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，是傳統(tǒng)的“稻—稻—油”三熟制高產(chǎn)區(qū)。近年來，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)氣象觀測資料和油菜產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)資料，對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Morlet 小波變換對氣候綜合指標(biāo)和油菜產(chǎn)量進(jìn)行多時間尺度特征研究，從而探討婁底市農(nóng)業(yè)氣候資源對油菜產(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 個縣（市）的逐日氣溫、降水量和日照時數(shù)等為地面氣象觀測資料，對應(yīng)的油菜產(chǎn)量資料來源于婁底市農(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 個氣象要素的氣溫x1、降水量x2、日照時數(shù)x3進(jìn)行主分量分析。對于樣本容量為n 的m 個氣象要素（xip）n×m，首先確定其主分量個數(shù)m 和主分量Kj的表達(dá)式：

再分別計(jì)算出各個主分量的方差貢獻(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)，且對信號的瞬態(tài)和奇異點(diǎn)有較強(qiáng)的檢測能力，所以被稱為信號分析的“數(shù)學(xué)顯微鏡”。該研究利用Morlet 小波變換對婁底市農(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 個主要生育階段。該研究通過主分量分析法計(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，因此確定主分量個數(shù)為2 個，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（%）

由前兩個主分量計(jì)算得出婁底市油菜各個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)氣候資源的多時間尺度變化特征，筆者對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，婁底市油菜生育過程中的苗期、蕾苔期、開花期和角果成熟期均存在明顯的多時間尺度變化特征，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 個明顯的特征時間尺度，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 個和6 個“大～小”循環(huán)交替，在整個研究時段都表現(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 個特征時間尺度，對8 a 和12～13 a 的年際和年代際時間尺度，主要表現(xiàn)為8 個“大～小”和5個“小～大”循環(huán)交替，在整個研究時間段周期振蕩穩(wěn)定存在；開花期（圖1c）氣候綜合指標(biāo)存在7～8 a、15 a 左右2 個特征時間尺度，表現(xiàn)為8 個“小～大”和4 個“小～大”循環(huán)交替，在整個時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 個特征時間尺度，對10 a 的時間尺度，表現(xiàn)為6 個“大～小”循環(huán)交替，并在整個時間段周期振蕩均很明顯，對于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，降水量和日照時數(shù)進(jìn)行主分量分析，得出了能夠反映整個油菜生長過程的氣候綜合指標(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)與各個生育階段的結(jié)果表現(xiàn)一致。

對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 個特征時間尺度，主要表現(xiàn)為9 個“少～多”和7 個“少～多”循環(huán)交替，在整個時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 個特征時間尺度，分別表現(xiàn)為8 個“大～小”和6 個“大～小”循環(huán)交替，并在整個時間段周期振蕩均很明顯。通過對比分析，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）對婁底市油菜各個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)，而日照時數(shù)，氣溫與K 值均成負(fù)相關(guān)，且對K 值的貢獻(xiàn)率較小。婁底市油菜各個生育階段的氣候綜合指標(biāo)K 序列均具有明顯的多時間尺度變化特征，且各個生育階段存在不盡相同的年際和年代際多時間尺度周期變化特征。

（2）對婁底市油菜產(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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