范 野，舒海燕，陶 倩，李 凝，常相伊，謝 媛，常 宏

（阜新市氣象局，遼寧 阜新 123000）

氣候變化已經(jīng)成為了全球的熱點問題，特別是全球氣候變暖及極端天氣事件的增加，更加廣受關(guān)注。氣候變化的原因與氣候自身的變化規(guī)律密切相關(guān)，同時也與人類活動相關(guān)聯(lián)。氣候變暖對生態(tài)系統(tǒng)及春耕生產(chǎn)也產(chǎn)生了一定的影響，如區(qū)域性暴雨和區(qū)域性干旱最為常見，其發(fā)生的頻率和強度也呈增加趨勢，且中國的南北方表現(xiàn)不同。氣候變化對人們生產(chǎn)生活及社會可持續(xù)發(fā)展造成了多方面影響，特別對春耕生產(chǎn)及糧食作物的影響關(guān)系到人們的生活質(zhì)量及國家安全。所以，研究春播期氣候特征變化規(guī)律及其影響因子，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)民收入和人們的生活質(zhì)量都具有非常重要的意義。

國內(nèi)外許多氣象學(xué)者對氣候變化問題進(jìn)行了深入的研究，如Hulme［1］、Jones［2］等分別對20世紀(jì)以來全球陸面和北半球N 30°~85°的降水研究表明，降水量分別增加1%和7%~12%。施能等［3］研究了1920—2000年全球陸地降水后指出：全球降水有明顯的與2~7 a ENSO周期相吻合的變化周期。施能等［4］對中國20世紀(jì)年總降水量進(jìn)行研究，指出中國降水、氣溫在20世紀(jì)80年代的南北方顯著區(qū)別：東北暖略偏濕、華北暖干、長江中下游冷濕、西南冷干。周曉宇等［5］對1961—2009年遼寧省氣溫和降水研究顯示，春季平均氣溫呈升高趨勢，升溫速率為0.29 ℃/10 a；春季降水量呈增加趨勢，速率為1.99 mm/10 a。孫寶利等［6］對1961—2015年阜新地區(qū)氣候特征分析得出，春季平均氣溫呈升高趨勢，升溫速率為0.15 ℃/10 a；春季降水量呈增加趨勢，速率為2.72 mm/10 a。

朱艷峰等［7］對中國內(nèi)地降水與ENSO的關(guān)系進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在EI Ni?o期間，我國東北等東部地區(qū)降水偏多，發(fā)生洪澇的概率較高，而華北地區(qū)等中部地區(qū)降水偏少，發(fā)生干旱的概率較高。任國玉等［8］研究表明，遼寧西部春季降水相對增加。秦大河等［9］研究發(fā)現(xiàn)，1951—2000年中國年平均氣溫升高以北方為主，升溫速率為0.8 ℃/10 a。楊素英等［10］對1959—2003年東北地區(qū)春季降水進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)降水量呈增加趨勢，周期性變化明顯，且有東多西少的特征，西部易發(fā)生旱澇現(xiàn)象。孫風(fēng)華等［11］對我國東北地區(qū)氣溫進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)春秋冬三季增溫明顯。王錦貴等［12］對遼寧夏季旱澇的影響因子進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其與QBO、太陽活動、ENSO有密切的關(guān)系。

阜蒙縣位于遼寧省的西北部，是遼寧省的主要糧食產(chǎn)區(qū)，地形以低山丘陵為主，春季多干旱，占平年的34%。春播期農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受多種氣象要素影響，最主要的影響因子是溫、光、水，但這方面的研究不多，更沒有專門針對阜蒙縣春播期(4—5月)農(nóng)業(yè)氣候特征規(guī)律及其影響因子的研究。因此，筆者針對阜蒙縣春播期關(guān)鍵期的氣候特征變化規(guī)律及其影響因子進(jìn)行研究，了解其氣候特征及影響因子，用于當(dāng)?shù)貧庀蟛块T制作決策服務(wù)材料，服務(wù)當(dāng)?shù)卣?，適應(yīng)當(dāng)?shù)氐臍庀笞兓?guī)律，指導(dǎo)當(dāng)?shù)卮焊a(chǎn)，適時播種，趨利避害，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展等方面都具有重要的意義。

1 資料來源與方法

1.1 資料來源

本文應(yīng)用1951—2020年春播期(4—5月)降水量、平均氣溫、日照時數(shù)的日數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于阜蒙縣國家基本觀測氣象站。太陽黑子數(shù)、西太平洋副高面積指數(shù)(WPSHAI)、Ni?o 3.4指數(shù)、亞洲區(qū)極渦面積指數(shù)(APVAI)、北極濤動指數(shù)(AOI)的月數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于國家氣候中心發(fā)布的大氣環(huán)流指數(shù)。

1.2 分析方法

本文應(yīng)用氣候變化率、Mann-Kendall突變檢驗等方法［13］對阜蒙縣春播期氣候特征進(jìn)行趨勢及突變分析；應(yīng)用R/S分析法［14-15］對未來趨勢進(jìn)行分析；應(yīng)用Morlet小波分析法［16-17］對時間序列進(jìn)行周期性分析，其實部等值線能夠反映春播期氣候的多個時間尺度的振蕩周期；小波方差［18-19］曲線用來判斷時間序列的準(zhǔn)周期，且能根據(jù)能量強弱來判斷主周期和次周期。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象要素年和年代際變化

在氣溫方面，由圖1a可知，1951—2020年阜蒙縣春播期、4月和5月降水量都呈現(xiàn)增加趨勢，其氣候傾向率分別為2.589、0.272、2.317 mm/10 a；平均降水量分別為64.6、23.1、41.5 mm；峰值降水量分別 出 現(xiàn) 在1998年(156.2 mm)、1983年(107.8 mm)、2019年(132.6 mm)；谷值降水量分別出現(xiàn)在1960年(14.1 mm)、1965年(1.1 mm)、1980年(6.3 mm)。春播期、4月、5月的平均氣溫都呈現(xiàn)增加趨勢，其氣候傾向率分別為0.378、0.438、0.317 ℃/10 a；平均氣溫分別為13.5、9.7、17.3 ℃；峰值平均氣溫分別出現(xiàn)在2017年(15.9 ℃)、2017年(13.1 ℃)、2002年(20.2℃)；谷值平均氣溫分別出現(xiàn)在2013年(10.9 ℃)、1953年 (5.7 ℃)、1954年(14.6 ℃)。春播期、4月、5月日照時數(shù)的氣候傾向率分別為-1.156、-1.839、0.683 h/10 a；平均日照時數(shù)分別為736.1、343.9、268.9 h；峰值日照時數(shù)全部出現(xiàn)在2020年，分別為666.6、336.5、330.1 h，谷值日照時數(shù)全部出現(xiàn)在2010年，分別為373.7、185.8、187.9 h。

圖1 1951—2020年阜蒙縣春播期降水量、平均氣溫、日照時數(shù)的年變化(a)及年代平均變化(b)

由圖1b可知，1951—2020年阜蒙縣春播期降水量在2010 s最多(82.8 mm)，1960 s最少(57.9 mm)；4月降水量在1980 s最多(30.5 mm)，1990 s最少(15.1 mm)；5月降水量在2010 s最多(58.1 mm)，1980 s最少(33.3 mm)。春播期平均氣溫在2010 s最高(19.8℃)，1950 s最低(15.6 ℃)；4月平均氣溫在2010 s最高(10.7 ℃)，1950 s最低(7.9 ℃)；5月平均氣溫在2010 s最高(18.3 ℃)，1950 s最低(16.1 ℃)。春播期日照時數(shù)在2010 s最多(782.7 h)，1980 s最少(707.2 h)；4月日照時數(shù)在1950 s最多(256.6 h)，2000 s最少(230.5 h)；5月日照時數(shù)在2010 s最多(284.5 h)，1970 s最少(251.5 h)。

在降水方面，阜蒙縣春播期的降水與中國平均年降水變化趨勢相同，但降水增加速率低于國內(nèi)年平均增加速率(5.5 mm/10 a)，其中大旱年有1960年(14.1 mm)、2001年(19.5 mm)、2003年(18.2 mm)，合計降水量均不足20 mm；大澇年有1953年(119.7 mm)、1983年(125.4 mm)、1998年(156.2 mm)、2016年(141.3 mm)、2019年(134.8 mm)，最大值出現(xiàn)在1998年。阜蒙縣大田作物最優(yōu)春播期為4月下旬—5月上旬，若播種期出現(xiàn)旱澇，對作物的生長發(fā)育將帶來損害，造成作物減產(chǎn)。比如在2001年，全縣春播期降水量僅19.5 mm，比歷年同期(68.4 mm)少71%，且均為無效降水。全縣大田嚴(yán)重干旱面積占全部耕地面積的92%；全縣大田播種面積占實際應(yīng)播種面積的53%，出苗面積占播種面積的31%。由于春旱，播種期要比平年晚近2個月，生育期時間不足，使全縣糧食產(chǎn)量比平年減產(chǎn)39%。

在氣溫方面，阜蒙縣春播期平均氣溫升溫速率高于同期全球年平均升溫水平(0.15 ℃/10 a)，也高于中國年平均氣溫升溫速率(0.26 ℃/10 a)。近20 a(2001—2020年)是阜蒙縣有記錄以來最暖時期，同時也是中國的最暖時期。相關(guān)內(nèi)容參見《中國氣候變化藍(lán)皮書(2021)和(2022)》。阜蒙縣大田作物最佳生長期為4—9月，低溫凍害會將大田作物的組織凍傷或凍死，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來損失。例如2014年5月上旬，全縣出現(xiàn)低溫冷害現(xiàn)象，5月3—5日最低氣溫和地面溫度均在0~4.5 ℃之間，特別是5月6日出現(xiàn)最低氣溫-1.0 ℃，地面溫度為-0.8℃，前期已播種的大田作物受其影響，部分幼苗被凍傷或凍死，造成缺苗現(xiàn)象，局部受災(zāi)嚴(yán)重地區(qū)因此而毀種。

1951—2020年阜蒙縣春播期降水量與平均氣溫的變化趨勢與其他學(xué)者［5-6,8-11］的研究結(jié)果一致。

2.2 Morlet小波分析

本文應(yīng)用Morlet小波分析方法繪制了1951—2020年春播期各氣象要素的小波方差曲線，由圖2a可知，春播期降水量第1主周期為52 a左右，第2周期為18 a左右，還有6 a左右和31 a左右周期；4月降水量第1主周期為44 a左右，第2周期為21 a左右，還有5 a和12 a左右的周期；5月降水量第1主周期為34 a左右，第2周期為17 a左右，還有7 a左右周期。這個結(jié)果與施能等［3］研究的中國年降水有2~7 a周期相一致。

圖2 1951—2020年阜蒙縣春播期降水量(a)、平均氣溫(b)、日照時數(shù)(c)Morlet小波方差曲線

由圖2b可知，春播期平均氣溫第1主周期為28 a左右，還有41、7、14 a左右的周期；4月平均氣溫第1主周期為21 a左右，第2周期為41 a左右，還有5 a左右周期；5月平均氣溫第1主周期為28 a左右，還有7、13、60 a左右的周期；以上多數(shù)周期皆與7的倍數(shù)有關(guān)或相近。

由圖2c可知，春播期日照時數(shù)第1主周期為47 a左右，第2周期為30 a左右，還有4和41 a左右周期；4月日照時數(shù)第1主周期為33 a左右，第2周期為8 a左右，還有12 a左右的周期；5月日照時數(shù)第1主周期為47 a左右，第2周期為29 a左右，還有10 a左右的周期；以上多數(shù)周期皆與10~12 a(太陽黑子的周期)的倍數(shù)有關(guān)或相近。

2.3 Mann-Kendall突變檢驗

通過繪制1951—2020年春播期各氣象要素的Mann-Kendall突變檢驗曲線，由圖3a可知，春播期降水在0.05顯著水平之間有3個交點，配合Pettitt突變檢驗分析(圖略)，確定只有1954年發(fā)生了突變，突變后降水明顯減少；4月降水量在0.05顯著水平之間有多個交點，通過其他檢驗方法綜合分析，確定只有1987和2005年發(fā)生了突變，1987年突變后降水明顯減少，2005年突變后降水明顯增多；5月與春播期降水的突變時間相同(1954年)，且變化趨勢也相同。

圖3 1951—2020年阜蒙縣春播期降水量(a)、平均氣溫(b)、日照時數(shù)(c)Man-Mendall突變檢驗曲線

由圖3b可知，春播期平均氣溫在0.05顯著水平之間沒有交點，說明沒有突變現(xiàn)象發(fā)生，從1980 s開始呈現(xiàn)極顯著的上升趨勢，且UF曲線值逐漸超過2.56，說明上升趨勢極為顯著，超過了0.01顯著水平。

由圖3c可知，春播期日照時數(shù)在0.05顯著水平之間有多個交點，通過其他檢驗方法綜合分析，確定只有1954年發(fā)生了突變，突變后的日照時數(shù)明顯減少；4月日照時數(shù)在1958年發(fā)生了突變，突變后的日照時數(shù)逐漸減少；5月日照時數(shù)在1960年發(fā)生了突變，趨勢與上述相同。

2.4 未來趨勢變化

采用R/S重標(biāo)極差分形方法(當(dāng)0.5＜H＜1.0表示過去時間序列趨勢與未來變化趨勢一致；當(dāng)0＜H＜0.5時，表示未來變化趨勢與過去趨勢相反；當(dāng)H=0.5時，表示未來的變化趨勢不確定)，對1951—2020年春播期各氣象要素進(jìn)行未來趨勢分析，從R/S分形的計算結(jié)果(圖4和表1)可以發(fā)現(xiàn)，Hurst 指數(shù)均小于0.5，說明未來變化趨勢與1951—2020年這段時間的氣象要素趨勢是相反的。根據(jù)Hurst 指數(shù)大小，可以判斷未來趨勢變化的強弱。在所有的Hurst 指數(shù)中，4月平均氣溫Hurst 指數(shù)最大(最接近0.5)，說明其未來下降趨勢最弱；4月日照時數(shù)Hurst 指數(shù)最小，說明其未來上升趨勢最強。

表1 1951—2020年阜蒙縣春播期各氣象要素Hurst 指數(shù)及未來趨勢

圖4 1951—2020年阜蒙縣春播期降水量(a)、平均氣溫(b)、日照時數(shù)(c)的R/S趨勢

3 討論

3.1 春播期降水量的影響因子

從1951—2020年阜蒙縣春播期及各月降水量與太陽黑子數(shù)以負(fù)相關(guān)為主(圖略)，即太陽黑子數(shù)逐漸減少，則降水量逐漸增加，其相關(guān)系數(shù)分別為-0.268(0.05顯著水平)、0.012、-0.312(0.01顯著水平)；從表2上看，春播期降水量與各月太陽黑子數(shù)的Spearman相關(guān)系數(shù)基本上都是負(fù)相關(guān)關(guān)系，除1月外，均達(dá)到了0.05水平上的顯著相關(guān)，其中最大為4月(-0.307)，達(dá)到0.01水平的顯著相關(guān)；4月降水量與各月太陽黑子數(shù)的相關(guān)性均不顯著；5月均達(dá)到了0.05水平上的顯著相關(guān)，特別是與3—6月最為顯著，均達(dá)到了0.01顯著水平。這與周連童等［20］對我國華北地區(qū)春季降水與太陽黑子數(shù)的相關(guān)性研究結(jié)論基本一致，也與劉敏等［21］認(rèn)為鐵嶺春季降水時的結(jié)論相一致。另外，李輯等［23］認(rèn)為遼寧夏季降水與太陽黑子數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與本文的結(jié)論基本一致，馬曉剛等［23］認(rèn)為太陽活動與阜蒙縣夏季降水呈極顯著負(fù)相關(guān)。

表2 1951—2020年阜蒙縣春播期降水量與各月太陽黑子數(shù)的Spearman相關(guān)系數(shù)

從1951—2020年阜蒙縣春播期及各月降水量與WPSHAI的Pearson相關(guān)系數(shù)基本上都是正相關(guān)關(guān)系(圖略)，即隨著WPSHAI增加，降水量也增多，相關(guān)系數(shù)分別為0.371、0.092、0.359，有2個均超過0.01顯著水平。從表3可知，春播期降水量與各月WPSHAI的相關(guān)性均為正相關(guān)，上半年比下半年相關(guān)性強，上半年相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了0.01顯著水平，與1—3月WPSHAI的相關(guān)性更為顯著。4月降水量與WPSHAI的相關(guān)性總體不強，只有2月、3月的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.05顯著水平。5月降水量與WPSHAI相關(guān)顯著，具體情況與春播期基本相同。這與夏梅艷等［24］對遼寧春旱與氣候關(guān)系的研究結(jié)果相一致，也與劉敏等［21］得出鐵嶺春旱的氣候成因時的觀點一致。

表3 1951—2020年阜蒙縣春播期降水量與各月WPSHAI的Pearson相關(guān)系數(shù)

另外，從1951—2020年阜蒙縣春播期及各月降水量與Ni?o 3.4指數(shù)的相關(guān)系數(shù)(圖略)分別為0.054、-0.013、0.070，均不顯著。春播期及各月降水量與1—4月Ni?o 3.4指數(shù)都是呈正相關(guān)，特別是春播期降水量與1—2月Ni?o 3.4指數(shù)的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.314、0.315，達(dá)到了0.01的顯著水平。

3.2 春播期平均氣溫的影響因子

從1951—2020年阜蒙縣春播期及各月平均氣溫與WPSHAI的Spearman相關(guān)系數(shù)均為正相關(guān)關(guān)系(圖略)，相關(guān)系數(shù)分別為0.371、0.352、0.312，均超過0.01顯著水平。從表4可知，平均氣溫與WPSHAI的相關(guān)性在6—8月、2月最差，與其他月份基本上都為顯著相關(guān)。春播期平均氣溫與各月WPSHAI相關(guān)最為顯著的月份為12月，相關(guān)系數(shù)為0.521，達(dá)到了0.01的顯著水平，11月次之；與2月的相關(guān)性最差，6月次之。4月平均氣溫與各月WPSHAI的相關(guān)情況基本與春播期的相關(guān)情況相一致。5月平均氣溫與各月WPSHAI相關(guān)最為顯著的月份為10月，相關(guān)系數(shù)為0.353，達(dá)到了0.01的顯著水平，12月次之；與8月的相關(guān)性最差，6月次之。

表4 1951—2020年阜蒙縣春播期平均氣溫與各月WPSHAI的Spearman相關(guān)系數(shù)

從1951—2020年阜蒙縣春播期及各月平均氣溫與APVAI的Spearman相關(guān)系數(shù)基本上都為負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖略)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.473、-0.455、-0.328，均達(dá)到0.01顯著水平。從表5可知，春播期平均氣溫APVAI的相關(guān)最為顯著的月份為5月，相關(guān)系數(shù)為-0.372，6月次之，均達(dá)到了0.01的顯著水平；與冬季的APVAI相關(guān)性最差。4月平均氣溫與各月APVAI相關(guān)最為顯著的月份為4月和6月，相關(guān)系數(shù)均為-0.392，達(dá)到了0.01的顯著水平，5月次之；與冬季的APVAI相關(guān)性最差，秋季次之。5月平均氣溫與APVAI相關(guān)最為顯著的月份為5月，相關(guān)系數(shù)為-0.345，達(dá)到了0.01的顯著水平；與冬季的APVAI相關(guān)性最差，秋季次之。

表5 1951—2020年阜蒙縣春播期平均氣溫與各月APVAI的Spearman相關(guān)系數(shù)

另外，1951—2020年阜蒙縣春播期及各月平均氣溫與AOI為正相關(guān)關(guān)系(圖略)，Spearman相關(guān)系數(shù)分別為0.372、0.300、0.288，均超過0.05的顯著水平。春播期平均氣溫與當(dāng)月AOI的相關(guān)系數(shù)為0.346，4月平均氣溫與當(dāng)月AOI的相關(guān)系數(shù)為0.344，5月為0.357，均達(dá)到了0.01的顯著水平。馬曉剛等［25］研究北太平洋海溫對阜新氣溫的影響時發(fā)現(xiàn)二者之間相關(guān)系數(shù)較高，以春季和夏季相關(guān)最為顯著，其在太陽黑子谷值年周期內(nèi)的相關(guān)系數(shù)分別為0.94和0.96。

由于氣候情況的復(fù)雜性，春播期各氣象要素受諸多因素影響，還需更加全面和深入地研究，特別是日照時數(shù)方面尚沒有找到顯著影響因子，需多方面探討。

4 結(jié)論

研究1951—2020年阜蒙縣春播期及各月降水量、平均氣溫、日照時數(shù)規(guī)律及影響因子，得出的結(jié)論如下：

（1）從年際變化看，降水量和平均氣溫都呈現(xiàn)增加趨勢，此結(jié)論與其他學(xué)者［5-6,8-11］的研究結(jié)果相一致；而日照時數(shù)的變化趨勢基本相反；根據(jù)Hurst指數(shù)判斷，降水量、平均氣溫的未來趨勢均為下降，但并不顯著；日照時數(shù)的未來趨勢既有上升也有下降，總體為上升。從年代來看，降水量、平均氣溫、日照時數(shù)均在2010 s數(shù)值最高。

（2）春播期及各月降水量的第1主周期分別為52、44、34 a左右，還有5、6、7 a的周期，這與施能等［3］研究的中國年降水有2~7 a的變化周期相一致；春播期及各月平均氣溫的第1主周期分別為28、21、28 a左右，還有其他周期多數(shù)與7 a的倍數(shù)有關(guān)或相近；日照時數(shù)的第1主周期分別為47、33、47 a，還有其他周期多數(shù)與10~12 a的倍數(shù)有關(guān)或相近。

（3）春播期及各月降水量的突變年份分別為1954、1987和2005年，其中只有2005年是突變后降水量逐漸增多，其余各年皆為突變后降水量逐漸減少；平均氣溫沒有發(fā)生突變的情況，自1980 s開始其上升趨勢更加顯著；春播期及各月日照時數(shù)的突變年份分別為1954、1958、1960年，突變后日照時數(shù)均逐漸增加。

（4）春播期降水的影響因子有太陽黑子、WPSHAI、Ni?o 3.4，與其相關(guān)系數(shù)分別為-0.268、0.371、0.054，前2項均達(dá)到了0.05顯著水平，此結(jié)果與劉敏［21］、夏梅艷［24］等的觀點具有一致性；春播期及各月平均氣溫的影響因子有WPSHAI、APVAI、AOI，與其相關(guān)系數(shù)分別為0.371、0.473、0.372，均達(dá)到了0.01顯著水平。