恩施煙區(qū)氣候周期性變化的特征分析

鄧建強(qiáng),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(hào) 445000

我國(guó)煙草種植區(qū)域分布廣泛,有研究表明不同氣候條件對(duì)煙葉產(chǎn)量、質(zhì)量及風(fēng)格有重要影響,且氣象因子對(duì)煙草化學(xué)成分的影響也有相當(dāng)多的研究[1-6]。恩施州作為湖北省煙葉的主產(chǎn)區(qū),也是我國(guó)白肋煙的第一大產(chǎn)區(qū),其煙葉類(lèi)型多、可選擇性強(qiáng)、適配面寬,兼具南北煙區(qū)煙葉風(fēng)格、配伍性強(qiáng)等特點(diǎn)[7],在全國(guó)煙葉生產(chǎn)中具有重要的地位。前人曾將該區(qū)域氣候特點(diǎn)與國(guó)外優(yōu)質(zhì)煙草產(chǎn)區(qū)進(jìn)行對(duì)比,應(yīng)用了聚類(lèi)分析和模糊理論對(duì)恩施州氣候條件進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)[7-9],但在氣候周期性特征分析及預(yù)測(cè)方面尚未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。為此,對(duì)恩施煙區(qū)60年氣象資料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,旨在探明該區(qū)域的氣候周期性特征變化,為恩施煙區(qū)現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)基地單元建設(shè)的早期決策提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

從《中國(guó)地面國(guó)際交換站氣候資料日值數(shù)據(jù)集》中提取恩施州地面氣候資料國(guó)際交換站(東經(jīng):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(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)和平均風(fēng)速等。

1.2 小波分析

小波分析是通過(guò)自適應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)頻窗口對(duì)信號(hào)序列進(jìn)行的多尺度細(xì)化分析,因而具有良好的時(shí)頻局布化特點(diǎn),被譽(yù)為信號(hào)分析的“顯微鏡”,在氣象及水文學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用[10-11]。一維信號(hào)離散小波變換形式描述:

設(shè)連續(xù)氣象因子函數(shù)f(t)離散化為f(tk):

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

小波方差是通過(guò)對(duì)時(shí)間因子b域上所有小波系數(shù)的平方積分來(lái)確定氣象時(shí)間序列中的主周期,可將小波方差描述為:

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象因子的統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)恩施州1951～2010年氣象資料統(tǒng)計(jì)分析可知:年平均氣溫為16.3±0.4℃,煙葉大田≥10℃活動(dòng)積溫為3061.8±66.6℃,最高溫度出現(xiàn)在7月下旬和8月上旬,最低溫度出現(xiàn)在1月;全年降水量為1434.9±260.9 mm,煙葉田間生長(zhǎng)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(shí)數(shù)為1228.8±242.4 h,煙葉大田生長(zhǎng)期日照時(shí)數(shù)為642.9 h;年平均相對(duì)濕度為81.5±9.1%,相對(duì)濕度最小值出現(xiàn)在7月下旬至9月中旬,最大值出現(xiàn)在12月份;年平均風(fēng)速為0.64±0.59 m/s,最大和最小值分別出現(xiàn)在8月和12月。通過(guò)表1氣象因子變異系數(shù)分析可知:恩施州氣象因子年內(nèi)變異性由大到小依次為降水量、平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速和平均相對(duì)濕度;年間變異性由大到小依次為平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、降水量、平均相對(duì)濕度和平均溫度。

根據(jù)以上的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,結(jié)合優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)對(duì)氣象因子的要求[12],表明恩施州的氣候條件能夠較好地滿(mǎn)足煙葉生長(zhǎng)發(fā)育的需要,且該區(qū)域8月和9月相對(duì)濕度下降,風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)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(yù)測(cè)

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(shù)分布可以看出,該尺度下小波系數(shù)很小,規(guī)律不明顯,說(shuō)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(shù)分布均有周期性,但其強(qiáng)弱及時(shí)域分布特點(diǎn)不同。平均氣溫的周期性最強(qiáng),其次為日照時(shí)數(shù)、降水量、平均風(fēng)速和平均相對(duì)濕度。平均氣溫、日照時(shí)數(shù)和平均相對(duì)濕度的周期性變化強(qiáng)弱規(guī)律分布均勻,具有時(shí)域全局化特征,而降水量和平均風(fēng)速則具有時(shí)域局部化特征。

表1 氣象因子變異系數(shù)(%)

圖1 恩施州氣象因子日尺度小波系數(shù)分布

2.2.2 年際尺度分析

小波方差是通過(guò)突出不同周期振幅強(qiáng)弱的差異性來(lái)分析時(shí)間序列主周期顯著性的方法[13]。同時(shí),小波方差圖可以直觀(guān)地反映波動(dòng)能量隨時(shí)間尺度變化的規(guī)律,用來(lái)確定時(shí)間序列中各種尺度波動(dòng)能量的相對(duì)強(qiáng)度,對(duì)應(yīng)峰值處的尺度稱(chēng)為該序列的主要周期。本試驗(yàn)應(yīng)用M orlet小波對(duì)該區(qū)氣象資料時(shí)間序列進(jìn)行小波變換,計(jì)算出不同尺度下的小波系數(shù)。根據(jù)小波方差定義計(jì)算出不同尺度因子a下的小波方差,同時(shí)為了做圖方便對(duì)每一氣象資料下的小波方差進(jìn)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(shí)數(shù)、平均相對(duì)濕度相同的30～34年的主周期和18～20年的次周期;平均風(fēng)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(nèi)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(shí)數(shù)、平均風(fēng)速和平均相對(duì)濕度,這與表1中的各氣象因子年內(nèi)變異系數(shù)變化一致,說(shuō)明小波變化能有效反映出各因子在時(shí)頻區(qū)域能量分布特點(diǎn)。

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(shù)分布情況可知:各氣象因子在33年主周期上具有時(shí)域全局特征,且一致呈現(xiàn)了“高值-低值-高值”的變化規(guī)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(shù)偏低,周期性規(guī)律略小,部分因子具有時(shí)域局部特征;1970年前為以1960年為中心的高值閉合區(qū)(雨水偏多、溫度偏高),1970～1989年為以1980年為中心的低值閉合區(qū)(雨水偏少、溫度偏低),1990～2010年為以2000年為中心的高值閉合區(qū)(雨水偏多、溫度偏高)。

基于氣象因子周期變化規(guī)律相同,為了做圖方便將各月尺度下小波系數(shù)進(jìn)行[-1,1]歸一化處理,并對(duì)其疊加取平均,提取33年,19年和10年的小波系數(shù),以分析未來(lái)時(shí)間變化規(guī)律。由圖4可知,無(wú)論是在主周期,還是其它周期上,當(dāng)前恩施州的氣候周期變化都處于轉(zhuǎn)折時(shí)期。結(jié)合圖3月尺度下200～600月的小波系數(shù)在時(shí)域上出現(xiàn)了或即將出現(xiàn)“0值”的趨勢(shì),表明在未來(lái)一段時(shí)間各氣象因子小波系數(shù)分布即將出現(xiàn)低值區(qū)。根據(jù)這一氣候強(qiáng)周期性的發(fā)展規(guī)律,可以推斷未來(lái)16～18年間該區(qū)域降水量、氣溫、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)和平均風(fēng)速將有下降趨勢(shì)(下降趨勢(shì)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(jié)合表1各氣象因子年間的變異系數(shù)可以推測(cè)平均風(fēng)速下降相對(duì)速度最快,日照時(shí)數(shù)、降水量和平均相對(duì)濕度下降相對(duì)速度次之,平均氣溫下降相對(duì)速度可能最小。

3 小結(jié)與討論

氣象系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的混沌系統(tǒng),其短時(shí)期周期性變化主要受系統(tǒng)內(nèi)部及外界因素調(diào)控。恩施州氣候周期變化具有多層次時(shí)間尺度結(jié)構(gòu)特點(diǎn),其氣象因子周期約等于35年的布呂克納周期,22年的太陽(yáng)黑子磁周期及11年的太陽(yáng)黑子基準(zhǔn)周期,說(shuō)明該煙區(qū)氣候主要受太陽(yáng)輻射周期變化影響,這與太陽(yáng)輻射是氣象十至百年尺度周期性變化的重要驅(qū)動(dòng)力結(jié)論相一致[14]。恩施州氣候?qū)儆谥衼啛釒Ъ撅L(fēng)性山地氣候,降雨量具有3～4年的微周期,但信號(hào)不強(qiáng),說(shuō)明恩施州氣候周期變化與ENSO循環(huán)有關(guān),但關(guān)系較弱。部分氣象因子的周期性時(shí)域局部特征可能與氣象系統(tǒng)內(nèi)部自身反饋調(diào)控有關(guān),尚需進(jìn)一步深入研究。

已有研究表明,煙葉化學(xué)成分中煙堿、還原糖和石油醚提取物對(duì)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(guān),與石油醚提取物呈負(fù)相關(guān),日照時(shí)數(shù)與還原糖為負(fù)相關(guān)[5-6]。根據(jù)統(tǒng)計(jì),恩施州煙葉不同生育期的氣溫和降水量都較國(guó)外優(yōu)質(zhì)煙區(qū)高[9],且該煙區(qū)煙葉煙堿、還原糖和總氮等均高于國(guó)外優(yōu)質(zhì)煙區(qū),煙堿含量顯著高于我國(guó)云南和四川煙區(qū)[15]。綜上所述,恩施州未來(lái)約17年間降水量和日照時(shí)數(shù)適當(dāng)下降,可能會(huì)抑制煙葉煙堿合成,促進(jìn)還原糖和石油醚提取物積累,有利于降低煙葉刺激性,增強(qiáng)香氣質(zhì)和香氣量,提高煙葉品質(zhì)。但是,氣溫和日照時(shí)數(shù)的下降會(huì)降低煙葉光合速率,可能不利于提高煙葉的單產(chǎn)。同時(shí),煙草通過(guò)自身生理生化調(diào)節(jié)機(jī)制對(duì)氣候周期變化有一定的適應(yīng)性,但調(diào)節(jié)機(jī)制復(fù)雜,還需進(jìn)一步研究探索。在煙葉生產(chǎn)中,應(yīng)加強(qiáng)煙田綜合管理,注重科學(xué)施肥,以保障未來(lái)恩施州煙葉產(chǎn)量與品質(zhì)的穩(wěn)步提高。

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