基于Morlet小波的北安市農業氣候資源周期變化及趨勢分析

徐銘遠 王海寧 徐文龍

摘要：根據黑龍江省北安國家基本氣象站、農場氣象站、區域氣象站1959—2019年各項氣象資料，采用小波分析法進行周期分析，采用一元線性擬合和二次多項式擬合進行線性趨勢分析，對北安市近61年影響作物生長的農業氣候資源進行分析。結果表明，近61年北安市作物生長季氣溫波動變化總體呈上升趨勢;北安市積溫呈顯著上升趨勢，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出總體增加趨勢。降水量呈現不顯著下降趨勢，小波分析生長季各月及季總降水量表現出周期變化。日照時數呈現周期變化的特點，線性趨勢略呈減少。初霜日變化趨勢是逐年延后，終霜日變化趨勢是逐年提前，無霜期天數呈現周期變化，總體呈現增加趨勢。

關鍵詞：作物生長季;農業氣候資源;小波分析;趨勢分析; 北安市

中圖分類號：S162.3;P467? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）14-0045-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.14.008 開放科學（資源服務）標識碼（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

關于氣候變化的問題一直是學術界研究的熱點。許多區域的作物研究表明，氣候變化對糧食產量的不利影響比有利影響更為顯著。農業氣候資源的數量及其配置狀況直接影響著農業生產過程，并為農業生產提供必要的物質和能量。農業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業氣候資源，這些因子的組合變化在很大程度上決定了該地區農業生產類型、作物種類，也決定了作物產量、品質優劣和成本高低，所以說農業氣候資源變化對作物產量影響十分巨大[1-4]。

氣候變化對農業生產的影響，首先表現為對農業氣候資源的影響，由于農業氣候資源在數量和配置上發生了變化，才導致了對農業生產過程的影響，并最終影響到農業種植制度、品種布局以及生長發育和產量形成。因此，系統分析氣候變化背景下農業氣候資源演變趨勢有利于合理利用農業氣候資源，還將為調整農業結構和種植制度提供一定的科學依據[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區，北安市氣象要素多變、氣象災害及衍生災害多發[6]。研究農業氣候資源變化特征為評估區域氣候變化對農業生產的影響、調整種植結構及農產品布局提供依據。

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）資料作為研究對象，站點位置126°30′E、48°15′N，主要對農業氣候資源中的氣溫、積溫、降水、日照、無霜期進行分析。根據氣象資料的統計，北安市的作物生長季為每年5—9月。農業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資料稀少，而日照時數是常規的氣象觀測要素，又能夠在很大程度上表征太陽輻射，因此光照條件用總日照時數表示。

1.2 研究方法

采用小波分析、線性趨勢分析等方法對影響作物生長季的農業氣候資源變化規律進行研究，采用Morlet小波對降水、無霜期、日照進行小波周期分析[7]，對氣溫、積溫、無霜期、日照趨勢分析進行一元線性擬合和二次多項式擬合[8]，分析北安市作物生長季氣候資源變化的多時間尺度特征;通過Mann-Kendall檢驗[9]，判斷趨勢變化的顯著性。

2 農業氣候資源變化特征分析

2.1 日照

對北安市近61年作物生長季日照數據進行一元線性擬合和二次多項式擬合（圖1a至1f），北安市作物生長季各月日照時數呈下降趨勢（通過0.05的顯著水平檢驗），從各月日照時數逐年的變化趨勢進行分析，5、6、8月的日照時數年際變化呈下降趨勢，7月日照時數年際變化不明顯，9月日照時數年際變化略呈增加趨勢，生長季總日照時數呈現減少趨勢，變化傾向率為-12.2 h/10年（表1）。1959—1962年各月日照呈現逐步減少趨勢，1963年開始逐步增加，持續至20世紀60年代后期，自20世紀70年代開始呈現下降趨勢。北安市近61年年平均日照時數1 230.9 h，生長季7月日照時數最多，達265.9 h，其次為6月，達261.2 h，9月日照時數最少，為218.9 h。雖然北安市作物生長季日照時數呈現周期變化，但20世紀80年代至21世紀00年代的年代際變化小于20 h，20世紀70年代日照時數高于其他年代，2010年開始日照時數處于較低水平。與降水量變化趨勢對比可以發現日照時數變化與降水量變化呈反相關性，一般降水量多的年份日照時數少，反之日照時數多。

2.2 氣溫

對北安市近61年作物生長期平均氣溫進行一元線性擬合和二次多項式擬合，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明顯，一元線性擬合和二次多項式擬合趨勢一致，均通過顯著性檢驗，5月升溫趨勢大于其他月份，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但各階段變化幅度不同，20世紀60年代初期氣溫呈現下降趨勢，20世紀60年代后期至20世紀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，穩定通過0 ℃界限溫度也逐年提前，一般在4月上旬，最早出現在3月22日，最晚出現在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，北安市穩定通過5 ℃界限溫度為5月3日，最早出現在4月3日，最晚出現在5月11日。穩定通過5 ℃界限氣溫終日為9月27日。

2.3 ≥10 ℃積溫變化特征

北安市穩定通過0、5、10 ℃日期（表2）均呈現西部早于東部、南部早于北部的趨勢，南北差異明顯。如圖3所示，北安市積溫呈現自西向東、自南向北逐漸減少的趨勢，≥0 ℃積溫南部種植區一般可達2 800 （℃·d）以上，北部種植區一般可達2 500 （℃·d）以上;≥10 ℃積溫南部種植區一般可達2 400 （℃·d）以上，北部種植區近60年平均為2 340 （℃·d）[5]。穩定通過界限溫度初日呈現逐年提前的趨勢，穩定通過界限溫度終日呈現逐年延后的趨勢，穩定通過界限溫度的初、終日數呈現增加的趨勢。

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性，具有明顯的高低年份變化，總體呈增加趨勢（通過0.05的顯著水平檢驗），有2個峰值、6個低谷，1970年和2000年為2個峰值，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60、70年代維持在2 200 （℃·d），20世紀80年代開始增加，2000年以來處于較高水平。總體變化呈現波動上升趨勢，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下，北安市熱量資源呈現總體改善的趨勢，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。對作物生長季降水量進行一元線性回歸和2階多項式擬合如圖6所示，年降水量的線性變化趨勢并不明顯，未通過顯著性檢驗。1959—1976年作物生長季降水量呈現減少趨勢，1977年開始呈現增加趨勢，這與北安市的年降水量變化趨勢一致[5]。

對北安市近61年逐年作物生長季各月降水量數據進行統計，得到各月降水量的多年平均值，再對各時間序列的距平值進行連續小波變換。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如圖7所示，圖上半部分為低頻，對應較長尺度周期的振動;下半部分為高頻，對應較短尺度周期的振動。結果顯示，北安市作物生長季降水量變化具有明顯的波動性。5月降水量小周期變化非常明顯，1959—1972、1996—2012年存在準5年的高頻變化周期，1959—1992年存在準17年的低頻變化周期，1996—2019年存在準12年的變化周期。6月降水量在1963—1968、2001—2018年表現出準4年的高頻變化周期，1959—1995年表現出準20年的低頻變化周期，自20世紀90年代中期開始周期有變短的趨勢，21世紀10年代中期縮短為16年。7月降水量在1959—1970、1988—2008年表現出4～6年的高頻變化周期，1959—1995年表現出準16年的低頻變化周期，自20世紀90年代開始周期有變短的趨勢，21世紀10年代末期縮短為10年。8月降水量在1970—1990年表現出準4年的高頻變化周期，1980—2019年表現出準7年的高頻變化周期，1959—2019年表現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年表現出準5年的高頻變化周期，1959—1980年表現出準13年的變化周期，自20世紀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年表現出4～7年的高頻變化周期，長周期方面在整個統計時間段表現出準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，2009—2014年是降水高峰期，1967—1984年大多年份降水量偏少，連續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，總體變化趨勢為降水量均略有增加，7月降水量略呈減少趨勢。近20年作物生長季降水量變化呈增加趨勢。

2.5 無霜期

利用小波分析（圖8a）北安市無霜期日數呈現周期變化，1959—1990年表現出準6年的高頻變化周期、準16年的低頻變化周期，自1990年開始高頻變化周期變長為準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，總體呈現增加趨勢（通過0.05的顯著水平檢驗），傾向率每10年增加3.4 d。終霜日最早出現在4月26日，最晚出現在6月10日，終霜日變化趨勢是逐年提前，初霜日變化趨勢是逐年延后，初霜日最早出現在8月30日，最晚出現在10月6日。平均無霜期日數118.4 d，無霜期最長地區在北安市南部，無霜期在120 d以上，最短地區在北安市東北部山區，無霜期少于100 d。21世紀00年代比20世紀60年代增加11.6 d。無霜期低值年份出現在20世紀60年代，最少年份出現在1968年，為91 d，高值年份出現在2000年后，大多數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，最多年份出現在2016年，為153 d。從年代際分析來看，20世紀60年代至20世紀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期，大多數年份在120 d以上。利用小波變換對日照數據進行分析，周期變化不明顯（圖8b）。如圖9所示，無霜凍期日數（圖9a）與無霜期（圖9b）的變化接近一致。

3 小結與討論

通過小波分析、線性趨勢分析等方法，研究了北安市近61年作物生長季農業氣候資源周期變化特征及趨勢，得出結果如下。

1）日照時數呈現周期變化的特點，略呈線性減少趨勢。自20世紀80年代至21世紀00年代的年代際變化小于20 h，20世紀70年代日照時數高于其他年代，2010年開始日照時數處于較低水平。與作物生長季降水量變化趨勢對比發現日照時數變化與降水量變化呈反相關性，一般降水量多的年份日照時數少，降水量少的年份日照時數多，這一結論不僅與黑龍江省變化趨勢一致[10]，也與全國日照時數下降的大趨勢一致[11]。

2）氣溫呈波動性變化。北安市作物生長期各月氣溫均呈顯著上升趨勢，氣候傾向率以0.39 ℃/10年的幅度緩慢上升，20世紀60年代后期至20世紀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一致[12]。

3）積溫呈顯著上升趨勢，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60、70年代維持在較低水平，20世紀80年代開始增加，2000年以來處于較高水平。總體呈現波動上升趨勢，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出總體增加趨勢[13]。

4）降水量呈現不顯著下降趨勢。小波分析生長季各月及總降水量表現出4～6年的高頻周期變化，長周期方面表現出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。自2000年開始降水量變化波動較前40年明顯增大，變化趨勢與黑龍江省變化趨勢不同[10]。

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

農業氣候資源的變化對農業的影響是綜合的，氣溫升高及積溫上升，總體增加了北安市的農業熱量資源，從而使北安市的積溫帶向北移動，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量潛力增加。降水變化影響光照的變化，它們共同作用對作物生產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]。本研究將為評估北安市氣候變化對農業生產的影響、調整種植結構及農產品布局建議及措施的提出提供理論參考。

參考文獻：

[1] 秦大河. 進入21世紀的氣候變化科學——氣候變化的事實、影響與對策[J]. 科技導報，2004（7）：4-7.

[2] 李 闊，何霄嘉，許吟隆，等. 中國適應氣候變化技術分類研究[J]. 中國人口·資源與環境，2016，26（2）：18-26.

[3] 趙 錦，楊曉光，劉志娟，等. 全球氣候變暖對中國種植制度的可能影響X. 氣候變化對東北三省春玉米氣候適宜性的影響 [J]. 中國農業科學，2014，47（16）：3143-3156.

[4] 趙俊芳，穆 佳，郭建平. 近50年東北地區≥10 ℃農業熱量資源對氣候變化的響應[J]. 自然災害學報，2015，24（3）：190-198.

[5] 徐文龍，王麗新，李西磊，等. 北安市近60年氣候變化特征分析[J]. 農村經濟與科技，2018，29（19）：52-53.

[6] 徐文龍，南極月，冷宏杰，等. 北安氣候變化特征分析及其對農業生產的影響[J]. 安徽農業科學，2010，38（15）：8063-8064.

[7] 邱海軍，曹明明，曾 彬. 基于小波分析的西安降水時間序列的變化特征[J]. 中國農業氣象，2011，32（1）：23-27.

[8] 王 穎，施 能，顧駿強，等. 中國雨日的氣候變化[J]. 大氣科學，2006，30（1）：162-170.

[9] 魏鳳英. 現代氣候統計診斷與預測技術[M]. 北京：北京氣象出版社，1999.

[10] 方麗娟，陳 莉，覃 雪，等. 近50年黑龍江省作物生長季農業氣候資源的變化分析[J]. 中國農業氣象，2012，33（3）：340-347.

[11] 趙 東，羅 勇，高 歌，等. 1961年至2007年中國日照的演變及其關鍵氣候特征[J]. 資源科學，2010，32（4）：701-711.

[12] 鄢 波，夏自強，黃 峰，等. 黑龍江流域氣溫突變診斷及極值重現期分析[J]. 水電能源科學，2016，34（10）：5-8.

[13] 胡 琦，潘學標，邵長秀，等. 1961—2010年中國農業熱量資源分布和變化特征[J]. 中國農業氣象，2014，35（2）：119-127.

[14] 潘華盛，徐南平，張桂華. 氣候變暖對黑龍江省農作物結構調整影響及未來50年農業情景對策[J]. 黑龍江氣象，2004（1）：13-15，27.

[15] 王石立，莊立偉，王馥棠. 近20年氣候變暖對東北農業生產水熱條件影響的研究[J]. 應用氣象學報，2003， 14（2）：152-164.

[16] 劉志娟，楊曉光，王文峰，等. 氣候變化背景下我國東北三省農業氣候資源變化特征[J]. 應用生態學報，2009，20（9）：2199-2206.