胡園春， 張紅艷

(1.山東省棗莊市嶧城區(qū)氣象局，山東 嶧城 277300； 2.山東省棗莊市氣象局，山東 棗莊 277800)

氣溫變化將改變農(nóng)業(yè)熱量資源，對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)產(chǎn)生重要的影響，尤其是改變農(nóng)作物品種結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量和種植制度等[1-4]。IPCC第 5 次評(píng)估報(bào)告[5]認(rèn)為, 氣候變暖可能有利于作物增產(chǎn),尤其是在中高緯度地區(qū)。研究表明, 中國(guó)的氣候變暖與全球變暖同步, 但平均增溫速率明顯高于同期全球或北半球[6-8]的增溫速率。

山東地區(qū)位于中國(guó)華東地區(qū)北部，屬溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，是典型的氣候脆弱區(qū)和受全球氣候變暖影響最為敏感的地區(qū)之一[9-10]，因此許多學(xué)者對(duì)山東地區(qū)的氣候變化特征做了大量的研究[11-13]。胡桂芳等[14]利用濟(jì)南和青島近百年的逐月溫度資料研究，發(fā)現(xiàn)近百年來(lái)山東的氣溫變化與全國(guó)氣溫變化的平均狀況大致相似，但在具體變化過(guò)程及幅度上又有明顯差異。廉麗姝等[15]根據(jù)1961—2001 年山東省 60 個(gè)氣象站的氣溫與降水資料研究發(fā)現(xiàn)，該階段山東省年平均氣溫有顯著的上升趨勢(shì)，但增溫趨勢(shì)有明顯的季節(jié)非對(duì)稱性，其中以冬季氣溫增幅最大，年平均氣溫的演變表現(xiàn)出明顯的階段性和周期性的基本特點(diǎn)。王常山等[16]根據(jù)1961—2011年山東地區(qū)17個(gè)氣象站的氣溫資料研究發(fā)現(xiàn)，近50年來(lái)山東地區(qū)氣溫變化過(guò)程具有顯著階段性，而不是單調(diào)遞增；山東地區(qū)增溫主要發(fā)生在最近20余年內(nèi)；山東地區(qū)氣候變暖的區(qū)域差異比較明顯。以上研究對(duì)正確認(rèn)識(shí)山東地區(qū)氣候變化規(guī)律具有重要意義，但是對(duì)某一具體地區(qū)氣候變化的具體差異特征及氣溫變化具體過(guò)程的研究則較少。

魯南地區(qū)面積占山東省面積近三分之一，人口數(shù)超過(guò)山東省總?cè)丝跀?shù)的三分之一。棗莊市作為魯南地區(qū)的代表城市，屬于中緯度暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，地勢(shì)北高南低，東高西低，地形高度自東北向西南傾斜降低。受地理?xiàng)l件和季風(fēng)等因素影響，棗莊市自然條件比較優(yōu)越。根據(jù)歷史氣象資料，棗莊市年平均氣溫13.2～14.2 ℃，年平均降水量約 800 mm，≥20 ℃ 的積溫總量在3 000 ℃·d左右，無(wú)霜期在200 d左右，光熱條件基本能保證作物一年兩熟。

農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育強(qiáng)烈依賴氣象條件和氣候資源。有利的氣象條件能促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育；反之則會(huì)延緩農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育。各種農(nóng)作物年度的豐歉在很大程度上取決于氣象條件的綜合影響。在眾多氣候資源中，熱量資源與農(nóng)作物的生產(chǎn)關(guān)系最密切。

本文在前人研究基礎(chǔ)上，選擇棗莊作為魯南地區(qū)代表，分析了1977—2016年棗莊地區(qū)5個(gè)氣象站的氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù),5個(gè)氣象站的地理位置見(jiàn)圖1。首先對(duì)5個(gè)站的氣溫進(jìn)行平均，采用小波分析法、線性擬合法，分析了棗莊地區(qū)近40年的年平均氣溫、季平均氣溫的變化特征，并分析了與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更密切的高溫日數(shù)和積溫變化特征，這些研究可為提高氣候資源利用率，更科學(xué)合理地規(guī)劃魯南地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 數(shù)據(jù)和研究方法

選取1977年—2016年棗莊地區(qū)的5個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站(見(jiàn)表1)年平均氣溫、季平均氣溫、年高溫日數(shù)和積溫等數(shù)據(jù)。文中所用氣象資料均由表1中的5個(gè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均獲得。

圖1 棗莊地區(qū)5個(gè)氣象站地理位置圖Fig.1 Geographic locations of 5 meteorological stations in Zaozhuang area

臺(tái)站名稱①緯度②經(jīng)度③資料起止時(shí)間④臺(tái)兒莊⑤34°34′117°44′1977—2006年薛城⑥34°47′117°17′1977—2006年棗莊⑦34°52′117°35′1977—2006年嶧城⑧34°45′117°34′1977—2006年滕州⑨35°06′117°12′1977—2006年

注：由于各站建站年代不同，為了統(tǒng)一性，均采用1977—2006年的觀測(cè)資料。

Note: Due to the fact that each station is established in different age, observationdata from 1977 to 2006 is used for uniformity.

①Station name；②Latitude；③Longitude；④Data start and end time；⑤Taierzhuang；⑥Xuecheng；⑦Zaozhuang；⑧Yicheng；⑨Tengzhou

氣象觀測(cè)資料時(shí)間序列是高度非平穩(wěn)的，傳統(tǒng)的時(shí)間序列分析方法無(wú)法取得高精度的變化趨勢(shì)。小波分析法是一種能同時(shí)在時(shí)域和頻域上進(jìn)行分析的數(shù)學(xué)方法，具有多分辨率分析的特性，是一個(gè)強(qiáng)有力的統(tǒng)計(jì)工具。該方法最早使用在信號(hào)處理與分析領(lǐng)域中，各種氣象因子可以看作是隨時(shí)間有周期性變化的信號(hào)。因此小波分析法同樣適用于氣候?qū)W研究領(lǐng)域，從而對(duì)氣候變化過(guò)程中各氣象要素隨時(shí)間變化進(jìn)行分析。本文利用小波分析法對(duì)原始?xì)鉁財(cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了平滑處理，可更好地分析近40年棗莊地區(qū)的氣溫變化特征。

通過(guò)對(duì)平滑后的氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合獲得溫度的變化趨勢(shì)。氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù)的初始信號(hào)可以利用小波按照以下的形式來(lái)變換：

s=s1+d1，s1=cA1×φ，d1=cD1×ψ。

(1)

其中：s為反映溫度平均水平的低頻部分；d為反映細(xì)節(jié)變化的高頻部分；A1和D1為系數(shù)矩陣；φ和ψ為低通濾波和高通濾波。如果繼續(xù)按照上述方法來(lái)分解并且不斷重復(fù)，原始數(shù)據(jù)最終將會(huì)被分解為多層。因此，上述多分解過(guò)程可以被表示為：

s=s1+d1=(s2+d2)+d1=…=sj+∑dj

。

(2)

sj被稱為主波數(shù)據(jù)，隨后對(duì)平滑后的主波數(shù)據(jù)sj進(jìn)行線性擬合，用來(lái)分析棗莊市的溫度變化趨勢(shì)。線性擬合函數(shù)可以表示為sj=a×x(t)+b(t=1,2,…,n)，按最小二乘法可得系數(shù)a和常數(shù)b。其中a代表了溫度的變趨勢(shì)，計(jì)算方法如下：

(3)

式中a值的正負(fù)表示該積溫序列隨時(shí)間變化的方向;正值表示氣溫隨時(shí)間有增加的趨勢(shì);負(fù)值則表示趨于減小；a的絕對(duì)值大小表示變化的快慢程度。把a(bǔ)×10 年稱作氣候傾向率，單位：℃/10a。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度年均值和季節(jié)均值變化特征分析

按照實(shí)際情況，利用小波分析法將氣溫年均值的原始數(shù)據(jù)做了兩級(jí)分解。獲得的主波數(shù)據(jù)即濾除了高頻雜波的數(shù)據(jù)，可以反映原始數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)。圖2給出了1977—2016年共40年間棗莊市氣溫年均值的變化趨勢(shì)。

(黑點(diǎn)和細(xì)實(shí)線表示棗溫度日均值的原始數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)；細(xì)虛線為小波分解后的主波數(shù)據(jù)；粗虛線表示整體和不同階段氣溫的變化趨勢(shì)。The black dots and thin solid line represent the origin data, fine dash line represent the variation trend of main wave； Thick dash line represent the variation trend of entire and different stage.)

圖2 1977—2016年棗莊市氣溫年均值變化趨勢(shì)
Fig.2 Variation trend of annual mean air temperature at Zaozhuang area from 1977 to 2016

從圖2看出，近40年來(lái)?xiàng)椙f市氣溫呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，溫度變化的傾向率為0.29℃/10a。不同年代呈現(xiàn)出減-增-減-增的趨勢(shì)。1977—1983年和2000—2010年，棗莊市氣溫呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，溫度變化的傾向率分別為-0.92和-0.51 ℃/10a；1984—1999年和2011—2016年，棗莊市氣溫呈現(xiàn)上升趨勢(shì),溫度變化的傾向率分別為0.83和1.89 ℃/10a。

不同年代棗莊市氣溫變化的傾向率見(jiàn)表2，從表中可見(jiàn)近年來(lái)?xiàng)椙f市氣溫上升明顯。在計(jì)算不同階段氣溫變化的傾向率時(shí)，相關(guān)系數(shù)都要高于計(jì)算整體傾向率時(shí)的相關(guān)系數(shù)，說(shuō)明本文對(duì)不同溫度變化階段的劃分是合理的。

棗莊市春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)溫度變化趨勢(shì)見(jiàn)表2和圖3，在全球變暖的背景下，棗莊市四個(gè)季節(jié)的溫度均值都呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，其變化傾向率分別為0.64, 0.12, 0.22和0.11 ℃/10a。其中春季的增溫最為明顯，溫度變化的整體傾向率為0.64 ℃/10a，溫度增高趨勢(shì)會(huì)加速小麥的生育進(jìn)程，尤其是抽穗、灌漿時(shí)溫度偏高會(huì)縮短后期的生育進(jìn)程，降低千粒重，進(jìn)而影響小麥的產(chǎn)量。除了夏季外，其余三個(gè)季節(jié)的溫度均值都表現(xiàn)出與年均值同樣的變化趨勢(shì)：減-增-減-增，并且不同的變化趨勢(shì)對(duì)應(yīng)的年份也比較類似。2014年以來(lái)，春、秋、冬三個(gè)季節(jié)的溫度均值都呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，溫度變化的傾向率分別為4.47、4.15和6.21 ℃/10a，其中冬季溫度的上升趨勢(shì)最為明顯，不利于小麥的安全越冬，也增加了小麥病蟲害的防治難度。

表2 1977—2016年棗莊市年平均、季節(jié)平均氣溫的變化傾向率Table 2 Variation rate of annual and seasonal mean air temperature at Zaozhuang area from 1977 to 2016

Note:①Year;②Variation rate

2.3 高溫日數(shù)及積溫變化分析

極端高溫和積溫是與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)系更密切的2個(gè)氣象要素，因此本文對(duì)這2個(gè)氣象要素進(jìn)行分析。

近年來(lái)，全球頻發(fā)的極端高溫事件會(huì)造成農(nóng)作物植株、果實(shí)的灼傷，不利于農(nóng)作物的授粉受精，甚至?xí)鸶珊祵?duì)農(nóng)作物的產(chǎn)量帶來(lái)影響。因此本文對(duì)棗莊市1977—2016年每年日最高氣溫超過(guò)35 ℃的天數(shù)(高溫日數(shù))進(jìn)行分析。圖4給出了棗莊市1977—2016年每年高溫日數(shù)的變化趨勢(shì)。從圖中可以看出，無(wú)論是原始數(shù)據(jù)，還是小波分解出的主波數(shù)據(jù)，都表現(xiàn)出波動(dòng)上升的趨勢(shì)，高溫日數(shù)變化的傾向率為1.70 d/10a?？梢酝茰y(cè)高溫日數(shù)的增加趨勢(shì)還會(huì)繼續(xù)保持下去，因此需要加強(qiáng)對(duì)極端高溫的預(yù)防和應(yīng)對(duì)策略的制定。

圖3 1977—2016年棗莊市氣溫四個(gè)季節(jié)平均值變化趨勢(shì)(單位：℃/10a)Fig.3 Variation trends of four seasonal mean air temperatures in Zaozhuang area from 1977 to 2016(Unit: ℃/10a)

圖4 1977—2016年棗莊市每年高溫日數(shù)的變化趨勢(shì)Fig.4 Variation trend of high temperature days at Zaozhuang area from 1977 to 2016

積溫是衡量農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育階段熱量條件的重要指標(biāo)，也是衡量農(nóng)業(yè)氣候條件和資源的主要指標(biāo)。在一定溫度范圍內(nèi)，氣溫與農(nóng)作物發(fā)育速度成正相關(guān)，并且要積累到一定的溫度總和農(nóng)作物才能完成其發(fā)育期。作為重要的氣候資源, 積溫與其他資源的區(qū)別在于存在很大的地域差異和時(shí)間變化。農(nóng)作物完成某一階段或整個(gè)生育期的生長(zhǎng)發(fā)育需要一定的積溫。積溫的多少會(huì)對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量和質(zhì)量以及作物本身全部生命過(guò)程產(chǎn)生影響。圖5為1977—2016年棗莊地區(qū)≥20 ℃積溫的變化特征?？梢钥闯?，近40年棗莊地區(qū)積溫呈上升趨勢(shì)，傾向率為90 ℃·d/10a。其中1977—1983年、1990—1997年及2007—2016年棗莊地區(qū)積溫都呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，傾向率分別為570，500和290 ℃·d/10a。根據(jù)2007—2016棗莊地區(qū)≥20 ℃積溫的變化趨勢(shì)，可以推測(cè)未來(lái)幾年棗莊地區(qū)積溫仍會(huì)呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。

2.4 農(nóng)業(yè)應(yīng)對(duì)措施分析與建議

(1)引進(jìn)推廣優(yōu)質(zhì)抗逆境強(qiáng)的品種。小麥推廣半冬性強(qiáng)的品種，玉米推廣耐高溫、耐密植、產(chǎn)量穩(wěn)定的品種，奠定農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)遺傳基礎(chǔ)。

(2)優(yōu)化作物種植模式。采用小麥-玉米、小麥-大豆、小麥-雜糧等種植模式，優(yōu)化作物布局，充分利用光、溫等氣候資源。

(3)采用先進(jìn)適用種植技術(shù)。采用小麥寬幅精播、玉米一增四改、溫室智能化控制等技術(shù)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)氣候逆境的科技應(yīng)對(duì)水平。

(4)加強(qiáng)農(nóng)業(yè)異常氣候預(yù)警應(yīng)對(duì)。完善氣象與農(nóng)業(yè)、水利、國(guó)土等部門的協(xié)作機(jī)制，提升異常氣候的發(fā)布效率，提高農(nóng)民對(duì)異常氣候的重視程度和農(nóng)業(yè)災(zāi)害的防控能力。

圖5 棗莊市1977—2016年≥20℃的積溫的變化趨勢(shì)

3 討論

本文利用趨勢(shì)分析法對(duì)1977—2016年棗莊地區(qū) 5 個(gè)氣象站近40年氣溫的變化特征進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，年平均氣溫、季平均氣溫和積溫均呈增溫趨勢(shì)，增溫速率分別為 0.29(年)、0.64(春季)、0.12(夏季)、0.22(秋季)、0.01(冬季)和90 ℃·d/10a(積溫)。本文的年平均氣溫增溫速率略高于廉麗珠等[15]研究的全省平均氣溫上升0.24 ℃/10a以及王常山等[16]研究的全省平均氣溫上升0.22 ℃/10a的結(jié)論。由四個(gè)季節(jié)增溫速率來(lái)看棗莊近40年的偏暖主要是春、秋兩季增暖所致，這與胡桂芳等[14]研究的20世紀(jì)80年代以來(lái)的偏暖主要是由冬、春兩季的增暖所致有所不同，其原因可能是不同的學(xué)者對(duì)分析氣候要素序列的起止時(shí)間不同，以及區(qū)域氣象站點(diǎn)選擇和資料的處理方法等方面存在差異。

4 結(jié)論

(1)1977—2016年棗莊地區(qū)各氣象站年平均氣溫、四季平均氣溫和積溫均呈現(xiàn)增溫趨勢(shì)，平均增溫速率分別為0.29(年)、0.64(春季)、0.12(夏季)、0.22(秋季)、0.01(冬季)和90 ℃·d/10a(積溫)，棗莊地區(qū)變暖主要體現(xiàn)在春、秋季增溫；1977—2016年每年日最高氣溫超過(guò)35℃的高溫日數(shù)表現(xiàn)出波動(dòng)上升的趨勢(shì)，高溫日數(shù)變化的傾向率為1.70 d/10a?？梢酝茰y(cè)，棗莊地區(qū)高溫日數(shù)的增加趨勢(shì)還會(huì)繼續(xù)保持下去。

(2) 近40年來(lái)?xiàng)椙f地區(qū)氣溫變化具有顯著的階段性，而不是單調(diào)遞增。除了夏季外，其余三個(gè)季節(jié)的溫度均值均與年均值一樣的變化趨勢(shì)：減-增-減-增，并且不同的變化趨勢(shì)對(duì)應(yīng)的年份也比較類似。2014年以來(lái)，春、秋、冬三個(gè)季節(jié)的溫度均值都呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，溫度變化的傾向率分別為4.47、4.15和6.21 ℃/10a，其中冬季溫度的上升趨勢(shì)最為明顯。

(3)氣溫的變化會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)作物生長(zhǎng)期、產(chǎn)量、品質(zhì)和病蟲害的防治產(chǎn)生影響，因此應(yīng)該根據(jù)氣候變化對(duì)農(nóng)作物種植制度、布局、結(jié)構(gòu)、品種等方面做出相應(yīng)的調(diào)整，研究適應(yīng)氣候變化的高效農(nóng)作物栽培技術(shù)迫在眉睫。