娄底市农业气候资源与油菜产量的特征研究

伍智文，蔡海朝

（娄底市气象局，湖南 娄底 417000）

娄底市位于湖南省中部，地处亚热带季风湿润气候区，气候具有显著的季风性与大陆性特点，冬季严寒期短，最冷月平均气温5.1℃，十分有利于油菜的生长，是传统的“稻—稻—油”三熟制高产区。近年来，随着惠农政策的普及和人们生活水平的提高，菜籽油越来越受到青睐，杂交优质油菜播种面积逐年增加，特别是“油菜—超级稻”模式发展较快，但由于受播种期任意性及气象条件制约的影响，油菜产量始终在1 100 kg/hm2左右。为挖掘油菜生产潜力，充分利用冬季农业气候资源，对油菜生育期内的气象灾害可采取积极防御、趋利避害的措施。该研究利用娄底市常规气象观测资料和油菜产量统计资料，对1981～2010年娄底市油菜不同生育期的气象条件进行主分量分析，计算出可以反映气候变化的气候综合指标，再通过Morlet 小波变换对气候综合指标和油菜产量进行多时间尺度特征研究，从而探讨娄底市农业气候资源对油菜产量的影响，以期为娄底市油菜生产合理布局和科学决策提供可靠依据。

1 资料与方法

该研究使用1981～2010年娄底市所辖5 个县（市）的逐日气温、降水量和日照时数等为地面气象观测资料，对应的油菜产量资料来源于娄底市农业局。

采用主分量分析法[1]定义气候综合指标K，将代表热、湿、光3 个气象要素的气温x1、降水量x2、日照时数x3进行主分量分析。对于样本容量为n 的m 个气象要素（xip）n×m，首先确定其主分量个数m 和主分量Kj的表达式：

再分别计算出各个主分量的方差贡献率Ei和累积方差贡献率Gp，

一般提取出累积方差贡献率Gp≥90%的特征值λ1，λ2，…，λp（p≤m）所对应的主分量K1，K2，…，Kp和主分量方差贡献率E1，E2，…，Ep。将气候综合指标K 的表达式定义为：

娄底市油菜农业气候综合指标和产量序列中包含多时间尺度的周期变化，由于小波分析具有良好的多尺度和多分辨率的特点，且对信号的瞬态和奇异点有较强的检测能力，所以被称为信号分析的“数学显微镜”。该研究利用Morlet 小波变换对娄底市农业气候综合指标和油菜产量序列分别进行周期特征分析，图中不同时间尺度上的正负等值线闭合中心的交替，能清楚地反映各周期随时间的变化情况，因而在许多领域中得到广泛的应用[2-4]。

2 油菜农业气候资源特征分析

根据娄底市油菜的生理特点，可以将油菜全生育期分为苗期（9月下旬至次年1月上旬）、蕾苔期（1月中旬至2月中旬）、开花期（2月下旬至3月中旬）和角果成熟期（3月下旬至5月上旬）4 个主要生育阶段。该研究通过主分量分析法计算出娄底市油菜不同生育阶段的气候综合指标，从表1 可知，娄底市油菜各个生育期的气象要素从第二主分量起，累积方差贡献率均已达到99.9%以上，因此确定主分量个数为2 个，再利用特征值归一化后作为权值进行多指标综合，且多指标综合值具有典型的气候资源意义。

表1 不同生育期的主分量特征值λ、方差贡献率E（%）及累积方差贡献率G（%）

由前两个主分量计算得出娄底市油菜各个生育期的气候综合指标K 值。

K苗期＝－0．002 0 x1+0.828 1 x2-0.139 2 x3

K蕾苔期＝－0．007 1 x1+0.784 4 x2-0.030 6 x3

K开花期＝－0．013 6 x1+0.755 5 x2-0.287 2 x3

K成熟期＝－0．001 5 x1+0.858 9 x2-0.024 3 x3

从综合指标表达式中可以看到，各个生育期的K 值在x2上的载荷值最大，且均为正值，而在x1和x3上的载荷值较小且为负值。表明娄底市油菜不同生育期中的降水量在气候综合指标中起着关键作用。

为了进一步研究娄底市油菜农业气候资源的多时间尺度变化特征，笔者对1981～2010年娄底市油菜生育期的气候综合指标序列进行Morlet 小波变换。图1 为娄底市油菜不同生育期气候综合指标的Morlet 小波变换实部分布情况，娄底市油菜生育过程中的苗期、蕾苔期、开花期和角果成熟期均存在明显的多时间尺度变化特征，图中阴影部分为正值，表示K 值偏大，负值表示K 值偏小。苗期（图1a）气候综合指标存在3 个明显的特征时间尺度，分别是3～4 a、7 a、10 a，在30 a 中始终存在7 a、10 a 的周期振荡，分别表现为9 个和6 个“大～小”循环交替，在整个研究时段都表现得非常稳定；蕾苔期（图1b）气候综合指标存在3～4 a、8 a 和12～13 a左右3 个特征时间尺度，对8 a 和12～13 a 的年际和年代际时间尺度，主要表现为8 个“大～小”和5个“小～大”循环交替，在整个研究时间段周期振荡稳定存在；开花期（图1c）气候综合指标存在7～8 a、15 a 左右2 个特征时间尺度，表现为8 个“小～大”和4 个“小～大”循环交替，在整个时间段周期振荡均很明显；角果成熟期（图1d）气候综合指标存在4～5 a、10 a 的2 个特征时间尺度，对10 a 的时间尺度，表现为6 个“大～小”循环交替，并在整个时间段周期振荡均很明显，对于4～5 a 的年际尺度，1991年以前表现为4 a 的周期振荡，1991年以后表现为5 a 的周期振荡。

3 油菜产量对农业气候资源特征的响应

为了更进一步分析研究娄底市油菜产量和农业气候资源特征变化的联系，首先对1981～2010年娄底市油菜全生育期（9月中旬至次年5月上旬）的气温，降水量和日照时数进行主分量分析，得出了能够反映整个油菜生长过程的气候综合指标表达式。

图1 娄底市油菜不同生育期气候综合指标Morlet 小波变换系数（实部）分布

K全生育期＝－0．000 5 x1+0.831 4 x2-0.192 0 x3

从式中可以看出，全生育期的K 值在x2上的载荷值最大，且为正值，而在x1和x3上的载荷值较小，且为负值，这表明娄底市油菜全生育期中的降水量在气候综合指标中所占的比重最大，与K 值成正相关；其次是日照时数，气温贡献率最小，并与K值均成负相关。因此，娄底市油菜全生育期气候综合指标与各个生育阶段的结果表现一致。

对1981～2010年娄底市油菜产量和全生育期的气候综合指标序列分别进行Morlet 小波变换，结果显示，他们都具有明显的多时间尺度周期变化特征。油菜产量（图2a）存在7 a、10 a 左右2 个特征时间尺度，主要表现为9 个“少～多”和7 个“少～多”循环交替，在整个时间段周期振荡均很明显；而全生育期（图2b）气候综合指标也同样存在7 a、10 a的2 个特征时间尺度，分别表现为8 个“大～小”和6 个“大～小”循环交替，并在整个时间段周期振荡均很明显。通过对比分析，发现油菜产量与全生育期气候综合指标存在相同的特征尺度周期振荡，在7 a 与10 a 时间尺度上油菜产量的“少～多”循环交替和全生育期气候综合指标的“大～小”循环交替，分别体现出近似同步的特征。

图2 娄底市油菜产量和全生育期气候综合指标Morlet 小波变换系数（实部）分布

4 结 论

（1）对娄底市油菜各个生育阶段的气象条件进行主分量分析，结果显示，累积方差贡献率从第二主分量起均已达到99.9%以上，再利用特征值归一化后作为权值进行多指标综合，得到气候综合指标K 值，各个生育期的K 值均表现为在x2上的载荷值最大，为正值，而在x1和x3上的载荷值较小，为负值，表明娄底市油菜各个生育阶段的降水量在气候综合指标中所占的比重最大，与K 值成正相关，而日照时数，气温与K 值均成负相关，且对K 值的贡献率较小。娄底市油菜各个生育阶段的气候综合指标K 序列均具有明显的多时间尺度变化特征，且各个生育阶段存在不尽相同的年际和年代际多时间尺度周期变化特征。

（2）对娄底市油菜产量和全生育期气候综合指标K 序列进行Morlet 小波变换，结果显示，油菜产量和全生育期气候综合指标都具有明显的多时间尺度变化特征，油菜产量在年际尺度7 a 与年代际尺度10 a 上的周期振荡变化特征明显，全生育期气候综合指标具有相似的周期振荡变化特征。

[1]黄嘉佑.气象统计分析与预报方法[M].北京：气象出版社，2004.

[2]庄晓翠，赵正波，杨 森，等.新疆阿勒泰地区暖季S 干旱指数变化特征分析[J].中国农业气象，2011，32（3）：444-450.

[3]孙兰东，刘德祥.西北地区热量资源对气候变化的相应特征[J].干旱气象，2008，26（1）：8-12.

[4]唐湘玲，刘姣娣，吕 新.石河子地区近48年来气候变化对棉花产量影响分析[J].中国农学通报，2010，26（20）：324-329.