遼寧阜蒙縣春播期氣候特征及其影響因子分析

范 野，舒海燕，陶 倩，李 凝，常相伊，謝 媛，常 宏

（阜新市氣象局，遼寧 阜新 123000）

氣候變化已經成為了全球的熱點問題，特別是全球氣候變暖及極端天氣事件的增加，更加廣受關注。氣候變化的原因與氣候自身的變化規律密切相關，同時也與人類活動相關聯。氣候變暖對生態系統及春耕生產也產生了一定的影響，如區域性暴雨和區域性干旱最為常見，其發生的頻率和強度也呈增加趨勢，且中國的南北方表現不同。氣候變化對人們生產生活及社會可持續發展造成了多方面影響，特別對春耕生產及糧食作物的影響關系到人們的生活質量及國家安全。所以，研究春播期氣候特征變化規律及其影響因子，對農業生產、農民收入和人們的生活質量都具有非常重要的意義。

國內外許多氣象學者對氣候變化問題進行了深入的研究，如Hulme［1］、Jones［2］等分別對20世紀以來全球陸面和北半球N 30°~85°的降水研究表明，降水量分別增加1%和7%~12%。施能等［3］研究了1920—2000年全球陸地降水后指出：全球降水有明顯的與2~7 a ENSO周期相吻合的變化周期。施能等［4］對中國20世紀年總降水量進行研究，指出中國降水、氣溫在20世紀80年代的南北方顯著區別：東北暖略偏濕、華北暖干、長江中下游冷濕、西南冷干。周曉宇等［5］對1961—2009年遼寧省氣溫和降水研究顯示，春季平均氣溫呈升高趨勢，升溫速率為0.29 ℃/10 a；春季降水量呈增加趨勢，速率為1.99 mm/10 a。孫寶利等［6］對1961—2015年阜新地區氣候特征分析得出，春季平均氣溫呈升高趨勢，升溫速率為0.15 ℃/10 a；春季降水量呈增加趨勢，速率為2.72 mm/10 a。

朱艷峰等［7］對中國內地降水與ENSO的關系進行分析發現，在EI Ni?o期間，我國東北等東部地區降水偏多，發生洪澇的概率較高，而華北地區等中部地區降水偏少，發生干旱的概率較高。任國玉等［8］研究表明，遼寧西部春季降水相對增加。秦大河等［9］研究發現，1951—2000年中國年平均氣溫升高以北方為主，升溫速率為0.8 ℃/10 a。楊素英等［10］對1959—2003年東北地區春季降水進行了分析，發現降水量呈增加趨勢，周期性變化明顯，且有東多西少的特征，西部易發生旱澇現象。孫風華等［11］對我國東北地區氣溫進行了分析，發現春秋冬三季增溫明顯。王錦貴等［12］對遼寧夏季旱澇的影響因子進行了分析，發現其與QBO、太陽活動、ENSO有密切的關系。

阜蒙縣位于遼寧省的西北部，是遼寧省的主要糧食產區，地形以低山丘陵為主，春季多干旱，占平年的34%。春播期農業生產受多種氣象要素影響，最主要的影響因子是溫、光、水，但這方面的研究不多，更沒有專門針對阜蒙縣春播期(4—5月)農業氣候特征規律及其影響因子的研究。因此，筆者針對阜蒙縣春播期關鍵期的氣候特征變化規律及其影響因子進行研究，了解其氣候特征及影響因子，用于當地氣象部門制作決策服務材料，服務當地政府，適應當地的氣象變化規律，指導當地春耕生產，適時播種，趨利避害，促進當地經濟發展等方面都具有重要的意義。

1 資料來源與方法

1.1 資料來源

本文應用1951—2020年春播期(4—5月)降水量、平均氣溫、日照時數的日數據，數據來源于阜蒙縣國家基本觀測氣象站。太陽黑子數、西太平洋副高面積指數(WPSHAI)、Ni?o 3.4指數、亞洲區極渦面積指數(APVAI)、北極濤動指數(AOI)的月數據，數據來源于國家氣候中心發布的大氣環流指數。

1.2 分析方法

本文應用氣候變化率、Mann-Kendall突變檢驗等方法［13］對阜蒙縣春播期氣候特征進行趨勢及突變分析；應用R/S分析法［14-15］對未來趨勢進行分析；應用Morlet小波分析法［16-17］對時間序列進行周期性分析，其實部等值線能夠反映春播期氣候的多個時間尺度的振蕩周期；小波方差［18-19］曲線用來判斷時間序列的準周期，且能根據能量強弱來判斷主周期和次周期。

2 結果與分析

2.1 氣象要素年和年代際變化

在氣溫方面，由圖1a可知，1951—2020年阜蒙縣春播期、4月和5月降水量都呈現增加趨勢，其氣候傾向率分別為2.589、0.272、2.317 mm/10 a；平均降水量分別為64.6、23.1、41.5 mm；峰值降水量分別 出 現 在1998年(156.2 mm)、1983年(107.8 mm)、2019年(132.6 mm)；谷值降水量分別出現在1960年(14.1 mm)、1965年(1.1 mm)、1980年(6.3 mm)。春播期、4月、5月的平均氣溫都呈現增加趨勢，其氣候傾向率分別為0.378、0.438、0.317 ℃/10 a；平均氣溫分別為13.5、9.7、17.3 ℃；峰值平均氣溫分別出現在2017年(15.9 ℃)、2017年(13.1 ℃)、2002年(20.2℃)；谷值平均氣溫分別出現在2013年(10.9 ℃)、1953年 (5.7 ℃)、1954年(14.6 ℃)。春播期、4月、5月日照時數的氣候傾向率分別為-1.156、-1.839、0.683 h/10 a；平均日照時數分別為736.1、343.9、268.9 h；峰值日照時數全部出現在2020年，分別為666.6、336.5、330.1 h，谷值日照時數全部出現在2010年，分別為373.7、185.8、187.9 h。

圖1 1951—2020年阜蒙縣春播期降水量、平均氣溫、日照時數的年變化(a)及年代平均變化(b)

由圖1b可知，1951—2020年阜蒙縣春播期降水量在2010 s最多(82.8 mm)，1960 s最少(57.9 mm)；4月降水量在1980 s最多(30.5 mm)，1990 s最少(15.1 mm)；5月降水量在2010 s最多(58.1 mm)，1980 s最少(33.3 mm)。春播期平均氣溫在2010 s最高(19.8℃)，1950 s最低(15.6 ℃)；4月平均氣溫在2010 s最高(10.7 ℃)，1950 s最低(7.9 ℃)；5月平均氣溫在2010 s最高(18.3 ℃)，1950 s最低(16.1 ℃)。春播期日照時數在2010 s最多(782.7 h)，1980 s最少(707.2 h)；4月日照時數在1950 s最多(256.6 h)，2000 s最少(230.5 h)；5月日照時數在2010 s最多(284.5 h)，1970 s最少(251.5 h)。

在降水方面，阜蒙縣春播期的降水與中國平均年降水變化趨勢相同，但降水增加速率低于國內年平均增加速率(5.5 mm/10 a)，其中大旱年有1960年(14.1 mm)、2001年(19.5 mm)、2003年(18.2 mm)，合計降水量均不足20 mm；大澇年有1953年(119.7 mm)、1983年(125.4 mm)、1998年(156.2 mm)、2016年(141.3 mm)、2019年(134.8 mm)，最大值出現在1998年。阜蒙縣大田作物最優春播期為4月下旬—5月上旬，若播種期出現旱澇，對作物的生長發育將帶來損害，造成作物減產。比如在2001年，全縣春播期降水量僅19.5 mm，比歷年同期(68.4 mm)少71%，且均為無效降水。全縣大田嚴重干旱面積占全部耕地面積的92%；全縣大田播種面積占實際應播種面積的53%，出苗面積占播種面積的31%。由于春旱，播種期要比平年晚近2個月，生育期時間不足，使全縣糧食產量比平年減產39%。

在氣溫方面，阜蒙縣春播期平均氣溫升溫速率高于同期全球年平均升溫水平(0.15 ℃/10 a)，也高于中國年平均氣溫升溫速率(0.26 ℃/10 a)。近20 a(2001—2020年)是阜蒙縣有記錄以來最暖時期，同時也是中國的最暖時期。相關內容參見《中國氣候變化藍皮書(2021)和(2022)》。阜蒙縣大田作物最佳生長期為4—9月，低溫凍害會將大田作物的組織凍傷或凍死，給農業生產帶來損失。例如2014年5月上旬，全縣出現低溫冷害現象，5月3—5日最低氣溫和地面溫度均在0~4.5 ℃之間，特別是5月6日出現最低氣溫-1.0 ℃，地面溫度為-0.8℃，前期已播種的大田作物受其影響，部分幼苗被凍傷或凍死，造成缺苗現象，局部受災嚴重地區因此而毀種。

1951—2020年阜蒙縣春播期降水量與平均氣溫的變化趨勢與其他學者［5-6,8-11］的研究結果一致。

2.2 Morlet小波分析

本文應用Morlet小波分析方法繪制了1951—2020年春播期各氣象要素的小波方差曲線，由圖2a可知，春播期降水量第1主周期為52 a左右，第2周期為18 a左右，還有6 a左右和31 a左右周期；4月降水量第1主周期為44 a左右，第2周期為21 a左右，還有5 a和12 a左右的周期；5月降水量第1主周期為34 a左右，第2周期為17 a左右，還有7 a左右周期。這個結果與施能等［3］研究的中國年降水有2~7 a周期相一致。

圖2 1951—2020年阜蒙縣春播期降水量(a)、平均氣溫(b)、日照時數(c)Morlet小波方差曲線

由圖2b可知，春播期平均氣溫第1主周期為28 a左右，還有41、7、14 a左右的周期；4月平均氣溫第1主周期為21 a左右，第2周期為41 a左右，還有5 a左右周期；5月平均氣溫第1主周期為28 a左右，還有7、13、60 a左右的周期；以上多數周期皆與7的倍數有關或相近。

由圖2c可知，春播期日照時數第1主周期為47 a左右，第2周期為30 a左右，還有4和41 a左右周期；4月日照時數第1主周期為33 a左右，第2周期為8 a左右，還有12 a左右的周期；5月日照時數第1主周期為47 a左右，第2周期為29 a左右，還有10 a左右的周期；以上多數周期皆與10~12 a(太陽黑子的周期)的倍數有關或相近。

2.3 Mann-Kendall突變檢驗

通過繪制1951—2020年春播期各氣象要素的Mann-Kendall突變檢驗曲線，由圖3a可知，春播期降水在0.05顯著水平之間有3個交點，配合Pettitt突變檢驗分析(圖略)，確定只有1954年發生了突變，突變后降水明顯減少；4月降水量在0.05顯著水平之間有多個交點，通過其他檢驗方法綜合分析，確定只有1987和2005年發生了突變，1987年突變后降水明顯減少，2005年突變后降水明顯增多；5月與春播期降水的突變時間相同(1954年)，且變化趨勢也相同。

圖3 1951—2020年阜蒙縣春播期降水量(a)、平均氣溫(b)、日照時數(c)Man-Mendall突變檢驗曲線

由圖3b可知，春播期平均氣溫在0.05顯著水平之間沒有交點，說明沒有突變現象發生，從1980 s開始呈現極顯著的上升趨勢，且UF曲線值逐漸超過2.56，說明上升趨勢極為顯著，超過了0.01顯著水平。

由圖3c可知，春播期日照時數在0.05顯著水平之間有多個交點，通過其他檢驗方法綜合分析，確定只有1954年發生了突變，突變后的日照時數明顯減少；4月日照時數在1958年發生了突變，突變后的日照時數逐漸減少；5月日照時數在1960年發生了突變，趨勢與上述相同。

2.4 未來趨勢變化

采用R/S重標極差分形方法(當0.5＜H＜1.0表示過去時間序列趨勢與未來變化趨勢一致；當0＜H＜0.5時，表示未來變化趨勢與過去趨勢相反；當H=0.5時，表示未來的變化趨勢不確定)，對1951—2020年春播期各氣象要素進行未來趨勢分析，從R/S分形的計算結果(圖4和表1)可以發現，Hurst 指數均小于0.5，說明未來變化趨勢與1951—2020年這段時間的氣象要素趨勢是相反的。根據Hurst 指數大小，可以判斷未來趨勢變化的強弱。在所有的Hurst 指數中，4月平均氣溫Hurst 指數最大(最接近0.5)，說明其未來下降趨勢最弱；4月日照時數Hurst 指數最小，說明其未來上升趨勢最強。

表1 1951—2020年阜蒙縣春播期各氣象要素Hurst 指數及未來趨勢

圖4 1951—2020年阜蒙縣春播期降水量(a)、平均氣溫(b)、日照時數(c)的R/S趨勢

3 討論

3.1 春播期降水量的影響因子

從1951—2020年阜蒙縣春播期及各月降水量與太陽黑子數以負相關為主(圖略)，即太陽黑子數逐漸減少，則降水量逐漸增加，其相關系數分別為-0.268(0.05顯著水平)、0.012、-0.312(0.01顯著水平)；從表2上看，春播期降水量與各月太陽黑子數的Spearman相關系數基本上都是負相關關系，除1月外，均達到了0.05水平上的顯著相關，其中最大為4月(-0.307)，達到0.01水平的顯著相關；4月降水量與各月太陽黑子數的相關性均不顯著；5月均達到了0.05水平上的顯著相關，特別是與3—6月最為顯著，均達到了0.01顯著水平。這與周連童等［20］對我國華北地區春季降水與太陽黑子數的相關性研究結論基本一致，也與劉敏等［21］認為鐵嶺春季降水時的結論相一致。另外，李輯等［23］認為遼寧夏季降水與太陽黑子數呈負相關關系，這與本文的結論基本一致，馬曉剛等［23］認為太陽活動與阜蒙縣夏季降水呈極顯著負相關。

表2 1951—2020年阜蒙縣春播期降水量與各月太陽黑子數的Spearman相關系數

從1951—2020年阜蒙縣春播期及各月降水量與WPSHAI的Pearson相關系數基本上都是正相關關系(圖略)，即隨著WPSHAI增加，降水量也增多，相關系數分別為0.371、0.092、0.359，有2個均超過0.01顯著水平。從表3可知，春播期降水量與各月WPSHAI的相關性均為正相關，上半年比下半年相關性強，上半年相關系數均達到了0.01顯著水平，與1—3月WPSHAI的相關性更為顯著。4月降水量與WPSHAI的相關性總體不強，只有2月、3月的相關系數達到了0.05顯著水平。5月降水量與WPSHAI相關顯著，具體情況與春播期基本相同。這與夏梅艷等［24］對遼寧春旱與氣候關系的研究結果相一致，也與劉敏等［21］得出鐵嶺春旱的氣候成因時的觀點一致。

表3 1951—2020年阜蒙縣春播期降水量與各月WPSHAI的Pearson相關系數

另外，從1951—2020年阜蒙縣春播期及各月降水量與Ni?o 3.4指數的相關系數(圖略)分別為0.054、-0.013、0.070，均不顯著。春播期及各月降水量與1—4月Ni?o 3.4指數都是呈正相關，特別是春播期降水量與1—2月Ni?o 3.4指數的Pearson相關系數為0.314、0.315，達到了0.01的顯著水平。

3.2 春播期平均氣溫的影響因子

從1951—2020年阜蒙縣春播期及各月平均氣溫與WPSHAI的Spearman相關系數均為正相關關系(圖略)，相關系數分別為0.371、0.352、0.312，均超過0.01顯著水平。從表4可知，平均氣溫與WPSHAI的相關性在6—8月、2月最差，與其他月份基本上都為顯著相關。春播期平均氣溫與各月WPSHAI相關最為顯著的月份為12月，相關系數為0.521，達到了0.01的顯著水平，11月次之；與2月的相關性最差，6月次之。4月平均氣溫與各月WPSHAI的相關情況基本與春播期的相關情況相一致。5月平均氣溫與各月WPSHAI相關最為顯著的月份為10月，相關系數為0.353，達到了0.01的顯著水平，12月次之；與8月的相關性最差，6月次之。

表4 1951—2020年阜蒙縣春播期平均氣溫與各月WPSHAI的Spearman相關系數

從1951—2020年阜蒙縣春播期及各月平均氣溫與APVAI的Spearman相關系數基本上都為負相關關系(圖略)，相關系數分別為-0.473、-0.455、-0.328，均達到0.01顯著水平。從表5可知，春播期平均氣溫APVAI的相關最為顯著的月份為5月，相關系數為-0.372，6月次之，均達到了0.01的顯著水平；與冬季的APVAI相關性最差。4月平均氣溫與各月APVAI相關最為顯著的月份為4月和6月，相關系數均為-0.392，達到了0.01的顯著水平，5月次之；與冬季的APVAI相關性最差，秋季次之。5月平均氣溫與APVAI相關最為顯著的月份為5月，相關系數為-0.345，達到了0.01的顯著水平；與冬季的APVAI相關性最差，秋季次之。

表5 1951—2020年阜蒙縣春播期平均氣溫與各月APVAI的Spearman相關系數

另外，1951—2020年阜蒙縣春播期及各月平均氣溫與AOI為正相關關系(圖略)，Spearman相關系數分別為0.372、0.300、0.288，均超過0.05的顯著水平。春播期平均氣溫與當月AOI的相關系數為0.346，4月平均氣溫與當月AOI的相關系數為0.344，5月為0.357，均達到了0.01的顯著水平。馬曉剛等［25］研究北太平洋海溫對阜新氣溫的影響時發現二者之間相關系數較高，以春季和夏季相關最為顯著，其在太陽黑子谷值年周期內的相關系數分別為0.94和0.96。

由于氣候情況的復雜性，春播期各氣象要素受諸多因素影響，還需更加全面和深入地研究，特別是日照時數方面尚沒有找到顯著影響因子，需多方面探討。

4 結論

研究1951—2020年阜蒙縣春播期及各月降水量、平均氣溫、日照時數規律及影響因子，得出的結論如下：

（1）從年際變化看，降水量和平均氣溫都呈現增加趨勢，此結論與其他學者［5-6,8-11］的研究結果相一致；而日照時數的變化趨勢基本相反；根據Hurst指數判斷，降水量、平均氣溫的未來趨勢均為下降，但并不顯著；日照時數的未來趨勢既有上升也有下降，總體為上升。從年代來看，降水量、平均氣溫、日照時數均在2010 s數值最高。

（2）春播期及各月降水量的第1主周期分別為52、44、34 a左右，還有5、6、7 a的周期，這與施能等［3］研究的中國年降水有2~7 a的變化周期相一致；春播期及各月平均氣溫的第1主周期分別為28、21、28 a左右，還有其他周期多數與7 a的倍數有關或相近；日照時數的第1主周期分別為47、33、47 a，還有其他周期多數與10~12 a的倍數有關或相近。

（3）春播期及各月降水量的突變年份分別為1954、1987和2005年，其中只有2005年是突變后降水量逐漸增多，其余各年皆為突變后降水量逐漸減少；平均氣溫沒有發生突變的情況，自1980 s開始其上升趨勢更加顯著；春播期及各月日照時數的突變年份分別為1954、1958、1960年，突變后日照時數均逐漸增加。

（4）春播期降水的影響因子有太陽黑子、WPSHAI、Ni?o 3.4，與其相關系數分別為-0.268、0.371、0.054，前2項均達到了0.05顯著水平，此結果與劉敏［21］、夏梅艷［24］等的觀點具有一致性；春播期及各月平均氣溫的影響因子有WPSHAI、APVAI、AOI，與其相關系數分別為0.371、0.473、0.372，均達到了0.01顯著水平。