shù)x3進行主分量分析。對于樣本容量為n 的m 個氣象要素（xip）n×m，首先確定其主分量個數(shù)m 和主分量Kj的表達式：

再分別計算出各個主分量的方差貢獻率Ei和累積方差貢獻率Gp，

一般提取出累積方差貢獻率Gp≥90%的特征值λ1，λ2，…，λp（p≤m）所對應的主分量K1，K2，…，Kp和主分量方差貢獻率E1，E2，…，Ep。將氣候綜合指標K 的表達式定義為：

婁底市油菜農業(yè)氣候綜合指標和產量序列中包含多時間尺度的周期變化，由于小波分析具有良好的多尺度和多分辨率的特點，且對信號的瞬態(tài)和奇異點有較強的檢測能力，所以被稱為信號分析的“數(shù)學顯微鏡”。該研究利用Morlet 小波變換對婁底市農業(yè)氣候綜合指標和油菜產量序列分別進行周期特征分析，圖中不同時間尺度上的正負等值線閉合中心的交替，能清楚地反映各周期隨時間的變化情況，因而在許多領域中得到廣泛的應用[2-4]。

2 油菜農業(yè)氣候資源特征分析

根據(jù)婁底市油菜的生理特點，可以將油菜全生育期分為苗期（9月下旬至次年1月上旬）、蕾苔期（1月中旬至2月中旬）、開花期（2月下旬至3月中旬）和角果成熟期（3月下旬至5月上旬）4 個主要生育階段。該研究通過主分量分析法計算出婁底市油菜不同生育階段的氣候綜合指標，從表1 可知，婁底市油菜各個生育期的氣象要素從第二主分量起，累積方差貢獻率均已達到99.9%以上，因此確定主分量個數(shù)為2 個，再利用特征值歸一化后作為權值進行多指標綜合，且多指標綜合值具有典型的氣候資源意義。

表1 不同生育期的主分量特征值λ、方差貢獻率E（%）及累積方差貢獻率G（%）

由前兩個主分量計算得出婁底市油菜各個生育期的氣候綜合指標K 值。

K苗期＝－0．002 0 x1+0.828 1 x2-0.139 2 x3

K蕾苔期＝－0．007 1 x1+0.784 4 x2-0.030 6 x3

K開花期＝－0．013 6 x1+0.755 5 x2-0.287 2 x3

K成熟期＝－0．001 5 x1+0.858 9 x2-0.024 3 x3

從綜合指標表達式中可以看到，各個生育期的K 值在x2上的載荷值最大，且均為正值，而在x1和x3上的載荷值較小且為負值。表明婁底市油菜不同生育期中的降水量在氣候綜合指標中起著關鍵作用。

為了進一步研究婁底市油菜農業(yè)氣候資源的多時間尺度變化特征，筆者對1981～2010年婁底市油菜生育期的氣候綜合指標序列進行Morlet 小波變換。圖1 為婁底市油菜不同生育期氣候綜合指標的Morlet 小波變換實部分布情況，婁底市油菜生育過程中的苗期、蕾苔期、開花期和角果成熟期均存在明顯的多時間尺度變化特征，圖中陰影部分為正值，表示K 值偏大，負值表示K 值偏小。苗期（圖1a）氣候綜合指標存在3 個明顯的特征時間尺度，分別是3～4 a、7 a、10 a，在30 a 中始終存在7 a、10 a 的周期振蕩，分別表現(xiàn)為9 個和6 個“大～小”循環(huán)交替，在整個研究時段都表現(xiàn)得非常穩(wěn)定；蕾苔期（圖1b）氣候綜合指標存在3～4 a、8 a 和12～13 a左右3 個特征時間尺度，對8 a 和12～13 a 的年際和年代際時間尺度，主要表現(xiàn)為8 個“大～小”和5個“小～大”循環(huán)交替，在整個研究時間段周期振蕩穩(wěn)定存在；開花期（圖1c）氣候綜合指標存在7～8 a、15 a 左右2 個特征時間尺度，表現(xiàn)為8 個“小～大”和4 個“小～大”循環(huán)交替，在整個時間段周期振蕩均很明顯；角果成熟期（圖1d）氣候綜合指標存在4～5 a、10 a 的2 個特征時間尺度，對10 a 的時間尺度，表現(xiàn)為6 個“大～小”循環(huán)交替，并在整個時間段周期振蕩均很明顯，對于4～5 a 的年際尺度，1991年以前表現(xiàn)為4 a 的周期振蕩，1991年以后表現(xiàn)為5 a 的周期振蕩。

3 油菜產量對農業(yè)氣候資源特征的響應

為了更進一步分析研究婁底市油菜產量和農業(yè)氣候資源特征變化的聯(lián)系，首先對1981～2010年婁底市油菜全生育期（9月中旬至次年5月上旬）的氣溫，降水量和日照時數(shù)進行主分量分析，得出了能夠反映整個油菜生長過程的氣候綜合指標表達式。

圖1 婁底市油菜不同生育期氣候綜合指標Morlet 小波變換系數(shù)（實部）分布

K全生育期＝－0．000 5 x1+0.831 4 x2-0.192 0 x3

從式中可以看出，全生育期的K 值在x2上的載荷值最大，且為正值，而在x1和x3上的載荷值較小，且為負值，這表明婁底市油菜全生育期中的降水量在氣候綜合指標中所占的比重最大，與K 值成正相關；其次是日照時數(shù)，氣溫貢獻率最小，并與K值均成負相關。因此，婁底市油菜全生育期氣候綜合指標與各個生育階段的結果表現(xiàn)一致。

對1981～2010年婁底市油菜產量和全生育期的氣候綜合指標序列分別進行Morlet 小波變換，結果顯示，他們都具有明顯的多時間尺度周期變化特征。油菜產量（圖2a）存在7 a、10 a 左右2 個特征時間尺度，主要表現(xiàn)為9 個“少～多”和7 個“少～多”循環(huán)交替，在整個時間段周期振蕩均很明顯；而全生育期（圖2b）氣候綜合指標也同樣存在7 a、10 a的2 個特征時間尺度，分別表現(xiàn)為8 個“大～小”和6 個“大～小”循環(huán)交替，并在整個時間段周期振蕩均很明顯。通過對比分析，發(fā)現(xiàn)油菜產量與全生育期氣候綜合指標存在相同的特征尺度周期振蕩，在7 a 與10 a 時間尺度上油菜產量的“少～多”循環(huán)交替和全生育期氣候綜合指標的“大～小”循環(huán)交替，分別體現(xiàn)出近似同步的特征。

圖2 婁底市油菜產量和全生育期氣候綜合指標Morlet 小波變換系數(shù)（實部）分布

4 結 論

（1）對婁底市油菜各個生育階段的氣象條件進行主分量分析，結果顯示，累積方差貢獻率從第二主分量起均已達到99.9%以上，再利用特征值歸一化后作為權值進行多指標綜合，得到氣候綜合指標K 值，各個生育期的K 值均表現(xiàn)為在x2上的載荷值最大，為正值，而在x1和x3上的載荷值較小，為負值，表明婁底市油菜各個生育階段的降水量在氣候綜合指標中所占的比重最大，與K 值成正相關，而日照時數(shù)，氣溫與K 值均成負相關，且對K 值的貢獻率較小。婁底市油菜各個生育階段的氣候綜合指標K 序列均具有明顯的多時間尺度變化特征，且各個生育階段存在不盡相同的年際和年代際多時間尺度周期變化特征。

（2）對婁底市油菜產量和全生育期氣候綜合指標K 序列進行Morlet 小波變換，結果顯示，油菜產量和全生育期氣候綜合指標都具有明顯的多時間尺度變化特征，油菜產量在年際尺度7 a 與年代際尺度10 a 上的周期振蕩變化特征明顯，全生育期氣候綜合指標具有相似的周期振蕩變化特征。

[1]黃嘉佑.氣象統(tǒng)計分析與預報方法[M].北京：氣象出版社，2004.

[2]莊曉翠，趙正波，楊 森，等.新疆阿勒泰地區(qū)暖季S 干旱指數(shù)變化特征分析[J].中國農業(yè)氣象，2011，32（3）：444-450.

[3]孫蘭東，劉德祥.西北地區(qū)熱量資源對氣候變化的相應特征[J].干旱氣象，2008，26（1）：8-12.

[4]唐湘玲，劉姣娣，呂 新.石河子地區(qū)近48年來氣候變化對棉花產量影響分析[J].中國農學通報，2010，26（20）：324-329.