王保+黃思先+孫衛(wèi)國

摘要：為了揭示區(qū)域氣候變化對長江中下游地區(qū)水稻產量的影響及水稻相對氣象產量波動的原因，采用統(tǒng)計分析方法和小波變換方法分析了近60年來長江中下游地區(qū)水稻產量、水稻生長季內平均氣溫、降水量、氣溫日較差以及≥10 ℃活動積溫的年際變化以及水稻產量與區(qū)域氣候變化之間的時頻結構特征。結果表明，近60年來長江中下游地區(qū)水稻產量呈波動增長趨勢；20世紀80年代以后水稻生長季內平均氣溫升高、≥10 ℃活動積溫增大，降水量減少趨勢不明顯，氣溫日較差呈顯著下降趨勢。水稻產量和區(qū)域氣候變化均存在年際和年代際尺度變化周期，且兩者之間的時頻特征存在一定的相似性；交叉小波分析表明，水稻產量與區(qū)域氣候變化之間存在2～4a、6a、8a、12a和14a尺度的共振頻率，且多以正相關關系為主，但在局部時域中也存在不同頻率尺度的負相關，兩者之間的相關關系和相關程度隨振蕩頻率尺度的不同而不同。長江中下游地區(qū)水稻產量波動與區(qū)域氣候變化密切相關，氣候變暖導致熱量條件改善對水稻產量的影響大于降水量減少對水稻產量的影響。

關鍵詞：長江中下游地區(qū)；水稻產量；氣候變化；小波變換

中圖分類號：S162.5+3 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）01-0043-09

Effects of Climate Change on Rice Yield of the Middle and Lower Reaches Region of the Yangtze River

WANG Bao1，HUANG Si-xian2，SUN Wei-guo3

（1.Xianning Bureau of Meterology， Xianning 437100，Hubei，China；2. Ezhou Bureau of Meterology，Ezhou 436000，Hubei，China；

3.Nanjing University of Information Science & Technology， Naning 210044，China）

Abstract： To reveal the impact of the regional climate change on rice yield of the middle and lower reaches of the Yangtze River， and to understand the reasons for rice relative meteorological yield fluctuations， statistical analysis and wavelet transform were used to analyze time and the frequency variation features of rice production， the average temperature， precipitation， diurnal temperature， and≥10℃ active accumulated temperature of the Yangtze River region in the past 60 years， and the time-frequency structural features between rice production and regional climate change. The results showed that rice yield of the middle and lower reaches of the Yangtze River region in the past 60 years had fluctuations in the growth trend. The average temperature and the active accumulated temperature increased during the growing season. The reduction of precipitation was not obvious. Diurnal temperature appeared to decrease significantly. Between rice production and climate change， there were periodic characteristics of interannual and decadal changes. The time-frequency characteristics was certainly similar between the two. Cross-wavelet transform results showed that between rice production and climate change， there were the resonance frequency of the different scales， like 2-4a， 6a， 8a， 12a and 14a. There were more positive correlation between the main， but in the local time domain there was a negative correlation of different frequency scale. The two relationship and relevance were different， varying from oscillation periods scale. It was believed that rice yield fluctuations of middle and lower reaches of the Yangtze River was closely related with the climate change. The periodic feature was obvious， and the effect of the improvement of heat condition on increasing production was much more than the impact of reducing precipitation.

Key words： the middle and lower reaches of the Yangtze River； rice yield； climate change； wavelet transform

收稿日期：2013-07-16

作者簡介：王 保（1989-），女，湖北黃岡人，助理工程師，主要從事短期天氣預報及氣候變化和小波變換等方面的研究，（電話）

15272681090（電子信箱）wangbao1129@163.com；通訊作者，黃思先，助理工程師，主要從事短期天氣預報及重要天氣過程診斷分析

和氣候變化等方面的研究，（電話）15926018229（電子信箱）ilyyrhsx@163.com。

氣候變化已成為不爭的事實。政府間氣候變化專業(yè)委員會（IPCC）的氣候變化評估報告[1-4]指出，全球氣候正發(fā)生著以氣候變暖為主要特征的顯著性變化，全球平均地表溫度從1861年以來一直在升高。關于氣候變化對作物產量的影響，我國學者已經進行了多方面的探究[5，6]，尤其是氣候變暖背景下作物產量的變化規(guī)律以及農業(yè)應對氣候變化的措施等已成為目前研究的熱點問題。20世紀以來，全球氣候變暖越來越快，氣候變化對作物生產的影響也越來越大，特別是氣候變暖背景下，極端氣候事件發(fā)生頻率、持續(xù)時間和分布規(guī)律的變化對農田生態(tài)系統(tǒng)的影響往往超過了氣候平均變率所帶來的影響[7]。

研究作物產量與氣候因子之間的關系，以往大多采用常規(guī)統(tǒng)計學方法[8-11]，但氣候變化具有不同時間尺度，區(qū)域平均氣溫和降水量的周期性變化以及極端氣候事件的發(fā)生，必然引起作物產量的變化和波動，因此，有必要采用新的時頻分析方法對氣候變化及作物產量的周期性進行研究。孫衛(wèi)國等[12]、張明等[13]和蘇占勝等[14]用功率譜和交叉小波變換方法分析了作物產量與區(qū)域氣候變化之間的關系，發(fā)現兩者關系密切，周期性變化特征顯著。

長江中下游地區(qū)是我國水稻的主要種植區(qū)，氣候變化將會帶來水稻產量的變化，但目前氣候變化對該區(qū)水稻產量影響的研究較少[15-19]，對該區(qū)產量周期性的研究更不多見，所以，研究該區(qū)水稻產量與區(qū)域氣候變化的關系具有重要現實意義。水稻生長發(fā)育要求的最低溫度在10 ℃以上，南方三季稻要求≥10 ℃的活動積溫達到7 000 ℃，雙季稻要求達到5 300 ℃，且氣溫日較差對作物產量形成影響較大，因此，需要分析水稻生長季內平均氣溫、降水量、氣溫日較差和≥10 ℃的活動積溫的影響。研究根據1951～2010年長江中下游6?。ò不?、湖北、湖南、江蘇、江西和浙江）實際水稻產量和同期107個氣象站的水稻生長季內平均氣溫、降水量、氣溫日較差和≥10℃的活動積溫資料，采用交叉小波變換方法，以相對氣象產量為研究對象，分析長江中下游地區(qū)60年水稻產量與生育期內這些氣候變量的時頻變化特征及耦合振蕩的關系，討論水稻產量波動與氣候因子變化周期的相關性，通過區(qū)域氣候變化對水稻產量的影響以及水稻產量波動的原因分析，為區(qū)域性作物產量評估和預測提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料的處理

水稻產量資料來源于國家統(tǒng)計局，根據1951～2010年長江中下游地區(qū)6省水稻產量（t/hm2），經一致性檢驗，建立區(qū)域平均水稻產量序列，樣本數n=60。同期的氣候資料來源于中國氣象局逐日氣候資料，包括平均氣溫（℃）、降水量（mm）、最高氣溫（℃）和最低氣溫（℃）記錄，根據這6省107個氣象站的資料，算得區(qū)域水稻生長季（4～10月）內平均氣溫、總降水量、平均氣溫日較差以及≥10 ℃的活動積溫。計算時，為了保證資料序列的平穩(wěn)隨機過程，對資料進行了標準化處理。

1.2 研究方法

1.2.1 趨勢產量估算 影響作物產量的因素比較多，且各影響因素的變化特征及其時間尺度不同，主要的影響因素有人為因素、氣象因素和隨機“噪音”三方面，分別構成3個產量分量[20]，作物產量=趨勢產量+氣象產量+隨機“噪音”。隨機“噪音”所占比例很小，一般可忽略不計；趨勢產量是實際產量的平穩(wěn)變化項，表示產量的演變趨勢，其大小決定于歷年的生產技術水平，其模擬方法很多，本研究采用直線滑動平均法[12]，采用15年滑動步長來消除短周期波動的影響，算出趨勢產量。氣象產量為作物產量扣除趨勢產量得到，反映了氣象條件對產量的影響。氣象產量與趨勢產量的比值可以表示為相對氣象產量。為了消除生產力水平對水稻產量的影響，真實地反映氣象因子對其影響規(guī)律，本研究在進行產量分析時以相對氣象產量作為研究對象。

1.2.2 小波變換方法 小波變換方法[21]起源于Fourier分析方法，Fourier級數主要用來表征信號的周期性，但在大多數情況下信號都是非周期性的，于是引入Fourier變換，將非周期性信號分解為多個周期性信號的疊加來處理，但是Fourier分析方法只是將信號在頻率域內展開，沒有包含時域的信息，丟棄的這些時域信息可能對某些應用非常重要，所以需要引進小波變換方法，將信號在時頻兩域的信息提取出來，充分利用信號信息[12]。

交叉小波變換[22]是一種新型信號分析技術，與傳統(tǒng)的交叉譜方法相比更具優(yōu)越性，特別是用于兩個時間序列耦合振蕩行為的相關分析上，除了可以彌補傳統(tǒng)交叉譜分析方法不可避免的缺陷外，還能夠將小波變換在時頻兩域都具有表征信號局部化特征的能力發(fā)揮到極致；交叉小波變換方法具有比較強的耦合信號分辨的能力，具有便于描述耦合信號在時頻域中分布狀況等優(yōu)點[23]，經過多次實踐應用驗證表明[24-26]，該方法確實能夠充分反映兩時間序列相關振蕩的周期顯著性和兩時間序列的相互依賴關系，還可以分析出兩時間序列信號精細的時頻變化特征，效果很顯著。

2 結果與分析

2.1 水稻產量與氣候變化特征的關系

2.1.1 產量波動 水稻產量的波動與氣候條件密不可分，圖1為1951～2010年長江中下游地區(qū)水稻的實際產量（實線）、氣象產量（虛線）以及趨勢產量（點劃線）的時間變化圖，實際產量和趨勢產量均為左側縱坐標軸，氣象產量為右側縱坐標軸。從圖1可以看出，長江中下游地區(qū)水稻的實際產量隨時間呈波動增長的趨勢，年代際變化主要在1985年之前氣象產量波動比較大，1985年之后波動較平穩(wěn)，且1950年代和1980年代的波動相對于1960和1970年代的波動要大得多，這與長江中下游地區(qū)水稻生長季內平均氣溫、平均氣溫日較差以及≥10 ℃活動積溫的波動特點相對應。

長江中下游地區(qū)水稻生長季內的氣象災害主要有高溫熱害、低溫冷害、雨澇、干旱、春季低溫陰雨、寒露風、臺風以及風雹等。1959年長江中下游地區(qū)水稻減產主要受嚴重的伏秋連旱影響，1960年水稻低產主要與該區(qū)春季冷暖空氣交替頻繁，早稻育秧期出現低溫陰雨天氣造成大量爛秧，秧苗質量差等有關；1961年的低產主要由干旱造成，長江中下游出現了大范圍、程度較重的干旱，秧田龜裂，稻禾枯黃，最終導致大幅減產；1962年該區(qū)降水偏多，出現了雨澇，但對水稻產量影響顯著的還是春季的低溫連陰雨天氣；1975年的產量主要因“寒露風”的影響而降低；1977年的減產主要受部分地區(qū)（江西等地）高溫干旱的影響；1980年長江中下游地區(qū)遇到了雨澇、春季低溫陰雨以及“寒露風”等災害，影響了水稻的生長，造成大幅減產；2003年主要是高溫熱害造成的減產。

2.1.2 氣候變化 圖2為長江中下游地區(qū)1951～2010年水稻生長季內平均氣溫（a）、降水量（b）、平均氣溫日較差（c）和≥10 ℃活動積溫（d）的時間變化圖，圖中直線（或曲線）為其變化趨勢線。由圖2可以看出水稻生長季內的氣候變化特征主要表現為平均氣溫和≥10 ℃活動積溫的變化呈現二次曲線形式，且平均氣溫轉折點在1975年左右，≥10 ℃活動積溫轉折點在1980年左右。水稻生長季內平均氣溫、降水量、平均氣溫日較差以及≥10 ℃活動積溫與時間的相關系數分別為0.354、0.000、-0.548和0.360，其中，水稻生長季內平均氣溫、≥10 ℃活動積溫以及平均氣溫日較差與時間相關關系通過了0.01水平的顯著性檢驗，降水量與時間的相關性沒有通過0.05水平的檢驗。

2.1.3 水稻產量與氣候變化相關分析 由相關分析可知，水稻產量與水稻生長季內平均氣溫、平均氣溫日較差以及≥10℃活動積溫的相關系數都通過了0.01水平的顯著性檢驗，與降水量的相關系數沒有通過0.05水平的顯著性檢驗。水稻產量與生長季內的平均氣溫日較差呈負相關，因為長江中下游地區(qū)容易出現高溫天氣，雖然氣溫日較差大有利于水稻有機物的積累，但是高溫會影響水稻的生長，已有研究表明，水稻在孕穗至抽穗揚花期對溫度極其敏感[27]，如果日均溫度高于32 ℃，日最高溫度高于35 ℃，水稻抽穗揚花就受到影響，從而造成產量損失和品質下降；水稻在灌漿期也最易受高溫危害[28]，造成結實率和千粒重的降低，從而導致減產。水稻產量與降水量的相關性不強，因為在長江中下游地區(qū)，水源較充足，農業(yè)用水一般不受自然降水量的影響，但當降水量過大或持續(xù)時間較長，仍然會影響水稻的開花和授粉，特別是在開花期，連陰雨天氣將會使水稻花粉的傳播受精受阻，從而導致減產。水稻產量與平均氣溫和≥10 ℃活動積溫呈正相關關系，主要反映的是水稻生長對熱量條件的需求，水稻是喜熱作物，熱量條件對其產量有重要影響，有效熱量越多，水稻產量越高。

2.2 水稻產量與氣候變化的時頻結構

相關分析只能初步分析氣候變化與水稻產量的簡單相關關系，不能充分反映區(qū)域氣候變化對水稻產量的影響，而小波變換則能從時間域和頻率域上充分利用時間序列信號，分析出水稻產量和氣候變化的局部時頻變化規(guī)律，通過交叉小波分析出兩者之間在時頻結構上的相關關系。

小波變換系數的實數部分包含給定時間和尺度下相對于其他時間和尺度信號的強度和位相兩方面的信息[26]。小波系數實數部分為正時，表示水稻相對氣象產量距平、降水量距平、平均氣溫距平、氣溫日較差距平和≥10 ℃活動積溫距平相對偏多，圖3中用實線表示；小波系數實數部分為負時，表示相對偏少，圖3中用虛線表示；小波系數為0的地方則為突變點。圖3中的符號反映了振蕩的位相，等值線中心反映了不同尺度振蕩的振幅最大值。采用小波功率譜檢驗顯著性，小波功率譜圖為小波功率譜與置信水平為95%的紅噪聲總體譜的比值，比值大于1.0表示通過95%置信水平紅噪聲檢驗的顯著周期振蕩（實線），比值小于1.0表示未通過95%置信水平的紅噪聲檢驗（虛線）。

2.2.1 水稻產量波動的時頻變化特征 圖3為長江中下游地區(qū)水稻相對氣象產量距平的小波變換系數實數部分等值線圖和小波功率譜圖。由圖3a可以看出，水稻相對氣象產量波動的年際尺度主要表現在2～4年和6年尺度的周期振蕩，且時域分布不均勻，局部化特征明顯；年代際尺度主要表現在10年和14～16年尺度的周期振蕩。

年際尺度特征為2～4年左右的尺度周期信號主要表現在1954、1955年以及1976～1982年，同時也反映了在此周期尺度上，水稻相對氣象產量距平在1954、1976年及1980年處于偏少期，但1955、1979年和1982年是偏多的；6年左右的周期信號主要表現在1976～1981年，且呈現偏少—偏多—偏少的振蕩規(guī)律，具體為1976年水稻相對氣象產量距平偏少，1977～1980年偏多，1981年又呈偏少特征。

年代際尺度特征，10年左右的振蕩信號主要表現在1970～1985年，水稻相對氣象產量距平呈現偏少—偏多的兩次周期振蕩；14～16年左右的振蕩信號比較強，等值線比較密集，在全域都有表現，但是1985年之前的振蕩比1985年之后的強，1985年之后的振蕩呈逐漸增強趨勢，水稻相對氣象產量存在偏多—偏少的4次振蕩，具體表現為1950～1957年偏多，1958～1965年偏少，1966～1973年偏多，1974～1981年偏少，1982～1988年偏多，1989～1996年偏少，1997～2002年偏多，2003～2010年偏少，且等值線閉合，預計2010年之后會出現水稻相對氣象產量偏多的情況。

由圖3b可以看出，2～4年的周期振蕩在1957年之前以及1975～1983年比較強，結合圖3a中的結果分析，2～4年左右的周期信號在1954年、1955年和1979年的周期比較明顯，周期特征顯著；6年尺度的周期振蕩在1957～1963年以及1976～1982年比較明顯，結合圖3a可以得出，1976～1982年的周期振蕩是通過檢驗的，周期性顯著；10年左右的周期振蕩在1970年之前比較強，結合圖3a可知，10年左右的周期振蕩信號沒有通過顯著性檢驗；14～16年左右的周期振蕩在1980年之前比較明顯，通過了95%置信水平的紅噪聲檢驗。

綜上所述，長江中下游地區(qū)水稻相對氣象產量的周期性特征主要表現出2～4年、6年、14～16年的周期振蕩，時域分布不均勻。

2.2.2 氣候變化波動的時頻變化特征 圖4為長江中下游地區(qū)水稻生長季內月平均氣溫距平的小波變換系數實數部分等值線圖和小波功率譜圖。由圖4a可以看出，水稻生長季內月平均氣溫距平波動的年際尺度主要表現在3～4年、6年和8年尺度的周期振蕩，且時域分布不均勻；年代際尺度主要表現在10和14～16年尺度的周期振蕩。

由圖4b可以看出，3～4年尺度的周期信號在1962～1970年、1989～1997年振蕩比較強，結合圖4a可知，3～4年尺度的周期信號在1962～1970年和1989～1997年周期性顯著；6年尺度的周期振蕩不強，在整個時間域上都沒有通過顯著性檢驗；8年尺度周期振蕩信號在1954～1960年比較強，結合圖3a可知，8年尺度的周期振蕩在1954～1960年通過了顯著性檢驗；10年左右的周期振蕩在2000～2008年比較強，結合圖3a可知，10年左右的周期振蕩在2000～2008年周期性比較明顯，通過了顯著性檢驗；14～16年尺度的周期振蕩比較弱，在整個時間域上都沒有通過顯著性檢驗（等值線的值均<1.0）。說明長江中下游地區(qū)生長季內的平均氣溫距平的周期性特征主要表現在3～4年、8年和10年尺度的周期振蕩，時域分布不均勻。

對長江中下游地區(qū)水稻生長季內月降水量距平的小波變換系數實數部分等值線圖和小波功率譜圖分析可以看出，水稻生長季內月降水量距平波動的年際尺度主要表現在1～2年、3～4年、6年和8年尺度的周期振蕩，時域分布不均勻；年代際尺度主要表現在10年、14年和18年尺度的周期振蕩。1～2年尺度的周期振蕩在1952～1957年、1966～1967年、1972年、1979～1982年以及1995～2002年比較強，其中1～2年尺度的周期信號在1952～1957年、1979～1982年以及1995～2002年的周期性比較明顯，周期特征顯著；3～4年尺度的周期信號在1951～1957年、1971～1986年以及2000～2005年的周期性比較明顯，通過了顯著性檢驗；6年尺度的周期振蕩在1966～1982年比較強，結合小波系數實數部分分析，此周期尺度上在時間的全域范圍內都沒有通過顯著性檢驗；8年尺度周期振蕩在1958～1961年比較強，8年尺度周期信號在1958～1961年顯著；10年左右的周期信號在1958～1978年的振蕩比較強，總結得出10年左右的周期信號只在1958～1978年顯著；14年以上尺度的周期振蕩比較弱，均未通過95%置信水平的紅噪聲檢驗。說明長江中下游地區(qū)水稻生長季內的降水量距平主要表現在1～2年、3～4年、8年和10年尺度的周期振蕩，時域分布不均勻。

對長江中下游地區(qū)水稻生長季內氣溫日較差距平的小波變換系數實數部分和小波功率譜分析可知，水稻生長季內氣溫日較差距平波動的年際尺度主要表現在1～2年、3～4年、6年和8年尺度的周期振蕩，時域分布不均勻；年代際尺度主要表現在14～16年尺度的周期振蕩。1～2年的周期振蕩在1955年之前、1957～1961年、1966～1967年、1972～1973年、1976～1982以及1984～1994年比較強，其中1～2年尺度的周期信號在1955年之前、1976～1982以及1984～1994年的周期特征顯著；3～4年尺度的周期信號只在1959年之前以及1971～1975年通過了檢驗， 3～4年尺度的周期振蕩在1959年之前周期效果明顯；6年尺度的周期振蕩在1961～1985年間比較強，通過了95%置信水平的紅噪聲檢驗；8年尺度的周期振蕩在1989年之前都比較強，結合小波系數實數部分分析結果可知，8年尺度周期信號主要在1963年之前以及1985～1989年顯著，周期特征明顯；14～16年尺度的周期振蕩在1956～1981年間比較強， 14～16年尺度的周期信號只在1956～1981年通過了顯著性檢驗，周期性強。說明長江中下游地區(qū)水稻生長季內氣溫日較差距平主要存在1～2年、3～4年、6年、8年以及14～16年尺度的周期振蕩，高頻部分比較明顯。

對長江中下游地區(qū)水稻生長季內≥10 ℃活動積溫距平的小波變換系數實數部分和小波功率譜分析可知，水稻生長季內≥10 ℃活動積溫距平波動的年際尺度主要表現在1～2年、3～4年、6年和8年尺度的周期振蕩，時域分布不均勻；年代際尺度主要表現在10年和14年左右尺度的周期振蕩。生長季內≥10 ℃活動積溫在高頻部分周期性比低頻明顯，具體表現為1～2年尺度的周期振蕩在1951～1954年、1958～1962年、1969～1972年、1974～1976年、1979～1982年以及1993～2004年比較強，其中1～2年尺度的周期信號在1951～1954年、1969～1972年及1993～1998年比較明顯，周期特征顯著；3～4年尺度的周期信號在1962～1970年、1975～1979年、1988～1995年通過了檢驗，周期性顯著；6年尺度的周期振蕩比較弱，均未通過95%置信水平的紅噪聲檢驗；8年尺度的周期振蕩在1954～1960年比較強，結合小波系數實數部分分析可知，8年尺度的周期信號在1954～1960年通過了顯著性檢驗；10年尺度的周期信號在2000～2008年振蕩比較強，10年尺度的周期信號在整個時域上沒有通過顯著性檢驗；14年尺度的周期信號在全時域的振蕩都不強，說明該周期尺度在整個時域中都不顯著。

長江中下游地區(qū)水稻生長季內≥10 ℃活動積溫距平的周期特征主要反映在高頻部分的1～2年、3～4年以及8年尺度上，低頻部分均未通過顯著性檢驗，同時將≥10 ℃活動積溫距平的小波變換與平均氣溫距平小波變換對比發(fā)現，它們的變換特征非常相似。

水稻相對氣象產量距平小波變換的周期特征與同期生長季內的平均氣溫、降水量、氣溫日較差以及≥10℃活動積溫距平的小波變換有某種相似性，有共同的3～4年和8年的周期振蕩，說明水稻產量變化與氣象變化可能存在某種周期頻率上的聯(lián)系，因此作水稻相對氣象產量與各氣候變量序列之間的交叉小波協(xié)譜圖和功率譜密度圖來進行進一步的分析。

2.3 水稻產量與區(qū)域氣候變化的相關性

2.3.1 水稻產量與水稻生長季內平均氣溫的時頻變化相關性 圖5為長江中下游地區(qū)水稻相對氣象產量距平與水稻生長季內平均氣溫距平的交叉小波協(xié)譜圖和功率譜密度圖，反映了長江中下游地區(qū)水稻產量與水稻生長季內平均氣溫之間的時頻相關分布特征。兩者的正相關關系表明水稻生長季內平均氣溫對水稻產量是促進作用，負相關則表示水稻生長季內平均氣溫出現不適宜水稻生產的情況。

圖5a表明，相對氣象產量與水稻生長季內平均氣溫之間的關系以正相關為主， 在局部時域中個別頻率尺度上兩者之間也存在負相關關系。兩者正相關振蕩主要表現在2～3年、4年和12年尺度的共振頻率上：2～3年尺度的正相關出現在1952～1955年和1962～1964年；4年尺度的正相關出現在1973～1983年；12年尺度正相關出現在1967～1974年和1990～1995年。兩者負相關振蕩主要表現在2～3年和8年尺度上：2～3年尺度的負相關表現在1956～1957年以及1982～1986年；8年尺度的負相關表現在1950～1974年。從圖5b可以看出，水稻相對氣象產量與水稻生長季內平均氣溫在頻率域中年際尺度周期上的相關程度明顯高于年代際尺度周期上的相關程度，2～3年、4年以及12年尺度是呈正相關的，其中以12年時間尺度上的正相關程度最大，4年時間尺度上的次之，在8年時間尺度上的負相關程度最大，兩者之間的相關關系也隨振蕩周期尺度的不同而不同。結合圖5a可以得出，水稻相對氣象產量與水稻生長季內平均氣溫之間存在2～3年、4年、8年和12年尺度的共振頻率，且相關程度最好的是8年尺度的負相關和12年尺度的正相關，4年尺度的正相關程度也比較明顯，2～3年尺度的相關程度不高。

2.3.2 水稻產量與水稻生長季內降水量的時頻變化相關性 長江中下游地區(qū)水稻相對氣象產量距平與水稻生長季內降水量距平的交叉小波協(xié)譜和功率譜密度反映了長江中下游地區(qū)水稻產量與水稻生長季內降水量之間的時頻相關分布特征。由分析可知，長江中下游地區(qū)水稻生長季內的降水量對水稻的產量影響不大，但是過量和持續(xù)的降水則會造成產量的降低，表現為兩者的負相關關系，而正常降水則會對產量產生正面影響，表現為兩者的正相關關系。

通過水稻相對氣象產量距平與水稻生長季內降水量距平的交叉小波協(xié)譜和功率譜密度分析可知，水稻相對氣象產量與水稻生長季內降水量之間的關系既有正相關關系，又有負相關關系。兩者正相關主要表現在2～4年、6年、8年和14～16年尺度的共振頻率上：2～4年尺度的正相關出現在1966～1975；6年尺度的正相關出現在1960～1968年；8年尺度的正相關出現在1966～1981年；14～16年尺度正相關出現在1974～2010年。兩者負相關主要表現在2～4年、6年和14年尺度上：2～4年尺度的負相關表現在1958年以前以及1975～1984年；6年尺度的負相關表現在1960～1983年；14年尺度的負相關主要表現在1957～1975年。通過交叉小波功率譜密度分析可知，水稻相對氣象產量與水稻生長季內降水量在頻率域中年際尺度周期上的相關程度明顯高于年代際尺度周期上的相關，2～4年、6年尺度是呈負相關的，8年、14～16年尺度是呈正相關的，其中以14～16年尺度上的正相關程度最大，2～4年尺度上的負相關程度最大，兩者之間的相關關系也隨振蕩周期尺度的不同而不同。綜合分析可知，水稻相對氣象產量與水稻生長季內降水量之間存在2～4年、6年、8年和14～16年尺度的共振頻率。

2.3.3 水稻產量與水稻生長季內氣溫日較差的時頻變化相關性 長江中下游地區(qū)水稻相對氣象產量距平與水稻生長季內氣溫日較差距平的交叉小波協(xié)譜和交叉小波功率譜密度反映了長江中下游地區(qū)水稻產量與水稻生長季內氣溫日較差之間的時頻相關分布特征。由分析結果可知，長江中下游地區(qū)水稻生長季內氣溫日較差與水稻產量整體是呈負相關的，因此，兩者的正相關表示水稻生長季內氣溫日較差偏小，沒有出現極端氣溫對水稻的傷害，有利于水稻產量的積累，而負相關則表示水稻生長季內氣溫日較差偏大，日最高氣溫或最低氣溫超過了水稻的適宜生長溫度，不利于水稻的生長發(fā)育，導致水稻產量偏低。

通過水稻相對氣象產量距平與水稻生長季內氣溫日較差距平的交叉小波協(xié)譜和功率譜密度分析可知，水稻相對氣象產量與水稻氣溫日較差之間的關系主要表現為正相關關系，局部也存在有負相關關系。兩者正相關振蕩主要表現在2～4年、6年和14～16年尺度的共振頻率上：2～4年尺度的正相關出現在除1969～1974年之外的全域范圍內，且1976～1982年表現比較明顯；6年尺度的正相關出現在1968～2010年，且在1978～1980年表現比較明顯；14～16年尺度正相關在全域都有表現，在1980年之前表現得比較強烈，且在1973～1979年表現比較明顯，等值線很密集，波幅中心出現在1962年左右。兩者負相關振蕩主要表現在2～4年、6年、8年和14年尺度上：2～4年尺度的負相關表現在1969～1974年，表現比較弱；6年尺度的負相關表現在1956～1967年；8年尺度的負相關主要表現在1986年之前，且1977年之前表現比較明顯，波幅中心在1955～1960年；14年尺度的負相關出現在1983年之后，表現不強。交叉小波功率譜密度分析表明，兩者在頻率域中年際尺度周期上的相關程度明顯低于年代際尺度周期上的相關，6年、8年尺度是呈負相關的，8年左右尺度的負相關最強，2～4年、14～16年尺度是呈正相關的，其中以14～16年尺度上的正相關程度最大，25年以后，周期尺度越大，相關性越不強，而且兩者之間的相關關系也隨振蕩周期尺度的不同而不同。綜合分析可知，兩者之間存在2～4年、6年、8年和14～16年尺度的共振頻率，總體的相關程度是最高的，其中14～16年尺度的正相關程度最高，8年左右尺度的負相關最大，2～4年和6年的相關程度不高。

2.3.4 水稻產量與水稻生長季內≥10 ℃活動積溫的時頻變化相關性 長江中下游地區(qū)水稻相對氣象產量距平與水稻生長季內≥10 ℃活動積溫距平的交叉小波協(xié)譜和功率譜密度反映了長江中下游地區(qū)水稻產量與水稻生長季內≥10 ℃活動積溫之間的時頻相關分布特征。水稻生長要求最低氣溫在10 ℃以上，整個生長季要求≥10 ℃的活動積溫達到一定的值，當水稻產量與水稻生長季內≥10 ℃活動積溫成正相關關系時表明水稻生長季內≥10 ℃活動積溫達到水稻生長的要求，負相關則表示水稻生長季內≥10 ℃活動積溫沒有滿足水稻生長的要求。

通過水稻相對氣象產量距平與水稻生長季內≥10 ℃活動積溫距平的交叉小波協(xié)譜和功率譜密度分析可知，兩者之間的關系以正相關為主，局部時域存在不同頻率尺度的負相關。兩者正相關振蕩主要表現在2～3年、4年、6年和12年尺度的共振頻率上：2～3年尺度的正相關出現在1955年之前、1962～1964年、1966～1975以及1990年之后，表現不強；4年尺度的正相關在全域都有表現，但在1975～1982年表現比較強，波幅中心在1978年左右；6年尺度的正相關出現在1995年之后，表現很不明顯；12年尺度正相關在全域都有弱表現。兩者負相關振蕩主要表現在2～3年和8年尺度上：2～3年尺度的負相關表現在1957年以及1983～1986年，表現很弱；8年尺度的負相關表現在1974年之前，表現比較明顯，且波幅中心出現在1960年左右。由交叉小波功率譜密度分析可知，在頻率域中年際尺度周期上的相關高于年代際尺度周期上的相關，2～3年、4年、6年、12年尺度是正相關，2～3年、8年尺度是呈負相關的，其中以12年時間尺度上的正相關程度最大，8年時間尺度上的負相關程度最大，兩者之間的相關關系也隨振蕩周期尺度的不同而不同。綜合分析可知，兩者之間存在2～3年、4年、6年、8年和12年尺度的共振頻率，12年尺度的正相關程度最大，8年尺度的負相關程度最大。

3 結論與討論

近60年來長江中下游地區(qū)的氣候變化趨勢與全國氣候變化一致，其中水稻生長季內平均氣溫和≥10 ℃活動積溫隨時間呈二次曲線變化；氣溫日較差呈減小趨勢；降水量與時間的相關性較差。水稻產量呈波動增長趨勢，波動特點明顯，出現了大量的豐歉年。

1）氣候變化對長江中下游地區(qū)水稻產量有一定的影響，水稻生長季內平均氣溫的升高和≥10 ℃活動積溫的增加對水稻產量是正面影響，氣溫日較差的增大則會導致產量下降，而降水量變化則與產量變化關系不大。

2）長江中下游地區(qū)水稻相對氣象產量與水稻生長季內的平均氣溫、降水量、氣溫日較差以及≥10 ℃活動積溫的時頻結構有一定的相似性，存在某些頻率尺度的顯著性變化周期，主要表現在高頻部分。

3）長江中下游地區(qū)水稻產量與水稻生長季內平均氣溫和≥10 ℃活動積溫之間存在多尺度的共振頻率，且在低頻部分的相關程度比高頻部分稍好，相關程度最好的是8年的反位相的振蕩和12年尺度的正位相振蕩。

4）長江中下游地區(qū)水稻相對氣象產量與水稻生長季內降水量之間存在2～4年、6年、8年和14～16年尺度的共振頻率，相關程度隨振蕩周期尺度的不同而不同，且總體相關程度較低。

5）長江中下游地區(qū)水稻相對氣象產量與水稻生長季內氣溫日較差之間存在2～4年、6年、8年和14～16年尺度的共振頻率，總體相關程度在所有與水稻產量進行交叉小波變換的變量中最高。

長江中下游地區(qū)水熱資源豐富，氣候變化對其影響比較明顯，影響機理比較復雜，長江下游地區(qū)靠近海岸的區(qū)域，受海陸氣候的影響比較大，特別是夏季太平洋西岸的熱帶高壓對其直接影響更導致了氣候變化的復雜性，同時城市化發(fā)展較快，城市“熱島效應”明顯，它們對水稻產量的影響還有待進一步研究，這對于估算水稻產量和提高水稻種植管理技術從而提高產量有重要意義。

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