东北玉米带热量资源的变化规律研究

东北玉米带热量资源的变化规律研究 11122 马树庆安 刚王 琪袭著香刘玉英 ()11 吉林省气象研究所 ,长春 130062 ; 21 吉林省气象台 ,长春 130062 摘 要 :应用线性回归 、非整数波谱和小波分析等方法 ,分析了东北玉米主产区热量资源的长期演变 趋势和变化周期 ,并对未来 10a 的情况进行初步预测 。要素包括 : 日平均气温稳定 ?7 ?、?10 ?的初 、终 日期 , ?10 ?积温和 5 月,9 月平均气温之和 。结果明 ,近半个世纪内 , ?7 ?、?10 ?初日有逐渐提前的 趋势 ,农业生产季内热量资源有增加趋势 ,但近些年这些要素较不稳定 。界线温度初 、终日存在 23a 、15a 和 9a 左右的变化周期 , ?10 ?积温和 5 月,9 月气温之和存在 60a 、35a,41a 、15a,16a 、9a 和 3a,4a 变化周期 。目 前所处的长周期内的暖期很可能在 2010 年前后结束 ,积温增加的趋势和农作物播期提前的趋势也将缓解 , 而且在中短周期内 ,近几年积温可能将减少 ,冷害和霜冻可能发生 ,农作物品种和播期都应有相应调整 。 关 键 词 :热量资源 ;趋势和周期 ;未来预测 ;非整数波 ;小波分析 + () () () () 中图分类号 : S16115 3 313435文献标识码 :A 文章编号 :1007 - 7588 200005 - 0041 - 05STUDY O N THE VA RIATIO N L AWS OF THE THERMAL RESO URCES IN MAIZE2GROWING BEL T OF NO RTHEAST C HINA 1 1 1 2 2MA Shu2qingAN GangWAN G QiXI Zhu2xiangL IU Yu2ying ( 1 . J ili n Prov i nci al i nst it ute of Meteorology , Changch u n 130062 , Chi na ; )2 . J ili n Prov i nci al B u reau of Meteorology , Changch u n 130062 , Chi na Abstract :The changing feat ures and cycle of t he agrot her mal resources in major maize2growing belt of Nort heast China are analyzed by using linear regressio n ,no2integer wave and wavelet analyzer met hods. The changing t rend of main agroclimatic factors in t he f ut ure 10 years are analyzed. The main factors include t he first date and final date of air temperat ure ?7 ?and 10 ? stably ;t he accumulated tempera2 t ure ?10 ?; and t he sum of mean air temperat ure f ro m May to September . The result showed t hat t he first dates have tended to occur early in t he recent half cent ury ,and t he t her mal resources in t he far m2 ing seaso ns tended to increase but t he temperat ure co nditio ns have beco me no nstable in recent years. The first and final dates of t he limit temperat ure keep cycle variatio ns of about 23 ,15 and 9 years ,t he accumulated temperat ure ?10 ? and t he sum of mean temperat ure keep several cycle variatio ns of 60 , 35,41 ,1,16 ,9 and 3,4 years. By t he year 2010 ,t he war mer period might p robably end around t he ( ) lo nger climatic cycle 60 years,and t he increasing tendency of t he accumulated temperat ure and t he advancement of sowing period will be declining. In t he medium and short cycles ,t he accumulated tem2 perat ure might be reduced in recent years ,low temperat ure calamit y and f rost may occur f requently. t herefore , bot h crop varieties and sowing time adjusted accordingly. Key words : Ther mal resources ; Tendency and cycle ; Fut ure forecast ; No n2integer wave ; Wavelet analysis 1 引 言 收稿日期 :1999 - 02 - 02 ;修回日期 :1999 - 05 - 21 气候与土壤条件是农作物生长发育的资源与环境要素 。其中气候条件多变 ,是影响作物产量年际变化的主要因 ( ) 基金项目 :国家“九五”重点攻关项目“农业气象灾害防御技术研究”962020201206专资助 。素 。在较为正常的水分条件下 ,作物产量变化主要取决于温度条件 ,因为温度条件决定作物结构 、品种熟型 、作物生育 ( ) 作者简介 :马树庆 1959,,男 ,辽宁凤城市人 ,研究员 。主要从事农业气候 、农业地理和生态方面的研究 。 期长短及生长发育状况 ,低温条件是产生作物冷害的主要原因 。就东北区玉米等主要作物而言 ,日平均气温稳定 ? 7 ?初日是适宜播种期 , ?10 ?初日和终日分别是作物生长发育的起始期和终止期 ,两者间的日数是作物有效生育长 度 , ?10 ?积温和 5 月,9 月平均气温和反应作物生育期间的总热量条件 。客观地讲 ,目前尚不具备对这些热量条件 ( 的年际变化进行较准确预报的科学基础和技术 ,但在历史资料基础上 ,这些要素的长期变化规律 如趋势变化 、阶段 ) 变化和周期变化规律等是存在和可寻的 ,进而可对未来一定时期热量条件的总体情况进行科学评估 ,这对制定农作 物及其品种布局计划 、改善种植 ,充分利用气候资源 、防御低温冷害 、争取高产稳产都有重要意义 ,更有利于东北 1 ,3 玉米带的可持续发展 。80 年代初就有人进行过农业热量资源变化的分析,但对这些条件的时间演变规律研究不 够 ,而且近 15a 来气候发生了较大变化 ,有必要对有关问题进行更深入地分析 ,测重长期变化特征 ,使农业生产适应这 种变化 ,充分利用气候变化的有利方面 ,防御不利方面的影响 。 2 资料及方法 东北玉米主产区包括辽宁省中部和北部 、吉林省中部和中西部 、黑龙江省中部和中南部 ,是松辽平原的主要部 分 。其中的各市县玉米种植比率都占粮豆总面积的一半以上 ,气候土壤条件都较适合玉米栽培 。从区域范围看 ,用沈 阳 、长春和哈尔滨三地的气象资料可反映玉米带的气候条件 。这些代表站资料年代为 1951 年,1995 年 ,用逐日温度 资料进行统计分析 。为了反映气候变化的时间特征 ,将时间序列分为 3 个阶段 ,1951 年,1965 年 ,1966 年,1980 年 , 4 ,5 ( ( ) 分析热量条件的准周期变化及未来趋势 。非整数波是对任一时间函数 X t 展开 。对于时间序列 X t = 波方法t ) 11 98, 2 1, ?年?,n199或展开为5 年 ,每个阶段为 : 15a ,可反映当时条件下的气候状况 。 1 n 2 ( ( ) ) () 用相对变率 X - X / X %反映气候变化的程度 稳定性,用线性回归法分析热量要素的变化趋势 。用非整数 ππ 2k t2kt) ( X = a+ acos + bsint 0 k k ? n n k = 1 其中 1 ?k ?n/ 2 ,可取任何非整数 。用最小二乘法原理 ,根据实测资料 ,求出不同波数的回归系数 a、a和 b。通过 0 k k 检验的主波回代到 X 中 ,求出时间拟合序列 X 进行后延预报 ,可预报出 t = n + 1 , n + 2 , ??等年的变化趋势 。 为t t 了分析更长时间序列农作物生长季热量条件的周期变化特征 ,采用长春 1909 至 1995 年共 87a 5 月,9 月平均 6 气温资料 ,用小波分析方法分析其周期变化特征 。小波分析用傅氏变换表现出数据随时间变化的总体频率特征 , 有三维立体表现能力 ,既能发现长周期 ,又能反映长周期中包含的不同时间尺度的短周期 ,可得到时间序列任一时刻 的频率及变化特征 。小波分析是在傅氏变换的基础上引入窗口函数 ,其变换公式为 : 1 - τ t - 2(τ) ( ) ( ) w , a= | a | f t g d tf ? a ττ( ) 式中 为时间参数 , 是相对于时刻 t 作了长度的平移 , a 为波数 , 1/ a 为频率 , g t 为小波母函数 , 在本文中采用墨 西哥帽状小波 , 即小波母函数的解析式为 : 2 - t / 21 2 )( ) ( g t = 1 - te π 2 小波变换转换成离散型式为 : N 1 - Δτ it - 2) (τΔΔ) ( ) (w , a= | a | t f it g f ? a i = 1 3 结果与分析 311 各热量指标的一般状况和变化趋势 东北三大站各热量要素的一般情况从表 1 可以看出 ,各地日平均气温稳定 ?7 ?、?10 ?的初终日都有较大差别 , 初日沈阳要比哈尔滨提早十多天 ,终日要迟后十多天 。各界限温度初终日都很不稳定 ,极差达到 30a 以上 。总的看 , 玉米等大田作物适宜播期在 4 月份 ,有效生育日期在 5 月初至 9 月末 。积温和 5 月,9 月温度和年际变化也很大 ,极 差分别达到 800c. d 和 12 ?左右 。从多年平均值看沈阳的积温要比哈尔滨多 650c. d ,长春居中 ,为2 909c. d 左右 。 过去的 45a ,东北玉米主产区农作物生长发育各界线温度和热量指标的总体趋势如表 2 。从中可看出 ,日平均气 22 卷第 5 期 马树庆等 :东北玉米带热量资源的变化规律研究 43 玉米主产区有春季提前 、作物适宜播种期和生长初始期提早 、有效生育期延长 、农作物生长季总积温增加的趋势 。其 9 原因不属于本文研讨之内容 ,但笔者研究认为 ,主要原因是大气温室效应加强所致,这也是东北气候变化对全球气 () 候变化的响应 。东北作物生长季热量条件处于长周期变化的后暖期 后文所述,并不处于中暖期 ,因此气候冷暖的周 期变化不是目前农业热量资源增加的主要原因 。 表 1 东北代表站农业生产热量条件基本情况 Table 1 The condition of thermal resources f or agricultural production at representative stations in Northeast China ?7 ?初日 ?10 ?初日 ?10 ?终日 5 月,9 各月平均气温和 ?10 ?积温 平均 最早 最晚 平均 最早 最晚 平均 最早 最晚 平均 最少 平均 最高 最低 最多 12 11 11 17 12 11 27793132234392988623/ 4 11/ 4 6/ 5 5/ 5 17/ 4 22/ 5 28/ 9 10/ 9 10/ 10 哈尔滨 长 春 290912 336811 247213 9418 10212 8815 20/ 4 5/ 4 6/ 5 2/ 5 15/ 4 22/ 5 1/ 10 18/ 9 13/ 10 沈 阳 343212 380116 292318 10319 10915 9810 11/ 4 29/ 3 28/ 4 21/ 4 7/ 4 17/ 5 9/ 10 23/ 9 25/ 10 ( )表 2 各热量要素在过去 45a 内的变化趋势 1951,1995 312 界线温度和热量条件在不同阶段的变化情况 Table 2 The changing tend of the ma in thermal factors in ( ) 分析了各区各要素值在 3 个阶段的变化特征 表 2,有以 ( )1951,1995 years d , ?. d 下几个结果 : ??7 ?、?10 ?初日在后两个阶段的矩平值为 负 项目 哈尔滨 长春 沈阳 - 3168 109 138 - 9- 7?7 ?初日 值 ,即到 80 年代后春季明显提前 。 ?10 ?终日在中期以负矩 平 - 9154 - 0159 - 4119 ?10 ?初日 为主 ,秋季降温较快 ;建国初期为正矩平 ,80 年代后基本保持 平- 0109 - 3133 3138 ?10 ?终日 均状况 。 ?无论是 ?10 ?积温 ,还是 5 月,9 月平均气温 , 在123175 38197 112150 ?10 ?积温 0104 0121 0105 5 月,9 月平均气温和 各地区均表现为 80 年代后平均值最高 ,而在前两个时期距平 值 注 :表中数字为经过线性回归后 ,1995 年与 1951 年趋 为负 。 ??7 ?初日近 10a 变率较大 ,达到 25 %,60 % ,中 期势值之差 。 次之 ,建国初期较稳定 。 ?10 ?初日在 1966 年 , 1980 年间 气北部 ?7 ?初日 、?10 ?初日比南部稳定 。 ??10 ?积温和 5 月,9 月平均气温在不同时期气候变率相差不大 ,80 年代后和建国初较稳定 ,而 1966 年,1980 年间较不稳定 。就现阶段而言 ,各地 ?10 ?积温相对变率为 4 %左右 ,5 月 候相对变率最大 ,为 25 %,40 % ;80 年代后也较不稳定 ,相对 变,9 月气温和的相对变率为 2 %左右 。 率 为 15 %, 30 % , 而 建 国 初 较 稳 定 。 ? ?10 ?终 日 较 ? 表 3 各热量要素在 3 个时段的距平及相对变率 表 4 各要素不同区域的非整数波周期分析结果 Table 4 Non2integer wave analysis the change cycles Table 3 The departure and change rate of ma in factors 10 ?初日稳定 ,且各时期差别较小 。近十多年东北主要产粮区 ()a ( in the three periods )of the ma in factors in different areas day , ?, % 项目 、区域 准周期 1951,1965 1966,1980 1981,1995 项目 、区域 2811 18 17 118哈尔滨 距平 相对变率 距平 相对变率 距平 相对变率 2317 1118 ?7 ?初日 长 春 116 19 - 012 1811 - 114 2514 14哈尔滨 18 9322024- 331沈 阳 15 19 13 16 17 13 ?7 ?初日 长 春 2317 17 16317 2119 - 116 2910 - 211 6412 沈 阳 哈尔滨 2811 1510 317 1310 - 013 2415 - 313 1613 ?10 ?初日 818 哈尔滨 长 春 112 1218 - 114 2717 011 1417 ?10 ?初日 1212 2015 818 长 春 沈 阳 112 2217 016 4012 - 118 2918 1812 沈 阳 哈尔滨 016 2617 - 011 1815 - 015 1413 1010 ?10 ?终日 哈尔滨 215 1318 - 219 1617 014 1810 ?10 ?终日 长 春 3715 2015 918 长 春 - 211 1510 014 912 117 1513 沈 阳 4019 1515 815 沈 阳 510 - 913 518 4218 412 哈尔滨 - 3315 1515 815 ?10 ?积温 哈尔滨 ?10 ?积温 414 - 3116 518 3212 319 长 春 - 016 2015 长 春 410 - 2718 417 6714 514 沈 阳 - 3916 1415 118 - 014 218 013 211 011 哈尔滨 沈 阳 4019 1611 2317 月,9 月气温和长 春 4019 5 211 - 015 214 019 210 - 014 5 月,9 月气温和 长 春 哈尔滨 3416 2015 1215 0107 211 - 017 116 016 215 沈 阳 沈 阳 313 界 线 温 度 和 热 量 资源的周期变化特征 31311 非 整 数 波 周 期 分析结果 对各要素都 进行了非整数波周期分 析 ,将 通 过 F 检 验 的 结 : ? ?7 ?初日 下几点 和 ?10 ?初 日 , 东 北 大 果列入表 4 ,可以看出以 部都存在 23a 左右和 9a 左右 的 中 周 期 。 ?7 ? 初日 还 存 在 12a 左 右 的 周期 ; ?10 ?初日 , 各 地 都存在 15a 左右的周期 。 ?10 ?终 日 , 东 北 大 部 存 在 10a 、20a 和 38a , 40a 周 期 变 化 。 ? ? 10 ?积温以 9a 和 15a, 16a 周期为主 ,沈阳还存 图 1 长春 5 月,9 月平均气温小波指数分布 在 41a 的 周 期 。 ?东 Fig. 1 The dist ributio n of wavelet index mean temperat ure f ro m May to September at Changchun statio n 北 5 月 , 9 月 平 均 气 温 以 13a,16a 周期变化为主 ,还存在 21a,23a 和 35a,40a 的周期变化 。 ?总的看 ,在东北农作物生长季总热量指标 普遍存在 13a,16a 左右的中短周期 、22a 左右的中长周期和 35a,41a 左右的长周期 。 用非整数波方法对这些热量要素未来变化趋势进行初步分析结果表明 : ??7 ?初日和 ?10 ?初日趋于提前 的趋势将在 1999 年前后结束 ,随继将呈现正常和推迟的趋势 ,并持续到 2005 年前后 ,而后变为正常和提前的趋势 ,并 持续到 2010 年前后 。 ??10 ?终日未来 10a 保持目前状况 ,趋势不明显 。 ??10 ?积温 ,东北大部 1998 年后有 下降的趋势 ,2003 年后为低谷 ,然后为增加趋势 ,直到 2010 年前后在中短周期内增温结束 ,5 月,9 月平均气温和在 未来 10a 内将维持平均状态 。这些结果表明 ,目前多数地区 ?7 ?初日 、?10 ?初日提前 、生育期总积温增加的趋势即 将结束 ,此后的 5a 左右很可能为初日正常或迟后 ,积温正常或偏低 ,冷年将增多 。 表 4 及表 2 、表 3 还表明 ,东北玉米带的沈阳 、长春 、哈尔滨 3 地热量条件变化总体上具有相似的周期和趋势 ,即 各地热量资源的中长期变化具有同步性 。这是因为热量条件的中长期变化是由大气候影响所致 ,玉米带各地以平原 为主 ,属于同一气候背景 。但表中各别数字也有一定差别 ,这很可能是各地测站局地气候影响所致 。此外 ,表 4 中因 各别地区各别周期达不到显著而未能列入 ,并不是所相应周期根本不存在 。 11 性() 。对长春农作物生长季 5 月,9 月平均气温之和 1909,1995作小波分析 ,其子波从 2a 周期开始 ,每隔 2a ,直到 31312 小波周期分析结果 东北各地热量条件变化以同步性为主 ,长春站的温度变化对全东北都有较好的代表 (( ) ) 80a 周期 ,共计算了 40 个小波指数值 如图 1,图中横坐标为年代 ,纵坐标为变化周期 。小波指数 图中数字正值表 示处于暖期内 ,而负值表示处于冷期内 。结果表明 :在超长周期上有一个正中心区和一个负中心区 ,其中心位置对应 的周期年数分别为 31a 和 28a ,为一个完整的 60a 周期 。在 60a 左右周期中又包含了 15a 左右的周期 ,而 15a 周期又含 有 3a,4a 的短周期 。这与非整数波分析结果基本一致 。小波分析还能展示序列的局部变化特征 ,在 60a 的超长周期 中 ,1909 年,1920 年处于冷周期阶段 ,20 年代到 50 年代初这 30a 左右处于暖周期 ,而 50 年代初至 70 年代后期又进 入冷周期内 ,70 年代至今一直处于暖周期内 。从 40 年代初到 70 年代中期 ,15a 左右周期也很明显 ,在这阶段 ,有两个 完整的 15a 周期 ,其冷暖阶段长度都基本一致 。当然 ,冷周期中有暖年份 ,暖周期中也有冷年份 。因现阶段 5 月,9 月气温在 60a 的超长周期中暖期将持续到 2010 年 ,所以今后十多年仍以暖期为主 ,这与上述分析中到 2010 年一直为 22 卷第 5 期 马树庆等 :东北玉米带热量资源的变化规律研究 45 上述界线温度初 、终日的周期分析前人研究较少 ,本文提出了一些新的规律性的现象 。农业生产总热量条件的 8 9 8 周期分析 ,丁土晟、马树庆、李继等人都有过研究 ,多采用传统方差分析或功率谱方法 ,使用 80 年代前的资料 。 本文采用新方法 ,资料年代也延长了 ,所得结果与前人研究有相似之处 ,即 ?10 ?积温及 5 月,9 月平均气温都存在 60a 、16a 和 3a,5a 周期 ,说明这种长 、中 、短周期确是规律的 、稳定的 。但新方法也展现了新的结果 ,反映了 9a 周期 , 在不同区域证实了 15a,17a 周期的稳定性 ,展示了长中短周期的相互联系和时空变化 ,并增加了预测能力 。 4 初步结论及讨论 () 1建国以来的 45a 内 ,东北玉米主产区日平均气温稳定 ?7 ?和稳定 ?10 ?初日有逐年提前的趋势 , ?10 ?间隔日数 稍有延长 。 ?10 ?积温有增加趋势 ,5 月,9 月平均气温增长趋势不明显 ,近 15a 来气温较高 ,作物生长季积温增多 , 春季回暖早 ,播期提前 。但春季气温变化日趋不稳定 。80 年代后春季适宜播种期年变幅加大 ,在生产中应引起注意 。 () 2尽管各项目之间和地区之间的周期变化特征不尽相同 ,但总体上看 ,东北玉米主产区 ?7 ?初日 、?10 ?初日在多 10a 、20a 和 38a,40a 的周期变化 。 ?10 ?积温和 5 月,9 月平均气温在多数地区都存在 15a,16a 左右 、 多数地区有 9a 左右和 35a,41a 的周期变化 。在更长的序列内 ,东北松辽平原区 5 月,9 月平均气温存在 60a 左右的超长周期和 数地区存在 23a 左右和 9a 左右的周期变化 , ?7 ?初日存在 12a 的周期 , ?10 ?初日存在 15a,16a 周期 。 ?10 ?终日 15a 左右 、3a,4a 的中 、短周期 ,且多种分析方法结果一致或相近 ,比较稳定 。 () 3目前的总热量条件正处于 60a 超长周期的后暖期 ,暖期将持续到 2010 年前后 ,然后进入过渡期及冷期 。在未来十 多年的暖期中有 9a 和 3a,5a 左右周期的冷暖波动 。中 、短周期显示 ,东北大部 ?10 ?积温到 1999 年后都有下降的 趋势 ,2004 年后进入小低谷 ,然后为增暖趋势 ,直到 2010 年前后 。5 月, 9 月平均气温和近几年也只能维持正常水 平 ,多数地区日平均气温 ?7 ?、?10 ?的初日逐年提前的趋势即将结束 ,在 1999 年后很有可能表现为正常或偏晚 ,并 持续到 2005 年前后 ,然后为逐年提前的趋势 ,并可能维持到 2010 年前后 。 9 () 4尽管从长期气候变化看 ,因大气温室效应加强等原因 ,气候有变暖的趋势,近 10a 内不至于发生群发性严重冷 害 ,但在短周期内仍有冷期存在 ,未来几年作物生长季热量不很充足 ,界线温度初日不稳定 ,特别是哈尔滨以北地区 , 仍有可能发生严重冷害 。因而应十分注意品种选择 ,不盲目扩种晚熟品种 ,搞好品种搭配 ,即在不同气候区和不同冷 暖时期内 ,都要进行早中晚品种按一定比例种值 ,暖期内晚熟比例加大 ,冷期内中早熟比例加大 ,从而提高抗御低温 11 冷害的能力。适时早播 、地膜覆盖 、使用抗低温助长剂 、加强田间管理 、改善种植制度等 ,也是充分利用气候变化的 有利方面 、合理开发利用气候资源 、防御低温影响的有效措施 。此外 ,东北各地农业热量资源变化虽然有共同的特征 和趋势 ,以同步变化为主 ,但因幅员广阔 ,各地热量资源变化也有一定特殊性 ,应因地致宜 ,搞好农业生产 。 参考文献 : 1 ] 马树庆 ,等 1 吉林省农业气候资源及区划M 1 长春 :吉林省农业区划委员会出版 ,1985115,201 2 ] 孙玉亭 ,等 1 黑龙江省农业气候资源及合理利用M 1 北京 :气象出版社 ,1986120,381 3 ] 周琳 1 东北气候M 1 北京 :气象出版社 ,19901246,2501 4 ] 黄嘉佑 ,李黄 1 气象中的谱分析M 1 北京 :气象出版社 ,1984176,791 5 ] ( ) 王惠清 1 非整数波分析在气候趋势预报中的应用J 1 气象 ,1987 , 5:18,211 6 ] 崔锦泰 1 小波分析导论M 1 西安 :西安交通大学出版社 ,19951181,1861 7 ] ( ) 马树庆 1 气候变化对东北粮食产量的影响及对策J 1 气象学报 ,1996 ,54 4:484,4931 8 ] ( ) 丁士晟 1 东北区夏季低温的气候分析及其对农业生产的影响J 1 气象学报 ,1980 ,38 3:234,2411 9 ] 马树庆 1 吉林省农业气候研究M 1 北京 :气象出版社 ,19961271,2901 10 李继 1 东北气候变迁A 1 东北气候M 1 北京 :气象出版社 ,19901356,3611 11 王书裕 1 农作物冷害的研究M 1 北京 :气象出版社 ,19951148,1821