婁底市農(nóng)業(yè)氣候資源與油菜產(chǎn)量的特征研究

伍智文，蔡海朝

（婁底市氣象局，湖南 婁底 417000）

婁底市位于湖南省中部，地處亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，氣候具有顯著的季風(fēng)性與大陸性特點(diǎn)，冬季嚴(yán)寒期短，最冷月平均氣溫5.1℃，十分有利于油菜的生長(zhǎng)，是傳統(tǒng)的“稻—稻—油”三熟制高產(chǎn)區(qū)。近年來(lái)，隨著惠農(nóng)政策的普及和人們生活水平的提高，菜籽油越來(lái)越受到青睞，雜交優(yōu)質(zhì)油菜播種面積逐年增加，特別是“油菜—超級(jí)稻”模式發(fā)展較快，但由于受播種期任意性及氣象條件制約的影響，油菜產(chǎn)量始終在1 100 kg/hm2左右。為挖掘油菜生產(chǎn)潛力，充分利用冬季農(nóng)業(yè)氣候資源，對(duì)油菜生育期內(nèi)的氣象災(zāi)害可采取積極防御、趨利避害的措施。該研究利用婁底市常規(guī)氣象觀測(cè)資料和油菜產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)資料，對(duì)1981～2010年婁底市油菜不同生育期的氣象條件進(jìn)行主分量分析，計(jì)算出可以反映氣候變化的氣候綜合指標(biāo)，再通過(guò)Morlet 小波變換對(duì)氣候綜合指標(biāo)和油菜產(chǎn)量進(jìn)行多時(shí)間尺度特征研究，從而探討婁底市農(nóng)業(yè)氣候資源對(duì)油菜產(chǎn)量的影響，以期為婁底市油菜生產(chǎn)合理布局和科學(xué)決策提供可靠依據(jù)。

1 資料與方法

該研究使用1981～2010年婁底市所轄5 個(gè)縣（市）的逐日氣溫、降水量和日照時(shí)數(shù)等為地面氣象觀測(cè)資料，對(duì)應(yīng)的油菜產(chǎn)量資料來(lái)源于婁底市農(nóng)業(yè)局。

采用主分量分析法[1]定義氣候綜合指標(biāo)K，將代表熱、濕、光3 個(gè)氣象要素的氣溫x1、降水量x2、日照時(shí)數(shù)x3進(jìn)行主分量分析。對(duì)于樣本容量為n 的m 個(gè)氣象要素（xip）n×m，首先確定其主分量個(gè)數(shù)m 和主分量Kj的表達(dá)式：

再分別計(jì)算出各個(gè)主分量的方差貢獻(xiàn)率Ei和累積方差貢獻(xiàn)率Gp，

一般提取出累積方差貢獻(xiàn)率Gp≥90%的特征值λ1，λ2，…，λp（p≤m）所對(duì)應(yīng)的主分量K1，K2，…，Kp和主分量方差貢獻(xiàn)率E1，E2，…，Ep。將氣候綜合指標(biāo)K 的表達(dá)式定義為：

婁底市油菜農(nóng)業(yè)氣候綜合指標(biāo)和產(chǎn)量序列中包含多時(shí)間尺度的周期變化，由于小波分析具有良好的多尺度和多分辨率的特點(diǎn)，且對(duì)信號(hào)的瞬態(tài)和奇異點(diǎn)有較強(qiáng)的檢測(cè)能力，所以被稱為信號(hào)分析的“數(shù)學(xué)顯微鏡”。該研究利用Morlet 小波變換對(duì)婁底市農(nóng)業(yè)氣候綜合指標(biāo)和油菜產(chǎn)量序列分別進(jìn)行周期特征分析，圖中不同時(shí)間尺度上的正負(fù)等值線閉合中心的交替，能清楚地反映各周期隨時(shí)間的變化情況，因而在許多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用[2-4]。

2 油菜農(nóng)業(yè)氣候資源特征分析

根據(jù)婁底市油菜的生理特點(diǎn)，可以將油菜全生育期分為苗期（9月下旬至次年1月上旬）、蕾苔期（1月中旬至2月中旬）、開(kāi)花期（2月下旬至3月中旬）和角果成熟期（3月下旬至5月上旬）4 個(gè)主要生育階段。該研究通過(guò)主分量分析法計(jì)算出婁底市油菜不同生育階段的氣候綜合指標(biāo)，從表1 可知，婁底市油菜各個(gè)生育期的氣象要素從第二主分量起，累積方差貢獻(xiàn)率均已達(dá)到99.9%以上，因此確定主分量個(gè)數(shù)為2 個(gè)，再利用特征值歸一化后作為權(quán)值進(jìn)行多指標(biāo)綜合，且多指標(biāo)綜合值具有典型的氣候資源意義。

表1 不同生育期的主分量特征值λ、方差貢獻(xiàn)率E（%）及累積方差貢獻(xiàn)率G（%）

由前兩個(gè)主分量計(jì)算得出婁底市油菜各個(gè)生育期的氣候綜合指標(biāo)K 值。

K苗期＝－0．002 0 x1+0.828 1 x2-0.139 2 x3

K蕾苔期＝－0．007 1 x1+0.784 4 x2-0.030 6 x3

K開(kāi)花期＝－0．013 6 x1+0.755 5 x2-0.287 2 x3

K成熟期＝－0．001 5 x1+0.858 9 x2-0.024 3 x3

從綜合指標(biāo)表達(dá)式中可以看到，各個(gè)生育期的K 值在x2上的載荷值最大，且均為正值，而在x1和x3上的載荷值較小且為負(fù)值。表明婁底市油菜不同生育期中的降水量在氣候綜合指標(biāo)中起著關(guān)鍵作用。

為了進(jìn)一步研究婁底市油菜農(nóng)業(yè)氣候資源的多時(shí)間尺度變化特征，筆者對(duì)1981～2010年婁底市油菜生育期的氣候綜合指標(biāo)序列進(jìn)行Morlet 小波變換。圖1 為婁底市油菜不同生育期氣候綜合指標(biāo)的Morlet 小波變換實(shí)部分布情況，婁底市油菜生育過(guò)程中的苗期、蕾苔期、開(kāi)花期和角果成熟期均存在明顯的多時(shí)間尺度變化特征，圖中陰影部分為正值，表示K 值偏大，負(fù)值表示K 值偏小。苗期（圖1a）氣候綜合指標(biāo)存在3 個(gè)明顯的特征時(shí)間尺度，分別是3～4 a、7 a、10 a，在30 a 中始終存在7 a、10 a 的周期振蕩，分別表現(xiàn)為9 個(gè)和6 個(gè)“大～小”循環(huán)交替，在整個(gè)研究時(shí)段都表現(xiàn)得非常穩(wěn)定；蕾苔期（圖1b）氣候綜合指標(biāo)存在3～4 a、8 a 和12～13 a左右3 個(gè)特征時(shí)間尺度，對(duì)8 a 和12～13 a 的年際和年代際時(shí)間尺度，主要表現(xiàn)為8 個(gè)“大～小”和5個(gè)“小～大”循環(huán)交替，在整個(gè)研究時(shí)間段周期振蕩穩(wěn)定存在；開(kāi)花期（圖1c）氣候綜合指標(biāo)存在7～8 a、15 a 左右2 個(gè)特征時(shí)間尺度，表現(xiàn)為8 個(gè)“小～大”和4 個(gè)“小～大”循環(huán)交替，在整個(gè)時(shí)間段周期振蕩均很明顯；角果成熟期（圖1d）氣候綜合指標(biāo)存在4～5 a、10 a 的2 個(gè)特征時(shí)間尺度，對(duì)10 a 的時(shí)間尺度，表現(xiàn)為6 個(gè)“大～小”循環(huán)交替，并在整個(gè)時(shí)間段周期振蕩均很明顯，對(duì)于4～5 a 的年際尺度，1991年以前表現(xiàn)為4 a 的周期振蕩，1991年以后表現(xiàn)為5 a 的周期振蕩。

3 油菜產(chǎn)量對(duì)農(nóng)業(yè)氣候資源特征的響應(yīng)

為了更進(jìn)一步分析研究婁底市油菜產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)氣候資源特征變化的聯(lián)系，首先對(duì)1981～2010年婁底市油菜全生育期（9月中旬至次年5月上旬）的氣溫，降水量和日照時(shí)數(shù)進(jìn)行主分量分析，得出了能夠反映整個(gè)油菜生長(zhǎng)過(guò)程的氣候綜合指標(biāo)表達(dá)式。

圖1 婁底市油菜不同生育期氣候綜合指標(biāo)Morlet 小波變換系數(shù)（實(shí)部）分布

K全生育期＝－0．000 5 x1+0.831 4 x2-0.192 0 x3

從式中可以看出，全生育期的K 值在x2上的載荷值最大，且為正值，而在x1和x3上的載荷值較小，且為負(fù)值，這表明婁底市油菜全生育期中的降水量在氣候綜合指標(biāo)中所占的比重最大，與K 值成正相關(guān)；其次是日照時(shí)數(shù)，氣溫貢獻(xiàn)率最小，并與K值均成負(fù)相關(guān)。因此，婁底市油菜全生育期氣候綜合指標(biāo)與各個(gè)生育階段的結(jié)果表現(xiàn)一致。

對(duì)1981～2010年婁底市油菜產(chǎn)量和全生育期的氣候綜合指標(biāo)序列分別進(jìn)行Morlet 小波變換，結(jié)果顯示，他們都具有明顯的多時(shí)間尺度周期變化特征。油菜產(chǎn)量（圖2a）存在7 a、10 a 左右2 個(gè)特征時(shí)間尺度，主要表現(xiàn)為9 個(gè)“少～多”和7 個(gè)“少～多”循環(huán)交替，在整個(gè)時(shí)間段周期振蕩均很明顯；而全生育期（圖2b）氣候綜合指標(biāo)也同樣存在7 a、10 a的2 個(gè)特征時(shí)間尺度，分別表現(xiàn)為8 個(gè)“大～小”和6 個(gè)“大～小”循環(huán)交替，并在整個(gè)時(shí)間段周期振蕩均很明顯。通過(guò)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)油菜產(chǎn)量與全生育期氣候綜合指標(biāo)存在相同的特征尺度周期振蕩，在7 a 與10 a 時(shí)間尺度上油菜產(chǎn)量的“少～多”循環(huán)交替和全生育期氣候綜合指標(biāo)的“大～小”循環(huán)交替，分別體現(xiàn)出近似同步的特征。

圖2 婁底市油菜產(chǎn)量和全生育期氣候綜合指標(biāo)Morlet 小波變換系數(shù)（實(shí)部）分布

4 結(jié) 論

（1）對(duì)婁底市油菜各個(gè)生育階段的氣象條件進(jìn)行主分量分析，結(jié)果顯示，累積方差貢獻(xiàn)率從第二主分量起均已達(dá)到99.9%以上，再利用特征值歸一化后作為權(quán)值進(jìn)行多指標(biāo)綜合，得到氣候綜合指標(biāo)K 值，各個(gè)生育期的K 值均表現(xiàn)為在x2上的載荷值最大，為正值，而在x1和x3上的載荷值較小，為負(fù)值，表明婁底市油菜各個(gè)生育階段的降水量在氣候綜合指標(biāo)中所占的比重最大，與K 值成正相關(guān)，而日照時(shí)數(shù)，氣溫與K 值均成負(fù)相關(guān)，且對(duì)K 值的貢獻(xiàn)率較小。婁底市油菜各個(gè)生育階段的氣候綜合指標(biāo)K 序列均具有明顯的多時(shí)間尺度變化特征，且各個(gè)生育階段存在不盡相同的年際和年代際多時(shí)間尺度周期變化特征。

（2）對(duì)婁底市油菜產(chǎn)量和全生育期氣候綜合指標(biāo)K 序列進(jìn)行Morlet 小波變換，結(jié)果顯示，油菜產(chǎn)量和全生育期氣候綜合指標(biāo)都具有明顯的多時(shí)間尺度變化特征，油菜產(chǎn)量在年際尺度7 a 與年代際尺度10 a 上的周期振蕩變化特征明顯，全生育期氣候綜合指標(biāo)具有相似的周期振蕩變化特征。

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