華東地區水稻產量與東亞季風的相關分析

摘要：采用連續小波變換和交叉小波變換等方法，分析了1951～2006年華東地區水稻產量和同期東亞季風的時頻變化特征，探討了相對氣象產量與東亞季風環流指數之間的相關關系。結果表明，華東地區水稻產量與東亞季風環流的變化均存在年際和年代際尺度的變化周期。氣象產量與同期亞洲環流經向指數以正相關為主，14年兩者的正相關程度最大，少數頻率尺度上呈較弱的負相關，如準2、4、6年以及18年之后。氣象產量與同期亞洲環流緯向指數在2～4、6～8、10～12年尺度的共振頻率上表現為正相關關系，8～10年以及12年之后的尺度上兩者表現為負相關，14年左右兩者的負相關程度最大。東亞季風環流的變化導致區域氣候變暖，進而引起的氣象災害頻發以及區域氣候資源的改變，是華東地區水稻產量波動的主要原因。

關鍵詞：水稻相對氣象產量；東亞季風環流；交叉小波變換；華東地區

中圖分類號：S161.7；S511 文獻標識碼：A 文章編號：0439—8114（2012）19—4200—05

氣候變化越來越受到人們的關注，全球變暖對環境、水資源、農業生產等的影響已成為世界科學界的重要研究課題，也是各國政府決策時所必須考慮的重要問題。根據IPCC研究報告，近百年全球平均溫度已經升高（0.6±0.2）℃[1]，這種溫度的上升趨勢還將持續。氣候變化及由此帶來的氣象災害造成糧食生產的時空波動加劇，對糧食安全構成了威脅。因此，研究氣候變化對農業生產的影響及其戰略對策具有重要的理論意義和實用價值。目前，關于氣候變化對農業生產影響的研究較多[2—9]，但氣候變化本身具有一定的區域特征，再加上氣候波動和農業生產的區域性差異使得很有必要開展針對不同區域氣候變化對當地農業生產影響的研究。

關于東亞季風對中國氣候變化的影響，國內氣象學家已作了大量的研究，得出了很多有價值的結果。施能等[10]計算了1873～1995年東亞季風強度指數，指出季風強度指數與中國冬季、夏季天氣的年際變化、年代際變化關系密切。趙漢光等[11]統計分析了東亞季風指數強度變化對中國夏季雨帶的影響?？娙y等[12]研究了東亞冬季風強度指數變化與青島區域降水的關系。許多研究都表明東亞季風系統的變化對中國的天氣和氣候具有明顯影響[10—16]。季風環流可以分解為經向環流和緯向環流；亞洲及歐亞地區的經向和緯向環流指數能夠反映副熱帶地區東西向的氣壓差異和東亞季風的南北分布，其年際和年代際振蕩對全國及華東地區的氣候變化具有重要作用[17]。因此，華東地區的氣候變化與東亞季風環流必然存在一定的聯系。

水稻生產在中國國民經濟中占有極其重要的地位。華東地區是中國重要的水稻生產基地，但因受氣候的影響，水稻生產期間存在洪澇、干旱、夏季高溫、臺風、秋季低溫等氣象災害，影響水稻的產量和品質。姚鳳梅等[18]研究發現，溫度增加，中國南方水稻產量呈下降趨勢。羅琴等[19]認為影響水稻產量最理想的熱量指標是有效積溫；降水量是影響水稻產量的第二大氣候因素。為了解東亞季風環流對中國華東地區水稻相對氣象產量變化的影響，本研究采用小波變換方法分析1951～2006年間華東地區水稻相對氣象產量和東亞季風環流指數變化的時頻特征以及兩者之間的相關關系，旨在探討華東地區水稻產量與季風環流變化的關系以及季風環流變化對水稻產量的影響，為區域作物產量診斷分析和預測研究提供參考依據。

1 資料與方法

1.1 資料來源及處理

1951～2006年華東地區6省1市的水稻產量資料來自國家統計局。同期亞洲環流（60°～150° E）經向指數和緯向指數序列采用國家氣候中心氣候系統診斷預測室發布的環流特征量數據。為使資料序列滿足平穩隨機過程[20]性質，實際計算時對資料序列進行了標準化處理。

1.2 方法

1.2.1 氣象產量和相對氣象產量的確定 作物產量的時間序列（Y）可以認為是平穩變化項（Yt）和顯著波動項（Yw）的合成，即Y=Yt+Yw。對原始作物產量直線滑動平均法模擬得到趨勢產量，然后從原始作物產量中扣除趨勢產量就得到了氣象產量，氣象產量與趨勢產量之比稱為相對氣象產量[21]。運用這種方法，計算歷年華東地區水稻的氣象產量和相對氣象產量。

1.2.2 小波變換方法 采用Morlet連續小波變換法分析了1951～2006年中國華東地區水稻產量和同期東亞季風的時頻變化特征，并采用交叉小波變化方法探討了相對氣象產量與東亞季風環流之間的相關關系。

2 結果與分析

2.1 水稻產量與環流指數變化特征

2.1.1 水稻產量波動 氣象產量的變化與氣候條件密切相關，增產年水熱條件適宜，減產年由于氣象災害導致水熱條件惡劣，產量降低。統計資料表明，56年間華東地區水稻實際產量和生育期間（4～10月）平均氣溫及降水量的線性相關系數分別為0.476和—0.123，產量和氣溫的相關性達到了極顯著水平（α=0.01）。由于華東地區水資源充足，水稻生長所需的水分條件可由人工控制，因此，制約該地區水稻產量的因子是熱量資源。

水稻完成生長發育需要達到一定的溫度積累，同時生長季高溫和低溫災害都會對產量造成不利的影響[22，23]。圖1給出了1951～2006年華東地區水稻平均產量的時間變化曲線。由于農業生產技術的不斷提高，實際產量總體呈上升趨勢。56年間華東地區水稻氣象產量整體波動下降，但下降趨勢不明顯。個別年份如1961、1980年減產幅度較大，這是因為1961年水稻生育期間（4～10月）平均氣溫過高（23.2 ℃，56年平均值為22.6 ℃），尤其是7月份達到56年間同期最高溫度29.1 ℃；而1980年4～10月的平均溫度僅為21.9 ℃，熱量資源不足。

2.1.2 東亞季風環流指數變化 1951～2006年間東亞季風環流指數也有明顯的年際和年代際變化。圖2反映了56年間東亞季風環流指數年距平的變化，環流緯向度的絕對變率為7.89/年，相對變率為6.70%；經向度的絕對變率為2.35/年，相對變率為4.32%。緯向度以0.023 7/年的線性趨勢增強，但趨勢不明顯；經向度以—0.068 6/年的線性趨勢減弱，時間相關系數為—0.378，趨勢極顯著（α=0.01）。

2.1.3 東亞季風環流指數與氣溫的相關性 東亞季風對華東氣候的影響，使得水熱條件發生變化[15，16]，進而影響水稻的氣象產量[18，19]。由于華東地區水稻相對氣象產量的主要影響因子是氣溫，降水的影響不大，分析季風環流指數與氣溫的相關性有助于理解季風環流對水稻產量的影響。

相關分析結果表明，1951～2006年間華東地區（4～10月）氣溫與同期亞洲環流經向度呈極顯著負相關（α=0.01），相關系數為—0.454；與緯向度呈顯著正相關（α=0.05），相關系數為0.325。說明當亞洲環流經向度減弱、緯向度加強時，使得華東地區氣溫升高；反之，氣溫降低。

綜合圖1、圖2及其分析結果可以得出，1951～2006年間，由于亞洲環流經向度的顯著減弱、緯向度的輕微增強，使得華東地區的氣溫顯著升高，進而導致該區域的水稻氣象產量降低。

2.2 水稻相對氣象產量與東亞季風環流指數變化的時頻分布

2.2.1 水稻相對氣象產量波動的時頻分布 圖3a給出了華東地區水稻相對氣象產量的小波變換系數實部的時頻域分布，其中負值（虛線）對應產量偏低，正值（實線）對應產量偏高。產量變化的年際尺度主要表現為2～3年和6年左右的周期性振蕩，時域分布不均勻，局部變化特征明顯。2～3年尺度周期信號在1953～1958年以及1975～1981年表現明顯，6年左右周期信號主要分布在1990年之前。年代際尺度變化主要表現為12年左右尺度的周期振蕩，周期信號強，等值線分布密集，且頻率尺度在時域中呈減小趨勢。所分析的時域對應12年尺度上共經歷了10個產量增減突變點，大致分布在1952、1958、1963、1969、1975、1982、1988、1993、1999和2005年。不論年際尺度或是年代際尺度，1985年之前的周期性均明顯強于之后的周期性。

圖3b為水稻相對氣象產量的Morlet小波變換系數模的對數值在時頻域中的分布，圖中實線（正值）表示模值大于1.0，即通過95%紅噪聲檢驗；虛線（負值）表示模值小于等于1.0，未通過檢驗。本方法小波系數模的大小只表明其所對應時段和時間尺度的周期性是否明顯，而并不代表各種周期變化成分能量的大小，這一點與Fourier分析是完全不同的。由圖3b可見，2～3年尺度周期的顯著性最弱，6年左右尺度周期的相對性較強，特別是在1970年之前；年代際尺度周期的顯著性明顯大于年際尺度，且在所分析的時域中呈逐漸減弱的趨勢；10年左右尺度振蕩的周期性在1985年以后、14年和18年左右尺度振蕩的周期性在1990年之后均不顯著?？梢钥闯鋈A東地區水稻相對氣象產量的波動特征主要表現為1985年之前較大幅度的周期性變化。

2.2.2 東亞季風環流指數變化的時頻分布 圖4為華東地區水稻生育期平均緯向度距平的小波變換系數實部和模的時頻分布，表明1951～2006年間亞洲環流緯向度變化具有多時間尺度頻率結構。年際變化中，存在3～4年和8年左右尺度的周期振蕩，年代際變化主要表現為16年左右尺度的周期信號。時域中，年際和年代際頻率均比較平穩。3～4年尺度周期在1985年之前以及1997～2006年較為顯著，8年尺度的周期性在1972～2000年間顯著，16年尺度的周期性僅在1951～1967年間通過95%紅噪聲檢驗。

圖5反映了1951～2006年間華東地區水稻生育期平均經向度距平的小波變換系數實部和模的時頻分布。由圖5可見，經向度存在準2、3～4、6～8、16年左右尺度的周期變化，小尺度高頻振蕩具有時域局部化特征。準2年周期出現在1967～1980和1984～2003年間；3～4年周期在1955～1990、1999～2006年間顯著；6～8年尺度周期出現在1970～1982年間，顯著性相對較弱。年代際尺度的周期變化在全時域都不顯著。

由圖3～5可知，華東地區水稻相對氣象產量與區域氣候變化的時頻結構特征存在相似性，兩者之間的振蕩周期頻率像素、時域分布也有一定的對應關系，年代際尺度上表現尤為明顯?？梢哉J為華東地區水稻相對氣象產量和同期亞洲季風環流指數變化存在一定程度的時頻域相關。

2.3 水稻產量與東亞季風環流指數變化的相關關系

2.3.1 水稻相對氣象產量與經向環流指數變化 圖6a給出了1951～2006年間華東地區水稻相對氣象產量和同期水稻生育期期間亞洲經向環流指數的交叉小波功率譜。由圖6a可見，年代際尺度的周期性明顯強于年際尺度；兩個時間序列在全頻域上整體呈正相關，少數頻率上呈較弱的負相關，如準2、4、6年以及18年之后；14年左右兩者正相關程度最大。

圖6b為相對氣象產量和經向環流指數間的交叉小波協譜。相對氣象產量與環流經向度之間以正相關為主，在局部時域中和個別頻率尺度上兩者之間也存在負相關關系；兩者的負相關振蕩主要表現在3～4、4～6年尺度上；3～4年尺度上的負相關出現在1951～1954、1975～1977以及1998～2006年，4～6年尺度的負相關出現在1964～1969和1978～1989年；以14～16年為代表的年代際尺度上兩者表現為較強的正相關性。

2.3.2 水稻相對氣象產量與緯向環流指數變化 華東地區水稻相對氣象產量與生育期亞洲環流緯向度的交叉小波功率譜和協譜的時頻分布如圖7所示。圖7a表明兩者之間在2～4、6～8、10～12年上表現為正相關關系；8～10年以及12年之后的尺度上兩者為負相關。由圖7b可見，年際尺度上，兩者之間以正相關為主；年代際尺度上，兩者之間存在較強的負相關性；對于4～6年尺度，1951～1966以及1991～1995年兩者為負相關；16年尺度上，兩者之間在1985年之前表現為較強的負相關。

圖6、圖7表明，華東地區水稻相對氣象產量與生育期亞洲經向、緯向環流指數之間存在不同頻率尺度和不同時域的相關關系且相關程度也不同，取決于兩者的時頻域聯合統計特征。

2.3.3 東亞季風環流指數變化對水稻產量的影響 東亞季風的建立與大氣環流的變化密切相關，亞洲經向環流的強弱直接影響夏季水汽的南北輸送和冬季極地冷空氣的南下，緯向環流的強弱和位置變化既影響冬季東亞中高緯度地區的溫度梯度又影響夏季雨帶位置的南移和北進[24]。當亞洲地區大氣環流的經向動量強度增大時，東亞夏季風增強，有利于熱帶水汽向北輸送，從而易使華東地區降水增多；反之，華東地區干旱少雨，而干旱少雨天氣自然氣溫偏高。當亞洲緯向環流動量強度增大時，不利于極地冷空氣南下，東亞冬季風減弱，使得華東地區氣溫偏高；反之，華東地區氣溫偏低。由此可以認為，亞洲經向環流量減弱以及緯向量增強引起東亞季風環流變化使得華東地區氣溫升高是引起該區域水稻氣象產量下降的原因。大氣環流振蕩變化使得華東地區氣溫上升，從而導致該區域水稻產量發生年際和年代際變化。

3 小結與討論

采用連續小波變換和交叉小波變換等方法，分析了1951～2006年華東地區水稻產量和東亞季風的時頻變化特征，探討了相對氣象產量與東亞季風環流之間的相關關系。主要結果如下。

1）1951～2006年間華東地區水稻相對氣象產量呈下降趨勢，同期亞洲環流經向度呈顯著下降趨勢，緯向度增勢不明顯；氣候變暖對水稻生產不利，且遠大于降水量減少所產生的影響。

2）華東地區水稻相對氣象產量與同期亞洲環流指數變化的時頻結構特征具有相似性，兩者間存在頻率尺度相近的周期性變化，時域分布也存在一定的對應關系，年代際尺度上更為明顯。

3）華東地區水稻相對氣象產量與同期亞洲經向環流指數在全頻域上整體呈正相關關系；年代際尺度的周期性明顯強于年際尺度，14年尺度左右兩者正相關程度最大；少數頻率尺度上呈較弱的負相關，如準2、4、6年以及18年之后。

4）華東地區水稻相對氣象產量與同期亞洲緯向環流指數在2～4、6～8、10～12年尺度的共振頻率上表現為正相關；8～10年以及12年之后的尺度上兩者表現為負相關；年代際尺度共振的周期性略強于年際尺度的共振，14年左右兩者的負相關程度最大。

東亞季風—區域氣候變化—水稻產量，亞洲經向環流減弱導致東亞夏季風強度減弱、熱帶水汽輸送量減少，亞洲緯向環流增強影響極地冷空氣南下，兩者的共同作用使得華東地區氣溫顯著升高。氣候變暖導致的氣象災害頻發以及氣候資源的變化最終導致該區域水稻減產。

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