黃麗球，崖偉松，蒙小寒，何家紅，莫申萍*

(1廣西東亞扶南精糖有限公司，廣西崇左532199；2廣西貴港市氣象局，廣西貴港537100；3廣西崇左市扶綏縣氣象局，廣西崇左532199)

0 前言

廣西是中國(guó)最大食糖生產(chǎn)產(chǎn)區(qū)，但在全球氣候變暖的背景下，廣西氣象災(zāi)害影響日益加劇，極端的干旱、低溫冷害及熱害的事件呈多發(fā)態(tài)勢(shì)，由此造成的甘蔗減產(chǎn)也越來(lái)越嚴(yán)重[1]。廣西是全國(guó)年降水量最豐富的地區(qū)之一，但降水時(shí)空分布非常不均勻，季節(jié)性干旱突發(fā)的頻率很高，嚴(yán)重地影響了廣西的蔗糖產(chǎn)業(yè)。甘蔗的水分主要來(lái)源于降水，面臨的干旱風(fēng)險(xiǎn)較大[2-3]，特別當(dāng)甘蔗在秋季處于莖節(jié)伸長(zhǎng)后期和糖分積累期等生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期，如遭受到嚴(yán)重的干旱災(zāi)害，該時(shí)期的甘蔗會(huì)降低光合作用強(qiáng)度，加強(qiáng)呼吸作用，影響甘蔗的長(zhǎng)生長(zhǎng)，導(dǎo)致產(chǎn)量明顯下降；處于糖分積累期的甘蔗糖分含量降低，膠質(zhì)比重增大，出糖率和回收率就會(huì)下降，蔗糖商業(yè)品質(zhì)下降[4]。扶綏縣屬亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候資源優(yōu)勢(shì)獨(dú)特，十分適宜發(fā)展甘蔗生產(chǎn)，也是“中國(guó)糖都”較大的生產(chǎn)基地[5]。由于受熱帶海洋氣團(tuán)和極地大陸氣團(tuán)的交替控制，該縣雨熱同季，降水的時(shí)空分布不均和灌溉條件的限制，使得干旱災(zāi)害成為制約其甘蔗生產(chǎn)發(fā)展的主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害之一[6-7]。就崇左市而言，影響甘蔗單產(chǎn)高低的所有因素中，干旱尤其秋旱是首要因素，冬季寒凍害、臺(tái)風(fēng)的影響次之[8]。扶綏縣 90%以上甘蔗是種植在無(wú)灌溉條件的旱地或者坡地上，甘蔗生長(zhǎng)的水分主要來(lái)源于自然降水，面臨的干旱風(fēng)險(xiǎn)較大[9-10]。在農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)中，主要的干旱指標(biāo)有作物水分虧缺指數(shù)(Crop water deficit index，CWDI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(Standardized precipitation index，SPI)、降水量距平百分率(Precipitation anomaly in percentage，PA)、帕默爾干旱指數(shù)(Palmer drought severity index，PDSI)、土壤相對(duì)濕度(Relative soil moisture，RSM)和氣象干旱綜合指數(shù)(Meteorological drought composite index，MCI)。隋月等[11-12]以作物水分虧缺指數(shù)為干旱指標(biāo)，分析了中國(guó)南方地區(qū)越冬糧油作物和玉米各生育階段發(fā)生干旱的時(shí)空分布特征；李闖等[13]基于作物水分盈虧指數(shù)分析了昆明水稻生長(zhǎng)季干旱特征及成因。筆者對(duì)扶綏縣干旱的研究主要基于降水資料，通過(guò)線性回歸、累積距平分析、Morlet小波等分析方法，分析秋季降水的氣候特征以及秋旱發(fā)生頻率，評(píng)估秋旱發(fā)生對(duì)甘蔗生長(zhǎng)的影響，為今后的甘蔗種植趨利避害、合理安排生產(chǎn)以及開展相關(guān)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

資料選取扶綏縣1960～2019年秋季(9～11月)逐日降水資料。

1.2 分析方法

運(yùn)用滑動(dòng)平均法、一元線性回歸、累計(jì)距平分析、Morlet小波分析等方法進(jìn)行研究，揭示扶綏縣60年秋季降水天氣變化特征及秋旱發(fā)生頻率。

1.2.1 Morlet小波

Morlet復(fù)數(shù)小波分析是分析變化周期的主要方法之一，其理論及其應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟[14-16]，被認(rèn)為是Fourier分析方法的突破性進(jìn)展，小波變換不僅可以給出氣候序列變化的尺度，還可以顯示出變化的時(shí)間位置[17]。用Morlet小波進(jìn)行周期分析，它比窗口 Fourier分析更能反映出信號(hào)的局部特征。Morlet小波分析 Fourier變換公式見式(1)，Wf(a,b)即小波系數(shù)，通過(guò)小波系數(shù)做出二維等值線圖，從而可得到關(guān)于時(shí)間序列變化的小波特征，不同時(shí)間尺度下的小波系數(shù)可以反映系統(tǒng)在該時(shí)間尺度下的演變特性和突變。

其中，f(t)是信號(hào)可積函數(shù)；a為伸縮尺度；1/a為頻率；b是平移參數(shù)，是相對(duì)于t時(shí)刻作了長(zhǎng)度的平移b；的復(fù)共軛函數(shù)。

1.2.2 降水量距平百分率

根據(jù) GB/T 20481-2017[18]氣象干旱等級(jí)中表述干旱等級(jí)的方法有氣象干旱指數(shù)、降水量距平百分率、潛在蒸散量等，本文采用降水量距平百分率對(duì)甘蔗秋旱等級(jí)進(jìn)行分析。降水量距平百分率(PA)是用于表征某時(shí)段降水量較常年值偏多或者偏少的指標(biāo)之一，能直觀反映降水異常引起的干旱，一般適用于半濕潤(rùn)、半干旱地區(qū)平均氣溫高于10℃的時(shí)段干旱事件的監(jiān)測(cè)和評(píng)估。

表1 降水量距平百分率干旱等級(jí)劃分表

2 結(jié)果與分析

2.1 近60年扶綏縣秋季降水量特征分析

2.1.1 近60年扶綏縣秋季降水量總體年際變化特征

從表 2中可知近 60年扶綏縣年平均降水量為1214.1 mm，在全年的4個(gè)季節(jié)中，平均降水量最少的是冬季(89.4 mm，占全年降水量7.4%)，其次是秋季(年平均降水量為 246.2 mm，占全年降水量的20.3%)，最多的是夏季(年平均降水量為610.2 mm，占全年降水量的49.5%)。說(shuō)明對(duì)扶綏縣重要的降水集中在夏季，冬季、春季和秋季有很大可能性出現(xiàn)干旱。冬季為甘蔗成熟收獲的季節(jié)，冬旱對(duì)甘蔗生產(chǎn)的影響較少，因?yàn)榇蠖鄶?shù)甘蔗已在冬前收獲或已成熟。根據(jù)扶綏縣歷年甘蔗種植生長(zhǎng)的情況可知，春季甘蔗處于播種或出苗等生長(zhǎng)初期，植株蒸騰較小，需水量較少[19]。夏、秋季是甘蔗拔節(jié)伸長(zhǎng)期，甘蔗生長(zhǎng)最旺盛，是甘蔗需水最多的時(shí)期[20]，同時(shí)秋季也是甘蔗成熟積累糖分的關(guān)鍵時(shí)期。從扶綏縣各季降雨量的統(tǒng)計(jì)來(lái)講，夏旱出現(xiàn)的機(jī)率相對(duì)較少，秋旱出現(xiàn)機(jī)率較大。

圖1(a)(b)是扶綏縣1960～2019年近60年秋季降水量和降水日數(shù)年際變化特征及趨勢(shì)變化圖，其回歸方程分別為y=0.2894x+237.34、y=-0.114x+30.127。經(jīng)分析可知，近60年扶綏縣秋季降水量一元回歸方程中降水量?jī)A向率為2.894 mm/10 a，通過(guò)相關(guān)性函數(shù)分析60個(gè)(60年)降水量數(shù)據(jù)樣本可知，其檢驗(yàn)結(jié)果(r=0.0478)未通過(guò)r0.05的顯著性檢驗(yàn)臨界值(r=0.250)，表明秋季年降水總量雖然具有向上增加的趨勢(shì)，但是沒有達(dá)到顯著性標(biāo)準(zhǔn)；近60年扶綏縣秋季降水日數(shù)氣候傾向率為-1.14 d/10 a，已通過(guò)r0.05的顯著性檢驗(yàn)(r=-0.272)，表明秋季年降水日數(shù)具有向下減少的趨勢(shì)，且已達(dá)到顯著性標(biāo)準(zhǔn)。秋季年降水總量有向上增加的趨勢(shì)而秋季年降水日數(shù)具有向下減少的趨勢(shì)，這說(shuō)明了扶綏縣秋季降水的量級(jí)增加趨勢(shì)明顯。

表2 近60年扶綏縣4季降水量情況及降水異常年份

圖1(a)可以看出近60年扶綏縣秋季降水量有一定的階段性特征。根據(jù)秋季降水量趨勢(shì)線的變化可以分為4個(gè)階段，第一階段從1960～1986年，這階段秋季降水量是一個(gè)震蕩遞增趨勢(shì)，這個(gè)階段降水量為前期少后期多。第二個(gè)階段從1987～2007年，這一階段為普遍少雨期，在21年第二階段的秋季降水量中，1987～1990年呈直線下降趨勢(shì)且于 1990年低于 60年秋季年平均降水量值。在 1991～2007年里，大多數(shù)年份秋季降水都在平均值之下，且呈波動(dòng)震蕩趨勢(shì)。扶綏縣也呈現(xiàn)出了一些年份的相對(duì)干旱，其中2006年降水為78.5 mm，為60年來(lái)秋季降水最少的年份，1991年降水為95.2 mm是秋季降水次少年。第三階段從2008～2015年，這個(gè)階段秋季降水降水量波動(dòng)上升，秋季降水量起伏較大，其中降水量在400 mm以上的年份有2008年(490.6 mm)、2011 年(481.1 mm)、2013 年(412.2 mm)和 2014年(455.3 mm)，也有降水量在200 mm以下的2009年(103.8 mm)和2010年(170.2 mm)，而起伏最大的出現(xiàn)在2008、2009年，降水量從490.6 mm急劇減少到103.8 mm，相差386.8 mm，這表明扶綏縣秋季年降水量的年際間變化不小，容易影響甘蔗的產(chǎn)量和質(zhì)量。第四階段從2016～2019年，該階段的秋季降水降水量呈直線下降趨勢(shì)，說(shuō)明該階段降水量逐年加速減少。

圖1(b)可看出近60年扶綏縣秋季降水日數(shù)變化階段性特征也很明顯，第一階段從1960～1991年，這一階段為普遍多雨日，大多數(shù)年份秋季降水日數(shù)都在平均值之上；第二個(gè)階段從1992～2019年，這一階段為普遍少雨日，大多數(shù)年份秋季降水日數(shù)都在平均值之下，降水日數(shù)在20天以下的年份有9個(gè)年份(1988、1991、1992、1993、1998、2003、2004、2006、2009年)，其中2006年的降水日數(shù)為60年中秋季降水日數(shù)最少的一年僅有8天，降水日數(shù)僅占秋季日數(shù)8.8%。

圖1 (a) 近60年扶綏縣秋季降水量年際變化特征及趨勢(shì)變化圖

圖1 (b) 近60年扶綏縣秋季降水日數(shù)年際變化特征及趨勢(shì)變化圖

2.1.2 近60年扶綏縣秋季各種降水量等級(jí)的年變化特征

利用 1960～2019年扶綏縣秋季日降水資料分析各種降水量級(jí)的降水日數(shù)，根據(jù)氣象部門雨量等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)將降水劃分為小雨、中雨、大雨和暴雨。小雨為日雨量小于10 mm，中雨為日雨量在10～25 mm之間，大雨為日雨量25～50 mm，暴雨及以上量級(jí)為日雨量在50 mm以上的降水。

從圖2中可以看出，小雨和暴雨及以上量級(jí)呈上升趨勢(shì)，趨勢(shì)較為明顯，中雨和大雨略呈下降趨勢(shì)，趨勢(shì)也較為明顯。

從圖2和表3中可以看出秋季小雨降水日數(shù)是其它幾種量級(jí)中最多的一種，且比中雨、大雨及暴雨以上量級(jí)的總?cè)諗?shù)多77.6天，其降水日數(shù)占扶綏縣秋季總降水日數(shù)的 92.6%。從降水量來(lái)看，雖然暴雨及以上量級(jí)的降水日數(shù)最少，且只占秋季總降水日數(shù)的 1%，但是其降水量卻占秋季總降水量的29.2%，為所有雨量級(jí)中降水量最多的一種。通過(guò)以上分析可以知道，秋季的降水日數(shù)是以小雨為主，而暴雨及以上量級(jí)對(duì)降水量的貢獻(xiàn)才是主要的，其次是中雨再次是大雨。

2.2 Morlet小波分析扶綏縣秋季降水周期性分布特征

為了更清楚了解扶綏縣秋季近 60年的降水量年度周期性變化，選用Morlet小波分析1960～2019年日降水量序列和頻率域。因研究需要負(fù)小波系數(shù)區(qū)域突出顯示，負(fù)小波系數(shù)越小對(duì)應(yīng)的降水量為偏小值，正的小波系數(shù)越大對(duì)應(yīng)的降水量為偏大值，小波系數(shù)絕對(duì)值越大，表明該時(shí)間尺度變化越顯著[14]。

圖2 秋季各降水量級(jí)日數(shù)的時(shí)間序列圖

表3 秋季各降水量級(jí)降水日數(shù)和降水量占比統(tǒng)計(jì)表

圖3是近60年扶綏縣秋季降水小波變換的實(shí)部等值線圖。圖中，無(wú)色區(qū)域的等值線表示小波系數(shù)＞0，即降水量較多，扶綏縣處于秋季降水量偏多時(shí)期；灰色區(qū)域等值線表示小波系數(shù)＜0，即降水量較少，扶綏縣處于秋季降水量偏少時(shí)期。從圖3可看出，扶綏縣秋季降水序列存在4個(gè)較明顯的特征時(shí)間尺度：2、6、14、30 a。其中，2、6 a的振蕩周期偏弱；14、30 a的振蕩周期偏強(qiáng)。14 a特征時(shí)間尺度在20世紀(jì)70年代末、90年代末、21世紀(jì)初以及2019年的降水序列中比較明顯；30 a特征時(shí)間尺度，在20世紀(jì)60年代末到70年代初和90年代末到21世紀(jì)初的降水序列中比較明顯，扶綏縣秋季降水大致經(jīng)歷了2次降水量多與少相互交替，表現(xiàn)為2個(gè)多雨期和2個(gè)少雨期，這與扶綏縣降水的年際變化基本一致。由此可以知道扶綏縣秋季降水主要周期是14、30 a，但是也存在2、6 a、的弱周期振蕩。目前實(shí)部等值線圖中正的等值中心還未閉合，表明未來(lái)一到兩年(2020～2021年)扶綏縣秋季干旱的可能性仍較大且處于14 a的周期等值線范圍內(nèi)振蕩。

2.3 近60年扶綏縣秋旱發(fā)生的頻率及防御對(duì)策

圖3 扶綏縣秋季降水小波變換實(shí)部等值線圖

2.3.1 近60年扶綏縣秋旱發(fā)生的頻率

從表4中可以看出，扶綏縣近60年中秋季發(fā)生干旱的年份有19年，發(fā)生頻率為31.7%，其中輕旱發(fā)生年份有12年(1962、1963、1971、1977、1979、1992、1994、1996、1998、2002、2007、2010 年)，發(fā)生頻率為 20.0%，秋季輕旱年平均無(wú)降水日數(shù)占整個(gè)秋季74.7%，平均中旱發(fā)生年份有7年(1969、1989、1991、2004、2006、2009、2019年)發(fā)生頻率為 11.7%，秋季重旱年平均無(wú)降水日數(shù)占整個(gè)秋季80.2%，無(wú)旱年，秋季無(wú)降水日數(shù)的占比也超過(guò)68%，由此可見，扶綏縣發(fā)生干旱的概率是比較高的。

2.3.2 秋旱發(fā)生的防御對(duì)策

表4 近60年扶綏縣秋季干旱發(fā)生頻率及無(wú)降水日數(shù)情況

扶綏縣甘蔗大部分種植在平地，也有少部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)種植在坡地，預(yù)防旱災(zāi)必須根據(jù)種植地形特點(diǎn)，因地制宜地將水源條件、選用抗旱品種、提高甘蔗栽培的技術(shù)等各種措施結(jié)合起來(lái)，才能達(dá)到效果[21]。

⑴充分利于原有農(nóng)田水利設(shè)施，充分發(fā)揮有限水源的作用；可利用有利地勢(shì)增修蓄水池，積蓄山塘水，增加水源；近水庫(kù)、湖泊、河邊等種植戶可通過(guò)有效的抽淋設(shè)備抽水取用或者直接使用種植戶蓄備的各種抗旱水箱；在政企合作下建立水利中轉(zhuǎn)站，通過(guò)變電機(jī)房以及必要的水利設(shè)施有計(jì)劃送水。

⑵大力推廣甘蔗抗旱品種，引進(jìn)干旱地區(qū)培育出來(lái)的耐旱良種，增強(qiáng)作物的抗旱能力。

⑶可采取大馬力機(jī)械中耕、松土的方法，有效阻斷深層土壤毛細(xì)管水份上升地表面，降低土壤上層水分的蒸發(fā)速度，達(dá)到保墑抗旱的目的。同時(shí)結(jié)合種植管理中肥料的施用，以促肥根、壯根，有利于甘蔗對(duì)較深層土壤水分的吸收，提高干旱時(shí)的水分利用率。

⑷推廣旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)，如滴灌、微噴等，使有限的水資源得到充分利用。

⑸爭(zhēng)取有利時(shí)機(jī)大力開展人工增雨作業(yè)，使有效的空中水資源得到充分有效的利用。

3 結(jié)論

3.1 扶綏縣秋季降水分布特征

近60年扶綏縣年平均降水量最多的是夏季，秋季的年平均降水量為 246.2 mm，占全年降水量的20.3%，秋季有很大的可能出現(xiàn)干旱。通過(guò)對(duì)扶綏縣近60年秋季降水量和降水日數(shù)資料進(jìn)行趨勢(shì)分析，秋季降水量和降水日數(shù)都有不同的階段性特點(diǎn)，但總體趨勢(shì)而言，降水量具有向上增加的趨勢(shì)而降水日數(shù)則相反呈向下減少趨勢(shì)，扶綏縣秋季降水的量級(jí)增加趨勢(shì)明顯。然而秋季的降水日數(shù)是以小雨為主，而暴雨及以上量級(jí)對(duì)降水量的貢獻(xiàn)才是主要的，其次是中雨再次是大雨。

3.2 扶綏縣秋季降水振蕩周期

通過(guò)Morlet小波分析可知，扶綏縣秋季降水序列存在4個(gè)較明顯的時(shí)間特征尺度：2、6、14、30 a。其中，2、6 a的振蕩周期偏弱；14、30 a的振蕩周期偏強(qiáng)。未來(lái)一到兩年(2020～2021年)扶綏縣秋季干旱的可能性仍較大且處于14 a的周期等值線范圍內(nèi)振蕩。

3.3 扶綏縣秋旱頻率

分析各年份秋季降水量距平百分率 PA值，發(fā)現(xiàn)扶綏縣近60年中秋季干旱發(fā)生頻率為31.7%，其中，輕旱發(fā)生頻率為20.0%，重旱發(fā)生頻率為11.7%。就整個(gè)秋季91天來(lái)說(shuō)，至少有62天以上沒有降雨的，占比超過(guò)68%。

本文基于扶綏縣近60年降水資料，通過(guò)線性回歸、累積距平分析、Morlet小波等分析方法，分析秋季降水的氣候特征以及秋旱發(fā)生頻率，并簡(jiǎn)單分析秋旱發(fā)生對(duì)甘蔗生長(zhǎng)的影響，以期為今后的甘蔗種植趨利避害、合理安排生產(chǎn)以及開展相關(guān)研究提供參考。但本研究的不足之處在于僅基于降水資料的分析，缺乏對(duì)甘蔗需水量的考慮，未能對(duì)甘蔗生產(chǎn)提出具有針對(duì)性的指導(dǎo)措施。