舒海燕,范 野,李 凝,陶 倩,楊曉彤,常相伊,孫 可

(阜新市氣象局,遼寧 阜新 123000)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)作物生長最敏感的因素是氣溫及降水,所以氣候變化對農(nóng)業(yè)影響巨大、所以探尋氣候變化規(guī)律,對合理利用氣候資源并根據(jù)氣候變化做出相應(yīng)農(nóng)作物品種等方面的調(diào)整都具有重要的意義。 近100 年來全球近地氣溫呈明顯的上升趨勢,特別是20 世紀(jì)90 年代增溫最為明顯[1]。 而降水方面,北半球中高緯度地區(qū)20 世紀(jì)降水每10 年增加0.5%～1%[2]。 很多研究表明,氣候變化是影響生態(tài)系統(tǒng)的主要因素,特別是受溫度升高的影響[3～7]。 如極端降水和極端氣溫的頻繁發(fā)生和強(qiáng)度增加,已經(jīng)對人們生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了較大的負(fù)面影響[8]。 對于降水方面,有專家預(yù)計,到本世紀(jì)中葉,亞洲地區(qū)大部分地區(qū)淡水供應(yīng)會出現(xiàn)短缺的現(xiàn)象[9]。 20 世紀(jì)90 年代,我國科學(xué)家計算并推斷了東亞和全國1991 ～2100 年氣候變化的情況,全國大部分地區(qū)氣溫將持續(xù)升高,降水也將不斷增加[10～11];東亞和全國的氣溫將較目前變暖1.4 ℃[12～14],降水將增加4%。 在全球氣溫變暖的情況下,極端天氣逐漸增多[15],處于敏感環(huán)境下的阜新地區(qū)氣候未來變化如何? 這一改變對未來農(nóng)業(yè)的影響是什么? 本文分析了1961～2022 年阜新地區(qū)的氣候變化及其對糧食產(chǎn)量的影響,以期更好地為當(dāng)?shù)卣疀Q策服務(wù)、為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域概況

阜新市位于遼寧省西北部,屬于中溫帶東部季風(fēng)氣候區(qū),夏季氣溫高,降水多,對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有利。 年平均氣溫為7.49～10.23 ℃之間,全年降水量主要集中在夏季,特別是7～8 月份。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

1961～2022 年阜新地區(qū)的氣象觀測數(shù)據(jù),包括國家級氣象站氣溫、降水及日照的月數(shù)據(jù)資料,來源于天擎氣象大數(shù)據(jù)云平臺,原始數(shù)據(jù)經(jīng)過質(zhì)量檢驗;1998 ～2022 年阜新地區(qū)的主要糧食作物(玉米)產(chǎn)量,數(shù)據(jù)來源于阜新市統(tǒng)計局。

1.3 研究方法

通過Damel 趨勢檢驗法來分析與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)的氣象要素的變化趨勢[16],并通過Spearman秩相關(guān)系數(shù)來進(jìn)行分析,從而判斷糧食產(chǎn)量與各氣象要素之間的相關(guān)性。設(shè)(x1,x2,…,xn),(y1,y2,…,yn),分別來自總樣本X及Y,則R(xi)及R(yi)分別表示xi及yi在(x1,x2,…,xn),(y1,y2,…,yn)中的秩,則X與Y的Spearman秩相關(guān)系數(shù)方程為:

其中di=R(Xi)-R(Yi),i=1,2,…,n。

將秩相關(guān)系數(shù)的絕對值|R(X,Y)|同Spearman秩相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計表中的臨界值Wp進(jìn)行比較,若|R(X,Y) |＞W(wǎng)p,表明變化趨勢具有顯著性;若|R(X,Y)|＜0,則說明糧食產(chǎn)量呈現(xiàn)下降(即減產(chǎn))趨勢,若|R(X,Y)|＞0,則表明糧食產(chǎn)量呈上升(即增產(chǎn))趨勢。

根據(jù)多元線性回歸分析方法,以及糧食產(chǎn)量和各氣象要素之間的線性關(guān)系,建立多元線性回歸模型,Y=a0+a1x1+a2x2+a3x3,式中a0、a1、a2、a3為回歸系數(shù),Y為糧食產(chǎn)量,x1為生長季平均氣溫,x2為生長季降雨量,x3為生長季日照時數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫的變化分析

對阜新地區(qū)1961 ～2022 年平均氣溫進(jìn)行趨勢分析,見圖1(a)。 阜新地區(qū)年平均氣溫整體呈上升趨勢,62 年上升了1.2 ℃。 年平均氣溫為8.1 ℃,與遼寧省常年氣溫(9.0 ℃)相比偏低0.9 ℃。 阜新地區(qū)以0.2 ℃/(10 年)的速率在升高,年平均氣溫變化存在明顯的差異,其中年平均氣溫最低值為6.3 ℃,出現(xiàn)在1969 年,年平均氣溫最高值為9.2 ℃,出現(xiàn)在2007 年。 氣溫年代變化特征為:20世紀(jì)60～80 年代、21 世紀(jì)10 年代初,氣溫呈現(xiàn)出相對的偏冷期,20 世紀(jì)90 年代到本世紀(jì)20 年代呈現(xiàn)相對偏暖期。

圖1 1961～2022 年平均氣溫的年變化(a)及月變化(b)Figure 1 Annual (a) and monthly (b) changes in mean temperature from 1961 to 2022

從月份上分析,見圖1(b),氣溫月際變化趨勢是自1月～7 月逐漸上升,從8 月開始依次下降。 最熱為7 月,月平均氣溫為24.5 ℃,極端最高氣溫40.9 ℃,大于30 ℃的日數(shù)為15 d;最冷月在1 月,月平均氣溫在-11.0 ℃。 各月氣溫變化速率不同,以3～4 月和10～11 月氣溫變化率最大,在8～10 ℃之間;7 月氣溫變化速率最小,在2 ℃以內(nèi)。

4 月為耕種期,月平均氣溫為10.1 ℃,氣溫≥ 10 ℃初日標(biāo)志玉米等大田農(nóng)業(yè)作物播種的時間。 在大多數(shù)情況下,月內(nèi)能上下化通,大地化通時間平均在4 月20 日。地中5 cm 深度穩(wěn)定在5 ℃的日期在4 月9 日,地中5 cm深度穩(wěn)定10 ℃的日期在4 月24 日。 5～9 月為農(nóng)作物生長期,5 月平均氣溫為17.5 ℃,最高氣溫可達(dá) 30 ℃以上;6～8 月平均氣溫為23.2 ℃,太陽輻射較強(qiáng),緯向熱力差異較小,利于農(nóng)作物生長,但會受地勢高低影響。 9 月由于氣溫下降,本月見霜,大部地區(qū)4 月中下旬終霜先后結(jié)束,全年平均無霜期為 158 d。 氣溫≥ 20 ℃標(biāo)志玉米等大田農(nóng)業(yè)作物處于生長期,終日標(biāo)志作物已成熟。 氣溫≥ 20 ℃的平均初日為6 月11 日,平均終日為9 月27 日。

2.2 降水的變化分析

對阜新地區(qū)1961 ～2022 年降水量進(jìn)行趨勢分析,見圖2(a)。 阜新地區(qū)年平均降水量變化不明顯,呈微弱的增加趨勢,平均每10 年增加1.34 mm,降水量年際間波動很大。 阜新地區(qū)平均年降水量為501.0 mm,與遼寧省常年平均降水量(634.6 mm)相比偏少27%。 阜新地區(qū)年降水量在294～930 mm 之間,自北向南、自西向東遞增。 各地年最多與最少降水量相差很大,一般年最多降水量是年最少降水量的2 ～3 倍。 其中2011 年降水量不足300 mm; 2022 年 為 阜 新 的 豐 水 年, 年 降 水 量 達(dá)920.6 mm,創(chuàng)自建氣象站以來的歷史極值;1994 年次之,降水量為775.2 mm,最小年為 294.3 mm(2011 年)。 年代降水量主要變化特征為:20 世紀(jì)80 年代初降水呈現(xiàn)短暫而明顯的偏少,本世紀(jì)初降水也明顯偏少,2010 年降水開始逐漸向平均水平恢復(fù)。 其中,1980～1993 年及2000～2011 年是降水低值期。

圖2 1961～2022 年降水量的年變化 (a)及月變化(b)Figure 2 Annual (a) and monthly (b) changes in precipitation from 1961 to 2022

從月份上分析,見圖2(b),阜新地區(qū)降水量的各月變化呈單峰型。 降水量由2 月開始逐漸增加,7 月達(dá)到最高值,為139.2 mm,占全年總量的27.7%,比整個春季的降水量都多,降水日數(shù)一般為14 d,最多年份達(dá)21 d;8 月降水開始逐漸減少,9 月降水明顯減少,相比8 月減少150%左右;到翌年1 月達(dá)到最低值,月平均降水量為2.1 mm。降水量最多的旬出現(xiàn)在7 月下旬或8 月上旬,最少出現(xiàn)在12 月下旬或1 月上旬。

4 月下旬～5 月上旬為春播關(guān)鍵期,降水量偏少,4～5月平均降水量為63.3 mm,約占全年降水量12.6%。 6～8月為作物生長期,氣候特征是雨量充沛,是暴雨、強(qiáng)對流天氣(雷雨大風(fēng)、冰雹)的多發(fā)時段,對作物的豐欠影響較大。 6～8 月平均降水量為366.9 mm,占全年的67.27%,其中7～8 月約占全年降水量的50%。 9 月份降水量在20～250 mm 之間,平均為85.3 mm,約占全年的17.1%。

2.3 日照時數(shù)的變化分析

對阜新地區(qū)1961 ～2022 年日照時數(shù)進(jìn)行趨勢分析,見圖3(a)。 阜新地區(qū)日照時數(shù)年際間差異較大,年變化總體呈增加趨勢,變化速率為9.0 h/10 年。 阜新地區(qū)平均年日照時數(shù)為2 700.0 h。 年代變化特征為:20 世紀(jì)70年代至90 年代中期出現(xiàn)日照時數(shù)偏少期,20 世紀(jì)60 年代初、90 年代末到本世紀(jì)初日照時數(shù)出現(xiàn)偏多期。 另外,2020 年開始日照時數(shù)出現(xiàn)異常,2020 年異常偏多,成為歷史最高值3 498.5 h;2021 年又異常偏少,成為歷史最低值2 355.3 h。 異常的原因可能與氣溫和降水有關(guān),也可能與太陽黑子的變化有關(guān)。

圖3 1961～2022 年日照時數(shù)的年變化 (a)及月變化(b)Figure 3 Annual Change (a) and monthly change (b) of sunshine duration from 1961 to 2022

從月份上分析,見圖3(b),阜新地區(qū)日照時數(shù)的各月變化呈雙峰型,其中5 月和9 月呈現(xiàn)兩個峰值,約占全年日照時數(shù)的20%以上。 隨著太陽的南移,12 月到達(dá)南回歸線,此時阜新地區(qū)日照時數(shù)最少,1 月開始逐漸增加,5月達(dá)到第一個峰值;6～8 月隨著降水的增加,日照時數(shù)減少,9 月秋季到來,降水減少,日照時數(shù)隨之增多,達(dá)到了第二個峰值;10 月隨著太陽繼續(xù)向南移動,日照時數(shù)明顯減少。 其中,冬至日為日照時數(shù)最短的一天,夏至日為日照時數(shù)最長的一天。

5～9 月多年平均太陽輻射量為3.1×108J/m2,農(nóng)作物生育期間生理輻射量為1.6×108J/m2,占全年生理輻射的55%。 阜新地區(qū)太陽輻射和光照條件是全省最好地區(qū)之一。

2.4 氣象要素與糧食產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系

從表1 可見,平均氣溫與日照時數(shù)成正相關(guān)關(guān)系,且相關(guān)性是顯著的;平均氣溫、日照時數(shù)與降水量皆成反相關(guān)關(guān)系,且相關(guān)性也是顯著的,說明降水天氣對氣溫和日照有明顯的影響。 從圖4(a)可見,平均氣溫與糧食產(chǎn)量總體呈反相關(guān)關(guān)系,應(yīng)用Matlab 軟件中的corrcoef 函數(shù)計算得出,相關(guān)系數(shù)r=0.516,p=0.004;通過了99%的顯著性檢驗。 從圖4(b)可見,降水量與糧食產(chǎn)量呈明顯的正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)r=0.685,p=0.000,通過了99%的顯著性檢驗。 從圖4(c)可見,日照時數(shù)與糧食產(chǎn)量總體呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)r=0.519,p=-0.004,通過了99%的顯著性檢驗。 從各氣象要素與糧食產(chǎn)量的關(guān)系可以看出,降水在糧食產(chǎn)量中占主要作用。

表1 阜新地區(qū) 1998～2022 年生長季各氣象要素及糧食產(chǎn)量間的相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation coefficient between meteorological factors and grain yield in the growing season of 1998～2022 in Fuxin

圖4 1998～2022 年糧食產(chǎn)量與平均氣溫(a)、降水量(b)、日照時數(shù)(c)的相關(guān)關(guān)系Figure 4 Correlation of grain production with mean temperature (a), precipitation (b) and Sunshine Hours (c)from1998 to 2022

2.5 應(yīng)用回歸方程對糧食產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測

通過matlab 對糧食產(chǎn)量與各氣象要素建立的多元線性回歸模型進(jìn)行計算,得出回歸系數(shù)a0=32.907、a1=-0.980、a2=0.027、a3=-0.004,T檢驗值分別為0.715、-0.449、3.692、-1.747,P值分別為0.483、0.658、0.001、0.095,說明得出的降雨量系數(shù)應(yīng)用性強(qiáng),達(dá)到了99%的可信度,最終確定糧食產(chǎn)量預(yù)測方程為,Y= 32.907-0.98x1+0.027x2-0.004x3,模型的R值為0.77,F檢驗值為10.202,p=0.000,說明模型的可用性較強(qiáng)。

效果檢驗,把2022 年氣象數(shù)據(jù)代入到方程,得出的預(yù)測值Y與實測產(chǎn)量相比較,絕對誤差2.1 億kg,相對誤差8.2%,有一定的應(yīng)用價值,還需不斷完善。 預(yù)測誤差比較大的原因為,糧食產(chǎn)量不完全受氣象因素影響,還受糧食種植面積、種子、化肥等因素的影響,從圖4 可以看出,糧食產(chǎn)量逐漸增加的趨勢比較明顯,說明科技對糧食產(chǎn)量的影響也不容忽視。

4 結(jié)論

1961～2022 年阜新地區(qū)平均氣溫整體呈上升趨勢,62年上升了1.2 ℃,年平均氣溫為8.1 ℃。 最冷月在1 月,平均氣溫為-11.0 ℃;最熱月在7 月,平均氣溫為24.5 ℃。 各月氣溫變化速率不同,以3～4 月和10～11 月氣溫變化率最大,7 月變化率最小。 4 月平均氣溫為10.1 ℃,大地化通時間平均在4 月20 日。 地中5 cm 深度穩(wěn)定在5 ℃的日期在4 月9 日,地中5 cm 深度穩(wěn)定10 ℃的日期在4 月24 日。 玉米成熟所需氣溫≥ 20 ℃的平均初日為6 月11 日,平均終日為9 月27 日。 9 月見霜,4 月終霜,全年平均無霜期為 158 d。

1961～2022 年阜新地區(qū)年平均降水變化呈微弱增加趨勢,年際間降水量差別較大, 年平均降水量為501.0 mm。 降水主要集中在6 ～8 月,平均降水量為366.9 mm,占全年的67.3%,7～8 月降水量約占全年降水量的50%。 降水量的各月變化呈單峰型。 7 月最多,1 月最少。 降水量最多的旬出現(xiàn)在7 月下旬或8 月上旬,最少出現(xiàn)在12 月下旬或1 月上旬。

1961～2022 年阜新地區(qū)年日照時數(shù)整體變化呈增加趨勢,變化率為9.0 h/10 年, 年平均日照時數(shù)為2 700.0 h。 年代變化特征為:20 世紀(jì)70 年代至90 年代中期出現(xiàn)日照時數(shù)偏少期,20 世紀(jì)60 年代初、90 年代末到本世紀(jì)初日照時數(shù)出現(xiàn)偏多期,2020 年出現(xiàn)異常,突然出現(xiàn)明顯增多。 從月份上看,5 月和9 月日照時數(shù)最多,12 月最少。 5 ～9 月年平均太陽輻射量為3.1×108J/m2,農(nóng)作物生育期間生理輻射量為1.6×108J/m2,占全年生理輻射的55%。

阜新地區(qū)1986～2022 年生長季(5～9 月)平均氣溫與糧食產(chǎn)量總體呈反相關(guān)關(guān)系,降水量與糧食產(chǎn)量呈明顯的正相關(guān)關(guān)系,日照時數(shù)與糧食產(chǎn)量總體呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;其中,降水在糧食產(chǎn)量中占主要作用。

得出糧食產(chǎn)量與氣象要素之間的預(yù)測方程,Y=32.907-0.98x1+0.027x2-0.004x3,絕對誤差2.1 億kg,相對誤差8.2%,經(jīng)F檢驗,P=0.000,說明此預(yù)測模型的實用性較強(qiáng)。