恩施煙區氣候周期性變化的特征分析

鄧建強,譚毛彥,楊 軍,崔源波

湖北省恩施土家族苗族自治州煙草公司恩施市煙葉分公司,湖北省恩施市航空路121號 445000

我國煙草種植區域分布廣泛,有研究表明不同氣候條件對煙葉產量、質量及風格有重要影響,且氣象因子對煙草化學成分的影響也有相當多的研究[1-6]。恩施州作為湖北省煙葉的主產區,也是我國白肋煙的第一大產區,其煙葉類型多、可選擇性強、適配面寬,兼具南北煙區煙葉風格、配伍性強等特點[7],在全國煙葉生產中具有重要的地位。前人曾將該區域氣候特點與國外優質煙草產區進行對比,應用了聚類分析和模糊理論對恩施州氣候條件進行了綜合評價[7-9],但在氣候周期性特征分析及預測方面尚未見相關報道。為此,對恩施煙區60年氣象資料進行了統計分析,旨在探明該區域的氣候周期性特征變化,為恩施煙區現代煙草農業基地單元建設的早期決策提供參考。

1 材料與方法

1.1 數據來源

從《中國地面國際交換站氣候資料日值數據集》中提取恩施州地面氣候資料國際交換站(東經:109°28′,北緯:30°17′)1951年1月至2010年5月的日變化氣象資料,包括平均氣溫、降水量、平均相對濕度、日照時數和平均風速等。

1.2 小波分析

小波分析是通過自適應調節時頻窗口對信號序列進行的多尺度細化分析,因而具有良好的時頻局布化特點,被譽為信號分析的“顯微鏡”,在氣象及水文學中得到了廣泛的應用[10-11]。一維信號離散小波變換形式描述:

設連續氣象因子函數f(t)離散化為f(tk):

其中t0和Δt分別表示初始時間和采樣間隔時間,則氣象因子的離散小波變換可定義為:

小波方差是通過對時間因子b域上所有小波系數的平方積分來確定氣象時間序列中的主周期,可將小波方差描述為:

2 結果與分析

2.1 氣象因子的統計分析

對恩施州1951～2010年氣象資料統計分析可知:年平均氣溫為16.3±0.4℃,煙葉大田≥10℃活動積溫為3061.8±66.6℃,最高溫度出現在7月下旬和8月上旬,最低溫度出現在1月;全年降水量為1434.9±260.9 mm,煙葉田間生長期累積降水量約為856.7 mm,占全年降水量的60%左右;年平均日照時數為1228.8±242.4 h,煙葉大田生長期日照時數為642.9 h;年平均相對濕度為81.5±9.1%,相對濕度最小值出現在7月下旬至9月中旬,最大值出現在12月份;年平均風速為0.64±0.59 m/s,最大和最小值分別出現在8月和12月。通過表1氣象因子變異系數分析可知:恩施州氣象因子年內變異性由大到小依次為降水量、平均氣溫、日照時數、平均風速和平均相對濕度;年間變異性由大到小依次為平均風速、日照時數、降水量、平均相對濕度和平均溫度。

根據以上的統計結果,結合優質煙葉生產對氣象因子的要求[12],表明恩施州的氣候條件能夠較好地滿足煙葉生長發育的需要,且該區域8月和9月相對濕度下降,風速和日照時數的上升將有利于白肋煙的晾制。

2.2 氣象因子周期性分析及預測

2.2.1 月季尺度分析

由圖1中各氣象因子在尺度為0～200d間的小波系數分布可以看出,該尺度下小波系數很小,規律不明顯,說明恩施州氣象因子在半年以下周期性非常弱;在尺度為200～400 d間的小波系數分布均有周期性,但其強弱及時域分布特點不同。平均氣溫的周期性最強,其次為日照時數、降水量、平均風速和平均相對濕度。平均氣溫、日照時數和平均相對濕度的周期性變化強弱規律分布均勻,具有時域全局化特征,而降水量和平均風速則具有時域局部化特征。

表1 氣象因子變異系數(%)

圖1 恩施州氣象因子日尺度小波系數分布

2.2.2 年際尺度分析

小波方差是通過突出不同周期振幅強弱的差異性來分析時間序列主周期顯著性的方法[13]。同時,小波方差圖可以直觀地反映波動能量隨時間尺度變化的規律,用來確定時間序列中各種尺度波動能量的相對強度,對應峰值處的尺度稱為該序列的主要周期。本試驗應用M orlet小波對該區氣象資料時間序列進行小波變換,計算出不同尺度下的小波系數。根據小波方差定義計算出不同尺度因子a下的小波方差,同時為了做圖方便對每一氣象資料下的小波方差進行[0,1]間歸一化處理。

由圖2可以看出,降水量除具有9～11年的小周期外,還具有與平均氣溫、日照時數、平均相對濕度相同的30～34年的主周期和18～20年的次周期;平均風速周期只存在33～35年的主周期,其它自然周期不明顯;在年內的自然周期中,歸一化小波方差由大到小依次為降水量、平均氣溫、日照時數、平均風速和平均相對濕度,這與表1中的各氣象因子年內變異系數變化一致,說明小波變化能有效反映出各因子在時頻區域能量分布特點。

圖2 恩施市氣象因子小波方差

由圖3氣象因子月尺度小波系數分布情況可知:各氣象因子在33年主周期上具有時域全局特征,且一致呈現了“高值-低值-高值”的變化規律,表明恩施州在此周期上冷暖干濕周期變化明顯;其它周期與主周期相比,小波系數偏低,周期性規律略小,部分因子具有時域局部特征;1970年前為以1960年為中心的高值閉合區(雨水偏多、溫度偏高),1970～1989年為以1980年為中心的低值閉合區(雨水偏少、溫度偏低),1990～2010年為以2000年為中心的高值閉合區(雨水偏多、溫度偏高)。

基于氣象因子周期變化規律相同,為了做圖方便將各月尺度下小波系數進行[-1,1]歸一化處理,并對其疊加取平均,提取33年,19年和10年的小波系數,以分析未來時間變化規律。由圖4可知,無論是在主周期,還是其它周期上,當前恩施州的氣候周期變化都處于轉折時期。結合圖3月尺度下200～600月的小波系數在時域上出現了或即將出現“0值”的趨勢,表明在未來一段時間各氣象因子小波系數分布即將出現低值區。根據這一氣候強周期性的發展規律,可以推斷未來16～18年間該區域降水量、氣溫、相對濕度、日照時數和平均風速將有下降趨勢(下降趨勢僅為大尺度下的整體行為,不排除小尺度下的氣候異常突變)。結合表1各氣象因子年間的變異系數可以推測平均風速下降相對速度最快,日照時數、降水量和平均相對濕度下降相對速度次之,平均氣溫下降相對速度可能最小。

3 小結與討論

氣象系統是一個復雜的混沌系統,其短時期周期性變化主要受系統內部及外界因素調控。恩施州氣候周期變化具有多層次時間尺度結構特點,其氣象因子周期約等于35年的布呂克納周期,22年的太陽黑子磁周期及11年的太陽黑子基準周期,說明該煙區氣候主要受太陽輻射周期變化影響,這與太陽輻射是氣象十至百年尺度周期性變化的重要驅動力結論相一致[14]。恩施州氣候屬于中亞熱帶季風性山地氣候,降雨量具有3～4年的微周期,但信號不強,說明恩施州氣候周期變化與ENSO循環有關,但關系較弱。部分氣象因子的周期性時域局部特征可能與氣象系統內部自身反饋調控有關,尚需進一步深入研究。

已有研究表明,煙葉化學成分中煙堿、還原糖和石油醚提取物對氣候因子的敏感程度最大[3-4],降水量與煙堿含量呈正相關,與石油醚提取物呈負相關,日照時數與還原糖為負相關[5-6]。根據統計,恩施州煙葉不同生育期的氣溫和降水量都較國外優質煙區高[9],且該煙區煙葉煙堿、還原糖和總氮等均高于國外優質煙區,煙堿含量顯著高于我國云南和四川煙區[15]。綜上所述,恩施州未來約17年間降水量和日照時數適當下降,可能會抑制煙葉煙堿合成,促進還原糖和石油醚提取物積累,有利于降低煙葉刺激性,增強香氣質和香氣量,提高煙葉品質。但是,氣溫和日照時數的下降會降低煙葉光合速率,可能不利于提高煙葉的單產。同時,煙草通過自身生理生化調節機制對氣候周期變化有一定的適應性,但調節機制復雜,還需進一步研究探索。在煙葉生產中,應加強煙田綜合管理,注重科學施肥,以保障未來恩施州煙葉產量與品質的穩步提高。

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