氣候變化對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻產(chǎn)量的影響

王保+黃思先+孫衛(wèi)國(guó)

摘要：為了揭示區(qū)域氣候變化對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻產(chǎn)量的影響及水稻相對(duì)氣象產(chǎn)量波動(dòng)的原因，采用統(tǒng)計(jì)分析方法和小波變換方法分析了近60年來(lái)長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻產(chǎn)量、水稻生長(zhǎng)季內(nèi)平均氣溫、降水量、氣溫日較差以及≥10 ℃活動(dòng)積溫的年際變化以及水稻產(chǎn)量與區(qū)域氣候變化之間的時(shí)頻結(jié)構(gòu)特征。結(jié)果表明，近60年來(lái)長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻產(chǎn)量呈波動(dòng)增長(zhǎng)趨勢(shì)；20世紀(jì)80年代以后水稻生長(zhǎng)季內(nèi)平均氣溫升高、≥10 ℃活動(dòng)積溫增大，降水量減少趨勢(shì)不明顯，氣溫日較差呈顯著下降趨勢(shì)。水稻產(chǎn)量和區(qū)域氣候變化均存在年際和年代際尺度變化周期，且兩者之間的時(shí)頻特征存在一定的相似性；交叉小波分析表明，水稻產(chǎn)量與區(qū)域氣候變化之間存在2～4a、6a、8a、12a和14a尺度的共振頻率，且多以正相關(guān)關(guān)系為主，但在局部時(shí)域中也存在不同頻率尺度的負(fù)相關(guān)，兩者之間的相關(guān)關(guān)系和相關(guān)程度隨振蕩頻率尺度的不同而不同。長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻產(chǎn)量波動(dòng)與區(qū)域氣候變化密切相關(guān)，氣候變暖導(dǎo)致熱量條件改善對(duì)水稻產(chǎn)量的影響大于降水量減少對(duì)水稻產(chǎn)量的影響。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)江中下游地區(qū)；水稻產(chǎn)量；氣候變化；小波變換

中圖分類號(hào)：S162.5+3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2014）01-0043-09

Effects of Climate Change on Rice Yield of the Middle and Lower Reaches Region of the Yangtze River

WANG Bao1，HUANG Si-xian2，SUN Wei-guo3

（1.Xianning Bureau of Meterology， Xianning 437100，Hubei，China；2. Ezhou Bureau of Meterology，Ezhou 436000，Hubei，China；

3.Nanjing University of Information Science & Technology， Naning 210044，China）

Abstract： To reveal the impact of the regional climate change on rice yield of the middle and lower reaches of the Yangtze River， and to understand the reasons for rice relative meteorological yield fluctuations， statistical analysis and wavelet transform were used to analyze time and the frequency variation features of rice production， the average temperature， precipitation， diurnal temperature， and≥10℃ active accumulated temperature of the Yangtze River region in the past 60 years， and the time-frequency structural features between rice production and regional climate change. The results showed that rice yield of the middle and lower reaches of the Yangtze River region in the past 60 years had fluctuations in the growth trend. The average temperature and the active accumulated temperature increased during the growing season. The reduction of precipitation was not obvious. Diurnal temperature appeared to decrease significantly. Between rice production and climate change， there were periodic characteristics of interannual and decadal changes. The time-frequency characteristics was certainly similar between the two. Cross-wavelet transform results showed that between rice production and climate change， there were the resonance frequency of the different scales， like 2-4a， 6a， 8a， 12a and 14a. There were more positive correlation between the main， but in the local time domain there was a negative correlation of different frequency scale. The two relationship and relevance were different， varying from oscillation periods scale. It was believed that rice yield fluctuations of middle and lower reaches of the Yangtze River was closely related with the climate change. The periodic feature was obvious， and the effect of the improvement of heat condition on increasing production was much more than the impact of reducing precipitation.

Key words： the middle and lower reaches of the Yangtze River； rice yield； climate change； wavelet transform

收稿日期：2013-07-16

作者簡(jiǎn)介：王 保（1989-），女，湖北黃岡人，助理工程師，主要從事短期天氣預(yù)報(bào)及氣候變化和小波變換等方面的研究，（電話）

15272681090（電子信箱）wangbao1129@163.com；通訊作者，黃思先，助理工程師，主要從事短期天氣預(yù)報(bào)及重要天氣過(guò)程診斷分析

和氣候變化等方面的研究，（電話）15926018229（電子信箱）ilyyrhsx@163.com。

氣候變化已成為不爭(zhēng)的事實(shí)。政府間氣候變化專業(yè)委員會(huì)（IPCC）的氣候變化評(píng)估報(bào)告[1-4]指出，全球氣候正發(fā)生著以氣候變暖為主要特征的顯著性變化，全球平均地表溫度從1861年以來(lái)一直在升高。關(guān)于氣候變化對(duì)作物產(chǎn)量的影響，我國(guó)學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了多方面的探究[5，6]，尤其是氣候變暖背景下作物產(chǎn)量的變化規(guī)律以及農(nóng)業(yè)應(yīng)對(duì)氣候變化的措施等已成為目前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。20世紀(jì)以來(lái)，全球氣候變暖越來(lái)越快，氣候變化對(duì)作物生產(chǎn)的影響也越來(lái)越大，特別是氣候變暖背景下，極端氣候事件發(fā)生頻率、持續(xù)時(shí)間和分布規(guī)律的變化對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響往往超過(guò)了氣候平均變率所帶來(lái)的影響[7]。

研究作物產(chǎn)量與氣候因子之間的關(guān)系，以往大多采用常規(guī)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[8-11]，但氣候變化具有不同時(shí)間尺度，區(qū)域平均氣溫和降水量的周期性變化以及極端氣候事件的發(fā)生，必然引起作物產(chǎn)量的變化和波動(dòng)，因此，有必要采用新的時(shí)頻分析方法對(duì)氣候變化及作物產(chǎn)量的周期性進(jìn)行研究。孫衛(wèi)國(guó)等[12]、張明等[13]和蘇占勝等[14]用功率譜和交叉小波變換方法分析了作物產(chǎn)量與區(qū)域氣候變化之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者關(guān)系密切，周期性變化特征顯著。

長(zhǎng)江中下游地區(qū)是我國(guó)水稻的主要種植區(qū)，氣候變化將會(huì)帶來(lái)水稻產(chǎn)量的變化，但目前氣候變化對(duì)該區(qū)水稻產(chǎn)量影響的研究較少[15-19]，對(duì)該區(qū)產(chǎn)量周期性的研究更不多見(jiàn)，所以，研究該區(qū)水稻產(chǎn)量與區(qū)域氣候變化的關(guān)系具有重要現(xiàn)實(shí)意義。水稻生長(zhǎng)發(fā)育要求的最低溫度在10 ℃以上，南方三季稻要求≥10 ℃的活動(dòng)積溫達(dá)到7 000 ℃，雙季稻要求達(dá)到5 300 ℃，且氣溫日較差對(duì)作物產(chǎn)量形成影響較大，因此，需要分析水稻生長(zhǎng)季內(nèi)平均氣溫、降水量、氣溫日較差和≥10 ℃的活動(dòng)積溫的影響。研究根據(jù)1951～2010年長(zhǎng)江中下游6?。ò不铡⒑?、湖南、江蘇、江西和浙江）實(shí)際水稻產(chǎn)量和同期107個(gè)氣象站的水稻生長(zhǎng)季內(nèi)平均氣溫、降水量、氣溫日較差和≥10℃的活動(dòng)積溫資料，采用交叉小波變換方法，以相對(duì)氣象產(chǎn)量為研究對(duì)象，分析長(zhǎng)江中下游地區(qū)60年水稻產(chǎn)量與生育期內(nèi)這些氣候變量的時(shí)頻變化特征及耦合振蕩的關(guān)系，討論水稻產(chǎn)量波動(dòng)與氣候因子變化周期的相關(guān)性，通過(guò)區(qū)域氣候變化對(duì)水稻產(chǎn)量的影響以及水稻產(chǎn)量波動(dòng)的原因分析，為區(qū)域性作物產(chǎn)量評(píng)估和預(yù)測(cè)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料的處理

水稻產(chǎn)量資料來(lái)源于國(guó)家統(tǒng)計(jì)局，根據(jù)1951～2010年長(zhǎng)江中下游地區(qū)6省水稻產(chǎn)量（t/hm2），經(jīng)一致性檢驗(yàn)，建立區(qū)域平均水稻產(chǎn)量序列，樣本數(shù)n=60。同期的氣候資料來(lái)源于中國(guó)氣象局逐日氣候資料，包括平均氣溫（℃）、降水量（mm）、最高氣溫（℃）和最低氣溫（℃）記錄，根據(jù)這6省107個(gè)氣象站的資料，算得區(qū)域水稻生長(zhǎng)季（4～10月）內(nèi)平均氣溫、總降水量、平均氣溫日較差以及≥10 ℃的活動(dòng)積溫。計(jì)算時(shí)，為了保證資料序列的平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，對(duì)資料進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理。

1.2 研究方法

1.2.1 趨勢(shì)產(chǎn)量估算 影響作物產(chǎn)量的因素比較多，且各影響因素的變化特征及其時(shí)間尺度不同，主要的影響因素有人為因素、氣象因素和隨機(jī)“噪音”三方面，分別構(gòu)成3個(gè)產(chǎn)量分量[20]，作物產(chǎn)量=趨勢(shì)產(chǎn)量+氣象產(chǎn)量+隨機(jī)“噪音”。隨機(jī)“噪音”所占比例很小，一般可忽略不計(jì)；趨勢(shì)產(chǎn)量是實(shí)際產(chǎn)量的平穩(wěn)變化項(xiàng)，表示產(chǎn)量的演變趨勢(shì)，其大小決定于歷年的生產(chǎn)技術(shù)水平，其模擬方法很多，本研究采用直線滑動(dòng)平均法[12]，采用15年滑動(dòng)步長(zhǎng)來(lái)消除短周期波動(dòng)的影響，算出趨勢(shì)產(chǎn)量。氣象產(chǎn)量為作物產(chǎn)量扣除趨勢(shì)產(chǎn)量得到，反映了氣象條件對(duì)產(chǎn)量的影響。氣象產(chǎn)量與趨勢(shì)產(chǎn)量的比值可以表示為相對(duì)氣象產(chǎn)量。為了消除生產(chǎn)力水平對(duì)水稻產(chǎn)量的影響，真實(shí)地反映氣象因子對(duì)其影響規(guī)律，本研究在進(jìn)行產(chǎn)量分析時(shí)以相對(duì)氣象產(chǎn)量作為研究對(duì)象。

1.2.2 小波變換方法 小波變換方法[21]起源于Fourier分析方法，F(xiàn)ourier級(jí)數(shù)主要用來(lái)表征信號(hào)的周期性，但在大多數(shù)情況下信號(hào)都是非周期性的，于是引入Fourier變換，將非周期性信號(hào)分解為多個(gè)周期性信號(hào)的疊加來(lái)處理，但是Fourier分析方法只是將信號(hào)在頻率域內(nèi)展開(kāi)，沒(méi)有包含時(shí)域的信息，丟棄的這些時(shí)域信息可能對(duì)某些應(yīng)用非常重要，所以需要引進(jìn)小波變換方法，將信號(hào)在時(shí)頻兩域的信息提取出來(lái)，充分利用信號(hào)信息[12]。

交叉小波變換[22]是一種新型信號(hào)分析技術(shù)，與傳統(tǒng)的交叉譜方法相比更具優(yōu)越性，特別是用于兩個(gè)時(shí)間序列耦合振蕩行為的相關(guān)分析上，除了可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)交叉譜分析方法不可避免的缺陷外，還能夠?qū)⑿〔ㄗ儞Q在時(shí)頻兩域都具有表征信號(hào)局部化特征的能力發(fā)揮到極致；交叉小波變換方法具有比較強(qiáng)的耦合信號(hào)分辨的能力，具有便于描述耦合信號(hào)在時(shí)頻域中分布狀況等優(yōu)點(diǎn)[23]，經(jīng)過(guò)多次實(shí)踐應(yīng)用驗(yàn)證表明[24-26]，該方法確實(shí)能夠充分反映兩時(shí)間序列相關(guān)振蕩的周期顯著性和兩時(shí)間序列的相互依賴關(guān)系，還可以分析出兩時(shí)間序列信號(hào)精細(xì)的時(shí)頻變化特征，效果很顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻產(chǎn)量與氣候變化特征的關(guān)系

2.1.1 產(chǎn)量波動(dòng) 水稻產(chǎn)量的波動(dòng)與氣候條件密不可分，圖1為1951～2010年長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻的實(shí)際產(chǎn)量（實(shí)線）、氣象產(chǎn)量（虛線）以及趨勢(shì)產(chǎn)量（點(diǎn)劃線）的時(shí)間變化圖，實(shí)際產(chǎn)量和趨勢(shì)產(chǎn)量均為左側(cè)縱坐標(biāo)軸，氣象產(chǎn)量為右側(cè)縱坐標(biāo)軸。從圖1可以看出，長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻的實(shí)際產(chǎn)量隨時(shí)間呈波動(dòng)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，年代際變化主要在1985年之前氣象產(chǎn)量波動(dòng)比較大，1985年之后波動(dòng)較平穩(wěn)，且1950年代和1980年代的波動(dòng)相對(duì)于1960和1970年代的波動(dòng)要大得多，這與長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻生長(zhǎng)季內(nèi)平均氣溫、平均氣溫日較差以及≥10 ℃活動(dòng)積溫的波動(dòng)特點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。

長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻生長(zhǎng)季內(nèi)的氣象災(zāi)害主要有高溫?zé)岷Α⒌蜏乩浜?、雨澇、干旱、春季低溫陰雨、寒露風(fēng)、臺(tái)風(fēng)以及風(fēng)雹等。1959年長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻減產(chǎn)主要受嚴(yán)重的伏秋連旱影響，1960年水稻低產(chǎn)主要與該區(qū)春季冷暖空氣交替頻繁，早稻育秧期出現(xiàn)低溫陰雨天氣造成大量爛秧，秧苗質(zhì)量差等有關(guān)；1961年的低產(chǎn)主要由干旱造成，長(zhǎng)江中下游出現(xiàn)了大范圍、程度較重的干旱，秧田龜裂，稻禾枯黃，最終導(dǎo)致大幅減產(chǎn)；1962年該區(qū)降水偏多，出現(xiàn)了雨澇，但對(duì)水稻產(chǎn)量影響顯著的還是春季的低溫連陰雨天氣；1975年的產(chǎn)量主要因“寒露風(fēng)”的影響而降低；1977年的減產(chǎn)主要受部分地區(qū)（江西等地）高溫干旱的影響；1980年長(zhǎng)江中下游地區(qū)遇到了雨澇、春季低溫陰雨以及“寒露風(fēng)”等災(zāi)害，影響了水稻的生長(zhǎng)，造成大幅減產(chǎn)；2003年主要是高溫?zé)岷υ斐傻臏p產(chǎn)。

2.1.2 氣候變化 圖2為長(zhǎng)江中下游地區(qū)1951～2010年水稻生長(zhǎng)季內(nèi)平均氣溫（a）、降水量（b）、平均氣溫日較差（c）和≥10 ℃活動(dòng)積溫（d）的時(shí)間變化圖，圖中直線（或曲線）為其變化趨勢(shì)線。由圖2可以看出水稻生長(zhǎng)季內(nèi)的氣候變化特征主要表現(xiàn)為平均氣溫和≥10 ℃活動(dòng)積溫的變化呈現(xiàn)二次曲線形式，且平均氣溫轉(zhuǎn)折點(diǎn)在1975年左右，≥10 ℃活動(dòng)積溫轉(zhuǎn)折點(diǎn)在1980年左右。水稻生長(zhǎng)季內(nèi)平均氣溫、降水量、平均氣溫日較差以及≥10 ℃活動(dòng)積溫與時(shí)間的相關(guān)系數(shù)分別為0.354、0.000、-0.548和0.360，其中，水稻生長(zhǎng)季內(nèi)平均氣溫、≥10 ℃活動(dòng)積溫以及平均氣溫日較差與時(shí)間相關(guān)關(guān)系通過(guò)了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，降水量與時(shí)間的相關(guān)性沒(méi)有通過(guò)0.05水平的檢驗(yàn)。

2.1.3 水稻產(chǎn)量與氣候變化相關(guān)分析 由相關(guān)分析可知，水稻產(chǎn)量與水稻生長(zhǎng)季內(nèi)平均氣溫、平均氣溫日較差以及≥10℃活動(dòng)積溫的相關(guān)系數(shù)都通過(guò)了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，與降水量的相關(guān)系數(shù)沒(méi)有通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。水稻產(chǎn)量與生長(zhǎng)季內(nèi)的平均氣溫日較差呈負(fù)相關(guān)，因?yàn)殚L(zhǎng)江中下游地區(qū)容易出現(xiàn)高溫天氣，雖然氣溫日較差大有利于水稻有機(jī)物的積累，但是高溫會(huì)影響水稻的生長(zhǎng)，已有研究表明，水稻在孕穗至抽穗揚(yáng)花期對(duì)溫度極其敏感[27]，如果日均溫度高于32 ℃，日最高溫度高于35 ℃，水稻抽穗揚(yáng)花就受到影響，從而造成產(chǎn)量損失和品質(zhì)下降；水稻在灌漿期也最易受高溫危害[28]，造成結(jié)實(shí)率和千粒重的降低，從而導(dǎo)致減產(chǎn)。水稻產(chǎn)量與降水量的相關(guān)性不強(qiáng)，因?yàn)樵陂L(zhǎng)江中下游地區(qū)，水源較充足，農(nóng)業(yè)用水一般不受自然降水量的影響，但當(dāng)降水量過(guò)大或持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，仍然會(huì)影響水稻的開(kāi)花和授粉，特別是在開(kāi)花期，連陰雨天氣將會(huì)使水稻花粉的傳播受精受阻，從而導(dǎo)致減產(chǎn)。水稻產(chǎn)量與平均氣溫和≥10 ℃活動(dòng)積溫呈正相關(guān)關(guān)系，主要反映的是水稻生長(zhǎng)對(duì)熱量條件的需求，水稻是喜熱作物，熱量條件對(duì)其產(chǎn)量有重要影響，有效熱量越多，水稻產(chǎn)量越高。

2.2 水稻產(chǎn)量與氣候變化的時(shí)頻結(jié)構(gòu)

相關(guān)分析只能初步分析氣候變化與水稻產(chǎn)量的簡(jiǎn)單相關(guān)關(guān)系，不能充分反映區(qū)域氣候變化對(duì)水稻產(chǎn)量的影響，而小波變換則能從時(shí)間域和頻率域上充分利用時(shí)間序列信號(hào)，分析出水稻產(chǎn)量和氣候變化的局部時(shí)頻變化規(guī)律，通過(guò)交叉小波分析出兩者之間在時(shí)頻結(jié)構(gòu)上的相關(guān)關(guān)系。

小波變換系數(shù)的實(shí)數(shù)部分包含給定時(shí)間和尺度下相對(duì)于其他時(shí)間和尺度信號(hào)的強(qiáng)度和位相兩方面的信息[26]。小波系數(shù)實(shí)數(shù)部分為正時(shí)，表示水稻相對(duì)氣象產(chǎn)量距平、降水量距平、平均氣溫距平、氣溫日較差距平和≥10 ℃活動(dòng)積溫距平相對(duì)偏多，圖3中用實(shí)線表示；小波系數(shù)實(shí)數(shù)部分為負(fù)時(shí)，表示相對(duì)偏少，圖3中用虛線表示；小波系數(shù)為0的地方則為突變點(diǎn)。圖3中的符號(hào)反映了振蕩的位相，等值線中心反映了不同尺度振蕩的振幅最大值。采用小波功率譜檢驗(yàn)顯著性，小波功率譜圖為小波功率譜與置信水平為95%的紅噪聲總體譜的比值，比值大于1.0表示通過(guò)95%置信水平紅噪聲檢驗(yàn)的顯著周期振蕩（實(shí)線），比值小于1.0表示未通過(guò)95%置信水平的紅噪聲檢驗(yàn)（虛線）。

2.2.1 水稻產(chǎn)量波動(dòng)的時(shí)頻變化特征 圖3為長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻相對(duì)氣象產(chǎn)量距平的小波變換系數(shù)實(shí)數(shù)部分等值線圖和小波功率譜圖。由圖3a可以看出，水稻相對(duì)氣象產(chǎn)量波動(dòng)的年際尺度主要表現(xiàn)在2～4年和6年尺度的周期振蕩，且時(shí)域分布不均勻，局部化特征明顯；年代際尺度主要表現(xiàn)在10年和14～16年尺度的周期振蕩。

年際尺度特征為2～4年左右的尺度周期信號(hào)主要表現(xiàn)在1954、1955年以及1976～1982年，同時(shí)也反映了在此周期尺度上，水稻相對(duì)氣象產(chǎn)量距平在1954、1976年及1980年處于偏少期，但1955、1979年和1982年是偏多的；6年左右的周期信號(hào)主要表現(xiàn)在1976～1981年，且呈現(xiàn)偏少—偏多—偏少的振蕩規(guī)律，具體為1976年水稻相對(duì)氣象產(chǎn)量距平偏少，1977～1980年偏多，1981年又呈偏少特征。

年代際尺度特征，10年左右的振蕩信號(hào)主要表現(xiàn)在1970～1985年，水稻相對(duì)氣象產(chǎn)量距平呈現(xiàn)偏少—偏多的兩次周期振蕩；14～16年左右的振蕩信號(hào)比較強(qiáng)，等值線比較密集，在全域都有表現(xiàn)，但是1985年之前的振蕩比1985年之后的強(qiáng)，1985年之后的振蕩呈逐漸增強(qiáng)趨勢(shì)，水稻相對(duì)氣象產(chǎn)量存在偏多—偏少的4次振蕩，具體表現(xiàn)為1950～1957年偏多，1958～1965年偏少，1966～1973年偏多，1974～1981年偏少，1982～1988年偏多，1989～1996年偏少，1997～2002年偏多，2003～2010年偏少，且等值線閉合，預(yù)計(jì)2010年之后會(huì)出現(xiàn)水稻相對(duì)氣象產(chǎn)量偏多的情況。

由圖3b可以看出，2～4年的周期振蕩在1957年之前以及1975～1983年比較強(qiáng)，結(jié)合圖3a中的結(jié)果分析，2～4年左右的周期信號(hào)在1954年、1955年和1979年的周期比較明顯，周期特征顯著；6年尺度的周期振蕩在1957～1963年以及1976～1982年比較明顯，結(jié)合圖3a可以得出，1976～1982年的周期振蕩是通過(guò)檢驗(yàn)的，周期性顯著；10年左右的周期振蕩在1970年之前比較強(qiáng)，結(jié)合圖3a可知，10年左右的周期振蕩信號(hào)沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)；14～16年左右的周期振蕩在1980年之前比較明顯，通過(guò)了95%置信水平的紅噪聲檢驗(yàn)。

綜上所述，長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻相對(duì)氣象產(chǎn)量的周期性特征主要表現(xiàn)出2～4年、6年、14～16年的周期振蕩，時(shí)域分布不均勻。

2.2.2 氣候變化波動(dòng)的時(shí)頻變化特征 圖4為長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻生長(zhǎng)季內(nèi)月平均氣溫距平的小波變換系數(shù)實(shí)數(shù)部分等值線圖和小波功率譜圖。由圖4a可以看出，水稻生長(zhǎng)季內(nèi)月平均氣溫距平波動(dòng)的年際尺度主要表現(xiàn)在3～4年、6年和8年尺度的周期振蕩，且時(shí)域分布不均勻；年代際尺度主要表現(xiàn)在10和14～16年尺度的周期振蕩。

由圖4b可以看出，3～4年尺度的周期信號(hào)在1962～1970年、1989～1997年振蕩比較強(qiáng)，結(jié)合圖4a可知，3～4年尺度的周期信號(hào)在1962～1970年和1989～1997年周期性顯著；6年尺度的周期振蕩不強(qiáng)，在整個(gè)時(shí)間域上都沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)；8年尺度周期振蕩信號(hào)在1954～1960年比較強(qiáng)，結(jié)合圖3a可知，8年尺度的周期振蕩在1954～1960年通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)；10年左右的周期振蕩在2000～2008年比較強(qiáng)，結(jié)合圖3a可知，10年左右的周期振蕩在2000～2008年周期性比較明顯，通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)；14～16年尺度的周期振蕩比較弱，在整個(gè)時(shí)間域上都沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)（等值線的值均<1.0）。說(shuō)明長(zhǎng)江中下游地區(qū)生長(zhǎng)季內(nèi)的平均氣溫距平的周期性特征主要表現(xiàn)在3～4年、8年和10年尺度的周期振蕩，時(shí)域分布不均勻。

對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻生長(zhǎng)季內(nèi)月降水量距平的小波變換系數(shù)實(shí)數(shù)部分等值線圖和小波功率譜圖分析可以看出，水稻生長(zhǎng)季內(nèi)月降水量距平波動(dòng)的年際尺度主要表現(xiàn)在1～2年、3～4年、6年和8年尺度的周期振蕩，時(shí)域分布不均勻；年代際尺度主要表現(xiàn)在10年、14年和18年尺度的周期振蕩。1～2年尺度的周期振蕩在1952～1957年、1966～1967年、1972年、1979～1982年以及1995～2002年比較強(qiáng)，其中1～2年尺度的周期信號(hào)在1952～1957年、1979～1982年以及1995～2002年的周期性比較明顯，周期特征顯著；3～4年尺度的周期信號(hào)在1951～1957年、1971～1986年以及2000～2005年的周期性比較明顯，通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)；6年尺度的周期振蕩在1966～1982年比較強(qiáng)，結(jié)合小波系數(shù)實(shí)數(shù)部分分析，此周期尺度上在時(shí)間的全域范圍內(nèi)都沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)；8年尺度周期振蕩在1958～1961年比較強(qiáng)，8年尺度周期信號(hào)在1958～1961年顯著；10年左右的周期信號(hào)在1958～1978年的振蕩比較強(qiáng)，總結(jié)得出10年左右的周期信號(hào)只在1958～1978年顯著；14年以上尺度的周期振蕩比較弱，均未通過(guò)95%置信水平的紅噪聲檢驗(yàn)。說(shuō)明長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻生長(zhǎng)季內(nèi)的降水量距平主要表現(xiàn)在1～2年、3～4年、8年和10年尺度的周期振蕩，時(shí)域分布不均勻。

對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻生長(zhǎng)季內(nèi)氣溫日較差距平的小波變換系數(shù)實(shí)數(shù)部分和小波功率譜分析可知，水稻生長(zhǎng)季內(nèi)氣溫日較差距平波動(dòng)的年際尺度主要表現(xiàn)在1～2年、3～4年、6年和8年尺度的周期振蕩，時(shí)域分布不均勻；年代際尺度主要表現(xiàn)在14～16年尺度的周期振蕩。1～2年的周期振蕩在1955年之前、1957～1961年、1966～1967年、1972～1973年、1976～1982以及1984～1994年比較強(qiáng)，其中1～2年尺度的周期信號(hào)在1955年之前、1976～1982以及1984～1994年的周期特征顯著；3～4年尺度的周期信號(hào)只在1959年之前以及1971～1975年通過(guò)了檢驗(yàn)， 3～4年尺度的周期振蕩在1959年之前周期效果明顯；6年尺度的周期振蕩在1961～1985年間比較強(qiáng)，通過(guò)了95%置信水平的紅噪聲檢驗(yàn)；8年尺度的周期振蕩在1989年之前都比較強(qiáng)，結(jié)合小波系數(shù)實(shí)數(shù)部分分析結(jié)果可知，8年尺度周期信號(hào)主要在1963年之前以及1985～1989年顯著，周期特征明顯；14～16年尺度的周期振蕩在1956～1981年間比較強(qiáng)， 14～16年尺度的周期信號(hào)只在1956～1981年通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)，周期性強(qiáng)。說(shuō)明長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻生長(zhǎng)季內(nèi)氣溫日較差距平主要存在1～2年、3～4年、6年、8年以及14～16年尺度的周期振蕩，高頻部分比較明顯。

對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻生長(zhǎng)季內(nèi)≥10 ℃活動(dòng)積溫距平的小波變換系數(shù)實(shí)數(shù)部分和小波功率譜分析可知，水稻生長(zhǎng)季內(nèi)≥10 ℃活動(dòng)積溫距平波動(dòng)的年際尺度主要表現(xiàn)在1～2年、3～4年、6年和8年尺度的周期振蕩，時(shí)域分布不均勻；年代際尺度主要表現(xiàn)在10年和14年左右尺度的周期振蕩。生長(zhǎng)季內(nèi)≥10 ℃活動(dòng)積溫在高頻部分周期性比低頻明顯，具體表現(xiàn)為1～2年尺度的周期振蕩在1951～1954年、1958～1962年、1969～1972年、1974～1976年、1979～1982年以及1993～2004年比較強(qiáng)，其中1～2年尺度的周期信號(hào)在1951～1954年、1969～1972年及1993～1998年比較明顯，周期特征顯著；3～4年尺度的周期信號(hào)在1962～1970年、1975～1979年、1988～1995年通過(guò)了檢驗(yàn)，周期性顯著；6年尺度的周期振蕩比較弱，均未通過(guò)95%置信水平的紅噪聲檢驗(yàn)；8年尺度的周期振蕩在1954～1960年比較強(qiáng)，結(jié)合小波系數(shù)實(shí)數(shù)部分分析可知，8年尺度的周期信號(hào)在1954～1960年通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)；10年尺度的周期信號(hào)在2000～2008年振蕩比較強(qiáng)，10年尺度的周期信號(hào)在整個(gè)時(shí)域上沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)；14年尺度的周期信號(hào)在全時(shí)域的振蕩都不強(qiáng)，說(shuō)明該周期尺度在整個(gè)時(shí)域中都不顯著。

長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻生長(zhǎng)季內(nèi)≥10 ℃活動(dòng)積溫距平的周期特征主要反映在高頻部分的1～2年、3～4年以及8年尺度上，低頻部分均未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，同時(shí)將≥10 ℃活動(dòng)積溫距平的小波變換與平均氣溫距平小波變換對(duì)比發(fā)現(xiàn)，它們的變換特征非常相似。

水稻相對(duì)氣象產(chǎn)量距平小波變換的周期特征與同期生長(zhǎng)季內(nèi)的平均氣溫、降水量、氣溫日較差以及≥10℃活動(dòng)積溫距平的小波變換有某種相似性，有共同的3～4年和8年的周期振蕩，說(shuō)明水稻產(chǎn)量變化與氣象變化可能存在某種周期頻率上的聯(lián)系，因此作水稻相對(duì)氣象產(chǎn)量與各氣候變量序列之間的交叉小波協(xié)譜圖和功率譜密度圖來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

2.3 水稻產(chǎn)量與區(qū)域氣候變化的相關(guān)性

2.3.1 水稻產(chǎn)量與水稻生長(zhǎng)季內(nèi)平均氣溫的時(shí)頻變化相關(guān)性 圖5為長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻相對(duì)氣象產(chǎn)量距平與水稻生長(zhǎng)季內(nèi)平均氣溫距平的交叉小波協(xié)譜圖和功率譜密度圖，反映了長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻產(chǎn)量與水稻生長(zhǎng)季內(nèi)平均氣溫之間的時(shí)頻相關(guān)分布特征。兩者的正相關(guān)關(guān)系表明水稻生長(zhǎng)季內(nèi)平均氣溫對(duì)水稻產(chǎn)量是促進(jìn)作用，負(fù)相關(guān)則表示水稻生長(zhǎng)季內(nèi)平均氣溫出現(xiàn)不適宜水稻生產(chǎn)的情況。

圖5a表明，相對(duì)氣象產(chǎn)量與水稻生長(zhǎng)季內(nèi)平均氣溫之間的關(guān)系以正相關(guān)為主， 在局部時(shí)域中個(gè)別頻率尺度上兩者之間也存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。兩者正相關(guān)振蕩主要表現(xiàn)在2～3年、4年和12年尺度的共振頻率上：2～3年尺度的正相關(guān)出現(xiàn)在1952～1955年和1962～1964年；4年尺度的正相關(guān)出現(xiàn)在1973～1983年；12年尺度正相關(guān)出現(xiàn)在1967～1974年和1990～1995年。兩者負(fù)相關(guān)振蕩主要表現(xiàn)在2～3年和8年尺度上：2～3年尺度的負(fù)相關(guān)表現(xiàn)在1956～1957年以及1982～1986年；8年尺度的負(fù)相關(guān)表現(xiàn)在1950～1974年。從圖5b可以看出，水稻相對(duì)氣象產(chǎn)量與水稻生長(zhǎng)季內(nèi)平均氣溫在頻率域中年際尺度周期上的相關(guān)程度明顯高于年代際尺度周期上的相關(guān)程度，2～3年、4年以及12年尺度是呈正相關(guān)的，其中以12年時(shí)間尺度上的正相關(guān)程度最大，4年時(shí)間尺度上的次之，在8年時(shí)間尺度上的負(fù)相關(guān)程度最大，兩者之間的相關(guān)關(guān)系也隨振蕩周期尺度的不同而不同。結(jié)合圖5a可以得出，水稻相對(duì)氣象產(chǎn)量與水稻生長(zhǎng)季內(nèi)平均氣溫之間存在2～3年、4年、8年和12年尺度的共振頻率，且相關(guān)程度最好的是8年尺度的負(fù)相關(guān)和12年尺度的正相關(guān)，4年尺度的正相關(guān)程度也比較明顯，2～3年尺度的相關(guān)程度不高。

2.3.2 水稻產(chǎn)量與水稻生長(zhǎng)季內(nèi)降水量的時(shí)頻變化相關(guān)性 長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻相對(duì)氣象產(chǎn)量距平與水稻生長(zhǎng)季內(nèi)降水量距平的交叉小波協(xié)譜和功率譜密度反映了長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻產(chǎn)量與水稻生長(zhǎng)季內(nèi)降水量之間的時(shí)頻相關(guān)分布特征。由分析可知，長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻生長(zhǎng)季內(nèi)的降水量對(duì)水稻的產(chǎn)量影響不大，但是過(guò)量和持續(xù)的降水則會(huì)造成產(chǎn)量的降低，表現(xiàn)為兩者的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而正常降水則會(huì)對(duì)產(chǎn)量產(chǎn)生正面影響，表現(xiàn)為兩者的正相關(guān)關(guān)系。

通過(guò)水稻相對(duì)氣象產(chǎn)量距平與水稻生長(zhǎng)季內(nèi)降水量距平的交叉小波協(xié)譜和功率譜密度分析可知，水稻相對(duì)氣象產(chǎn)量與水稻生長(zhǎng)季內(nèi)降水量之間的關(guān)系既有正相關(guān)關(guān)系，又有負(fù)相關(guān)關(guān)系。兩者正相關(guān)主要表現(xiàn)在2～4年、6年、8年和14～16年尺度的共振頻率上：2～4年尺度的正相關(guān)出現(xiàn)在1966～1975；6年尺度的正相關(guān)出現(xiàn)在1960～1968年；8年尺度的正相關(guān)出現(xiàn)在1966～1981年；14～16年尺度正相關(guān)出現(xiàn)在1974～2010年。兩者負(fù)相關(guān)主要表現(xiàn)在2～4年、6年和14年尺度上：2～4年尺度的負(fù)相關(guān)表現(xiàn)在1958年以前以及1975～1984年；6年尺度的負(fù)相關(guān)表現(xiàn)在1960～1983年；14年尺度的負(fù)相關(guān)主要表現(xiàn)在1957～1975年。通過(guò)交叉小波功率譜密度分析可知，水稻相對(duì)氣象產(chǎn)量與水稻生長(zhǎng)季內(nèi)降水量在頻率域中年際尺度周期上的相關(guān)程度明顯高于年代際尺度周期上的相關(guān)，2～4年、6年尺度是呈負(fù)相關(guān)的，8年、14～16年尺度是呈正相關(guān)的，其中以14～16年尺度上的正相關(guān)程度最大，2～4年尺度上的負(fù)相關(guān)程度最大，兩者之間的相關(guān)關(guān)系也隨振蕩周期尺度的不同而不同。綜合分析可知，水稻相對(duì)氣象產(chǎn)量與水稻生長(zhǎng)季內(nèi)降水量之間存在2～4年、6年、8年和14～16年尺度的共振頻率。

2.3.3 水稻產(chǎn)量與水稻生長(zhǎng)季內(nèi)氣溫日較差的時(shí)頻變化相關(guān)性 長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻相對(duì)氣象產(chǎn)量距平與水稻生長(zhǎng)季內(nèi)氣溫日較差距平的交叉小波協(xié)譜和交叉小波功率譜密度反映了長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻產(chǎn)量與水稻生長(zhǎng)季內(nèi)氣溫日較差之間的時(shí)頻相關(guān)分布特征。由分析結(jié)果可知，長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻生長(zhǎng)季內(nèi)氣溫日較差與水稻產(chǎn)量整體是呈負(fù)相關(guān)的，因此，兩者的正相關(guān)表示水稻生長(zhǎng)季內(nèi)氣溫日較差偏小，沒(méi)有出現(xiàn)極端氣溫對(duì)水稻的傷害，有利于水稻產(chǎn)量的積累，而負(fù)相關(guān)則表示水稻生長(zhǎng)季內(nèi)氣溫日較差偏大，日最高氣溫或最低氣溫超過(guò)了水稻的適宜生長(zhǎng)溫度，不利于水稻的生長(zhǎng)發(fā)育，導(dǎo)致水稻產(chǎn)量偏低。

通過(guò)水稻相對(duì)氣象產(chǎn)量距平與水稻生長(zhǎng)季內(nèi)氣溫日較差距平的交叉小波協(xié)譜和功率譜密度分析可知，水稻相對(duì)氣象產(chǎn)量與水稻氣溫日較差之間的關(guān)系主要表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，局部也存在有負(fù)相關(guān)關(guān)系。兩者正相關(guān)振蕩主要表現(xiàn)在2～4年、6年和14～16年尺度的共振頻率上：2～4年尺度的正相關(guān)出現(xiàn)在除1969～1974年之外的全域范圍內(nèi)，且1976～1982年表現(xiàn)比較明顯；6年尺度的正相關(guān)出現(xiàn)在1968～2010年，且在1978～1980年表現(xiàn)比較明顯；14～16年尺度正相關(guān)在全域都有表現(xiàn)，在1980年之前表現(xiàn)得比較強(qiáng)烈，且在1973～1979年表現(xiàn)比較明顯，等值線很密集，波幅中心出現(xiàn)在1962年左右。兩者負(fù)相關(guān)振蕩主要表現(xiàn)在2～4年、6年、8年和14年尺度上：2～4年尺度的負(fù)相關(guān)表現(xiàn)在1969～1974年，表現(xiàn)比較弱；6年尺度的負(fù)相關(guān)表現(xiàn)在1956～1967年；8年尺度的負(fù)相關(guān)主要表現(xiàn)在1986年之前，且1977年之前表現(xiàn)比較明顯，波幅中心在1955～1960年；14年尺度的負(fù)相關(guān)出現(xiàn)在1983年之后，表現(xiàn)不強(qiáng)。交叉小波功率譜密度分析表明，兩者在頻率域中年際尺度周期上的相關(guān)程度明顯低于年代際尺度周期上的相關(guān)，6年、8年尺度是呈負(fù)相關(guān)的，8年左右尺度的負(fù)相關(guān)最強(qiáng)，2～4年、14～16年尺度是呈正相關(guān)的，其中以14～16年尺度上的正相關(guān)程度最大，25年以后，周期尺度越大，相關(guān)性越不強(qiáng)，而且兩者之間的相關(guān)關(guān)系也隨振蕩周期尺度的不同而不同。綜合分析可知，兩者之間存在2～4年、6年、8年和14～16年尺度的共振頻率，總體的相關(guān)程度是最高的，其中14～16年尺度的正相關(guān)程度最高，8年左右尺度的負(fù)相關(guān)最大，2～4年和6年的相關(guān)程度不高。

2.3.4 水稻產(chǎn)量與水稻生長(zhǎng)季內(nèi)≥10 ℃活動(dòng)積溫的時(shí)頻變化相關(guān)性 長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻相對(duì)氣象產(chǎn)量距平與水稻生長(zhǎng)季內(nèi)≥10 ℃活動(dòng)積溫距平的交叉小波協(xié)譜和功率譜密度反映了長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻產(chǎn)量與水稻生長(zhǎng)季內(nèi)≥10 ℃活動(dòng)積溫之間的時(shí)頻相關(guān)分布特征。水稻生長(zhǎng)要求最低氣溫在10 ℃以上，整個(gè)生長(zhǎng)季要求≥10 ℃的活動(dòng)積溫達(dá)到一定的值，當(dāng)水稻產(chǎn)量與水稻生長(zhǎng)季內(nèi)≥10 ℃活動(dòng)積溫成正相關(guān)關(guān)系時(shí)表明水稻生長(zhǎng)季內(nèi)≥10 ℃活動(dòng)積溫達(dá)到水稻生長(zhǎng)的要求，負(fù)相關(guān)則表示水稻生長(zhǎng)季內(nèi)≥10 ℃活動(dòng)積溫沒(méi)有滿足水稻生長(zhǎng)的要求。

通過(guò)水稻相對(duì)氣象產(chǎn)量距平與水稻生長(zhǎng)季內(nèi)≥10 ℃活動(dòng)積溫距平的交叉小波協(xié)譜和功率譜密度分析可知，兩者之間的關(guān)系以正相關(guān)為主，局部時(shí)域存在不同頻率尺度的負(fù)相關(guān)。兩者正相關(guān)振蕩主要表現(xiàn)在2～3年、4年、6年和12年尺度的共振頻率上：2～3年尺度的正相關(guān)出現(xiàn)在1955年之前、1962～1964年、1966～1975以及1990年之后，表現(xiàn)不強(qiáng)；4年尺度的正相關(guān)在全域都有表現(xiàn)，但在1975～1982年表現(xiàn)比較強(qiáng)，波幅中心在1978年左右；6年尺度的正相關(guān)出現(xiàn)在1995年之后，表現(xiàn)很不明顯；12年尺度正相關(guān)在全域都有弱表現(xiàn)。兩者負(fù)相關(guān)振蕩主要表現(xiàn)在2～3年和8年尺度上：2～3年尺度的負(fù)相關(guān)表現(xiàn)在1957年以及1983～1986年，表現(xiàn)很弱；8年尺度的負(fù)相關(guān)表現(xiàn)在1974年之前，表現(xiàn)比較明顯，且波幅中心出現(xiàn)在1960年左右。由交叉小波功率譜密度分析可知，在頻率域中年際尺度周期上的相關(guān)高于年代際尺度周期上的相關(guān)，2～3年、4年、6年、12年尺度是正相關(guān)，2～3年、8年尺度是呈負(fù)相關(guān)的，其中以12年時(shí)間尺度上的正相關(guān)程度最大，8年時(shí)間尺度上的負(fù)相關(guān)程度最大，兩者之間的相關(guān)關(guān)系也隨振蕩周期尺度的不同而不同。綜合分析可知，兩者之間存在2～3年、4年、6年、8年和12年尺度的共振頻率，12年尺度的正相關(guān)程度最大，8年尺度的負(fù)相關(guān)程度最大。

3 結(jié)論與討論

近60年來(lái)長(zhǎng)江中下游地區(qū)的氣候變化趨勢(shì)與全國(guó)氣候變化一致，其中水稻生長(zhǎng)季內(nèi)平均氣溫和≥10 ℃活動(dòng)積溫隨時(shí)間呈二次曲線變化；氣溫日較差呈減小趨勢(shì)；降水量與時(shí)間的相關(guān)性較差。水稻產(chǎn)量呈波動(dòng)增長(zhǎng)趨勢(shì)，波動(dòng)特點(diǎn)明顯，出現(xiàn)了大量的豐歉年。

1）氣候變化對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻產(chǎn)量有一定的影響，水稻生長(zhǎng)季內(nèi)平均氣溫的升高和≥10 ℃活動(dòng)積溫的增加對(duì)水稻產(chǎn)量是正面影響，氣溫日較差的增大則會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量下降，而降水量變化則與產(chǎn)量變化關(guān)系不大。

2）長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻相對(duì)氣象產(chǎn)量與水稻生長(zhǎng)季內(nèi)的平均氣溫、降水量、氣溫日較差以及≥10 ℃活動(dòng)積溫的時(shí)頻結(jié)構(gòu)有一定的相似性，存在某些頻率尺度的顯著性變化周期，主要表現(xiàn)在高頻部分。

3）長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻產(chǎn)量與水稻生長(zhǎng)季內(nèi)平均氣溫和≥10 ℃活動(dòng)積溫之間存在多尺度的共振頻率，且在低頻部分的相關(guān)程度比高頻部分稍好，相關(guān)程度最好的是8年的反位相的振蕩和12年尺度的正位相振蕩。

4）長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻相對(duì)氣象產(chǎn)量與水稻生長(zhǎng)季內(nèi)降水量之間存在2～4年、6年、8年和14～16年尺度的共振頻率，相關(guān)程度隨振蕩周期尺度的不同而不同，且總體相關(guān)程度較低。

5）長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻相對(duì)氣象產(chǎn)量與水稻生長(zhǎng)季內(nèi)氣溫日較差之間存在2～4年、6年、8年和14～16年尺度的共振頻率，總體相關(guān)程度在所有與水稻產(chǎn)量進(jìn)行交叉小波變換的變量中最高。

長(zhǎng)江中下游地區(qū)水熱資源豐富，氣候變化對(duì)其影響比較明顯，影響機(jī)理比較復(fù)雜，長(zhǎng)江下游地區(qū)靠近海岸的區(qū)域，受海陸氣候的影響比較大，特別是夏季太平洋西岸的熱帶高壓對(duì)其直接影響更導(dǎo)致了氣候變化的復(fù)雜性，同時(shí)城市化發(fā)展較快，城市“熱島效應(yīng)”明顯，它們對(duì)水稻產(chǎn)量的影響還有待進(jìn)一步研究，這對(duì)于估算水稻產(chǎn)量和提高水稻種植管理技術(shù)從而提高產(chǎn)量有重要意義。

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