用小波分析商河縣近40年熱量資源變化特征

尚建設(shè)（商河縣氣象局，山東　商河　251600）

用小波分析商河縣近40年熱量資源變化特征

尚建設(shè)
（商河縣氣象局，山東商河251600）

摘要：使用商河縣1971—2010年的日平均氣溫資料，得出穩(wěn)定通過0℃，10℃積溫資料，進(jìn)而利用小波分析近40a商河縣熱量資源的變化特征。分析發(fā)現(xiàn)：商河縣氣溫持續(xù)增暖，線性趨勢達(dá)到0.17℃ /10a，穩(wěn)定通過0℃，10℃積溫與氣溫變化顯著相關(guān)也呈增加趨勢，且逐年變化有多尺度震蕩周期特征。穩(wěn)定通過0℃，10℃積溫持續(xù)天數(shù)也顯著增加。通過分析研究商河縣熱量資源的變化特征，有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)商河縣熱量資源的變化趨勢和周期性特征。

關(guān)鍵詞：小波分析；積溫變化；熱量資源

中圖分類號(hào)：P468

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：識(shí)碼：B

文章編號(hào)：號(hào)：1005–0582（2015）02–0040–04

收稿日期：2014-08-05

作者簡介：尚建設(shè)（1986—），男，山東滕州人，助理工程師，本科，主要從事地面測報(bào)、氣象服務(wù)工作。

引言

熱量資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一項(xiàng)重要自然資源。在全球氣候變暖的背景下，熱量資源的變化特征直接影響地方種植制度、作物產(chǎn)量和品質(zhì)。積溫作為熱量資源的主要指標(biāo)之一，其變化規(guī)律對(duì)于判定地區(qū)熱量資源變化特征具有重要指示意義。在農(nóng)業(yè)氣象上，常將0℃作為土壤凍結(jié)和解凍，越冬作物秋季停止生長，春季開始生長的界限溫度；10℃是春季喜溫作物開始播種與生長，喜涼作物開始迅速生長，棉花品質(zhì)與產(chǎn)量開始受影響的界限溫度[1]。文章選取具有代表性的穩(wěn)定通過0℃，10℃積溫及其持續(xù)天數(shù)來表示地區(qū)熱量資源變化特征進(jìn)行研究。近年來，中國各地的活動(dòng)積溫有所增加，這種變化將對(duì)中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局及一系列農(nóng)業(yè)對(duì)策措施產(chǎn)生重大影響[2]?？妴堉赋鲈跉夂蜃兣谋尘跋?，中國≥10℃，≥0℃積溫變化的總體趨勢是普遍增加的，20世紀(jì)80年代后增加比較明顯[3]。因此通過積溫研究地方熱量資源變化特征具有重要意義。

商河縣位于濟(jì)南市北部，地處魯西北地區(qū)，屬于暖濕帶半濕潤季風(fēng)性大陸性氣候。商河氣候宜人、土壤肥沃，糧棉產(chǎn)量是全國“雙百強(qiáng)縣”。掌握當(dāng)?shù)責(zé)崃抠Y源變化規(guī)律，對(duì)商河農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的合理安排、氣候資源的合理開發(fā)利用等具有重要意義。文章對(duì)商河縣近40a來熱量資源變化特征進(jìn)行分析研究，提高氣象為農(nóng)服務(wù)科技含量，為科學(xué)合理開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和利用氣候資源提供依據(jù)。

1　資料和方法

1.1資料來源

選取商河國家氣象觀測站1971—2010年逐日平均氣溫資料，利用五日滑動(dòng)平均法[4]計(jì)算出0℃和10℃溫度界限內(nèi)積溫及其持續(xù)天數(shù)。用穩(wěn)定通過0℃和10℃積溫及其持續(xù)天數(shù)為代表研究商河縣熱量資源變化特征。

1.2方法介紹

1.2.1趨勢分析

對(duì)氣象要素資料序列進(jìn)行趨勢分析建立氣溫、熱量資源的時(shí)間變化序列，一般將一維序列做線性傾向估計(jì)，用曲線和趨勢線表示變化趨勢。用yi表示樣本量為n的某一變量，用xi表示yi所對(duì)應(yīng)的自變量，建立yi與xi之間的一元線性回歸：

（1）式中a為回歸常數(shù)，b為回歸系數(shù)?；貧w系數(shù)b的符號(hào)表示變量x的趨勢傾向。b＞0說明隨時(shí)間增加，呈上升趨勢；b＜0說明隨時(shí)間增加，呈下降趨勢。b值反映上升或下降的速率，即表示上升或下降的傾向性。

1.2.2小波分析

小波分析是一種應(yīng)用廣泛的統(tǒng)計(jì)方法，具有多分辨率分析的特點(diǎn)，能夠很好地反應(yīng)信號(hào)在時(shí)頻域上的總體特征，又能提供時(shí)域和頻域局部化的信息[5]。小波變換是通過對(duì)母小波的伸縮和平移得到的。因此進(jìn)行小波分析時(shí)，母小波的選擇顯得尤為重要。文章對(duì)積溫的時(shí)間序列進(jìn)行小波分析，了解詳細(xì)的小波尺度的功率譜大小，要求母小波為非正交的復(fù)函數(shù)。Morlet小波不但具有非正交性而且還是復(fù)值小波，它比Fourier分析更能反映出序列的局部特征，此文中選擇Morlet小波。

定義等時(shí)間步長δt的離散時(shí)間系列xn（n=1，…，N）的連續(xù)小波變換為小波函數(shù)ψ0尺度化以及轉(zhuǎn)換下的xn的卷積：

（2）式中*表示共軛復(fù)數(shù)，N是時(shí)間系列的總數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，（δt/s）1/2是一個(gè)用于小波函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的因子從而使得小波函數(shù)在每個(gè)小波尺度s上具有單位能量[6]。Morlet小波母函數(shù)為：

（3）式中t為時(shí)間，ω0是無量綱頻率，ω0= 6，小波尺度s與傅里葉周期基本相等。通過轉(zhuǎn)換小波尺度s并沿著時(shí)間指數(shù)n進(jìn)行局部化，最終可得到一幅展示時(shí)間系列在某一尺度上波動(dòng)特征及其隨時(shí)間變化的小波功率譜。小波功率譜圖顯示了各個(gè)周期的能量大小。將小波功率譜在某一周期上進(jìn)行時(shí)間平均，可以得到小波全譜。通過小波全譜圖中可以清晰地辨別時(shí)間系列的周期波動(dòng)特征及其強(qiáng)度。

由于此文變量的時(shí)間序列式有限，小波變換的初始值和結(jié)尾會(huì)有誤差產(chǎn)生邊際效應(yīng)。在這種情況下，用影響錐表示小波譜區(qū)域以及相應(yīng)的邊緣效應(yīng)。影響錐以外的為小波功率譜受到邊際效應(yīng)影響部分，表現(xiàn)出來的周期特征存在較大不確定性。對(duì)不受邊際效應(yīng)影響的小波功率譜采用紅噪聲作為背景譜進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)中以0.05的顯著水平進(jìn)行評(píng)估。

2　分析討論

2.1商河縣氣溫和熱量資源變化趨勢分析

利用1971—2010年商河縣年平均氣溫與熱量資源建立商河縣平均氣溫與熱量資源的時(shí)間變化序列。由商河縣年平均氣溫曲線及趨勢線（圖1）可以看到，近40年來在華北地區(qū)氣溫變暖[7]的背景下，商河縣氣溫不斷上升，表現(xiàn)出明顯的變換趨勢，其傾向率達(dá)到0.17℃ /10a，這個(gè)變化幅度小于全球和中國變暖的速度[8]。

圖1　商河縣1971—2010年年平均氣溫隨時(shí)間變化序列

圖2為商河縣1971—2010年穩(wěn)定通過0℃、10℃積溫及其穩(wěn)定通過日數(shù)趨勢分布圖，可見商

河縣穩(wěn)定通過0℃，10℃積溫呈顯著增加的趨勢，增幅分別為34.5℃·d/10a，33.6℃·d/10a，穩(wěn)定通過0℃，10℃積溫的日數(shù)也呈顯著增加的趨勢，增幅分別為2.9d/10a，2.5d/10a。穩(wěn)定通過0℃，10℃積溫及其日數(shù)變化趨勢都通過了顯著性檢驗(yàn)。

圖2　商河縣熱量資源的變化趨勢（藍(lán)色實(shí)線為穩(wěn)定通過0℃積溫，藍(lán)色虛線為穩(wěn)定通過0℃積溫日數(shù)；紅色實(shí)線為穩(wěn)定通過10℃積溫，紅色虛線為穩(wěn)定通過10℃積溫日數(shù)）

氣溫的變化和各項(xiàng)熱量資源（穩(wěn)定通過0℃積溫、穩(wěn)定通過10℃積溫及其日數(shù)）變化趨勢有很好的相關(guān)性。氣溫和0℃積溫、10℃積溫的相關(guān)系數(shù)分別為0.85，0.63，通過0.05水平顯著性檢驗(yàn)。氣溫和0℃積溫穩(wěn)定通過日數(shù)、10℃積溫持續(xù)天數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.51和0.44，也都通過了0.05水平顯著性檢驗(yàn)。表明近40年隨著氣候變暖商河縣熱量資源也在不斷增加。

2.2商河縣熱量資源變化的周期特征分析

對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)來說，僅研究熱量資源的多年平均變化趨勢還不夠，必須進(jìn)一步分析其歷年的變化特征[9]。此文利用小波分析商河近40a來熱量資源變化特征，研究其時(shí)域和頻域上的總體特征和局部特征。圖3a、圖3b分別為商河縣穩(wěn)定通過0℃，10℃積溫的Morlet小波功率譜圖。功率譜圖中值越大顯示各個(gè)周期的能量越大。影響錐線以下的為小波功率譜受到邊際效應(yīng)影響部分，表現(xiàn)出來的周期特征存在較大不確定性。影響錐線以上部分不受邊際效應(yīng)影響。圖中還采用紅噪聲作為背景譜對(duì)小波功率的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，其中閉合粗線內(nèi)的小波功率譜通過了0.05的顯著水平檢驗(yàn)。

圖3　商河縣0℃（a）和10℃（b）積溫的小波功率譜圖

通過穩(wěn)定通過0℃小波功率譜圖可以看到穩(wěn)定通過檢驗(yàn)的區(qū)域?qū)?yīng)的周期特征為1～3a周期出現(xiàn)在1976—1982年，2～5a周期出現(xiàn)在1990—2002年，4～7a周期出現(xiàn)在1978—1990年。

通過穩(wěn)定通過10℃小波功率譜圖可以看到穩(wěn)定通過檢驗(yàn)的區(qū)域?qū)?yīng)的周期特征為1～3a周期分別出現(xiàn)在1974—1979年、1981—1990年和1993—2007年，準(zhǔn)4a周期出現(xiàn)在1991—1996年，5～7a周期出現(xiàn)在1978—1989年，準(zhǔn)8a周期出現(xiàn)在1993—2001年。

通過分析可以看到穩(wěn)定通過0℃，10℃積溫變化存在多時(shí)間尺度特征。即不同的時(shí)間段內(nèi)，商河縣熱量資源有著不同的周期特征。

3　熱量資源變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響

近年來隨著氣候變暖，商河縣熱量資源存在分時(shí)段周期性變化，總體趨勢呈顯著增加的特點(diǎn)。商河縣熱量資源發(fā)生的變化有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，延長了農(nóng)作物生長期，農(nóng)作物播種期較以往提前，當(dāng)?shù)氐募Z棉產(chǎn)量穩(wěn)步提高。為充分利用熱量資源，今后農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可以在種植方式和作物種類上做文章，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量，優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)值。在種植方式上可以擴(kuò)大多熟制面積、提高復(fù)種指數(shù)[10]，種植高產(chǎn)中晚期農(nóng)作物，有利于提高產(chǎn)量。在作物種類上可以在常規(guī)糧食作物品種基礎(chǔ)上，加快向高蛋白小麥、面包專用小麥生產(chǎn)過渡，向糧飼兩用玉米過渡，提高農(nóng)業(yè)附加值。

4　結(jié)論

（1）商河縣年平均氣溫表現(xiàn)出明顯變暖趨勢，傾向率達(dá)到0.17℃ /10a。各項(xiàng)熱量資源（穩(wěn)定通過0℃，10℃積溫及其持續(xù)天數(shù)）和氣溫顯著相關(guān)，隨著氣候變暖相應(yīng)增加。

（2）商河縣在氣溫變暖的趨勢下，穩(wěn)定通過0℃，10℃積溫普遍顯著增加，傾向率分別達(dá)到34.5℃·d/10a ，33.6℃·d/10a。

（3）商河縣穩(wěn)定通過0℃，10℃積溫持續(xù)天數(shù)普遍顯著增加，傾向率分別達(dá)到2.9d/10a，2.5d/10a。

（4）商河縣近40a穩(wěn)定通過0℃，10℃積溫都存在多時(shí)間尺度特征。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馮秀藻，陶炳炎．農(nóng)業(yè)氣象學(xué)原理[M]．北京：氣象出版社，1991：86-116.

[2] 張厚瑄，張翼．中國活動(dòng)積溫對(duì)氣候變暖的響應(yīng)[J]．地理學(xué)報(bào)，1994，49（1）：27-36.

[3] 繆啟龍，丁園圓，王勇，等．氣候變暖對(duì)中國熱量資源分布的影響分析[J]．自然資源學(xué)報(bào)，2009，24（5）：934-944.

[4] 劉實(shí)，王勇，繆啟龍，等．近50年東北地區(qū)熱量資源變化特征[J]．應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2010，21（3）：266-278.

[5] 謝莊，曹鴻興．近百余年北京氣候變化的小波特征[J]．氣象學(xué)報(bào)，2000，58（3）：362-369.

[6] 魏鳳英．現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測技術(shù)[M].北京：氣象出版社，2002：7-8.

[7] 陳隆勛，邵永寧，張清芳，等．近四十年我國氣候變化的初步分析[J]．應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，1991，2（2）：164-174.

[8] 氣候變化國家評(píng)估報(bào)告編寫委員會(huì)．氣候變化國家評(píng)估報(bào)告[M]．北京：科學(xué)出版社，2007：27-28.

[9] 王馥棠. 近百年我國積溫的變化與作物產(chǎn)量[J]. 地理學(xué)報(bào)，1982，37（3）：272-280.

[10] 李蘭，杜軍，白素琴，等．新疆近45年0℃界限溫度積溫變化特征分析[J]．中國農(nóng)業(yè)氣象，2009，30（增2）：181-184.