气候变化对长江中下游地区水稻产量的影响

王保+黄思先+孙卫国

摘要：为了揭示区域气候变化对长江中下游地区水稻产量的影响及水稻相对气象产量波动的原因，采用统计分析方法和小波变换方法分析了近60年来长江中下游地区水稻产量、水稻生长季内平均气温、降水量、气温日较差以及≥10 ℃活动积温的年际变化以及水稻产量与区域气候变化之间的时频结构特征。结果表明，近60年来长江中下游地区水稻产量呈波动增长趋势；20世纪80年代以后水稻生长季内平均气温升高、≥10 ℃活动积温增大，降水量减少趋势不明显，气温日较差呈显著下降趋势。水稻产量和区域气候变化均存在年际和年代际尺度变化周期，且两者之间的时频特征存在一定的相似性；交叉小波分析表明，水稻产量与区域气候变化之间存在2～4a、6a、8a、12a和14a尺度的共振频率，且多以正相关关系为主，但在局部时域中也存在不同频率尺度的负相关，两者之间的相关关系和相关程度随振荡频率尺度的不同而不同。长江中下游地区水稻产量波动与区域气候变化密切相关，气候变暖导致热量条件改善对水稻产量的影响大于降水量减少对水稻产量的影响。

关键词：长江中下游地区；水稻产量；气候变化；小波变换

中图分类号：S162.5+3 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）01-0043-09

Effects of Climate Change on Rice Yield of the Middle and Lower Reaches Region of the Yangtze River

WANG Bao1，HUANG Si-xian2，SUN Wei-guo3

（1.Xianning Bureau of Meterology， Xianning 437100，Hubei，China；2. Ezhou Bureau of Meterology，Ezhou 436000，Hubei，China；

3.Nanjing University of Information Science & Technology， Naning 210044，China）

Abstract： To reveal the impact of the regional climate change on rice yield of the middle and lower reaches of the Yangtze River， and to understand the reasons for rice relative meteorological yield fluctuations， statistical analysis and wavelet transform were used to analyze time and the frequency variation features of rice production， the average temperature， precipitation， diurnal temperature， and≥10℃ active accumulated temperature of the Yangtze River region in the past 60 years， and the time-frequency structural features between rice production and regional climate change. The results showed that rice yield of the middle and lower reaches of the Yangtze River region in the past 60 years had fluctuations in the growth trend. The average temperature and the active accumulated temperature increased during the growing season. The reduction of precipitation was not obvious. Diurnal temperature appeared to decrease significantly. Between rice production and climate change， there were periodic characteristics of interannual and decadal changes. The time-frequency characteristics was certainly similar between the two. Cross-wavelet transform results showed that between rice production and climate change， there were the resonance frequency of the different scales， like 2-4a， 6a， 8a， 12a and 14a. There were more positive correlation between the main， but in the local time domain there was a negative correlation of different frequency scale. The two relationship and relevance were different， varying from oscillation periods scale. It was believed that rice yield fluctuations of middle and lower reaches of the Yangtze River was closely related with the climate change. The periodic feature was obvious， and the effect of the improvement of heat condition on increasing production was much more than the impact of reducing precipitation.

Key words： the middle and lower reaches of the Yangtze River； rice yield； climate change； wavelet transform

收稿日期：2013-07-16

作者简介：王 保（1989-），女，湖北黄冈人，助理工程师，主要从事短期天气预报及气候变化和小波变换等方面的研究，（电话）

15272681090（电子信箱）wangbao1129@163.com；通讯作者，黄思先，助理工程师，主要从事短期天气预报及重要天气过程诊断分析

和气候变化等方面的研究，（电话）15926018229（电子信箱）ilyyrhsx@163.com。

气候变化已成为不争的事实。政府间气候变化专业委员会（IPCC）的气候变化评估报告[1-4]指出，全球气候正发生着以气候变暖为主要特征的显著性变化，全球平均地表温度从1861年以来一直在升高。关于气候变化对作物产量的影响，我国学者已经进行了多方面的探究[5，6]，尤其是气候变暖背景下作物产量的变化规律以及农业应对气候变化的措施等已成为目前研究的热点问题。20世纪以来，全球气候变暖越来越快，气候变化对作物生产的影响也越来越大，特别是气候变暖背景下，极端气候事件发生频率、持续时间和分布规律的变化对农田生态系统的影响往往超过了气候平均变率所带来的影响[7]。

研究作物产量与气候因子之间的关系，以往大多采用常规统计学方法[8-11]，但气候变化具有不同时间尺度，区域平均气温和降水量的周期性变化以及极端气候事件的发生，必然引起作物产量的变化和波动，因此，有必要采用新的时频分析方法对气候变化及作物产量的周期性进行研究。孙卫国等[12]、张明等[13]和苏占胜等[14]用功率谱和交叉小波变换方法分析了作物产量与区域气候变化之间的关系，发现两者关系密切，周期性变化特征显著。

长江中下游地区是我国水稻的主要种植区，气候变化将会带来水稻产量的变化，但目前气候变化对该区水稻产量影响的研究较少[15-19]，对该区产量周期性的研究更不多见，所以，研究该区水稻产量与区域气候变化的关系具有重要现实意义。水稻生长发育要求的最低温度在10 ℃以上，南方三季稻要求≥10 ℃的活动积温达到7 000 ℃，双季稻要求达到5 300 ℃，且气温日较差对作物产量形成影响较大，因此，需要分析水稻生长季内平均气温、降水量、气温日较差和≥10 ℃的活动积温的影响。研究根据1951～2010年长江中下游6省（安徽、湖北、湖南、江苏、江西和浙江）实际水稻产量和同期107个气象站的水稻生长季内平均气温、降水量、气温日较差和≥10℃的活动积温资料，采用交叉小波变换方法，以相对气象产量为研究对象，分析长江中下游地区60年水稻产量与生育期内这些气候变量的时频变化特征及耦合振荡的关系，讨论水稻产量波动与气候因子变化周期的相关性，通过区域气候变化对水稻产量的影响以及水稻产量波动的原因分析，为区域性作物产量评估和预测提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料的处理

水稻产量资料来源于国家统计局，根据1951～2010年长江中下游地区6省水稻产量（t/hm2），经一致性检验，建立区域平均水稻产量序列，样本数n=60。同期的气候资料来源于中国气象局逐日气候资料，包括平均气温（℃）、降水量（mm）、最高气温（℃）和最低气温（℃）记录，根据这6省107个气象站的资料，算得区域水稻生长季（4～10月）内平均气温、总降水量、平均气温日较差以及≥10 ℃的活动积温。计算时，为了保证资料序列的平稳随机过程，对资料进行了标准化处理。

1.2 研究方法

1.2.1 趋势产量估算 影响作物产量的因素比较多，且各影响因素的变化特征及其时间尺度不同，主要的影响因素有人为因素、气象因素和随机“噪音”三方面，分别构成3个产量分量[20]，作物产量=趋势产量+气象产量+随机“噪音”。随机“噪音”所占比例很小，一般可忽略不计；趋势产量是实际产量的平稳变化项，表示产量的演变趋势，其大小决定于历年的生产技术水平，其模拟方法很多，本研究采用直线滑动平均法[12]，采用15年滑动步长来消除短周期波动的影响，算出趋势产量。气象产量为作物产量扣除趋势产量得到，反映了气象条件对产量的影响。气象产量与趋势产量的比值可以表示为相对气象产量。为了消除生产力水平对水稻产量的影响，真实地反映气象因子对其影响规律，本研究在进行产量分析时以相对气象产量作为研究对象。

1.2.2 小波变换方法 小波变换方法[21]起源于Fourier分析方法，Fourier级数主要用来表征信号的周期性，但在大多数情况下信号都是非周期性的，于是引入Fourier变换，将非周期性信号分解为多个周期性信号的叠加来处理，但是Fourier分析方法只是将信号在频率域内展开，没有包含时域的信息，丢弃的这些时域信息可能对某些应用非常重要，所以需要引进小波变换方法，将信号在时频两域的信息提取出来，充分利用信号信息[12]。

交叉小波变换[22]是一种新型信号分析技术，与传统的交叉谱方法相比更具优越性，特别是用于两个时间序列耦合振荡行为的相关分析上，除了可以弥补传统交叉谱分析方法不可避免的缺陷外，还能够将小波变换在时频两域都具有表征信号局部化特征的能力发挥到极致；交叉小波变换方法具有比较强的耦合信号分辨的能力，具有便于描述耦合信号在时频域中分布状况等优点[23]，经过多次实践应用验证表明[24-26]，该方法确实能够充分反映两时间序列相关振荡的周期显著性和两时间序列的相互依赖关系，还可以分析出两时间序列信号精细的时频变化特征，效果很显著。

2 结果与分析

2.1 水稻产量与气候变化特征的关系

2.1.1 产量波动 水稻产量的波动与气候条件密不可分，图1为1951～2010年长江中下游地区水稻的实际产量（实线）、气象产量（虚线）以及趋势产量（点划线）的时间变化图，实际产量和趋势产量均为左侧纵坐标轴，气象产量为右侧纵坐标轴。从图1可以看出，长江中下游地区水稻的实际产量随时间呈波动增长的趋势，年代际变化主要在1985年之前气象产量波动比较大，1985年之后波动较平稳，且1950年代和1980年代的波动相对于1960和1970年代的波动要大得多，这与长江中下游地区水稻生长季内平均气温、平均气温日较差以及≥10 ℃活动积温的波动特点相对应。

长江中下游地区水稻生长季内的气象灾害主要有高温热害、低温冷害、雨涝、干旱、春季低温阴雨、寒露风、台风以及风雹等。1959年长江中下游地区水稻减产主要受严重的伏秋连旱影响，1960年水稻低产主要与该区春季冷暖空气交替频繁，早稻育秧期出现低温阴雨天气造成大量烂秧，秧苗质量差等有关；1961年的低产主要由干旱造成，长江中下游出现了大范围、程度较重的干旱，秧田龟裂，稻禾枯黄，最终导致大幅减产；1962年该区降水偏多，出现了雨涝，但对水稻产量影响显著的还是春季的低温连阴雨天气；1975年的产量主要因“寒露风”的影响而降低；1977年的减产主要受部分地区（江西等地）高温干旱的影响；1980年长江中下游地区遇到了雨涝、春季低温阴雨以及“寒露风”等灾害，影响了水稻的生长，造成大幅减产；2003年主要是高温热害造成的减产。

2.1.2 气候变化 图2为长江中下游地区1951～2010年水稻生长季内平均气温（a）、降水量（b）、平均气温日较差（c）和≥10 ℃活动积温（d）的时间变化图，图中直线（或曲线）为其变化趋势线。由图2可以看出水稻生长季内的气候变化特征主要表现为平均气温和≥10 ℃活动积温的变化呈现二次曲线形式，且平均气温转折点在1975年左右，≥10 ℃活动积温转折点在1980年左右。水稻生长季内平均气温、降水量、平均气温日较差以及≥10 ℃活动积温与时间的相关系数分别为0.354、0.000、-0.548和0.360，其中，水稻生长季内平均气温、≥10 ℃活动积温以及平均气温日较差与时间相关关系通过了0.01水平的显著性检验，降水量与时间的相关性没有通过0.05水平的检验。

2.1.3 水稻产量与气候变化相关分析 由相关分析可知，水稻产量与水稻生长季内平均气温、平均气温日较差以及≥10℃活动积温的相关系数都通过了0.01水平的显著性检验，与降水量的相关系数没有通过0.05水平的显著性检验。水稻产量与生长季内的平均气温日较差呈负相关，因为长江中下游地区容易出现高温天气，虽然气温日较差大有利于水稻有机物的积累，但是高温会影响水稻的生长，已有研究表明，水稻在孕穗至抽穗扬花期对温度极其敏感[27]，如果日均温度高于32 ℃，日最高温度高于35 ℃，水稻抽穗扬花就受到影响，从而造成产量损失和品质下降；水稻在灌浆期也最易受高温危害[28]，造成结实率和千粒重的降低，从而导致减产。水稻产量与降水量的相关性不强，因为在长江中下游地区，水源较充足，农业用水一般不受自然降水量的影响，但当降水量过大或持续时间较长，仍然会影响水稻的开花和授粉，特别是在开花期，连阴雨天气将会使水稻花粉的传播受精受阻，从而导致减产。水稻产量与平均气温和≥10 ℃活动积温呈正相关关系，主要反映的是水稻生长对热量条件的需求，水稻是喜热作物，热量条件对其产量有重要影响，有效热量越多，水稻产量越高。

2.2 水稻产量与气候变化的时频结构

相关分析只能初步分析气候变化与水稻产量的简单相关关系，不能充分反映区域气候变化对水稻产量的影响，而小波变换则能从时间域和频率域上充分利用时间序列信号，分析出水稻产量和气候变化的局部时频变化规律，通过交叉小波分析出两者之间在时频结构上的相关关系。

小波变换系数的实数部分包含给定时间和尺度下相对于其他时间和尺度信号的强度和位相两方面的信息[26]。小波系数实数部分为正时，表示水稻相对气象产量距平、降水量距平、平均气温距平、气温日较差距平和≥10 ℃活动积温距平相对偏多，图3中用实线表示；小波系数实数部分为负时，表示相对偏少，图3中用虚线表示；小波系数为0的地方则为突变点。图3中的符号反映了振荡的位相，等值线中心反映了不同尺度振荡的振幅最大值。采用小波功率谱检验显著性，小波功率谱图为小波功率谱与置信水平为95%的红噪声总体谱的比值，比值大于1.0表示通过95%置信水平红噪声检验的显著周期振荡（实线），比值小于1.0表示未通过95%置信水平的红噪声检验（虚线）。

2.2.1 水稻产量波动的时频变化特征 图3为长江中下游地区水稻相对气象产量距平的小波变换系数实数部分等值线图和小波功率谱图。由图3a可以看出，水稻相对气象产量波动的年际尺度主要表现在2～4年和6年尺度的周期振荡，且时域分布不均匀，局部化特征明显；年代际尺度主要表现在10年和14～16年尺度的周期振荡。

年际尺度特征为2～4年左右的尺度周期信号主要表现在1954、1955年以及1976～1982年，同时也反映了在此周期尺度上，水稻相对气象产量距平在1954、1976年及1980年处于偏少期，但1955、1979年和1982年是偏多的；6年左右的周期信号主要表现在1976～1981年，且呈现偏少—偏多—偏少的振荡规律，具体为1976年水稻相对气象产量距平偏少，1977～1980年偏多，1981年又呈偏少特征。

年代际尺度特征，10年左右的振荡信号主要表现在1970～1985年，水稻相对气象产量距平呈现偏少—偏多的两次周期振荡；14～16年左右的振荡信号比较强，等值线比较密集，在全域都有表现，但是1985年之前的振荡比1985年之后的强，1985年之后的振荡呈逐渐增强趋势，水稻相对气象产量存在偏多—偏少的4次振荡，具体表现为1950～1957年偏多，1958～1965年偏少，1966～1973年偏多，1974～1981年偏少，1982～1988年偏多，1989～1996年偏少，1997～2002年偏多，2003～2010年偏少，且等值线闭合，预计2010年之后会出现水稻相对气象产量偏多的情况。

由图3b可以看出，2～4年的周期振荡在1957年之前以及1975～1983年比较强，结合图3a中的结果分析，2～4年左右的周期信号在1954年、1955年和1979年的周期比较明显，周期特征显著；6年尺度的周期振荡在1957～1963年以及1976～1982年比较明显，结合图3a可以得出，1976～1982年的周期振荡是通过检验的，周期性显著；10年左右的周期振荡在1970年之前比较强，结合图3a可知，10年左右的周期振荡信号没有通过显著性检验；14～16年左右的周期振荡在1980年之前比较明显，通过了95%置信水平的红噪声检验。

综上所述，长江中下游地区水稻相对气象产量的周期性特征主要表现出2～4年、6年、14～16年的周期振荡，时域分布不均匀。

2.2.2 气候变化波动的时频变化特征 图4为长江中下游地区水稻生长季内月平均气温距平的小波变换系数实数部分等值线图和小波功率谱图。由图4a可以看出，水稻生长季内月平均气温距平波动的年际尺度主要表现在3～4年、6年和8年尺度的周期振荡，且时域分布不均匀；年代际尺度主要表现在10和14～16年尺度的周期振荡。

由图4b可以看出，3～4年尺度的周期信号在1962～1970年、1989～1997年振荡比较强，结合图4a可知，3～4年尺度的周期信号在1962～1970年和1989～1997年周期性显著；6年尺度的周期振荡不强，在整个时间域上都没有通过显著性检验；8年尺度周期振荡信号在1954～1960年比较强，结合图3a可知，8年尺度的周期振荡在1954～1960年通过了显著性检验；10年左右的周期振荡在2000～2008年比较强，结合图3a可知，10年左右的周期振荡在2000～2008年周期性比较明显，通过了显著性检验；14～16年尺度的周期振荡比较弱，在整个时间域上都没有通过显著性检验（等值线的值均<1.0）。说明长江中下游地区生长季内的平均气温距平的周期性特征主要表现在3～4年、8年和10年尺度的周期振荡，时域分布不均匀。

对长江中下游地区水稻生长季内月降水量距平的小波变换系数实数部分等值线图和小波功率谱图分析可以看出，水稻生长季内月降水量距平波动的年际尺度主要表现在1～2年、3～4年、6年和8年尺度的周期振荡，时域分布不均匀；年代际尺度主要表现在10年、14年和18年尺度的周期振荡。1～2年尺度的周期振荡在1952～1957年、1966～1967年、1972年、1979～1982年以及1995～2002年比较强，其中1～2年尺度的周期信号在1952～1957年、1979～1982年以及1995～2002年的周期性比较明显，周期特征显著；3～4年尺度的周期信号在1951～1957年、1971～1986年以及2000～2005年的周期性比较明显，通过了显著性检验；6年尺度的周期振荡在1966～1982年比较强，结合小波系数实数部分分析，此周期尺度上在时间的全域范围内都没有通过显著性检验；8年尺度周期振荡在1958～1961年比较强，8年尺度周期信号在1958～1961年显著；10年左右的周期信号在1958～1978年的振荡比较强，总结得出10年左右的周期信号只在1958～1978年显著；14年以上尺度的周期振荡比较弱，均未通过95%置信水平的红噪声检验。说明长江中下游地区水稻生长季内的降水量距平主要表现在1～2年、3～4年、8年和10年尺度的周期振荡，时域分布不均匀。

对长江中下游地区水稻生长季内气温日较差距平的小波变换系数实数部分和小波功率谱分析可知，水稻生长季内气温日较差距平波动的年际尺度主要表现在1～2年、3～4年、6年和8年尺度的周期振荡，时域分布不均匀；年代际尺度主要表现在14～16年尺度的周期振荡。1～2年的周期振荡在1955年之前、1957～1961年、1966～1967年、1972～1973年、1976～1982以及1984～1994年比较强，其中1～2年尺度的周期信号在1955年之前、1976～1982以及1984～1994年的周期特征显著；3～4年尺度的周期信号只在1959年之前以及1971～1975年通过了检验， 3～4年尺度的周期振荡在1959年之前周期效果明显；6年尺度的周期振荡在1961～1985年间比较强，通过了95%置信水平的红噪声检验；8年尺度的周期振荡在1989年之前都比较强，结合小波系数实数部分分析结果可知，8年尺度周期信号主要在1963年之前以及1985～1989年显著，周期特征明显；14～16年尺度的周期振荡在1956～1981年间比较强， 14～16年尺度的周期信号只在1956～1981年通过了显著性检验，周期性强。说明长江中下游地区水稻生长季内气温日较差距平主要存在1～2年、3～4年、6年、8年以及14～16年尺度的周期振荡，高频部分比较明显。

对长江中下游地区水稻生长季内≥10 ℃活动积温距平的小波变换系数实数部分和小波功率谱分析可知，水稻生长季内≥10 ℃活动积温距平波动的年际尺度主要表现在1～2年、3～4年、6年和8年尺度的周期振荡，时域分布不均匀；年代际尺度主要表现在10年和14年左右尺度的周期振荡。生长季内≥10 ℃活动积温在高频部分周期性比低频明显，具体表现为1～2年尺度的周期振荡在1951～1954年、1958～1962年、1969～1972年、1974～1976年、1979～1982年以及1993～2004年比较强，其中1～2年尺度的周期信号在1951～1954年、1969～1972年及1993～1998年比较明显，周期特征显著；3～4年尺度的周期信号在1962～1970年、1975～1979年、1988～1995年通过了检验，周期性显著；6年尺度的周期振荡比较弱，均未通过95%置信水平的红噪声检验；8年尺度的周期振荡在1954～1960年比较强，结合小波系数实数部分分析可知，8年尺度的周期信号在1954～1960年通过了显著性检验；10年尺度的周期信号在2000～2008年振荡比较强，10年尺度的周期信号在整个时域上没有通过显著性检验；14年尺度的周期信号在全时域的振荡都不强，说明该周期尺度在整个时域中都不显著。

长江中下游地区水稻生长季内≥10 ℃活动积温距平的周期特征主要反映在高频部分的1～2年、3～4年以及8年尺度上，低频部分均未通过显著性检验，同时将≥10 ℃活动积温距平的小波变换与平均气温距平小波变换对比发现，它们的变换特征非常相似。

水稻相对气象产量距平小波变换的周期特征与同期生长季内的平均气温、降水量、气温日较差以及≥10℃活动积温距平的小波变换有某种相似性，有共同的3～4年和8年的周期振荡，说明水稻产量变化与气象变化可能存在某种周期频率上的联系，因此作水稻相对气象产量与各气候变量序列之间的交叉小波协谱图和功率谱密度图来进行进一步的分析。

2.3 水稻产量与区域气候变化的相关性

2.3.1 水稻产量与水稻生长季内平均气温的时频变化相关性 图5为长江中下游地区水稻相对气象产量距平与水稻生长季内平均气温距平的交叉小波协谱图和功率谱密度图，反映了长江中下游地区水稻产量与水稻生长季内平均气温之间的时频相关分布特征。两者的正相关关系表明水稻生长季内平均气温对水稻产量是促进作用，负相关则表示水稻生长季内平均气温出现不适宜水稻生产的情况。

图5a表明，相对气象产量与水稻生长季内平均气温之间的关系以正相关为主， 在局部时域中个别频率尺度上两者之间也存在负相关关系。两者正相关振荡主要表现在2～3年、4年和12年尺度的共振频率上：2～3年尺度的正相关出现在1952～1955年和1962～1964年；4年尺度的正相关出现在1973～1983年；12年尺度正相关出现在1967～1974年和1990～1995年。两者负相关振荡主要表现在2～3年和8年尺度上：2～3年尺度的负相关表现在1956～1957年以及1982～1986年；8年尺度的负相关表现在1950～1974年。从图5b可以看出，水稻相对气象产量与水稻生长季内平均气温在频率域中年际尺度周期上的相关程度明显高于年代际尺度周期上的相关程度，2～3年、4年以及12年尺度是呈正相关的，其中以12年时间尺度上的正相关程度最大，4年时间尺度上的次之，在8年时间尺度上的负相关程度最大，两者之间的相关关系也随振荡周期尺度的不同而不同。结合图5a可以得出，水稻相对气象产量与水稻生长季内平均气温之间存在2～3年、4年、8年和12年尺度的共振频率，且相关程度最好的是8年尺度的负相关和12年尺度的正相关，4年尺度的正相关程度也比较明显，2～3年尺度的相关程度不高。

2.3.2 水稻产量与水稻生长季内降水量的时频变化相关性 长江中下游地区水稻相对气象产量距平与水稻生长季内降水量距平的交叉小波协谱和功率谱密度反映了长江中下游地区水稻产量与水稻生长季内降水量之间的时频相关分布特征。由分析可知，长江中下游地区水稻生长季内的降水量对水稻的产量影响不大，但是过量和持续的降水则会造成产量的降低，表现为两者的负相关关系，而正常降水则会对产量产生正面影响，表现为两者的正相关关系。

通过水稻相对气象产量距平与水稻生长季内降水量距平的交叉小波协谱和功率谱密度分析可知，水稻相对气象产量与水稻生长季内降水量之间的关系既有正相关关系，又有负相关关系。两者正相关主要表现在2～4年、6年、8年和14～16年尺度的共振频率上：2～4年尺度的正相关出现在1966～1975；6年尺度的正相关出现在1960～1968年；8年尺度的正相关出现在1966～1981年；14～16年尺度正相关出现在1974～2010年。两者负相关主要表现在2～4年、6年和14年尺度上：2～4年尺度的负相关表现在1958年以前以及1975～1984年；6年尺度的负相关表现在1960～1983年；14年尺度的负相关主要表现在1957～1975年。通过交叉小波功率谱密度分析可知，水稻相对气象产量与水稻生长季内降水量在频率域中年际尺度周期上的相关程度明显高于年代际尺度周期上的相关，2～4年、6年尺度是呈负相关的，8年、14～16年尺度是呈正相关的，其中以14～16年尺度上的正相关程度最大，2～4年尺度上的负相关程度最大，两者之间的相关关系也随振荡周期尺度的不同而不同。综合分析可知，水稻相对气象产量与水稻生长季内降水量之间存在2～4年、6年、8年和14～16年尺度的共振频率。

2.3.3 水稻产量与水稻生长季内气温日较差的时频变化相关性 长江中下游地区水稻相对气象产量距平与水稻生长季内气温日较差距平的交叉小波协谱和交叉小波功率谱密度反映了长江中下游地区水稻产量与水稻生长季内气温日较差之间的时频相关分布特征。由分析结果可知，长江中下游地区水稻生长季内气温日较差与水稻产量整体是呈负相关的，因此，两者的正相关表示水稻生长季内气温日较差偏小，没有出现极端气温对水稻的伤害，有利于水稻产量的积累，而负相关则表示水稻生长季内气温日较差偏大，日最高气温或最低气温超过了水稻的适宜生长温度，不利于水稻的生长发育，导致水稻产量偏低。

通过水稻相对气象产量距平与水稻生长季内气温日较差距平的交叉小波协谱和功率谱密度分析可知，水稻相对气象产量与水稻气温日较差之间的关系主要表现为正相关关系，局部也存在有负相关关系。两者正相关振荡主要表现在2～4年、6年和14～16年尺度的共振频率上：2～4年尺度的正相关出现在除1969～1974年之外的全域范围内，且1976～1982年表现比较明显；6年尺度的正相关出现在1968～2010年，且在1978～1980年表现比较明显；14～16年尺度正相关在全域都有表现，在1980年之前表现得比较强烈，且在1973～1979年表现比较明显，等值线很密集，波幅中心出现在1962年左右。两者负相关振荡主要表现在2～4年、6年、8年和14年尺度上：2～4年尺度的负相关表现在1969～1974年，表现比较弱；6年尺度的负相关表现在1956～1967年；8年尺度的负相关主要表现在1986年之前，且1977年之前表现比较明显，波幅中心在1955～1960年；14年尺度的负相关出现在1983年之后，表现不强。交叉小波功率谱密度分析表明，两者在频率域中年际尺度周期上的相关程度明显低于年代际尺度周期上的相关，6年、8年尺度是呈负相关的，8年左右尺度的负相关最强，2～4年、14～16年尺度是呈正相关的，其中以14～16年尺度上的正相关程度最大，25年以后，周期尺度越大，相关性越不强，而且两者之间的相关关系也随振荡周期尺度的不同而不同。综合分析可知，两者之间存在2～4年、6年、8年和14～16年尺度的共振频率，总体的相关程度是最高的，其中14～16年尺度的正相关程度最高，8年左右尺度的负相关最大，2～4年和6年的相关程度不高。

2.3.4 水稻产量与水稻生长季内≥10 ℃活动积温的时频变化相关性 长江中下游地区水稻相对气象产量距平与水稻生长季内≥10 ℃活动积温距平的交叉小波协谱和功率谱密度反映了长江中下游地区水稻产量与水稻生长季内≥10 ℃活动积温之间的时频相关分布特征。水稻生长要求最低气温在10 ℃以上，整个生长季要求≥10 ℃的活动积温达到一定的值，当水稻产量与水稻生长季内≥10 ℃活动积温成正相关关系时表明水稻生长季内≥10 ℃活动积温达到水稻生长的要求，负相关则表示水稻生长季内≥10 ℃活动积温没有满足水稻生长的要求。

通过水稻相对气象产量距平与水稻生长季内≥10 ℃活动积温距平的交叉小波协谱和功率谱密度分析可知，两者之间的关系以正相关为主，局部时域存在不同频率尺度的负相关。两者正相关振荡主要表现在2～3年、4年、6年和12年尺度的共振频率上：2～3年尺度的正相关出现在1955年之前、1962～1964年、1966～1975以及1990年之后，表现不强；4年尺度的正相关在全域都有表现，但在1975～1982年表现比较强，波幅中心在1978年左右；6年尺度的正相关出现在1995年之后，表现很不明显；12年尺度正相关在全域都有弱表现。两者负相关振荡主要表现在2～3年和8年尺度上：2～3年尺度的负相关表现在1957年以及1983～1986年，表现很弱；8年尺度的负相关表现在1974年之前，表现比较明显，且波幅中心出现在1960年左右。由交叉小波功率谱密度分析可知，在频率域中年际尺度周期上的相关高于年代际尺度周期上的相关，2～3年、4年、6年、12年尺度是正相关，2～3年、8年尺度是呈负相关的，其中以12年时间尺度上的正相关程度最大，8年时间尺度上的负相关程度最大，两者之间的相关关系也随振荡周期尺度的不同而不同。综合分析可知，两者之间存在2～3年、4年、6年、8年和12年尺度的共振频率，12年尺度的正相关程度最大，8年尺度的负相关程度最大。

3 结论与讨论

近60年来长江中下游地区的气候变化趋势与全国气候变化一致，其中水稻生长季内平均气温和≥10 ℃活动积温随时间呈二次曲线变化；气温日较差呈减小趋势；降水量与时间的相关性较差。水稻产量呈波动增长趋势，波动特点明显，出现了大量的丰歉年。

1）气候变化对长江中下游地区水稻产量有一定的影响，水稻生长季内平均气温的升高和≥10 ℃活动积温的增加对水稻产量是正面影响，气温日较差的增大则会导致产量下降，而降水量变化则与产量变化关系不大。

2）长江中下游地区水稻相对气象产量与水稻生长季内的平均气温、降水量、气温日较差以及≥10 ℃活动积温的时频结构有一定的相似性，存在某些频率尺度的显著性变化周期，主要表现在高频部分。

3）长江中下游地区水稻产量与水稻生长季内平均气温和≥10 ℃活动积温之间存在多尺度的共振频率，且在低频部分的相关程度比高频部分稍好，相关程度最好的是8年的反位相的振荡和12年尺度的正位相振荡。

4）长江中下游地区水稻相对气象产量与水稻生长季内降水量之间存在2～4年、6年、8年和14～16年尺度的共振频率，相关程度随振荡周期尺度的不同而不同，且总体相关程度较低。

5）长江中下游地区水稻相对气象产量与水稻生长季内气温日较差之间存在2～4年、6年、8年和14～16年尺度的共振频率，总体相关程度在所有与水稻产量进行交叉小波变换的变量中最高。

长江中下游地区水热资源丰富，气候变化对其影响比较明显，影响机理比较复杂，长江下游地区靠近海岸的区域，受海陆气候的影响比较大，特别是夏季太平洋西岸的热带高压对其直接影响更导致了气候变化的复杂性，同时城市化发展较快，城市“热岛效应”明显，它们对水稻产量的影响还有待进一步研究，这对于估算水稻产量和提高水稻种植管理技术从而提高产量有重要意义。

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