舒海燕白佳寧寧喜龍趙振宇孫 可萬楠楠孫寶利
(阜新市氣象局,遼寧 阜新 123000)
阜新市位于遼寧省的西北部,地形以低山丘陵為主,占總面積的60%左右。 阜新市氣候受東亞季風(fēng)的支配,屬于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候,春季多干旱。 春季農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受多種氣象要素影響,最主要因子之一是降水。 春季是春耕播種和出苗的關(guān)鍵期,春季降水量是能夠順利進行春耕生產(chǎn)的重要指標(biāo),也是出苗率高低的關(guān)鍵要素。 而阜新市春季降水條件較差,總體來說,有“十年九旱”之說,所以春季降水量及首場透雨對阜新農(nóng)業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要。 對阜新春季降水的研究結(jié)果,不僅能對決策氣象服務(wù)提供科學(xué)依據(jù),還能夠指導(dǎo)春耕生產(chǎn),為作物產(chǎn)量打下良好的基礎(chǔ)。
隨著全球的氣候變暖,各種氣候災(zāi)害頻發(fā),很多氣象專家對春季降水在不同時間、不同空間進行研究[1~3],特別是遼寧西部地區(qū),春季降水少,干旱頻發(fā)。 楊文艷等人研究發(fā)現(xiàn)[4],盤錦地區(qū)1957 ~2019 年春季降水逐漸增加。
阜新市是遼寧省的主要糧食產(chǎn)區(qū),糧食種植面積達33.3 萬hm2左右,占總的農(nóng)作物種植面積(55.3 萬hm2左右)的61.0%左右。 本文通過對春季降水特征和規(guī)律的研究,發(fā)現(xiàn)阜新市春季降水變化規(guī)律及特點,可以根據(jù)降水的變化規(guī)律及時調(diào)整農(nóng)業(yè)種植品種,適應(yīng)氣象變化規(guī)律,有效利用降水資源,科學(xué)種田,對當(dāng)?shù)販p少干旱帶來的損失,對阜新經(jīng)濟發(fā)展具有重要的作用。
本文應(yīng)用1961 ~2021 年3 ~6 月逐日降水量數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來源于阜新市阜蒙縣及彰武縣國家氣象站,數(shù)據(jù)進行等權(quán)平均處理。 首場透雨日期的界定標(biāo)準(zhǔn)為:對于阜新市來說,春季首場透雨應(yīng)是4 月至6 月中旬出現(xiàn)在本站及大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)平均降水量在10.0 mm 以上的第一場降水,且雨后消除干土層。 在分析過程中重點考慮氣候因素,所以,降水量取阜蒙縣和彰武縣氣象站4 月以后首場達到10.0 mm 或以上降水?dāng)?shù)據(jù)。 單日降水量大于或等于10.0 mm 的降雨過程的日期為首場透雨日期。
1. 2. 1 Morlet 小波分析
在統(tǒng)計學(xué)應(yīng)用中,時間序列周期性分析方法,常用Morlet 小波分析方法來表示實部等值線圖來反映氣候序列的多時間尺度變化[5~8];由于Morlet 小波的實部是一個對稱的小波函數(shù),可以表示不同特征時間尺度信號在不同時間的強弱和位相兩方面的信息;小波方差隨著時間尺度的變化而體現(xiàn)時間序列的周期性,以及序列變化的干擾強度和主周期,小波方差圖能反映降水量時間序列中所包含的各種時間尺度的周期性波動及其能量強弱隨尺度變化的特性。 其公式如下:
由圖1 可見,1961 ~2021 年阜新市3、4、5 月及春季(3 ~5 月)降水量都呈現(xiàn)增加趨勢,其增加速率分別為0. 47 mm/10 年、0. 10 mm/10 年、3.04 mm/10 年,其趨勢變化不顯著。 3、4、5 月和春季61 年平均降水量分別為8.1 mm、23.8 mm、43.3 mm 和75. 2 mm,峰值降水量分別出現(xiàn)在1981、1983、2019、1988 年為56.5 mm、110.9 mm、136. 2 mm、151. 3 mm,谷值降水量分別出現(xiàn)在2005、2017、2002、2003 年為0. 0 mm、0. 3 mm、9.7 mm、15.9 mm。 從年代來看,3 月份降水在20世紀(jì)80 年代最多,達16.4 mm,20 世紀(jì)60 年代降水最少為3.8 mm;4 月份降水在20 世紀(jì)80 年代最多(31. 1 mm),20 世紀(jì)90 年代降水最少(15.7 mm);5 月份降水在21 世紀(jì)10 年代最多(59. 5 mm), 20 世紀(jì) 80 年代降水最少(33.4 mm);春季(3 ~5 月)在21 世紀(jì)10 年代最多(92.0 mm), 20 世紀(jì) 60 年代降水最少(65.7 mm)。
圖1 1961 ~2021 年阜新市3 月(a)、4 月(b)、5 月(c)及春季(d)降水量變化曲線Figure 1 Precipitation over the Fuxin in March (a) , April (B) , May (c) and spring (D) form 1961 to 2021
通過對1961 ~2021 年阜新市4 ~6 月首場透雨出現(xiàn)的日期和降水量的統(tǒng)計可得,4 月共37次,5 月共19 次,6 月共5 次。 由圖2(a)可知,從4 月上旬開始出現(xiàn)首場透雨,到6 月中旬首場透雨的頻次呈減少趨勢,減少速率為1. 8 次/旬,其減少的趨勢通過了顯著性檢驗;4 月中旬首場透雨的頻次達到最大,為18 次,次多為4 月和5 月上旬(10 次),最少為6 月中旬(2 次),次少為5月下旬和6 月上旬(3 次)。 由圖2(b)可知,首場透雨的各旬平均降水量呈增加趨勢,增加速率為0. 4 次/旬,最大降水量出現(xiàn)在6 月上旬,為17.9 mm,最小降水量出現(xiàn)在4 月下旬,12.2 mm。
由圖2(c)可見,從4 月上旬到6 月中旬各旬平均降水量呈增加趨勢, 其增加速率為2.8 mm/旬,通過了顯著性檢驗,其中6 月下旬的平均降水量最多,為25.8 mm,4 月上旬的平均降水量最少,為5.0 mm。 由圖2(d)可見,首場透雨的降水量呈微弱的減少趨勢,其減少速率為0.19 mm/10 年;從年代降水量來看,20 世紀(jì)70年代首場降雨的降水量最多,為16. 0 mm,20 世紀(jì)90 年代降水量最少,為11.7 mm;從首場降水的極值來看,1971 年首場降雨單日最多達到30.7 mm,1994 年次之,達28.6 mm。
圖2 1961 ~2021 年阜新市首場透雨各旬頻次 (a)和降水量(b)、旬平均降水量(c)及首場透雨的年代際降水量(d)變化曲線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
本文應(yīng)用Morlet 小波分析方法繪制了1961 ~2021 年首場透雨量降水量和春季降水量的Morlet小波實部系數(shù)和小波方差圖。 由圖3(a)可見,首場透雨降水量的46 ~52 年的振蕩周期最為明顯,為第一主周期;30 ~32 年的振蕩周期較為明顯,為第二主周期。 由圖3(b)可見,春季降水量約有58 ~66 年的振蕩周期最為明顯(由于數(shù)據(jù)長度原因,周期顯示不全),為第一主周期; 34 ~38 年的振蕩周期現(xiàn)較為明顯,16 ~18 年的振蕩周期在20世紀(jì)90 年代到21 世紀(jì)10 年代表現(xiàn)較為明顯,10~12 年的振蕩周期在20 世紀(jì)60 年代到80 年代表現(xiàn)較為明顯。
圖3 1961 ~2021 年阜新市首場透雨降水量(a)和春季降水量(b)Morlet 小波實部系數(shù)變化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
由圖4(a)可見,首場透雨降水量的48 年的準(zhǔn)周期最為明顯,還有31 年的準(zhǔn)周期較為明顯。由圖4(b)可見,春季降水量約有62 年的準(zhǔn)周期最為明顯,還有36 年的準(zhǔn)周期現(xiàn)較為明顯,17 年的準(zhǔn)周期在20 世紀(jì)90 年代到21 世紀(jì)10 年代表現(xiàn)較為明顯,11 年的準(zhǔn)周期在20 世紀(jì)60 年代到80 年代表現(xiàn)較為明顯。
圖4 1961 ~2021 年阜新市首場透雨降水量(a)和春季降水量 (b)小波方差變化Figure 4 The wavelet variance of the first rainfall (a) and the spring rainfall (b) in Fuxin form 1961 to 2021
阜新地處遼寧的西北部,多丘陵,土地多沙化,屬于干旱半干旱地區(qū),有“十年九旱”之說。阜新市降水大部分集中在6 ~8 月,從歷年平均(1991 ~2020 年)來看,阜新市春季降水占全年降水的15.9%,明顯偏少。 春季降水直接影響土壤含水量,對春耕生產(chǎn)具有重要意義。 對于未播種的土地,主要影響是適時播種,土壤含水量不足,會推遲春播時間;對已播種的作物也會影響正常發(fā)芽、出苗,土壤含水量不足,會使幼苗出土困難,造成缺苗斷條,甚至毀種。
阜新市降水大部分集中在6 ~8 月,從歷年平均(1991 ~2020 年)來看,阜新市春季降水占全年降水的15. 9%,明顯偏少。 夏梅艷等研究表明[12],西太平洋副熱帶高壓位置與夏季降水關(guān)系密切,與春季降水有著一定的關(guān)系,當(dāng)春季位置偏西偏北時,春季降水偏小。 馬曉剛等研究表明[13],太陽活動與夏季降水成極為密切的反相關(guān)關(guān)系,太陽黑子相對數(shù)與周期內(nèi)的暴雨日數(shù)其相關(guān)系數(shù)達到了-0.842,極為顯著。 周連童等研究表明[14],春季降水與前期太陽黑子平均數(shù)呈反相關(guān),太陽黑子峰值年后3 年,易發(fā)生降水偏少。 通過分析表明,1991 ~2018 年太陽黑子平均數(shù)與阜新市1994 ~2021 年首場透雨降水量呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)r= 0.4658,P值為0.0098,通過了0.01 的顯著性檢驗。 1961 ~2021年太陽黑子平均數(shù)與同期5 月份降水量呈反相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)r=-0.257,P值為 0.046,通過了0.05 的顯著性檢驗。
從1961 ~2021 年阜新市3、4、5 月及春季(3 ~5 月)降水量都呈現(xiàn)增加趨勢。 從年代來看,春季在21 世紀(jì)10 年代最多,20 世紀(jì)60 年代降水最少。
首場透雨從4 月上旬開始出現(xiàn)到6 月中旬頻次逐漸減少,減少速率為1.8 次/旬。 首場透雨的降水量呈減少趨勢,增加速率為0.4 次/旬。
從4 月上旬到6 月中旬各旬平均降水量呈增加趨勢,其增加速率為2. 8 mm/旬。 首場透雨的降水量呈微弱的減少趨勢, 其減少速率為0.19 mm/10 年。
阜新市首場透雨降水量有準(zhǔn)48 年和準(zhǔn)31 年的周期,春季降水量有準(zhǔn)62 年和準(zhǔn)36 年的周期。
阜新市降水大部分集中在6 ~8 月,阜新市歷年春季降水占全年降水的15.9%,明顯偏少。
近30 年太陽黑子峰值的后3 年與首場透雨降水量呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系,其相關(guān)系數(shù)為0.4658(P=0.0098)。 太陽黑子平均數(shù)與同期5月份降水量呈反相關(guān)關(guān)系,其相關(guān)系數(shù)r=-0.257(P= 0.046)。