黑龙江省西部作物生长季平均温度变化特征分析

来源:用户上传      作者:刘迪 陶延怀 郑文生

　　摘要 利用小波变换理论研究作物生长季温度时间序列的多时间尺度变化及突变特征，以黑龙江省西部甘南县54年生长季（5—9月）平均温度为例进行研究，结果表明，生长季平均温度呈上升态势，生长季气温具有5、9、25和44年左右的周期。揭示出了黑龙江西部作物生长季平均温度变化趋势，为农业生产充分利用热量资源和挖掘农作物生产潜力提供科学依据。
　　关键词 黑龙江西部;作物生长季;平均温度;变化特征;小波分析;多时间尺度分析
　　中图分类号 S162文献标识码 A
　　文章编号 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
　　基金項目 国家科技支撑计划项目（2014BAD12B01）。
　　作者简介 刘迪（1979—），男，黑龙江林甸人，高级工程师，硕士，从事农业节水理论与节水技术研究。通信作者，高级工程师，博士，从事农业节水理论与节水技术研究。 　　收稿日期 2019-10-10;修回日期 2019-11-07
　　温度是农作物生长的关键控制因子，特别是作物生长季温度。作物生长季内气温的高低既影响农作物生长发育和产量形成，又制约着农作物的地理分布。生长季平均气温既是表示作物生长季内热量资源的重要标志，也是影响农业生产的关键气候因子。5—9月的平均温度反映了供农作物生长发育的热量资源的多少。热量资源是农作物生长发育和产量形成必须的气候指标，质量和数量具有时空差异，作物生育期内热量资源的多寡、稳定程度和时空差异特征都影响农业气候带分布、农业生产特征、作物种植结构、耕作栽培管理制度、品种分布、冷冻灾害程度及产量高低水平等。因此充分了解热量资源条件，认识和掌握其时空分布特征，就可以充分利用气候资源，防御自然气象灾害，保证作物稳产高产。为黑龙江西部粮食生产提供依据，制定科学合理的农业发展规划，应掌握黑龙江西部生长季平均气温变化特征。因此，笔者采用甘南气象资料研究生长季平均温度的时间变化特征，为农业生产中充分合理利用热量资源提供理论依据。
　　1 资料与方法
　　收集甘南站54年（1956—2009年）的玉米5—9月平均温度资料。甘南县位于黑龙江省西部齐齐哈尔地区，嫩江中游右岸，属于温带大陆性季风气候，四季冷暖干湿分明;耕地面积198千hm2，以旱田为主。在农业生产过程中，为了充分利用热量资源，该研究分析甘南县作物生长季（5—9月）平均温度变化趋势。
　　小波变换分析法是以短时傅立叶局部变换，建立随频率改变的“时间-频率”关系模型，把时间序列参数分解为不同时间和频率分项，达到展示复杂时间序列的变化规律，判断温度变化趋势的内在层次结构，从而分辨不同尺度时间序列的演变特征规律。应用小波变换分析方法，能够掌握生育期平均温度序列在不同时间尺度上周期结构和异常变化的特征，为温度发展趋势预测提供科学依据[1-10]。
　　小波变换公式：
　　Wf（a，b）=|a|-1/2∫f（t）Ψ（t-ba）dt（1）
　　式中，a是频率参数，b是时间参数（平移因子），Ψ（t）是母小波函数。
　　2 结果与分析
　　2.1 黑龙江西部生长季平均温度的时间变化规律
　　根据1956—2009年甘南县生长季平均温度数据，甘南县多年生长季平均温度为18.03  ℃，变化区间为16.10～19.94 ℃，变异系数为4.45%。
　　由图1来看，受全球变暖的大环境影响，甘南县作物生长季（5—9月）平均气温呈上升趋势，54年来平均气温的极差3.83 ℃，线性趋势线和0值的交点是1982年，线性趋势从1982年开始已升到平均温度的正距平区，在2000年平均气温为19.94 ℃，达到最大，距平值为1.91 ℃。分析年代际的变化规律可以看出，负距平区为1956—1960、20世纪60年代、70年代、80年代，距平值分别为-1.01、-0.47、-0.24、-0.17 ℃，正距平区为20世纪90年代和2001—2009年，距平值分别为0.47和1.02 ℃。
　　根据甘南县1956—2009年5—9月平均温度绘制生长季月平均温度等值线，见图2。从图2可以看出，生长季月平均温度等值线图的高温区域显著增加，向上下两侧扩展，总体趋势每个月份的温度都呈上升态势，尤其5和9月温度升势要高于其他几个月份，从温度上升对农作物的生长具有促进作用的角度来看，温度上升有助于农作物的生长，延长了作物的生育期，为农业生产提供了有益的环境。
　　2.2 黑龙江西部生长季平均温度时间序列多时间尺度变化特征
　　2.2.1 生长季平均温度距平序列时频分析。从甘南生长季平均温度距平序列小波变换系数Wf（a，b）的模平方等值线（图3a）可以看出，生长季平均温度的小波变换系数信号能量变化最强的是35～50 年时间尺度，主要发生在1990—2008年，2005年是振荡中心;信号能量变化较强的依次是4～6、17～35和6～10年时间尺度，4～6年时间尺度主要发生在1956—1962年，1957年左右是振荡中心;17～35 年时间尺度信号主要发生在1956—1967和1975—2000年;6～10年时间尺度信号主要发生在2001—2008年;其余时间尺度信号能量变化则较弱。
　　从不同时间尺度条件下生长季温度距平序列小波变换系数实部的变化规律（图3b）可以看出，表現最为明显的尺度分别是35～50、4～6和6～10年，35～50年时间尺度其中心时间为5年左右，4～6年时间尺度其中心时间为9年左右，6～10年时间尺度其中心时间为44年左右。另外，17～35年时间尺度也有表现，其中心时间尺度为25年左右。为了更直观地分析甘南县生长季平均温度距平序列变化特性，在图3b上分别选取时间尺度5、9、25和44年，作平行于横轴（b轴）的直线，在直线上取点作小波变换系数实部随年份变化曲线图4。
　　从图4a和b可以看出，5年时间尺度小波变换系数实部基本上是1～2年就要波动一次，9年时间尺度小波变换系数实部基本上是2～3年就要波动一次;从图4c可以看出，25年时间尺度小波变换系数实部变化在1963—1969、1978—1986、1996—2002年为正位相，表示平均温度偏高;而1962年以前、1970—1977、1987—1995、2003年以后为负位相，表示平均温度偏低;平均温度突变点在1962、1969、1978、1986、1996、2002年。从图4d 可以看出，44年时间尺度小波变换系数实部变化在1963、1965—1979和1994—2008年为正位相，表示平均温度偏高;而1962年以前、1964、1980—1993和2009年为负位相，表示平均温度偏低;平均温度正负位相转变点在1963、1964、1979、1994、2008年。由5、9、25和44年时间尺度的变化趋势看2009年后会继续下降，可能很快就达到谷底，进入温度上升期。 　　2.2.2 生长季平均温度序列主要周期分析。
　　应用小波方差图分析甘南县生长季平均温度随时间变化的主周期。用不同尺度下的小波变换系数绘制甘南县生长季平均温度距平序列小波方差（图5）。由图5可知，小波方差的主要峰值有4点，分别是5、9、25和44年，第一小波方差峰值为尺度a=44，说明周期振荡最强的是44年左右的尺度，为第1主周期，第2主周期为9年，第3主周期为5年。25年左右的小波方差虽然也具有一定峰值，但不明显。
　　3 结论
　　该研究基于小波变换理论和回归分析的方法，对甘南县1956—2009年作物生长季（5—9月）平均温度时间序列进行分析，结果表明，54年来生长季平均温度呈上升态势，生长季月平均温度也都呈上升态势，尤其5和9月温度升势要高于其他几个月份。通过小波变换分析方法，识别出甘南县生长
　　季平均温度序列可能具有4个主周期，分别是5、9、25和44
　　年左右的主周期。因此可以掌握未来甘南县生长季平均
　　温度的大致变化规律，根据热量资源的多寡可持续利用气候资源。
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