基于Morlet小波的北安市農(nóng)業(yè)氣候資源周期變化及趨勢(shì)分析

徐銘遠(yuǎn) 王海寧 徐文龍

摘要：根據(jù)黑龍江省北安國家基本氣象站、農(nóng)場(chǎng)氣象站、區(qū)域氣象站1959—2019年各項(xiàng)氣象資料，采用小波分析法進(jìn)行周期分析，采用一元線性擬合和二次多項(xiàng)式擬合進(jìn)行線性趨勢(shì)分析，對(duì)北安市近61年影響作物生長的農(nóng)業(yè)氣候資源進(jìn)行分析。結(jié)果表明，近61年北安市作物生長季氣溫波動(dòng)變化總體呈上升趨勢(shì);北安市積溫呈顯著上升趨勢(shì)，以每10年70 （℃·d）的幅度緩慢上升，2000年以來處于較高水平，積溫上升使熱量資源表現(xiàn)出總體增加趨勢(shì)。降水量呈現(xiàn)不顯著下降趨勢(shì)，小波分析生長季各月及季總降水量表現(xiàn)出周期變化。日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)周期變化的特點(diǎn)，線性趨勢(shì)略呈減少。初霜日變化趨勢(shì)是逐年延后，終霜日變化趨勢(shì)是逐年提前，無霜期天數(shù)呈現(xiàn)周期變化，總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：作物生長季;農(nóng)業(yè)氣候資源;小波分析;趨勢(shì)分析; 北安市

中圖分類號(hào)：S162.3;P467? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2020）14-0045-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.14.008 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（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(guān)于氣候變化的問題一直是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。許多區(qū)域的作物研究表明，氣候變化對(duì)糧食產(chǎn)量的不利影響比有利影響更為顯著。農(nóng)業(yè)氣候資源的數(shù)量及其配置狀況直接影響著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程，并為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供必要的物質(zhì)和能量。農(nóng)業(yè)氣候資源主要包括光資源、熱量資源和水分資源。植物的生長過程大多是在自然條件下進(jìn)行并完成的，在自然條件下，光、熱、水、氣、溫度等氣象因子是影響植物生長的主要農(nóng)業(yè)氣候資源，這些因子的組合變化在很大程度上決定了該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)類型、作物種類，也決定了作物產(chǎn)量、品質(zhì)優(yōu)劣和成本高低，所以說農(nóng)業(yè)氣候資源變化對(duì)作物產(chǎn)量影響十分巨大[1-4]。

氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，首先表現(xiàn)為對(duì)農(nóng)業(yè)氣候資源的影響，由于農(nóng)業(yè)氣候資源在數(shù)量和配置上發(fā)生了變化，才導(dǎo)致了對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的影響，并最終影響到農(nóng)業(yè)種植制度、品種布局以及生長發(fā)育和產(chǎn)量形成。因此，系統(tǒng)分析氣候變化背景下農(nóng)業(yè)氣候資源演變趨勢(shì)有利于合理利用農(nóng)業(yè)氣候資源，還將為調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)和種植制度提供一定的科學(xué)依據(jù)[5]。

北安市位于黑龍江省中北部、小興安嶺西南麓，是黑龍江省的大豆主產(chǎn)區(qū)，北安市氣象要素多變、氣象災(zāi)害及衍生災(zāi)害多發(fā)[6]。研究農(nóng)業(yè)氣候資源變化特征為評(píng)估區(qū)域氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響、調(diào)整種植結(jié)構(gòu)及農(nóng)產(chǎn)品布局提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究資料

選用氣象資料序列完整且具有較好代表性的北安市國家基本氣象站1959—2019年逐年（月）資料作為研究對(duì)象，站點(diǎn)位置126°30′E、48°15′N，主要對(duì)農(nóng)業(yè)氣候資源中的氣溫、積溫、降水、日照、無霜期進(jìn)行分析。根據(jù)氣象資料的統(tǒng)計(jì)，北安市的作物生長季為每年5—9月。農(nóng)業(yè)氣候資源中的熱量條件用≥10 ℃有效積溫表示，水分條件用總降水量來表示，由于直接的太陽輻射觀測(cè)資料稀少，而日照時(shí)數(shù)是常規(guī)的氣象觀測(cè)要素，又能夠在很大程度上表征太陽輻射，因此光照條件用總?cè)照諘r(shí)數(shù)表示。

1.2 研究方法

采用小波分析、線性趨勢(shì)分析等方法對(duì)影響作物生長季的農(nóng)業(yè)氣候資源變化規(guī)律進(jìn)行研究，采用Morlet小波對(duì)降水、無霜期、日照進(jìn)行小波周期分析[7]，對(duì)氣溫、積溫、無霜期、日照趨勢(shì)分析進(jìn)行一元線性擬合和二次多項(xiàng)式擬合[8]，分析北安市作物生長季氣候資源變化的多時(shí)間尺度特征;通過Mann-Kendall檢驗(yàn)[9]，判斷趨勢(shì)變化的顯著性。

2 農(nóng)業(yè)氣候資源變化特征分析

2.1 日照

對(duì)北安市近61年作物生長季日照數(shù)據(jù)進(jìn)行一元線性擬合和二次多項(xiàng)式擬合（圖1a至1f），北安市作物生長季各月日照時(shí)數(shù)呈下降趨勢(shì)（通過0.05的顯著水平檢驗(yàn)），從各月日照時(shí)數(shù)逐年的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，5、6、8月的日照時(shí)數(shù)年際變化呈下降趨勢(shì)，7月日照時(shí)數(shù)年際變化不明顯，9月日照時(shí)數(shù)年際變化略呈增加趨勢(shì)，生長季總?cè)照諘r(shí)數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，變化傾向率為-12.2 h/10年（表1）。1959—1962年各月日照呈現(xiàn)逐步減少趨勢(shì)，1963年開始逐步增加，持續(xù)至20世紀(jì)60年代后期，自20世紀(jì)70年代開始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。北安市近61年年平均日照時(shí)數(shù)1 230.9 h，生長季7月日照時(shí)數(shù)最多，達(dá)265.9 h，其次為6月，達(dá)261.2 h，9月日照時(shí)數(shù)最少，為218.9 h。雖然北安市作物生長季日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)周期變化，但20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)00年代的年代際變化小于20 h，20世紀(jì)70年代日照時(shí)數(shù)高于其他年代，2010年開始日照時(shí)數(shù)處于較低水平。與降水量變化趨勢(shì)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)日照時(shí)數(shù)變化與降水量變化呈反相關(guān)性，一般降水量多的年份日照時(shí)數(shù)少，反之日照時(shí)數(shù)多。

2.2 氣溫

對(duì)北安市近61年作物生長期平均氣溫進(jìn)行一元線性擬合和二次多項(xiàng)式擬合，從圖2可以看出，近61年北安市作物生長季各月氣溫變化趨勢(shì)明顯，一元線性擬合和二次多項(xiàng)式擬合趨勢(shì)一致，均通過顯著性檢驗(yàn)，5月升溫趨勢(shì)大于其他月份，氣候傾向率以0.42 ℃/10年的幅度緩慢上升，2017—2019年的6、8月受降水量偏多影響氣溫偏低，6月氣候傾向率低于5月，8月氣候傾向率低于7、9月。作物生長季氣溫變化氣候傾向率以0.39 ℃/10年的幅度緩慢上升。北安市作物生長季各月氣溫雖然均呈上升趨勢(shì)但各階段變化幅度不同，20世紀(jì)60年代初期氣溫呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，20世紀(jì)60年代后期至20世紀(jì)80年代變化比較平緩，比多年平均值偏低，1991—1999年增溫最為顯著，達(dá)1.4 ℃/10年，自2000年以來作物生長季氣溫維持在較高水平。因溫度升高，穩(wěn)定通過0 ℃界限溫度也逐年提前，一般在4月上旬，最早出現(xiàn)在3月22日，最晚出現(xiàn)在4月26日。氣溫5 ℃以上是作物生長期始期，大田等早春作物開始播種，北安市穩(wěn)定通過5 ℃界限溫度為5月3日，最早出現(xiàn)在4月3日，最晚出現(xiàn)在5月11日。穩(wěn)定通過5 ℃界限氣溫終日為9月27日。

2.3 ≥10 ℃積溫變化特征

北安市穩(wěn)定通過0、5、10 ℃日期（表2）均呈現(xiàn)西部早于東部、南部早于北部的趨勢(shì)，南北差異明顯。如圖3所示，北安市積溫呈現(xiàn)自西向東、自南向北逐漸減少的趨勢(shì)，≥0 ℃積溫南部種植區(qū)一般可達(dá)2 800 （℃·d）以上，北部種植區(qū)一般可達(dá)2 500 （℃·d）以上;≥10 ℃積溫南部種植區(qū)一般可達(dá)2 400 （℃·d）以上，北部種植區(qū)近60年平均為2 340 （℃·d）[5]。穩(wěn)定通過界限溫度初日呈現(xiàn)逐年提前的趨勢(shì)，穩(wěn)定通過界限溫度終日呈現(xiàn)逐年延后的趨勢(shì)，穩(wěn)定通過界限溫度的初、終日數(shù)呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。

由圖4可以看出，近61年來北安市積溫變化具有一定的波動(dòng)性，具有明顯的高低年份變化，總體呈增加趨勢(shì)（通過0.05的顯著水平檢驗(yàn)），有2個(gè)峰值、6個(gè)低谷，1970年和2000年為2個(gè)峰值，1964、1978、1992、1995、1997、2007年為低谷，1963—1989年積溫變化平緩，1992—1999年維持在較低水平，自2000年以來積溫維持在較高水平。積溫歷史最低值為1 830.4 （℃·d），最高值為2 894.5 （℃·d）。

80%保證率下，積溫為2 200 （℃·d）。從年代際變化（表3）分析來看，20世紀(jì)60、70年代維持在2 200 （℃·d），20世紀(jì)80年代開始增加，2000年以來處于較高水平。總體變化呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，以每10年70 （℃·d）的幅度緩慢上升，近30年增加明顯，1993年是積溫突變開始年份，由于積溫增加，第五積溫帶北移。說明在全球氣候變暖的形勢(shì)下，北安市熱量資源呈現(xiàn)總體改善的趨勢(shì)，即作物生長所需的熱量資源逐年增加，冷害逐年減少。

2.4 降水量

由圖5可以看出，北安市近61年作物生長季平均降水量為464.3 mm，最大降水量為869.1 mm，最小降水量為263.1 mm，作物生長季最大降水量比最小降水量多606.0 mm。對(duì)作物生長季降水量進(jìn)行一元線性回歸和2階多項(xiàng)式擬合如圖6所示，年降水量的線性變化趨勢(shì)并不明顯，未通過顯著性檢驗(yàn)。1959—1976年作物生長季降水量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，1977年開始呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，這與北安市的年降水量變化趨勢(shì)一致[5]。

對(duì)北安市近61年逐年作物生長季各月降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到各月降水量的多年平均值，再對(duì)各時(shí)間序列的距平值進(jìn)行連續(xù)小波變換。北安市1959—2019年逐年作物生長季降水量Morlet小波變換的小波系數(shù)如圖7所示，圖上半部分為低頻，對(duì)應(yīng)較長尺度周期的振動(dòng);下半部分為高頻，對(duì)應(yīng)較短尺度周期的振動(dòng)。結(jié)果顯示，北安市作物生長季降水量變化具有明顯的波動(dòng)性。5月降水量小周期變化非常明顯，1959—1972、1996—2012年存在準(zhǔn)5年的高頻變化周期，1959—1992年存在準(zhǔn)17年的低頻變化周期，1996—2019年存在準(zhǔn)12年的變化周期。6月降水量在1963—1968、2001—2018年表現(xiàn)出準(zhǔn)4年的高頻變化周期，1959—1995年表現(xiàn)出準(zhǔn)20年的低頻變化周期，自20世紀(jì)90年代中期開始周期有變短的趨勢(shì)，21世紀(jì)10年代中期縮短為16年。7月降水量在1959—1970、1988—2008年表現(xiàn)出4～6年的高頻變化周期，1959—1995年表現(xiàn)出準(zhǔn)16年的低頻變化周期，自20世紀(jì)90年代開始周期有變短的趨勢(shì)，21世紀(jì)10年代末期縮短為10年。8月降水量在1970—1990年表現(xiàn)出準(zhǔn)4年的高頻變化周期，1980—2019年表現(xiàn)出準(zhǔn)7年的高頻變化周期，1959—2019年表現(xiàn)出低頻周期逐漸變長，由18年增加到22年。9月降水量在1959—2019年表現(xiàn)出準(zhǔn)5年的高頻變化周期，1959—1980年表現(xiàn)出準(zhǔn)13年的變化周期，自20世紀(jì)80年代初期開始周期變長為17年。作物生長季降水量在1986—2019年表現(xiàn)出4～7年的高頻變化周期，長周期方面在整個(gè)統(tǒng)計(jì)時(shí)間段表現(xiàn)出準(zhǔn)22年的變化周期。近61年北安市作物生長季降水量變化周期變化明顯，旱年、澇年間隔出現(xiàn)，2009—2014年是降水高峰期，1967—1984年大多年份降水量偏少，連續(xù)兩年降水量偏少的概率較大，在70%以上。作物生長季降水量變率波動(dòng)幅度較大，降水量最大月份在7月、最小月份在5月，總體變化趨勢(shì)為降水量均略有增加，7月降水量略呈減少趨勢(shì)。近20年作物生長季降水量變化呈增加趨勢(shì)。

2.5 無霜期

利用小波分析（圖8a）北安市無霜期日數(shù)呈現(xiàn)周期變化，1959—1990年表現(xiàn)出準(zhǔn)6年的高頻變化周期、準(zhǔn)16年的低頻變化周期，自1990年開始高頻變化周期變長為準(zhǔn)8年，低頻變化周期開始變長為22年。利用一元線性擬合分析，總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)（通過0.05的顯著水平檢驗(yàn)），傾向率每10年增加3.4 d。終霜日最早出現(xiàn)在4月26日，最晚出現(xiàn)在6月10日，終霜日變化趨勢(shì)是逐年提前，初霜日變化趨勢(shì)是逐年延后，初霜日最早出現(xiàn)在8月30日，最晚出現(xiàn)在10月6日。平均無霜期日數(shù)118.4 d，無霜期最長地區(qū)在北安市南部，無霜期在120 d以上，最短地區(qū)在北安市東北部山區(qū)，無霜期少于100 d。21世紀(jì)00年代比20世紀(jì)60年代增加11.6 d。無霜期低值年份出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，最少年份出現(xiàn)在1968年，為91 d，高值年份出現(xiàn)在2000年后，大多數(shù)年份高于歷年平均值，在2000—2019年的20年中只有2004、2005、2011年3年低于118 d，最多年份出現(xiàn)在2016年，為153 d。從年代際分析來看，20世紀(jì)60年代至20世紀(jì)80年代無霜期較短，為110～116 d，自2006年以來無霜期處于北安市有記錄以來的較長時(shí)期，大多數(shù)年份在120 d以上。利用小波變換對(duì)日照數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，周期變化不明顯（圖8b）。如圖9所示，無霜凍期日數(shù)（圖9a）與無霜期（圖9b）的變化接近一致。

3 小結(jié)與討論

通過小波分析、線性趨勢(shì)分析等方法，研究了北安市近61年作物生長季農(nóng)業(yè)氣候資源周期變化特征及趨勢(shì)，得出結(jié)果如下。

1）日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)周期變化的特點(diǎn)，略呈線性減少趨勢(shì)。自20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)00年代的年代際變化小于20 h，20世紀(jì)70年代日照時(shí)數(shù)高于其他年代，2010年開始日照時(shí)數(shù)處于較低水平。與作物生長季降水量變化趨勢(shì)對(duì)比發(fā)現(xiàn)日照時(shí)數(shù)變化與降水量變化呈反相關(guān)性，一般降水量多的年份日照時(shí)數(shù)少，降水量少的年份日照時(shí)數(shù)多，這一結(jié)論不僅與黑龍江省變化趨勢(shì)一致[10]，也與全國日照時(shí)數(shù)下降的大趨勢(shì)一致[11]。

2）氣溫呈波動(dòng)性變化。北安市作物生長期各月氣溫均呈顯著上升趨勢(shì)，氣候傾向率以0.39 ℃/10年的幅度緩慢上升，20世紀(jì)60年代后期至20世紀(jì)80年代變化比較平緩，比多年平均值偏低，1991—1999年增溫最為顯著，達(dá)1.4 ℃/10年，自2000年以來作物生長季氣溫維持在較高水平，與黑龍江省變化趨勢(shì)一致[12]。

3）積溫呈顯著上升趨勢(shì)，以每10年70 （℃·d）的幅度緩慢上升。1992—1999年維持在較低水平，自2000年以來積溫維持在較高水平。從年代際變化分析來看，20世紀(jì)60、70年代維持在較低水平，20世紀(jì)80年代開始增加，2000年以來處于較高水平?？傮w呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，近30年增加明顯，1993年是積溫突變年份。積溫上升使熱量資源表現(xiàn)出總體增加趨勢(shì)[13]。

4）降水量呈現(xiàn)不顯著下降趨勢(shì)。小波分析生長季各月及總降水量表現(xiàn)出4～6年的高頻周期變化，長周期方面表現(xiàn)出16～22年的變化周期，近10年平均降水量較60年平均呈增加趨勢(shì)。自2000年開始降水量變化波動(dòng)較前40年明顯增大，變化趨勢(shì)與黑龍江省變化趨勢(shì)不同[10]。

5）無霜期日數(shù)呈現(xiàn)周期變化。1959—1990年表現(xiàn)出準(zhǔn)6年的高頻變化周期、準(zhǔn)16年的低頻變化周期，自1990年開始高頻變化周期變長，為準(zhǔn)8年，低頻變化周期開始變長，為22年。初霜日變化趨勢(shì)是逐年延后，終霜日變化趨勢(shì)是逐年提前，無霜期日數(shù)總體呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì)，目前以每10年3.4 d的趨勢(shì)增加，霜凍災(zāi)害逐年呈減少趨勢(shì)。

農(nóng)業(yè)氣候資源的變化對(duì)農(nóng)業(yè)的影響是綜合的，氣溫升高及積溫上升，總體增加了北安市的農(nóng)業(yè)熱量資源，從而使北安市的積溫帶向北移動(dòng)，也使作物種植期提前，生長期縮短。無霜期與積溫的變化使北安市的主要作物總產(chǎn)量潛力增加。降水變化影響光照的變化，它們共同作用對(duì)作物生產(chǎn)潛力的影響將大于熱量資源的變化，且其影響具有不確定性[14-16]。本研究將為評(píng)估北安市氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響、調(diào)整種植結(jié)構(gòu)及農(nóng)產(chǎn)品布局建議及措施的提出提供理論參考。

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