黑龍江省西部作物生長(zhǎng)季平均溫度變化特征分析

劉迪 陶延懷 鄭文生

摘要?利用小波變換理論研究作物生長(zhǎng)季溫度時(shí)間序列的多時(shí)間尺度變化及突變特征，以黑龍江省西部甘南縣54年生長(zhǎng)季（5—9月）平均溫度為例進(jìn)行研究，結(jié)果表明，生長(zhǎng)季平均溫度呈上升態(tài)勢(shì)，生長(zhǎng)季氣溫具有5、9、25和44年左右的周期。揭示出了黑龍江西部作物生長(zhǎng)季平均溫度變化趨勢(shì)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)充分利用熱量資源和挖掘農(nóng)作物生產(chǎn)潛力提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞?黑龍江西部;作物生長(zhǎng)季;平均溫度;變化特征;小波分析;多時(shí)間尺度分析

中圖分類(lèi)號(hào)?S162文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼?A

文章編號(hào)?0517-6611（2020）07-0239-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.07.067

Analysis?of?the?Variation?Characteristics?of?Mean?Temperature?of?Crop?Growing?Season?in?the?Western?Heilongjiang?Province

LIU?Di1，2，TAO?Yanhuai1，2，ZHENG?Wensheng1，2

（1.?Heilongjiang?Provincial?Hydraulic?Research?Institute，?Harbin，Heilongjiang?150080;2.?Heilongjiang?Provincial?Key?Laboratory?of?Agricultural?Watersaving?Engineering?in?Cold?Region，?Harbin，Heilongjiang?150080）

Abstract?Based?on?growing?season（MaySeptember）?mean?temperature?time?series?of?Gannan?County?in?western?Heilongjiang?Province，?changes?in?multitime?scale?and?jump?characteristics?of?mean?temperature?time?series?had?been?probed?with?Morlet?wavelet?transform.?The?results?showed?that?the?mean?temperature?during?the?growing?season?was?increasing，?and?the?temperature?during?the?growing?season?had?periods?of?about?5，?9，?25，?and?44?years.This?study?revealed?the?average?temperature?change?trend?of?the?growing?season?of?crops?in?western?Heilongjiang，?and?provided?a?scientific?basis?for?agricultural?production?to?make?full?use?of?heat?resources?and?tap?the?potential?of?crop?production.

Key?words?Western?Heilongjiang?Province;?Crop?growing?season;Mean?temperature;?Variation?characteristics;Wavelet?transform;?Multitime?scales?analysis

基金項(xiàng)目?國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAD12B01）。

作者簡(jiǎn)介?劉迪（1979—），男，黑龍江林甸人，高級(jí)工程師，碩士，從事農(nóng)業(yè)節(jié)水理論與節(jié)水技術(shù)研究。通信作者，高級(jí)工程師，博士，從事農(nóng)業(yè)節(jié)水理論與節(jié)水技術(shù)研究。

收稿日期?2019-10-10;修回日期?2019-11-07

溫度是農(nóng)作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵控制因子，特別是作物生長(zhǎng)季溫度。作物生長(zhǎng)季內(nèi)氣溫的高低既影響農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成，又制約著農(nóng)作物的地理分布。生長(zhǎng)季平均氣溫既是表示作物生長(zhǎng)季內(nèi)熱量資源的重要標(biāo)志，也是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵氣候因子。5—9月的平均溫度反映了供農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的熱量資源的多少。熱量資源是農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成必須的氣候指標(biāo)，質(zhì)量和數(shù)量具有時(shí)空差異，作物生育期內(nèi)熱量資源的多寡、穩(wěn)定程度和時(shí)空差異特征都影響農(nóng)業(yè)氣候帶分布、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特征、作物種植結(jié)構(gòu)、耕作栽培管理制度、品種分布、冷凍災(zāi)害程度及產(chǎn)量高低水平等。因此充分了解熱量資源條件，認(rèn)識(shí)和掌握其時(shí)空分布特征，就可以充分利用氣候資源，防御自然氣象災(zāi)害，保證作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。為黑龍江西部糧食生產(chǎn)提供依據(jù)，制定科學(xué)合理的農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，應(yīng)掌握黑龍江西部生長(zhǎng)季平均氣溫變化特征。因此，筆者采用甘南氣象資料研究生長(zhǎng)季平均溫度的時(shí)間變化特征，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中充分合理利用熱量資源提供理論依據(jù)。

1?資料與方法

收集甘南站54年（1956—2009年）的玉米5—9月平均溫度資料。甘南縣位于黑龍江省西部齊齊哈爾地區(qū)，嫩江中游右岸，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季冷暖干濕分明;耕地面積198千hm2，以旱田為主。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，為了充分利用熱量資源，該研究分析甘南縣作物生長(zhǎng)季（5—9月）平均溫度變化趨勢(shì)。

小波變換分析法是以短時(shí)傅立葉局部變換，建立隨頻率改變的“時(shí)間-頻率”關(guān)系模型，把時(shí)間序列參數(shù)分解為不同時(shí)間和頻率分項(xiàng)，達(dá)到展示復(fù)雜時(shí)間序列的變化規(guī)律，判斷溫度變化趨勢(shì)的內(nèi)在層次結(jié)構(gòu)，從而分辨不同尺度時(shí)間序列的演變特征規(guī)律。應(yīng)用小波變換分析方法，能夠掌握生育期平均溫度序列在不同時(shí)間尺度上周期結(jié)構(gòu)和異常變化的特征，為溫度發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)[1-10]。

小波變換公式：

Wf（a，b）=|a|-1/2∫f（t）Ψ（t-ba）dt（1）

式中，a是頻率參數(shù)，b是時(shí)間參數(shù)（平移因子），Ψ（t）是母小波函數(shù)。

2?結(jié)果與分析

2.1?黑龍江西部生長(zhǎng)季平均溫度的時(shí)間變化規(guī)律

根據(jù)1956—2009年甘南縣生長(zhǎng)季平均溫度數(shù)據(jù)，甘南縣多年生長(zhǎng)季平均溫度為18.03??℃，變化區(qū)間為16.10～19.94?℃，變異系數(shù)為4.45%。

由圖1來(lái)看，受全球變暖的大環(huán)境影響，甘南縣作物生長(zhǎng)季（5—9月）平均氣溫呈上升趨勢(shì)，54年來(lái)平均氣溫的極差3.83?℃，線性趨勢(shì)線和0值的交點(diǎn)是1982年，線性趨勢(shì)從1982年開(kāi)始已升到平均溫度的正距平區(qū)，在2000年平均氣溫為19.94?℃，達(dá)到最大，距平值為1.91?℃。分析年代際的變化規(guī)律可以看出，負(fù)距平區(qū)為1956—1960、20世紀(jì)60年代、70年代、80年代，距平值分別為-1.01、-0.47、-0.24、-0.17?℃，正距平區(qū)為20世紀(jì)90年代和2001—2009年，距平值分別為0.47和1.02?℃。

根據(jù)甘南縣1956—2009年5—9月平均溫度繪制生長(zhǎng)季月平均溫度等值線，見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，生長(zhǎng)季月平均溫度等值線圖的高溫區(qū)域顯著增加，向上下兩側(cè)擴(kuò)展，總體趨勢(shì)每個(gè)月份的溫度都呈上升態(tài)勢(shì)，尤其5和9月溫度升勢(shì)要高于其他幾個(gè)月份，從溫度上升對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用的角度來(lái)看，溫度上升有助于農(nóng)作物的生長(zhǎng)，延長(zhǎng)了作物的生育期，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了有益的環(huán)境。

2.2?黑龍江西部生長(zhǎng)季平均溫度時(shí)間序列多時(shí)間尺度變化特征

2.2.1?生長(zhǎng)季平均溫度距平序列時(shí)頻分析。從甘南生長(zhǎng)季平均溫度距平序列小波變換系數(shù)Wf（a，b）的模平方等值線（圖3a）可以看出，生長(zhǎng)季平均溫度的小波變換系數(shù)信號(hào)能量變化最強(qiáng)的是35～50?年時(shí)間尺度，主要發(fā)生在1990—2008年，2005年是振蕩中心;信號(hào)能量變化較強(qiáng)的依次是4～6、17～35和6～10年時(shí)間尺度，4～6年時(shí)間尺度主要發(fā)生在1956—1962年，1957年左右是振蕩中心;17～35?年時(shí)間尺度信號(hào)主要發(fā)生在1956—1967和1975—2000年;6～10年時(shí)間尺度信號(hào)主要發(fā)生在2001—2008年;其余時(shí)間尺度信號(hào)能量變化則較弱。

從不同時(shí)間尺度條件下生長(zhǎng)季溫度距平序列小波變換系數(shù)實(shí)部的變化規(guī)律（圖3b）可以看出，表現(xiàn)最為明顯的尺度分別是35～50、4～6和6～10年，35～50年時(shí)間尺度其中心時(shí)間為5年左右，4～6年時(shí)間尺度其中心時(shí)間為9年左右，6～10年時(shí)間尺度其中心時(shí)間為44年左右。另外，17～35年時(shí)間尺度也有表現(xiàn)，其中心時(shí)間尺度為25年左右。為了更直觀地分析甘南縣生長(zhǎng)季平均溫度距平序列變化特性，在圖3b上分別選取時(shí)間尺度5、9、25和44年，作平行于橫軸（b軸）的直線，在直線上取點(diǎn)作小波變換系數(shù)實(shí)部隨年份變化曲線圖4。

從圖4a和b可以看出，5年時(shí)間尺度小波變換系數(shù)實(shí)部基本上是1～2年就要波動(dòng)一次，9年時(shí)間尺度小波變換系數(shù)實(shí)部基本上是2～3年就要波動(dòng)一次;從圖4c可以看出，25年時(shí)間尺度小波變換系數(shù)實(shí)部變化在1963—1969、1978—1986、1996—2002年為正位相，表示平均溫度偏高;而1962年以前、1970—1977、1987—1995、2003年以后為負(fù)位相，表示平均溫度偏低;平均溫度突變點(diǎn)在1962、1969、1978、1986、1996、2002年。從圖4d?可以看出，44年時(shí)間尺度小波變換系數(shù)實(shí)部變化在1963、1965—1979和1994—2008年為正位相，表示平均溫度偏高;而1962年以前、1964、1980—1993和2009年為負(fù)位相，表示平均溫度偏低;平均溫度正負(fù)位相轉(zhuǎn)變點(diǎn)在1963、1964、1979、1994、2008年。由5、9、25和44年時(shí)間尺度的變化趨勢(shì)看2009年后會(huì)繼續(xù)下降，可能很快就達(dá)到谷底，進(jìn)入溫度上升期。

2.2.2?生長(zhǎng)季平均溫度序列主要周期分析。

應(yīng)用小波方差圖分析甘南縣生長(zhǎng)季平均溫度隨時(shí)間變化的主周期。用不同尺度下的小波變換系數(shù)繪制甘南縣生長(zhǎng)季平均溫度距平序列小波方差（圖5）。由圖5可知，小波方差的主要峰值有4點(diǎn)，分別是5、9、25和44年，第一小波方差峰值為尺度a=44，說(shuō)明周期振蕩最強(qiáng)的是44年左右的尺度，為第1主周期，第2主周期為9年，第3主周期為5年。25年左右的小波方差雖然也具有一定峰值，但不明顯。

3?結(jié)論

該研究基于小波變換理論和回歸分析的方法，對(duì)甘南縣1956—2009年作物生長(zhǎng)季（5—9月）平均溫度時(shí)間序列進(jìn)行分析，結(jié)果表明，54年來(lái)生長(zhǎng)季平均溫度呈上升態(tài)勢(shì)，生長(zhǎng)季月平均溫度也都呈上升態(tài)勢(shì)，尤其5和9月溫度升勢(shì)要高于其他幾個(gè)月份。通過(guò)小波變換分析方法，識(shí)別出甘南縣生長(zhǎng)

季平均溫度序列可能具有4個(gè)主周期，分別是5、9、25和44

年左右的主周期。因此可以掌握未來(lái)甘南縣生長(zhǎng)季平均

溫度的大致變化規(guī)律，根據(jù)熱量資源的多寡可持續(xù)利用氣候資源。

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