劉迪 陶延懷 鄭文生

摘要?利用小波變換理論研究作物生長季溫度時間序列的多時間尺度變化及突變特征，以黑龍江省西部甘南縣54年生長季（5—9月）平均溫度為例進行研究，結(jié)果表明，生長季平均溫度呈上升態(tài)勢，生長季氣溫具有5、9、25和44年左右的周期。揭示出了黑龍江西部作物生長季平均溫度變化趨勢，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)充分利用熱量資源和挖掘農(nóng)作物生產(chǎn)潛力提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞?黑龍江西部;作物生長季;平均溫度;變化特征;小波分析;多時間尺度分析

中圖分類號?S162文獻標(biāo)識碼?A

文章編號?0517-6611（2020）07-0239-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.07.067

Analysis?of?the?Variation?Characteristics?of?Mean?Temperature?of?Crop?Growing?Season?in?the?Western?Heilongjiang?Province

LIU?Di1，2，TAO?Yanhuai1，2，ZHENG?Wensheng1，2

（1.?Heilongjiang?Provincial?Hydraulic?Research?Institute，?Harbin，Heilongjiang?150080;2.?Heilongjiang?Provincial?Key?Laboratory?of?Agricultural?Watersaving?Engineering?in?Cold?Region，?Harbin，Heilongjiang?150080）

Abstract?Based?on?growing?season（MaySeptember）?mean?temperature?time?series?of?Gannan?County?in?western?Heilongjiang?Province，?changes?in?multitime?scale?and?jump?characteristics?of?mean?temperature?time?series?had?been?probed?with?Morlet?wavelet?transform.?The?results?showed?that?the?mean?temperature?during?the?growing?season?was?increasing，?and?the?temperature?during?the?growing?season?had?periods?of?about?5，?9，?25，?and?44?years.This?study?revealed?the?average?temperature?change?trend?of?the?growing?season?of?crops?in?western?Heilongjiang，?and?provided?a?scientific?basis?for?agricultural?production?to?make?full?use?of?heat?resources?and?tap?the?potential?of?crop?production.

Key?words?Western?Heilongjiang?Province;?Crop?growing?season;Mean?temperature;?Variation?characteristics;Wavelet?transform;?Multitime?scales?analysis

基金項目?國家科技支撐計劃項目（2014BAD12B01）。

作者簡介?劉迪（1979—），男，黑龍江林甸人，高級工程師，碩士，從事農(nóng)業(yè)節(jié)水理論與節(jié)水技術(shù)研究。通信作者，高級工程師，博士，從事農(nóng)業(yè)節(jié)水理論與節(jié)水技術(shù)研究。

收稿日期?2019-10-10;修回日期?2019-11-07

溫度是農(nóng)作物生長的關(guān)鍵控制因子，特別是作物生長季溫度。作物生長季內(nèi)氣溫的高低既影響農(nóng)作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成，又制約著農(nóng)作物的地理分布。生長季平均氣溫既是表示作物生長季內(nèi)熱量資源的重要標(biāo)志，也是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵氣候因子。5—9月的平均溫度反映了供農(nóng)作物生長發(fā)育的熱量資源的多少。熱量資源是農(nóng)作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成必須的氣候指標(biāo)，質(zhì)量和數(shù)量具有時空差異，作物生育期內(nèi)熱量資源的多寡、穩(wěn)定程度和時空差異特征都影響農(nóng)業(yè)氣候帶分布、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特征、作物種植結(jié)構(gòu)、耕作栽培管理制度、品種分布、冷凍災(zāi)害程度及產(chǎn)量高低水平等。因此充分了解熱量資源條件，認識和掌握其時空分布特征，就可以充分利用氣候資源，防御自然氣象災(zāi)害，保證作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。為黑龍江西部糧食生產(chǎn)提供依據(jù)，制定科學(xué)合理的農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，應(yīng)掌握黑龍江西部生長季平均氣溫變化特征。因此，筆者采用甘南氣象資料研究生長季平均溫度的時間變化特征，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中充分合理利用熱量資源提供理論依據(jù)。

1?資料與方法

收集甘南站54年（1956—2009年）的玉米5—9月平均溫度資料。甘南縣位于黑龍江省西部齊齊哈爾地區(qū)，嫩江中游右岸，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季冷暖干濕分明;耕地面積198千hm2，以旱田為主。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，為了充分利用熱量資源，該研究分析甘南縣作物生長季（5—9月）平均溫度變化趨勢。

小波變換分析法是以短時傅立葉局部變換，建立隨頻率改變的“時間-頻率”關(guān)系模型，把時間序列參數(shù)分解為不同時間和頻率分項，達到展示復(fù)雜時間序列的變化規(guī)律，判斷溫度變化趨勢的內(nèi)在層次結(jié)構(gòu)，從而分辨不同尺度時間序列的演變特征規(guī)律。應(yīng)用小波變換分析方法，能夠掌握生育期平均溫度序列在不同時間尺度上周期結(jié)構(gòu)和異常變化的特征，為溫度發(fā)展趨勢預(yù)測提供科學(xué)依據(jù)[1-10]。

小波變換公式：

Wf（a，b）=|a|-1/2∫f（t）Ψ（t-ba）dt（1）

式中，a是頻率參數(shù)，b是時間參數(shù)（平移因子），Ψ（t）是母小波函數(shù)。

2?結(jié)果與分析

2.1?黑龍江西部生長季平均溫度的時間變化規(guī)律

根據(jù)1956—2009年甘南縣生長季平均溫度數(shù)據(jù)，甘南縣多年生長季平均溫度為18.03??℃，變化區(qū)間為16.10～19.94?℃，變異系數(shù)為4.45%。

由圖1來看，受全球變暖的大環(huán)境影響，甘南縣作物生長季（5—9月）平均氣溫呈上升趨勢，54年來平均氣溫的極差3.83?℃，線性趨勢線和0值的交點是1982年，線性趨勢從1982年開始已升到平均溫度的正距平區(qū)，在2000年平均氣溫為19.94?℃，達到最大，距平值為1.91?℃。分析年代際的變化規(guī)律可以看出，負距平區(qū)為1956—1960、20世紀(jì)60年代、70年代、80年代，距平值分別為-1.01、-0.47、-0.24、-0.17?℃，正距平區(qū)為20世紀(jì)90年代和2001—2009年，距平值分別為0.47和1.02?℃。

根據(jù)甘南縣1956—2009年5—9月平均溫度繪制生長季月平均溫度等值線，見圖2。從圖2可以看出，生長季月平均溫度等值線圖的高溫區(qū)域顯著增加，向上下兩側(cè)擴展，總體趨勢每個月份的溫度都呈上升態(tài)勢，尤其5和9月溫度升勢要高于其他幾個月份，從溫度上升對農(nóng)作物的生長具有促進作用的角度來看，溫度上升有助于農(nóng)作物的生長，延長了作物的生育期，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了有益的環(huán)境。

2.2?黑龍江西部生長季平均溫度時間序列多時間尺度變化特征

2.2.1?生長季平均溫度距平序列時頻分析。從甘南生長季平均溫度距平序列小波變換系數(shù)Wf（a，b）的模平方等值線（圖3a）可以看出，生長季平均溫度的小波變換系數(shù)信號能量變化最強的是35～50?年時間尺度，主要發(fā)生在1990—2008年，2005年是振蕩中心;信號能量變化較強的依次是4～6、17～35和6～10年時間尺度，4～6年時間尺度主要發(fā)生在1956—1962年，1957年左右是振蕩中心;17～35?年時間尺度信號主要發(fā)生在1956—1967和1975—2000年;6～10年時間尺度信號主要發(fā)生在2001—2008年;其余時間尺度信號能量變化則較弱。

從不同時間尺度條件下生長季溫度距平序列小波變換系數(shù)實部的變化規(guī)律（圖3b）可以看出，表現(xiàn)最為明顯的尺度分別是35～50、4～6和6～10年，35～50年時間尺度其中心時間為5年左右，4～6年時間尺度其中心時間為9年左右，6～10年時間尺度其中心時間為44年左右。另外，17～35年時間尺度也有表現(xiàn)，其中心時間尺度為25年左右。為了更直觀地分析甘南縣生長季平均溫度距平序列變化特性，在圖3b上分別選取時間尺度5、9、25和44年，作平行于橫軸（b軸）的直線，在直線上取點作小波變換系數(shù)實部隨年份變化曲線圖4。

從圖4a和b可以看出，5年時間尺度小波變換系數(shù)實部基本上是1～2年就要波動一次，9年時間尺度小波變換系數(shù)實部基本上是2～3年就要波動一次;從圖4c可以看出，25年時間尺度小波變換系數(shù)實部變化在1963—1969、1978—1986、1996—2002年為正位相，表示平均溫度偏高;而1962年以前、1970—1977、1987—1995、2003年以后為負位相，表示平均溫度偏低;平均溫度突變點在1962、1969、1978、1986、1996、2002年。從圖4d?可以看出，44年時間尺度小波變換系數(shù)實部變化在1963、1965—1979和1994—2008年為正位相，表示平均溫度偏高;而1962年以前、1964、1980—1993和2009年為負位相，表示平均溫度偏低;平均溫度正負位相轉(zhuǎn)變點在1963、1964、1979、1994、2008年。由5、9、25和44年時間尺度的變化趨勢看2009年后會繼續(xù)下降，可能很快就達到谷底，進入溫度上升期。

2.2.2?生長季平均溫度序列主要周期分析。

應(yīng)用小波方差圖分析甘南縣生長季平均溫度隨時間變化的主周期。用不同尺度下的小波變換系數(shù)繪制甘南縣生長季平均溫度距平序列小波方差（圖5）。由圖5可知，小波方差的主要峰值有4點，分別是5、9、25和44年，第一小波方差峰值為尺度a=44，說明周期振蕩最強的是44年左右的尺度，為第1主周期，第2主周期為9年，第3主周期為5年。25年左右的小波方差雖然也具有一定峰值，但不明顯。

3?結(jié)論

該研究基于小波變換理論和回歸分析的方法，對甘南縣1956—2009年作物生長季（5—9月）平均溫度時間序列進行分析，結(jié)果表明，54年來生長季平均溫度呈上升態(tài)勢，生長季月平均溫度也都呈上升態(tài)勢，尤其5和9月溫度升勢要高于其他幾個月份。通過小波變換分析方法，識別出甘南縣生長

季平均溫度序列可能具有4個主周期，分別是5、9、25和44

年左右的主周期。因此可以掌握未來甘南縣生長季平均

溫度的大致變化規(guī)律，根據(jù)熱量資源的多寡可持續(xù)利用氣候資源。

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