長沙早稻生長季氣候資源變化特征及預(yù)測分析

章竹青，陳朝暉，邱慶棟，鄧大海

（長沙市氣象局，湖南 長沙 410205）

長沙早稻生長季氣候資源變化特征及預(yù)測分析

章竹青，陳朝暉，邱慶棟，鄧大海

（長沙市氣象局，湖南 長沙 410205）

利用1961～2015年早稻生長季內(nèi)平均氣溫、降水量、日照等資料，采用M-K非參數(shù)檢驗、R/S方法及小波變換等方法分析了長沙地區(qū)早稻生長季農(nóng)業(yè)氣候資源的變化情況。結(jié)果表明：長沙地區(qū)，1961～2015年期間，熱量資源上升趨勢顯著，在2001年發(fā)生突變，穩(wěn)定通過10℃初日明顯提前，突變年份出現(xiàn)在2005年；降水量的波動變化存在28和5 a時間尺度的主周期，目前處于雨水偏多期，未來9 a內(nèi)呈逐漸轉(zhuǎn)少趨勢；日照時數(shù)存在15、22 a時間尺度的周期波動變化。根據(jù)上述結(jié)果建議：早稻播種期可提前5～7 d；可將早稻早熟品種換種生育期相對較長、產(chǎn)量相對較高的中遲熟品種，以提高早稻產(chǎn)量。

早稻生長季；氣候資源；特征及預(yù)測分析；長沙

長沙是我國重要的水稻優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)，也是國內(nèi)兩個糧食自給自足的省會城市之一。全市糧食播種面積37.289萬hm2，總產(chǎn)248萬t。其中早稻面積14.7萬hm2，總產(chǎn)量92.4萬t，占糧食總產(chǎn)量的37%。長沙氣候溫和濕潤，熱量資源豐富，雨水充沛，光照充足，光熱水相對集中在春夏季節(jié)。近年來，隨著氣候逐漸變暖，長沙地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源發(fā)生了新變化。為了充分利用氣候資源，實現(xiàn)農(nóng)作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)豐收，對氣候資源變化的預(yù)測和研究顯得十分必要。

近年來，許多學(xué)者對全國各地農(nóng)業(yè)氣候資源進行了大量分析和研究，得出的共性結(jié)論為熱量資源顯著增加，水資源、光資源變化特征差異明顯。廖玉芳等[1]研究指出：湖南地區(qū)近年來≥15℃等界溫度的時間顯著提前，而≥0、5、10、20℃的時間均無明顯變化；水資源變化不明顯，光資源呈減少趨勢。尹寶蓉等[2]指出：進入21世紀后，湘譚地區(qū)穩(wěn)定通過11℃的日期波動較大；廖春花等[3]指出，21世紀初長沙年平均氣溫開始顯著增暖但并未發(fā)生突變；馬樹慶等[4]研究發(fā)現(xiàn)吉林省穩(wěn)定通過10℃的初日有逐年提前的趨勢，郭瑞鴿等[5]研究發(fā)現(xiàn)，自20世紀90年代以來，江西省穩(wěn)定通過10℃的初日明顯越來越早。這些結(jié)果為農(nóng)業(yè)氣候資源研究做出了積極貢獻，但較少涉及混沌特性、突變分析以及對未來變化趨勢的分析和研究。筆者利用長沙地區(qū)（1961～2015年）早稻生長季內(nèi)熱量資源，通過Mann-Kendall法進行趨勢和突變分析，采用R/S方法對未來變化狀況進行預(yù)測分析；降水量和日照時數(shù)則采用小波法分析其振蕩周期性，以期為長沙水稻生產(chǎn)種植模式調(diào)整提供技術(shù)支撐。

1 資料與方法

1.1 資料來源

資料來自于湖南省氣象臺資料室提供的長沙1961～2015年日平均氣溫、日降水資料及日照時數(shù)。

1.2 研究方法

第一步，分析熱量資源（早稻生長季內(nèi)平均氣溫、≥10℃的活動積溫、穩(wěn)定通過10℃初日）、降水量及日照時數(shù)總體變化趨勢；第二步，將有顯著變化的熱量因子進行突變分析；第三步，利用突變年份分割時間序列進行R/S分析，根據(jù)Hurst指數(shù)預(yù)測未來一段時間內(nèi)的變化趨勢；第四步，采用小波變換分析降水因子和光照因子的振蕩變化、周期特性及未來趨勢。

1.2.1 Man-Kendall趨勢檢驗及突變檢測 假設(shè)H0為時間序列數(shù)據(jù)(x1，x2，…，xn)，定義檢驗統(tǒng)計量S：

M-K統(tǒng)計量Z為：

在雙邊趨勢檢驗中，對于給定的置信水平α，若|Z|≥Z1-α/2，則氣候因子存在明顯的上升或下降趨勢；若Z的絕對值小于1.28時，說明變化趨勢不顯著；如果1.28≤|Z|≤1.64時，認為通過了0.05的顯著性檢驗；若|Z|≥2.32時則通過了0.01顯著性檢驗。

M-K突變檢驗可以確定氣候因子突變開始的時間。首先，定義統(tǒng)計量Sk，分別計算順序列和逆序列標準差UF和UB，給定顯著性水平，如α=0.05，那么臨界值U0.05=±1.96。繪出UF和UB兩個統(tǒng)計量及±1.96曲線圖，若UF與UB兩曲線在±1.96臨界線區(qū)域中出現(xiàn)交點，可知氣候因子發(fā)生突變的時間[6-7]。

1.2.2 R/S方法 R/S法是由Hurst提出的一種可以分析時間序列分形特征和長期記憶過程的方法。它是根據(jù)時間序列的標準差和重標極差算出Hurst 指數(shù)。0＜H≤0.5時，說明時間序列是反持久性的或逆狀態(tài)持續(xù)性的，即氣候因子后一時間段的變化狀況與前段相反；0.5＜H≤1時，則氣候因子的變化趨勢與前段變化趨勢相同，H值越大相同趨勢越明顯[8]。

1.2.3 小波變換 小波變換是空間（時間）和頻率的局部變換，通過伸縮和平移等運算功能可對氣候因子進行多尺度的細化分析，它不僅可以給出氣候序列變化的尺度，還可以顯現(xiàn)出變化的時間位置，有效預(yù)測氣候變化趨勢。利用MATLAB軟件分析長沙早稻生長季降水量和日照時數(shù)的振蕩和周期性[9-10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 長沙地區(qū)早稻生長季熱量資源變化趨勢

圖1中（a2）和（b2）分別為長沙早稻生長季內(nèi)平均氣溫和≥10℃的活動積溫的線性趨勢變化圖。經(jīng)線性檢驗，平均氣溫和≥10℃的活動積溫的上升趨勢顯著，傾斜率分別為0.22/10 a和50.15/10 a。由圖1（a1）和（b1）可知，20世紀早稻生長季內(nèi)平均氣溫和≥10℃的活動積溫基本上UF＜0，說明趨勢是下降的，但不明顯；21世紀初開始UF＞0，說明開始出現(xiàn)上升趨勢，并且兩曲線相交于2001年，處于兩信度線（±1.96）區(qū)域內(nèi)，因此長沙早稻生長季內(nèi)平均氣溫和≥10℃的活動積溫時間序列的突變點均在2001年。由圖1（c1）可知，穩(wěn)定通過10℃日期在20世紀60～90年代UF＞0，說明穩(wěn)定通過10℃日期有所推遲，在2002年以后UF＜0，表明21世紀初開始提前，UF、BF兩曲線相交于2005年，說明發(fā)生突變年份在2005年。

由表1可知，平均氣溫和≥10℃的活動積溫在1961～2000年呈弱下降趨勢（氣溫|Zc|=|-0.640|＜Z0.05=1.96，≥10℃的活動積溫Zc=-0.007，Hurst指數(shù)分別為0.98和0.66，均大于0.5，具有持續(xù)性；對2001～2015年的溫度和積溫變化進行M-K單調(diào)趨勢檢驗（Zc=-0.15和-0.33）證明了這點。由于熱量因子在2001～2015年的Hurst指數(shù)分別為0.93、0.77，因此可以預(yù)測2015年以后較短時期內(nèi)，溫度和積溫也將呈微弱下降趨勢。但從1961～2015年整個時間序列來看，溫度、積溫上升趨勢顯著（Zc分別為3.270、3.280，通過了0.01信度檢驗），其Hurst指數(shù)為0.93和0.85，具有較強的持續(xù)性，說明早稻生長期熱量資源趨于豐富。而穩(wěn)定通過10℃初日|Zc|=|-2.230|＞1.96，提前趨勢通過了95%信度檢驗，其Hurst為0.86，也說明穩(wěn)定通過10℃初日未來將呈明顯提前的趨勢。

表1 熱量因子R/S分析及M-K單調(diào)趨勢檢驗

2.2 長沙地區(qū)早稻生長季降水資源變化趨勢

早稻生產(chǎn)需水量約500 mm。由圖2可知，長沙地區(qū)早稻生長期間水資源充沛，平均為825.4 mm；最多為1 164.8 mm，出現(xiàn)在1969年；最少為412.6 mm，出現(xiàn)在2007年；最多與最少之間相差近3倍；經(jīng)M-K單調(diào)趨勢檢驗，得出1961～2015年長沙地區(qū)降水量的M-K單調(diào)檢驗整體Zc=0.380＜Z0.05，變化趨勢不顯著，呈弱上升趨勢。利用matlab 工具箱中Morlet連續(xù)復(fù)小波進行變換對降水因子進行小波時頻分析。

圖1 1961～2015年長沙熱量資源序列突變檢驗及線性變化趨勢

圖2 1961～2015年長沙降水量變化曲線

從圖3和圖4中可以看出，降水因子在1961～2015年時間序列中存在4類時間尺度的振蕩周期。其中，在28 a左右時間尺度上出現(xiàn)了多—少交替的準3次振蕩；在5 a時間尺度上存在準16次震蕩；28 a時間尺度方差貢獻最大，為降水振蕩變化的第一主周期，平均周期為18 a，在1961～2015年分析時段上周期穩(wěn)定具有全域性。目前正值區(qū)仍未閉合，說明當前正處于降水量偏多期，未來9 a內(nèi)呈逐漸轉(zhuǎn)少趨勢。

圖3 1961～2015年長沙降水量小波系數(shù)實部等值線

圖4 1961～2015年長沙降水小波方差

2.3 長沙地區(qū)早稻生長季光能資源變化趨勢

陽光是水稻生長發(fā)育不可缺少的條件，長沙光能資源較豐富。由圖5可知，1961～2015年早稻生長期間日照時數(shù)平均為600.8 h；日照總量最多達775.0 h，出現(xiàn)在2013年；最少為418.1 h，出現(xiàn)在1999年；整體波動較大，極差達356.9 h。經(jīng)M-K趨勢檢驗，|Zc|=|-0.12|＜Z0.05=1.96，呈下降趨勢，但未通過0.05信度檢驗。

圖5 1961～2015年長沙早稻生長季日照時數(shù)變化曲線

由圖6和圖7可知，長沙早稻生長季1961～2015年日照時數(shù)存在5、11、15、22 a 4類時間尺度的周期振蕩，其中15 a尺度為第一主周期，出現(xiàn)了多—少交替的準6次振蕩，22 a時間尺度為第二主周期，出現(xiàn)多—少交替準4次振蕩，目前虛線已出現(xiàn)閉合中心，未來5 a將逐漸轉(zhuǎn)多。

3 結(jié) 語

通過對長沙早稻生長季氣候資源進行R/S分析、M-K非參數(shù)檢驗以及小波分析，得到如下結(jié)果。

（1）通過M-K非參數(shù)檢驗，長沙早稻生長期間熱量因子（平均氣溫和≥10℃的活動積溫）序列突變點發(fā)生在2001年，根據(jù)Hurst指數(shù)可預(yù)測未來熱量資源仍趨充沛；穩(wěn)定通過10℃日期在21世紀初提前并在2005年發(fā)生突變，Hurst指數(shù)可預(yù)測未來仍趨提前。

圖6 1961～2015年長沙日照時數(shù)小波系數(shù)實部等值線

圖7 1961～2015年長沙日照小波方差

（2）長沙早稻生長季降水量充足，其變化存在著5、11、18以及28 a時間尺度的周期變化；其中，28 a為第一主周期，經(jīng)歷了多—少交替3次準振蕩；平均周期為18 a，目前仍處于偏多時期，未來9 a內(nèi)降水量逐漸轉(zhuǎn)少趨勢。建議科學(xué)調(diào)度降水資源，做好后期晚稻用水準備。光照資源下降趨勢不明顯，其波動變化存在15和22 a的主周期，目前虛線已出現(xiàn)閉合中心，未來5 a將逐漸轉(zhuǎn)多。

（3）建議早稻播種期可提前5～7 d；可將早稻早熟品種換種生育期相對較長、產(chǎn)量相對較高的中遲熟品種，以提高早稻產(chǎn)量。

[1] 廖玉芳，彭嘉棟，崔 巍. 湖南農(nóng)業(yè)氣候資源對全球氣候變化的響應(yīng)分析[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報，2012，28（8）：287-293.

[2] 尹寶蓉，彭輝志，毛貽武，等. 湘潭早稻生長季農(nóng)業(yè)氣候資源分析及生產(chǎn)建議[J]. 長沙氣象，2015，15（15）：70-76.

[3] 廖春花，劉甜甜，林 海，等. 長沙近57年氣溫變化特征分析[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，2008，31（4）：21-24.

[4] 馬樹慶，襲著香. 吉林省農(nóng)業(yè)界限溫度條件變化規(guī)律研究[J]. 地理科學(xué)，1999，19（1）：63-68.

[5] 郭瑞鴿，劉壽東，杜筱玲. 江西氣溫穩(wěn)定通過10℃初日變化及其對雙季早稻物候期的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)氣象，2011，32（1）：12-16.

[6] 張富翔，丁生祥，金元鋒，等. 近47年伺德地區(qū)氣候突變特征分析[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36（20）：8719-8722.

[7] 劉春玲，許有鵬，張 強. 長江三角洲地區(qū)氣候變化趨勢及突變分析[J]. 曲阜師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2005，31（1）：109-114.

[8] 許幸芝，李志剛，馬 剛. 基于R/S和Mann-Kendall的天山北坡氣候變化趨勢預(yù)報[J].水利科技與經(jīng)濟，2013，19（2）：17-20.

[9] 魏鳳英. 現(xiàn)代氣候統(tǒng)計診斷與預(yù)測技術(shù)[M]. 北京：氣象出版社，2007.

[10] 康 玲，楊正祥，姜鐵兵. 基于Morlet小波的丹江口水庫入庫流量周期性分析[J]. 計算機工程與科學(xué)，2009，31（11）：149-152.

（責(zé)任編輯：成 平）

Characteristic of Climate Change and Forecast Analysis during Early Rice Growth Season in Changsha

ZHANG Zhu-qing，CHEN Zhao-hui，QIU Qing-dong，DENG Da-hai
（Changsha City Bureau of Meteorology, Changsha 410205, PRC）

Collecting 1961-2015 rice growing season average temperature, precipitation, sunshine and other information, using the M-K nonparametric test, R/S method and wavelet transform, climate change during the growth season of early rice were analyzed. The results showed that: firstly, the heat resources rise significantly, stable through abrupt change occurred in 2001.10℃ first day was earlier, the mutation year appeared in 2005. Secondly, fluctuations in precipitation are 28 and 5 years main cycle time scale, is currently in the wetter period, the next 9 years is gradually less trend; thirdly, sunshine has 15 years, 22 years scale period fluctuation. The suggestions were put forward such as: early sowing date can be 5-7 days in advance; and the rice early maturing varieties in growth period is relatively long, relatively high yield of late maturing varieties, in order to improve the yield of rice.

early rice growth season; climate resources; characteristic analysis and prediction; Changsha

S164

：A

：1006-060X（2017）02-0049-04

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.002.014

2016-11-14

湖南省氣象局重點課題（XQKJ17A001）； 長沙市氣象局課題（2016）

章竹青（1961-），女，湖南長沙縣人，高級工程師，主要從事氣象服務(wù)及應(yīng)用氣象。

陳朝暉