1961—2020年貴港市農業氣候資源變化特征

蒙小寒 黃維 莫申萍 梁虹 王盛繁

(1 貴港市氣象局 廣西貴港 537100;2 柳州市農業氣象試驗站 廣西柳州 545003)

氣候變化已成為當今眾多科學家的關注熱點，第五次IPCC 報告指出，近100 年全球平均氣溫已升高0.85℃，而近60年上升尤其顯著［1-2］。根據中國氣象局發布的《2020年中國氣候公報》，2020年中國年平均氣溫10.25℃，比常年（1981—2010年）平均偏高0.7℃，為1951 年以來第8 個最暖年。這種以變暖為顯著特征的氣候變化已對我國農業氣候資源產生了一系列不可忽視的影響，例如年平均氣溫上升、無霜期和作物安全生長季延長等［3-7］。已有研究表明，廣西大部分地區安全期內≥10℃活動積溫和年平均氣溫顯著上升，桂北和桂西水稻安全生育期顯著延長，農業氣候資源變化顯著［8-10］，但不同地域農業氣候資源變化特征存在顯著空間差異。

貴港市位于我國廣西東南部、珠江流域干線西江中游，北回歸線橫貫其中部，屬亞熱帶季風氣候區，氣候資源豐富［11］。由于氣候條件優越，貴港一直是廣西重要的糧食和經濟作物生產基地，常年農作物播種面積4.4×105hm2，其中糧食作物播種面積2.7×105hm2，占總面積60.5%，其比例為全區最高［12］。農業生產離不開氣候資源條件，因而農業對氣候反應極為敏感，農業氣候資源數量的變化直接影響著農業生產布局、種植制度、作物種類及農業產量［13-14］。在全球氣候變化的大背景下，充分認識和掌握氣候在當地的變化規律，進而科學合理地利用氣候資源，對發展農業經濟具有重要意義［15］。為充分了解貴港市農業氣候資源的變化特征，本研究利用貴港、桂平和平南3個國家氣象觀測站1961－2020 年氣象資料，采用趨勢分析方法、Mann-Kendall 突變檢驗以及周期分析方法，分析貴港地區熱量、光照和降水等農業氣候資源的變化規律，旨在為該地區農業生產提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 研究區概況

貴港市位于廣西東南部（圖1），介于北緯22°39′～24°20′，東經 109°11′～110°39′，總面積1.06×104km2，東面與梧州市接壤，南面與玉林市相鄰，西面與南寧市交界，北面與來賓市相連。貴港市屬亞熱帶季風氣候區，春季溫度正常，夏季氣溫偏高，秋季、冬季偏暖，降水主要集中于夏季，適宜的氣候條件對該地區農業生產極為有利。

圖1 貴港市地理概況

1.1.2 氣象資料

從貴港市氣象局獲取1961－2020 年貴港、桂平和平南3個國家氣象觀測站逐日氣象資料，資料主要包括平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫、日照時數和降水量等。

1.2 方法

1.2.1 指標統計

分別統計年平均氣溫、年平均最低氣溫和年平均最高氣溫，穩定通過10℃的初日、終日及其持續天數，大于10℃活動積溫，穩定通過10℃期間的降水量和日照時數，從熱量、光照和降水方面分析貴港市農業氣候資源的變化特征。其中，初、終日的計算均采用5 d滑動平均法［16］。

1.2.2 趨勢分析

采用最小二乘法擬合農業氣候資源的時間變化趨勢［17］，即：

式中，xt為農業氣候資源的擬合值；a0為變量初始值；a1為趨勢系數；t為時間。a1為正值時，表示x隨時間t呈增加趨勢，反之，呈減少趨勢，最后對其變化趨勢進行顯著性檢驗。另外，a1×10為氣候傾向率，表示農業氣候資源每10a 的變化率。

1.2.3 突變檢驗

采用世界氣象組織推薦的Mann-Kendall 非參數統計檢驗法（簡稱M-K 方法），在matlab 中編程對各農業氣候資源進行突變檢驗。

1.2.4 周期分析

選擇Morlet 復數小波分析農業氣候資源的時序周期變化特征，該小波是Gauss包絡下的單頻率復正弦函數，在時域和頻域內具有較好的局部聚集性［18-19］。Morlet復數小波函數為：

式中，t為自變量，ω0為無量綱頻率，其值取6［20］。e 為指數函數的底，i為復數中的虛數單位。對于時間序列xb*（b*=0，1，2，…，N-1，N為時間序列的長度），其小波變換為：

式中，Wb*（a，b）為小波變換系數，ψ*表示其共軛復函數，a為尺度因子，b為時間平移因子，δt為采樣時間間隔，x為時間序列。

2 結果與分析

2.1 農業氣候資源的線性變化趨勢

圖2 為貴港市1961－2020 年平均氣溫（圖2-a）、平均最低氣溫（圖2-b）、平均最高氣溫（圖2-c）、穩定通過10℃初日（圖2-d）、終日（圖2-e）、持續天數（圖2-f）、大于10℃活動積溫（圖2-g）、穩定通過10℃期間日照時數（圖2-h）和降水量（圖2-i）的線性變化趨勢。從圖2-a、2-b、2-c 中可以看出，年平均氣溫、平均最低氣溫和平均最高氣溫在波動中呈顯著上升的變化趨勢（p＜0.01），上升傾向率分別為0.198、0.266 和0.170℃/10a。其中，1961－2020 年平均氣溫平均值為21.8℃，標準差為0.52，最小值為20.7℃，出現在1984 年，最大值為22.8℃，出現在2015年；年平均最低氣溫平均值為18.8℃，標準差為0.59，最小值為17.5℃，出現在1984 年，最大值為20.1℃，出現在2015 年；年平均最高氣溫平均值為26.2℃，最小值為25.0℃，出現在1984 年，最大值為27.4℃，出現在2003年。

從圖2-d、2-e、2-f 中可以看出，初日在波動中呈顯著提前的變化趨勢（p＜0.01），提前傾向率為4.8 d/10a，而終日未表現出明顯變化趨勢，持續天數呈顯著延遲的變化趨勢（p＜0.01），延遲傾向率為5.0 d/10a。其中，1961－2020 年初日平均日序數為第40 天，標準差為20.5，最小日序數為第1 天，出現在2017 年，最大日序數為第83天，出現在1976 年；終日平均日序數為第360 天，標準差為9.8，最小日序數為第320 天，出現在1976年，最大日序數為年末最后一天（第365天或者第366 天），有超過一半年份終日為年末最后一天；持續日數平均值為321 d，標準差為22.8，最小值為238 d，出現在1976 年，最大值為365 d，即全年均穩定通過10℃，出現在2017年。

從圖2-g、2-h、2-i 中可以看出，積溫在波動中呈顯著上升趨勢（p＜0.01），上升氣候傾向率為131.040℃d/10a，但穩定通過10℃期間的日照時數和降水量的變化趨勢不顯著。其中，1961－2020 年平均活動積溫為7 407.4℃d，標準差為409.8，最小值為5 801.2℃d，出現在1976 年，最大值為8 254.1℃d，出現在2017 年；平均日照時數為1 529.8 h，標準差為154.2，最小值為1 097.7 h，出現在1976 年，最大值為1 903.0 h，出現在2003年；降水量平均值為1 510.9 mm，標準差為309.6，最小值為759.7 mm，出現在1989 年，最大值為2 241.8 mm，出現在1994年。

圖2 1961－2020年農業氣候資源的線性變化趨勢

2.2 農業氣候資源的突變檢驗

圖3 為農業氣候資源的M-K 突變檢驗。從圖3-a、3-b、3-c 可以看出，年平均氣溫、年平均最低氣溫和年平均最高氣溫的突變點一致，均為2000年，且突變后UF 統計量大于0.05 顯著水平線，上升趨勢顯著。從圖3-d、3-e、3-f可以看出，初日和持續天數的突變點均在1996 年，終日不存在突變點。其中，初日UF 統計量在2005 年后小于0.05顯著水平線，提前趨勢顯著；持續天數UF 統計量在2005 年后大于0.05 顯著水平線，增加趨勢顯著。從圖3-g 中可以看出，有效積溫跟年平均氣溫、平均最低氣溫和平均最高氣溫突變時間一致，都在2000 年，且在2003 年后UF 統計量大于0.05顯著水平線，上升趨勢顯著。從圖3-h 可以看出，日照時數突變點在2007 年，但突變前后UF 統計量均在0.05 顯著水平線內，未呈現明顯變化趨勢。從圖3-i 可以看出，降水量UF 和UB 統計量有多個交匯點，增加和減少趨勢交替演變，但基本都在0.05顯著水平線內，趨勢不顯著。

圖3 1961－2020年農業氣候資源的突變檢驗

2.3 突變前后農業氣候資源比較

為進一步分析農業氣候資源的變化情況，以顯著變化的農業氣候資源的突變時間為界線，分析突變前后農業氣候資源的變化特征（表1）。年平均氣溫、年平均最低氣溫和年平均最高氣溫突變后較突變前分別高0.7、0.9、0.7℃；初日和持續天數突變后較突變前提前15 d和增加16 d，活動積溫突變后較突變前增加了464.2℃d，可以看出，1996年后，特別是2000 年之后，貴港地區熱量資源顯著增加，這為該地區提高農業產量提供了氣候條件。

表1 突變前后農業氣候資源比較

2.4 農業氣候資源的周期變化規律

圖 4 為 1961－2020 年年平均氣溫 （圖4-a）、平均最低氣溫（圖4-b）、平均最高氣溫（圖4-c）、穩定通過10℃初日（圖4-d）、終日（圖4-e）、持續天數（圖4-f）、大于10℃活動積溫（圖4-g）、穩定通過10℃期間日照時數（圖4-h）和降水量（圖4-i）的連續小波功率譜，圖中粗黑線包圍的范圍通過了α＝0.05顯著性水平下紅色噪音標準譜的檢驗，細黑線為影響錐型曲線。從圖4-a、4-b、4-c 中可以看出，年平均氣溫存在著3 年和4 年尺度的顯著周期變化，其中，3 年尺度周期變化主要發生在2005－2010年，能量較弱；4年尺度周期變化主要發生在1983－1996 年，該尺度較3 年尺度能量強。年平均最低氣溫存在1 年和4 年尺度的顯著周期變化，其中，1 年尺度周期變化主要發生在1967－1975 年，4 年尺度周期變化主要發生在1985－2000 年和 2005－2010 年，3 個時段的周期變化能量相對較弱。平均最高氣溫存在著3 年和4年尺度的顯著周期變化，其中，3 年尺度周期變化主要發生在2004－2009年，能量較弱，4年尺度周期變化主要發生在1983－1991年，能量較強。

從圖4-d、4-e、4-f 中可以看出，初日未表現出明顯的周期變化規律；終日存在著8年尺度的顯著周期變化，主要發生在1965－1989 年，能量較強；持續日數也存在著8 年尺度的顯著周期變化，主要發生在1970－1980年，能量較強。

圖4 1961－2020年農業氣候資源的連續小波功率譜

從圖4-g、4-h、4-i 中可以看出，活動積溫存在著2年尺度的顯著周期變化，主要發生在1970－1977 年，能量相對較強。日照時數存在著2 年、4年和6 年尺度的顯著周期變化，2 年尺度周期變化主要發生在1975－1983年，4年尺度周期變化主要發生在2000－2005年，6年尺度周期變化主要發生在1978－1981 年。降水量存在著4 年尺度的顯著周期變化，該尺度周期變化主要發生在1992－2005年，能量最強。

3 討論與結論

在全球氣候變暖背景下，廣西地區溫、光、水資源均發生不同程度變化。貴港市年平均氣溫、平均最低氣溫、平均最高氣溫和大于10℃活動積溫均呈顯著上升趨勢，突變時間在2000 年，與廣西整體熱量資源變化趨勢基本一致［21-23］。穩定通過10℃期間日照時數在波動中呈下降趨勢，但是趨勢系數不明顯，這與廣西日照時數總體呈顯著下降的趨勢不同［24］，說明日照時數的變化存在明顯的空間差異，穩定通過10℃期間降水量也未表現出明顯的變化趨勢，但存在1 個顯著的4 年尺度周期變化規律。另外，穩定通過10℃初日明顯提前，由于終日基本在一年中12 月中下旬，穩定通過10℃持續天數顯著延長，作物安全生長季天數增加，這與黃維等［8］研究基本一致。

熱量資源的顯著增加，春季物候期提前，秋季物候期推遲，作物生長期相對延長，農業種植界限向高海拔擴張，在一定程度上提高了單位面積糧食生產能力，增加了農作物種植區域［6］。但隨著高溫日數的相應增加，以及日照時數和降水變化趨勢的不確定性，高溫、干旱、強降水等極端天氣、氣候事件日益頻發［25-26］，進一步制約貴港地區的農業氣候資源和生產潛力，使得作物生產潛力仍具不確定性。因此，在當前氣候背景下，在充分、合理利用農業氣候資源的基礎上，還要關注農業氣象災害的發生規律，為貴港地區農業生產提供合理、可靠的科學依據。