長沙早稻生長季氣候資源變化特征及預測分析

章竹青，陳朝暉，邱慶棟，鄧大海

（長沙市氣象局，湖南 長沙 410205）

長沙早稻生長季氣候資源變化特征及預測分析

章竹青，陳朝暉，邱慶棟，鄧大海

（長沙市氣象局，湖南 長沙 410205）

利用1961～2015年早稻生長季內平均氣溫、降水量、日照等資料，采用M-K非參數檢驗、R/S方法及小波變換等方法分析了長沙地區早稻生長季農業氣候資源的變化情況。結果表明：長沙地區，1961～2015年期間，熱量資源上升趨勢顯著，在2001年發生突變，穩定通過10℃初日明顯提前，突變年份出現在2005年；降水量的波動變化存在28和5 a時間尺度的主周期，目前處于雨水偏多期，未來9 a內呈逐漸轉少趨勢；日照時數存在15、22 a時間尺度的周期波動變化。根據上述結果建議：早稻播種期可提前5～7 d；可將早稻早熟品種換種生育期相對較長、產量相對較高的中遲熟品種，以提高早稻產量。

早稻生長季；氣候資源；特征及預測分析；長沙

長沙是我國重要的水稻優勢產區，也是國內兩個糧食自給自足的省會城市之一。全市糧食播種面積37.289萬hm2，總產248萬t。其中早稻面積14.7萬hm2，總產量92.4萬t，占糧食總產量的37%。長沙氣候溫和濕潤，熱量資源豐富，雨水充沛，光照充足，光熱水相對集中在春夏季節。近年來，隨著氣候逐漸變暖，長沙地區農業氣候資源發生了新變化。為了充分利用氣候資源，實現農作物高產、優質豐收，對氣候資源變化的預測和研究顯得十分必要。

近年來，許多學者對全國各地農業氣候資源進行了大量分析和研究，得出的共性結論為熱量資源顯著增加，水資源、光資源變化特征差異明顯。廖玉芳等[1]研究指出：湖南地區近年來≥15℃等界溫度的時間顯著提前，而≥0、5、10、20℃的時間均無明顯變化；水資源變化不明顯，光資源呈減少趨勢。尹寶蓉等[2]指出：進入21世紀后，湘譚地區穩定通過11℃的日期波動較大；廖春花等[3]指出，21世紀初長沙年平均氣溫開始顯著增暖但并未發生突變；馬樹慶等[4]研究發現吉林省穩定通過10℃的初日有逐年提前的趨勢，郭瑞鴿等[5]研究發現，自20世紀90年代以來，江西省穩定通過10℃的初日明顯越來越早。這些結果為農業氣候資源研究做出了積極貢獻，但較少涉及混沌特性、突變分析以及對未來變化趨勢的分析和研究。筆者利用長沙地區（1961～2015年）早稻生長季內熱量資源，通過Mann-Kendall法進行趨勢和突變分析，采用R/S方法對未來變化狀況進行預測分析；降水量和日照時數則采用小波法分析其振蕩周期性，以期為長沙水稻生產種植模式調整提供技術支撐。

1 資料與方法

1.1 資料來源

資料來自于湖南省氣象臺資料室提供的長沙1961～2015年日平均氣溫、日降水資料及日照時數。

1.2 研究方法

第一步，分析熱量資源（早稻生長季內平均氣溫、≥10℃的活動積溫、穩定通過10℃初日）、降水量及日照時數總體變化趨勢；第二步，將有顯著變化的熱量因子進行突變分析；第三步，利用突變年份分割時間序列進行R/S分析，根據Hurst指數預測未來一段時間內的變化趨勢；第四步，采用小波變換分析降水因子和光照因子的振蕩變化、周期特性及未來趨勢。

1.2.1 Man-Kendall趨勢檢驗及突變檢測 假設H0為時間序列數據(x1，x2，…，xn)，定義檢驗統計量S：

M-K統計量Z為：

在雙邊趨勢檢驗中，對于給定的置信水平α，若|Z|≥Z1-α/2，則氣候因子存在明顯的上升或下降趨勢；若Z的絕對值小于1.28時，說明變化趨勢不顯著；如果1.28≤|Z|≤1.64時，認為通過了0.05的顯著性檢驗；若|Z|≥2.32時則通過了0.01顯著性檢驗。

M-K突變檢驗可以確定氣候因子突變開始的時間。首先，定義統計量Sk，分別計算順序列和逆序列標準差UF和UB，給定顯著性水平，如α=0.05，那么臨界值U0.05=±1.96。繪出UF和UB兩個統計量及±1.96曲線圖，若UF與UB兩曲線在±1.96臨界線區域中出現交點，可知氣候因子發生突變的時間[6-7]。

1.2.2 R/S方法 R/S法是由Hurst提出的一種可以分析時間序列分形特征和長期記憶過程的方法。它是根據時間序列的標準差和重標極差算出Hurst 指數。0＜H≤0.5時，說明時間序列是反持久性的或逆狀態持續性的，即氣候因子后一時間段的變化狀況與前段相反；0.5＜H≤1時，則氣候因子的變化趨勢與前段變化趨勢相同，H值越大相同趨勢越明顯[8]。

1.2.3 小波變換 小波變換是空間（時間）和頻率的局部變換，通過伸縮和平移等運算功能可對氣候因子進行多尺度的細化分析，它不僅可以給出氣候序列變化的尺度，還可以顯現出變化的時間位置，有效預測氣候變化趨勢。利用MATLAB軟件分析長沙早稻生長季降水量和日照時數的振蕩和周期性[9-10]。

2 結果與分析

2.1 長沙地區早稻生長季熱量資源變化趨勢

圖1中（a2）和（b2）分別為長沙早稻生長季內平均氣溫和≥10℃的活動積溫的線性趨勢變化圖。經線性檢驗，平均氣溫和≥10℃的活動積溫的上升趨勢顯著，傾斜率分別為0.22/10 a和50.15/10 a。由圖1（a1）和（b1）可知，20世紀早稻生長季內平均氣溫和≥10℃的活動積溫基本上UF＜0，說明趨勢是下降的，但不明顯；21世紀初開始UF＞0，說明開始出現上升趨勢，并且兩曲線相交于2001年，處于兩信度線（±1.96）區域內，因此長沙早稻生長季內平均氣溫和≥10℃的活動積溫時間序列的突變點均在2001年。由圖1（c1）可知，穩定通過10℃日期在20世紀60～90年代UF＞0，說明穩定通過10℃日期有所推遲，在2002年以后UF＜0，表明21世紀初開始提前，UF、BF兩曲線相交于2005年，說明發生突變年份在2005年。

由表1可知，平均氣溫和≥10℃的活動積溫在1961～2000年呈弱下降趨勢（氣溫|Zc|=|-0.640|＜Z0.05=1.96，≥10℃的活動積溫Zc=-0.007，Hurst指數分別為0.98和0.66，均大于0.5，具有持續性；對2001～2015年的溫度和積溫變化進行M-K單調趨勢檢驗（Zc=-0.15和-0.33）證明了這點。由于熱量因子在2001～2015年的Hurst指數分別為0.93、0.77，因此可以預測2015年以后較短時期內，溫度和積溫也將呈微弱下降趨勢。但從1961～2015年整個時間序列來看，溫度、積溫上升趨勢顯著（Zc分別為3.270、3.280，通過了0.01信度檢驗），其Hurst指數為0.93和0.85，具有較強的持續性，說明早稻生長期熱量資源趨于豐富。而穩定通過10℃初日|Zc|=|-2.230|＞1.96，提前趨勢通過了95%信度檢驗，其Hurst為0.86，也說明穩定通過10℃初日未來將呈明顯提前的趨勢。

表1 熱量因子R/S分析及M-K單調趨勢檢驗

2.2 長沙地區早稻生長季降水資源變化趨勢

早稻生產需水量約500 mm。由圖2可知，長沙地區早稻生長期間水資源充沛，平均為825.4 mm；最多為1 164.8 mm，出現在1969年；最少為412.6 mm，出現在2007年；最多與最少之間相差近3倍；經M-K單調趨勢檢驗，得出1961～2015年長沙地區降水量的M-K單調檢驗整體Zc=0.380＜Z0.05，變化趨勢不顯著，呈弱上升趨勢。利用matlab 工具箱中Morlet連續復小波進行變換對降水因子進行小波時頻分析。

圖1 1961～2015年長沙熱量資源序列突變檢驗及線性變化趨勢

圖2 1961～2015年長沙降水量變化曲線

從圖3和圖4中可以看出，降水因子在1961～2015年時間序列中存在4類時間尺度的振蕩周期。其中，在28 a左右時間尺度上出現了多—少交替的準3次振蕩；在5 a時間尺度上存在準16次震蕩；28 a時間尺度方差貢獻最大，為降水振蕩變化的第一主周期，平均周期為18 a，在1961～2015年分析時段上周期穩定具有全域性。目前正值區仍未閉合，說明當前正處于降水量偏多期，未來9 a內呈逐漸轉少趨勢。

圖3 1961～2015年長沙降水量小波系數實部等值線

圖4 1961～2015年長沙降水小波方差

2.3 長沙地區早稻生長季光能資源變化趨勢

陽光是水稻生長發育不可缺少的條件，長沙光能資源較豐富。由圖5可知，1961～2015年早稻生長期間日照時數平均為600.8 h；日照總量最多達775.0 h，出現在2013年；最少為418.1 h，出現在1999年；整體波動較大，極差達356.9 h。經M-K趨勢檢驗，|Zc|=|-0.12|＜Z0.05=1.96，呈下降趨勢，但未通過0.05信度檢驗。

圖5 1961～2015年長沙早稻生長季日照時數變化曲線

由圖6和圖7可知，長沙早稻生長季1961～2015年日照時數存在5、11、15、22 a 4類時間尺度的周期振蕩，其中15 a尺度為第一主周期，出現了多—少交替的準6次振蕩，22 a時間尺度為第二主周期，出現多—少交替準4次振蕩，目前虛線已出現閉合中心，未來5 a將逐漸轉多。

3 結 語

通過對長沙早稻生長季氣候資源進行R/S分析、M-K非參數檢驗以及小波分析，得到如下結果。

（1）通過M-K非參數檢驗，長沙早稻生長期間熱量因子（平均氣溫和≥10℃的活動積溫）序列突變點發生在2001年，根據Hurst指數可預測未來熱量資源仍趨充沛；穩定通過10℃日期在21世紀初提前并在2005年發生突變，Hurst指數可預測未來仍趨提前。

圖6 1961～2015年長沙日照時數小波系數實部等值線

圖7 1961～2015年長沙日照小波方差

（2）長沙早稻生長季降水量充足，其變化存在著5、11、18以及28 a時間尺度的周期變化；其中，28 a為第一主周期，經歷了多—少交替3次準振蕩；平均周期為18 a，目前仍處于偏多時期，未來9 a內降水量逐漸轉少趨勢。建議科學調度降水資源，做好后期晚稻用水準備。光照資源下降趨勢不明顯，其波動變化存在15和22 a的主周期，目前虛線已出現閉合中心，未來5 a將逐漸轉多。

（3）建議早稻播種期可提前5～7 d；可將早稻早熟品種換種生育期相對較長、產量相對較高的中遲熟品種，以提高早稻產量。

[1] 廖玉芳，彭嘉棟，崔 巍. 湖南農業氣候資源對全球氣候變化的響應分析[J]. 中國農學通報，2012，28（8）：287-293.

[2] 尹寶蓉，彭輝志，毛貽武，等. 湘潭早稻生長季農業氣候資源分析及生產建議[J]. 長沙氣象，2015，15（15）：70-76.

[3] 廖春花，劉甜甜，林 海，等. 長沙近57年氣溫變化特征分析[J].氣象與環境科學，2008，31（4）：21-24.

[4] 馬樹慶，襲著香. 吉林省農業界限溫度條件變化規律研究[J]. 地理科學，1999，19（1）：63-68.

[5] 郭瑞鴿，劉壽東，杜筱玲. 江西氣溫穩定通過10℃初日變化及其對雙季早稻物候期的影響[J]. 中國農業氣象，2011，32（1）：12-16.

[6] 張富翔，丁生祥，金元鋒，等. 近47年伺德地區氣候突變特征分析[J]. 安徽農業科學，2008，36（20）：8719-8722.

[7] 劉春玲，許有鵬，張 強. 長江三角洲地區氣候變化趨勢及突變分析[J]. 曲阜師范大學學報（自然科學版），2005，31（1）：109-114.

[8] 許幸芝，李志剛，馬 剛. 基于R/S和Mann-Kendall的天山北坡氣候變化趨勢預報[J].水利科技與經濟，2013，19（2）：17-20.

[9] 魏鳳英. 現代氣候統計診斷與預測技術[M]. 北京：氣象出版社，2007.

[10] 康 玲，楊正祥，姜鐵兵. 基于Morlet小波的丹江口水庫入庫流量周期性分析[J]. 計算機工程與科學，2009，31（11）：149-152.

（責任編輯：成 平）

Characteristic of Climate Change and Forecast Analysis during Early Rice Growth Season in Changsha

ZHANG Zhu-qing，CHEN Zhao-hui，QIU Qing-dong，DENG Da-hai
（Changsha City Bureau of Meteorology, Changsha 410205, PRC）

Collecting 1961-2015 rice growing season average temperature, precipitation, sunshine and other information, using the M-K nonparametric test, R/S method and wavelet transform, climate change during the growth season of early rice were analyzed. The results showed that: firstly, the heat resources rise significantly, stable through abrupt change occurred in 2001.10℃ first day was earlier, the mutation year appeared in 2005. Secondly, fluctuations in precipitation are 28 and 5 years main cycle time scale, is currently in the wetter period, the next 9 years is gradually less trend; thirdly, sunshine has 15 years, 22 years scale period fluctuation. The suggestions were put forward such as: early sowing date can be 5-7 days in advance; and the rice early maturing varieties in growth period is relatively long, relatively high yield of late maturing varieties, in order to improve the yield of rice.

early rice growth season; climate resources; characteristic analysis and prediction; Changsha

S164

：A

：1006-060X（2017）02-0049-04

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.002.014

2016-11-14

湖南省氣象局重點課題（XQKJ17A001）； 長沙市氣象局課題（2016）

章竹青（1961-），女，湖南長沙縣人，高級工程師，主要從事氣象服務及應用氣象。

陳朝暉