陳愛(ài)國(guó),戴培剛*,白萬(wàn)明,徐 茜,陳志厚,徐辰生,李湘?zhèn)?,姚忠達(dá)
(1.農(nóng)業(yè)部煙草生物學(xué)與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所,青島 266101;2.福建省煙草農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所南平分所,福建 南平 353500;3.安徽中煙工業(yè)有限責(zé)任公司,合肥 230088)
目前,南平煙區(qū)是福建省第二大煙葉產(chǎn)區(qū),南平煙草是南平市農(nóng)業(yè)支柱性產(chǎn)業(yè)之一,降水是其煙草農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要影響因素之一。南平煙區(qū)多年年均降水量1775 mm[1],煙株大田生長(zhǎng)期年均降水量1300 mm左右,是我國(guó)典型的煙草種植多雨區(qū)。洪澇災(zāi)害是主要的自然災(zāi)害之一,隨著大氣環(huán)流和前后汛期的降水變化,近 10年來(lái),降水的階段性分布不均更加明顯。降水的變化具有多層次演變特征,目前煙草種植上對(duì)氣象變化的應(yīng)對(duì)主要根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T(mén)的當(dāng)年氣象預(yù)報(bào),缺少大尺度氣象周期性分析,對(duì)煙草種植區(qū)氣象災(zāi)害的預(yù)警作用缺乏宏觀的煙草種植指導(dǎo),因此,研究降水資源的時(shí)頻分布對(duì)南平煙葉產(chǎn)質(zhì)量的形成和配套栽培技術(shù)具有重要意義。
近年來(lái),在氣象學(xué)、地學(xué)和大農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的時(shí)間序列分析中,小波分析因其精細(xì)的函數(shù)逼近功能正逐漸得到廣泛應(yīng)用[2-4]。煙草作為特種小作物,其生長(zhǎng)發(fā)育和對(duì)氣候資源的要求有其特殊性,目前煙草生產(chǎn)上基于小波函數(shù)的生態(tài)分析鮮有報(bào)道[5]。在不同的小波基中,基于morlet小波分析具有更好的尺度分析和格局分析優(yōu)勢(shì),筆者利用morlet子波變化來(lái)分析南平煙區(qū)45年(1961—2005年)來(lái)的煙葉大田生長(zhǎng)期降水變化,了解其多時(shí)間尺度變化特征及演變規(guī)律,以揭示南平煙區(qū)降水資源的時(shí)間尺度和轉(zhuǎn)換機(jī)制,并對(duì)其未來(lái)的演變趨勢(shì)進(jìn)行定性預(yù)測(cè),為南平煙區(qū)應(yīng)對(duì)降水變化的生產(chǎn)預(yù)警機(jī)制提供參考。
采用1961—2005年煙葉大田生長(zhǎng)期(3~8月)降水資料,時(shí)間序列長(zhǎng)度為 45年,降水?dāng)?shù)據(jù)由南平氣象局提供。
小波變換式為:
式中Wa,b(f)為小波系數(shù),f(x)為平方可積函數(shù),a、b分別為分辨尺度和平移因子,根據(jù)Fourier分析,分辨尺度a一般選擇32較為適宜。小波方差由計(jì)算可得,用于計(jì)算時(shí)間序列的顯著周期。本研究中對(duì)應(yīng)時(shí)間尺度為1~45年,為減小邊界效應(yīng),采用了對(duì)稱(chēng)性兩端延伸方式進(jìn)行計(jì)算[6]。
利用Matlab 7.0進(jìn)行降水?dāng)?shù)據(jù)離散小波分析,以Surfer 8.0 進(jìn)行小波變換等值線作圖,Excell 2003進(jìn)行降水距平、小波方差、主周期趨勢(shì)作圖。
由圖 1可見(jiàn),南平煙區(qū)大田生長(zhǎng)期降水在 20世紀(jì)60年代后期至80年代前期、90年代后期至2000年之前為降水較多的階段年份,其中1962年、1971年分別為降水最多和最少的年份,但總體上大田生長(zhǎng)期降水的變化沒(méi)有明顯的規(guī)律性,這與降水要素的多層次演變特征有關(guān),同時(shí)表明僅以簡(jiǎn)單的降水距平不能夠很好的衡量南平煙區(qū)大田生長(zhǎng)期降水的周期性變化。
圖1 1961—2005年南平煙區(qū)大田生長(zhǎng)期降水距平Fig.1 Field growth stage rainfall distance average of Nanping between 1961 and 2005
2.2.1 小波變換系數(shù)實(shí)部時(shí)頻特性分析 由Morlet小波變換系數(shù)實(shí)部圖(圖 2)可見(jiàn),南平煙葉大田期降水演化過(guò)程中存在多時(shí)間尺度特征。在降水時(shí)間序列上存在著16~32年,8~15年以及3~7年的3類(lèi)尺度的周期變化規(guī)律。其中,在16~32年時(shí)間尺度上出現(xiàn)降水少-多交替的準(zhǔn) 2次震蕩,即上世紀(jì)70年代中后期和90年代中后期為2次較強(qiáng)的降水期;在8~15年時(shí)間尺度上存在準(zhǔn)6次震蕩;同時(shí),還可以看出16~32年,8~15年周期變化具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和全域性;而3~7年周期變化,在1980年之前和1990年之后表現(xiàn)較為穩(wěn)定。
2.2.2 小波能量譜時(shí)頻特性分析 小波能量譜可以進(jìn)一步反映降水周期性變化的能量密度在時(shí)間域中的分布。圖3表明,16~28年時(shí)間尺度上能量表現(xiàn)最強(qiáng),表明周期最顯著,且周期變化具有明顯的全域性;其次為 8~15年時(shí)間尺度的能量較強(qiáng),周期變化出現(xiàn)局域性。
圖2 大田生長(zhǎng)期降水Morlet小波變換實(shí)部Fig.2 Morlet wavelet coefficients of field growth stage rainfall
圖3 大田生長(zhǎng)期降水Morlet小波能量譜Fig.3 Morlet wavelet energy spectrum of field growth stage rainfall of Nanping
2.2.3 降水序列的主要周期分析 小波方差可用來(lái)表征時(shí)間序列數(shù)據(jù)變化的主周期。由圖4可見(jiàn),小波方差圖中存在3個(gè)較為明顯的峰值,第1主周期為28年,第2主周期為11年,第3主周期為4年,3個(gè)周期的波動(dòng)共同作用形成南平降水的變化特征。
3個(gè)主周期趨勢(shì)圖(圖 5)表明,在不同時(shí)間尺度下南平降水存在的平均周期和多雨-少雨轉(zhuǎn)換期,在28年特征時(shí)間尺度上,南平降水平均變化周期為19年,大約經(jīng)歷了2個(gè)周期多雨-少雨豐枯變化;在 11年特征時(shí)間尺度上,南平降水平均周期為8.5年,大約經(jīng)歷了5個(gè)周期多雨-少雨豐枯變化;在4年特征時(shí)間尺度上,南平降水平均周期為2.8年,大約經(jīng)歷了15個(gè)周期多雨-少雨豐枯變化。
根據(jù)小波實(shí)部圖、不同時(shí)間尺度上小波方差圖和主周期趨勢(shì)圖,在28年和11年主周期震蕩具有較明顯全域性。在 28年特征時(shí)間尺度上,2005—2015年南平降水處于逐漸增加的周期,其中前5年降水偏少,后5年降水偏多;在11年特征時(shí)間尺度上,2005—2009年、2013—2015年降水偏少,2009—2013年降水偏多;在4年特征時(shí)間尺度上,降水峰值在2010年、2012年、2015年。綜合3個(gè)主周期趨勢(shì),可以初步預(yù)測(cè)出,南平煙區(qū)煙葉大田生長(zhǎng)期降水峰值出現(xiàn)在2010年、2012年、2015年,其中以2010年降水峰值最高,這與2010年實(shí)際降水發(fā)生情況相當(dāng)吻合,其次為2015年,再次為2012年。
圖4 1961—2005年南平煙區(qū)大田生長(zhǎng)期降水Morlet小波方差Fig.4 Morlet wavelet variance of field growth phase rainfall of Nanping in 1961-2005
圖5 28年、11年、4年特征時(shí)間尺度小波主周期趨勢(shì)Fig.5 Main period trends of 28, 11, 4 years time scales by wavelet analysis
氣象資料是隨時(shí)間和空間變化的非平穩(wěn)時(shí)間序列,具有多層次演變規(guī)律,既有趨勢(shì)性、周期性,又有突變性、隨機(jī)性以及多時(shí)間尺度結(jié)構(gòu)。一般時(shí)域分析和頻域分析均無(wú)能為力,后來(lái)發(fā)展的Fourier變換[7]等不能進(jìn)行時(shí)域和頻域上局部化分析。20世紀(jì)80年代初發(fā)展的小波分析具有時(shí)-頻多分辨功能[6],能有效進(jìn)行非平穩(wěn)時(shí)間序列中的變化周期和不同時(shí)間尺度中的變化趨勢(shì)分析,并實(shí)現(xiàn)定性估計(jì),為分析南平煙區(qū)大田生長(zhǎng)期降水變化的多時(shí)間尺度規(guī)律提供了有力的工具。
南平煙區(qū) 1961—2005年大田生長(zhǎng)期降水變化中,降水距平變化無(wú)明顯的規(guī)律性,可見(jiàn)周期性和突變點(diǎn)隱藏在降水變化中。小波變換系數(shù)初步揭示了3個(gè)多雨-少雨震蕩周期和時(shí)間分布上的全域、局域特征,小波能量譜和小波方差揭示了其中的3個(gè)主周期時(shí)間和能量分布,主周期趨勢(shì)圖給出了3個(gè)主周期的平均周期時(shí)間尺度,可見(jiàn)降水雖然存在著明顯的周期性規(guī)律,但仍然存在相當(dāng)強(qiáng)的其他因素引起的突變性,表現(xiàn)在不同時(shí)間尺度上,存在不同周期的重疊,因此在分析南平煙區(qū)大田生長(zhǎng)期降水多雨-少雨周期時(shí),需綜合考慮不同時(shí)間尺度主周期的相對(duì)貢獻(xiàn)和作用。
小波分析在揭示南平煙區(qū)大田生長(zhǎng)期多雨-少雨周期的不同時(shí)間尺度特征時(shí),由于長(zhǎng)周期能量譜的相對(duì)平穩(wěn),基于長(zhǎng)周期可以進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間預(yù)測(cè),而短周期能量譜在長(zhǎng)周期時(shí)域里變化較劇烈,因此基于短周期的外推預(yù)測(cè)不宜太長(zhǎng)。在實(shí)際的南平煙區(qū)氣候預(yù)警指導(dǎo)上,還需要針對(duì)最主要的暴雨災(zāi)害主要時(shí)間段和不利于煙葉生產(chǎn)的臨界閾值,如 5~6月份暴雨的災(zāi)害和超過(guò)煙葉生產(chǎn)預(yù)期的降水量,因此在南平煙區(qū)降水預(yù)警指導(dǎo)上,還需要更進(jìn)一步的深入研究。
從總的趨勢(shì)來(lái)看,在16~32年時(shí)間尺度上,以28年時(shí)間尺度為南平降水第1主周期,平均周期為19年。在8~15年時(shí)間尺度上,以11年時(shí)間尺度為南平降水第2主周期,平均周期為8.5年。在3~7年時(shí)間尺度上,以4年時(shí)間尺度為南平降水第3主周期,平均周期為2.8年。第1主周期具有較強(qiáng)的全域性,而第2、第3主周期局域性逐漸增加,表明突變性增強(qiáng)。
依據(jù)主周期變化,可以初步預(yù)測(cè)出,在 2005—2015年南平處于降水總體上逐漸增多周期,其中2009—2013年降水較多,南平煙區(qū)煙葉大田生長(zhǎng)期降水峰值出現(xiàn)在2010年、2012年、2015年,其中以2010年降水峰值最高,其次為2015年,再次為2012年。
[1]占文圭.南平市降水特性分析[J].水利科技,2005(3):10-11.
[2]匡正,季仲貞,林一驊.華北降水時(shí)間序列資料的小波分析[J].氣候與環(huán)境研究,2000,5(3):312-317.
[3]陳國(guó)友,梁紅,王小濤,等.基于小波的地學(xué)紋理特征向量的提取與顯示[J].地理空間信息,2008,6(6):23-25.
[4]宋開(kāi)山,張柏,王宗明,等.基于小波分析的大豆葉綠素 a含量高光譜反演模型[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2008,32(1):152-160.
[5]鄧建強(qiáng),譚毛彥,楊軍,等.恩施煙區(qū)氣候周期性變化的特征分析[J].煙草科技,2011(9):81-84.
[6]Ingrid Daubechies.小波十講[M].李建平,楊萬(wàn)年,譯.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2004.
[7]林春麗,王克成,黃軼.小波變換與傅立葉變換在信號(hào)消噪中的對(duì)比研究[J].華北科技學(xué)院學(xué)報(bào),2005,2(4):80-82.