辽宁阜蒙县春播期气候特征及其影响因子分析

范 野，舒海燕，陶 倩，李 凝，常相伊，谢 媛，常 宏

（阜新市气象局，辽宁 阜新 123000）

气候变化已经成为了全球的热点问题，特别是全球气候变暖及极端天气事件的增加，更加广受关注。气候变化的原因与气候自身的变化规律密切相关，同时也与人类活动相关联。气候变暖对生态系统及春耕生产也产生了一定的影响，如区域性暴雨和区域性干旱最为常见，其发生的频率和强度也呈增加趋势，且中国的南北方表现不同。气候变化对人们生产生活及社会可持续发展造成了多方面影响，特别对春耕生产及粮食作物的影响关系到人们的生活质量及国家安全。所以，研究春播期气候特征变化规律及其影响因子，对农业生产、农民收入和人们的生活质量都具有非常重要的意义。

国内外许多气象学者对气候变化问题进行了深入的研究，如Hulme［1］、Jones［2］等分别对20世纪以来全球陆面和北半球N 30°~85°的降水研究表明，降水量分别增加1%和7%~12%。施能等［3］研究了1920—2000年全球陆地降水后指出：全球降水有明显的与2~7 a ENSO周期相吻合的变化周期。施能等［4］对中国20世纪年总降水量进行研究，指出中国降水、气温在20世纪80年代的南北方显著区别：东北暖略偏湿、华北暖干、长江中下游冷湿、西南冷干。周晓宇等［5］对1961—2009年辽宁省气温和降水研究显示，春季平均气温呈升高趋势，升温速率为0.29 ℃/10 a；春季降水量呈增加趋势，速率为1.99 mm/10 a。孙宝利等［6］对1961—2015年阜新地区气候特征分析得出，春季平均气温呈升高趋势，升温速率为0.15 ℃/10 a；春季降水量呈增加趋势，速率为2.72 mm/10 a。

朱艳峰等［7］对中国内地降水与ENSO的关系进行分析发现，在EI Niño期间，我国东北等东部地区降水偏多，发生洪涝的概率较高，而华北地区等中部地区降水偏少，发生干旱的概率较高。任国玉等［8］研究表明，辽宁西部春季降水相对增加。秦大河等［9］研究发现，1951—2000年中国年平均气温升高以北方为主，升温速率为0.8 ℃/10 a。杨素英等［10］对1959—2003年东北地区春季降水进行了分析，发现降水量呈增加趋势，周期性变化明显，且有东多西少的特征，西部易发生旱涝现象。孙风华等［11］对我国东北地区气温进行了分析，发现春秋冬三季增温明显。王锦贵等［12］对辽宁夏季旱涝的影响因子进行了分析，发现其与QBO、太阳活动、ENSO有密切的关系。

阜蒙县位于辽宁省的西北部，是辽宁省的主要粮食产区，地形以低山丘陵为主，春季多干旱，占平年的34%。春播期农业生产受多种气象要素影响，最主要的影响因子是温、光、水，但这方面的研究不多，更没有专门针对阜蒙县春播期(4—5月)农业气候特征规律及其影响因子的研究。因此，笔者针对阜蒙县春播期关键期的气候特征变化规律及其影响因子进行研究，了解其气候特征及影响因子，用于当地气象部门制作决策服务材料，服务当地政府，适应当地的气象变化规律，指导当地春耕生产，适时播种，趋利避害，促进当地经济发展等方面都具有重要的意义。

1 资料来源与方法

1.1 资料来源

本文应用1951—2020年春播期(4—5月)降水量、平均气温、日照时数的日数据，数据来源于阜蒙县国家基本观测气象站。太阳黑子数、西太平洋副高面积指数(WPSHAI)、Niño 3.4指数、亚洲区极涡面积指数(APVAI)、北极涛动指数(AOI)的月数据，数据来源于国家气候中心发布的大气环流指数。

1.2 分析方法

本文应用气候变化率、Mann-Kendall突变检验等方法［13］对阜蒙县春播期气候特征进行趋势及突变分析；应用R/S分析法［14-15］对未来趋势进行分析；应用Morlet小波分析法［16-17］对时间序列进行周期性分析，其实部等值线能够反映春播期气候的多个时间尺度的振荡周期；小波方差［18-19］曲线用来判断时间序列的准周期，且能根据能量强弱来判断主周期和次周期。

2 结果与分析

2.1 气象要素年和年代际变化

在气温方面，由图1a可知，1951—2020年阜蒙县春播期、4月和5月降水量都呈现增加趋势，其气候倾向率分别为2.589、0.272、2.317 mm/10 a；平均降水量分别为64.6、23.1、41.5 mm；峰值降水量分别 出 现 在1998年(156.2 mm)、1983年(107.8 mm)、2019年(132.6 mm)；谷值降水量分别出现在1960年(14.1 mm)、1965年(1.1 mm)、1980年(6.3 mm)。春播期、4月、5月的平均气温都呈现增加趋势，其气候倾向率分别为0.378、0.438、0.317 ℃/10 a；平均气温分别为13.5、9.7、17.3 ℃；峰值平均气温分别出现在2017年(15.9 ℃)、2017年(13.1 ℃)、2002年(20.2℃)；谷值平均气温分别出现在2013年(10.9 ℃)、1953年 (5.7 ℃)、1954年(14.6 ℃)。春播期、4月、5月日照时数的气候倾向率分别为-1.156、-1.839、0.683 h/10 a；平均日照时数分别为736.1、343.9、268.9 h；峰值日照时数全部出现在2020年，分别为666.6、336.5、330.1 h，谷值日照时数全部出现在2010年，分别为373.7、185.8、187.9 h。

图1 1951—2020年阜蒙县春播期降水量、平均气温、日照时数的年变化(a)及年代平均变化(b)

由图1b可知，1951—2020年阜蒙县春播期降水量在2010 s最多(82.8 mm)，1960 s最少(57.9 mm)；4月降水量在1980 s最多(30.5 mm)，1990 s最少(15.1 mm)；5月降水量在2010 s最多(58.1 mm)，1980 s最少(33.3 mm)。春播期平均气温在2010 s最高(19.8℃)，1950 s最低(15.6 ℃)；4月平均气温在2010 s最高(10.7 ℃)，1950 s最低(7.9 ℃)；5月平均气温在2010 s最高(18.3 ℃)，1950 s最低(16.1 ℃)。春播期日照时数在2010 s最多(782.7 h)，1980 s最少(707.2 h)；4月日照时数在1950 s最多(256.6 h)，2000 s最少(230.5 h)；5月日照时数在2010 s最多(284.5 h)，1970 s最少(251.5 h)。

在降水方面，阜蒙县春播期的降水与中国平均年降水变化趋势相同，但降水增加速率低于国内年平均增加速率(5.5 mm/10 a)，其中大旱年有1960年(14.1 mm)、2001年(19.5 mm)、2003年(18.2 mm)，合计降水量均不足20 mm；大涝年有1953年(119.7 mm)、1983年(125.4 mm)、1998年(156.2 mm)、2016年(141.3 mm)、2019年(134.8 mm)，最大值出现在1998年。阜蒙县大田作物最优春播期为4月下旬—5月上旬，若播种期出现旱涝，对作物的生长发育将带来损害，造成作物减产。比如在2001年，全县春播期降水量仅19.5 mm，比历年同期(68.4 mm)少71%，且均为无效降水。全县大田严重干旱面积占全部耕地面积的92%；全县大田播种面积占实际应播种面积的53%，出苗面积占播种面积的31%。由于春旱，播种期要比平年晚近2个月，生育期时间不足，使全县粮食产量比平年减产39%。

在气温方面，阜蒙县春播期平均气温升温速率高于同期全球年平均升温水平(0.15 ℃/10 a)，也高于中国年平均气温升温速率(0.26 ℃/10 a)。近20 a(2001—2020年)是阜蒙县有记录以来最暖时期，同时也是中国的最暖时期。相关内容参见《中国气候变化蓝皮书(2021)和(2022)》。阜蒙县大田作物最佳生长期为4—9月，低温冻害会将大田作物的组织冻伤或冻死，给农业生产带来损失。例如2014年5月上旬，全县出现低温冷害现象，5月3—5日最低气温和地面温度均在0~4.5 ℃之间，特别是5月6日出现最低气温-1.0 ℃，地面温度为-0.8℃，前期已播种的大田作物受其影响，部分幼苗被冻伤或冻死，造成缺苗现象，局部受灾严重地区因此而毁种。

1951—2020年阜蒙县春播期降水量与平均气温的变化趋势与其他学者［5-6,8-11］的研究结果一致。

2.2 Morlet小波分析

本文应用Morlet小波分析方法绘制了1951—2020年春播期各气象要素的小波方差曲线，由图2a可知，春播期降水量第1主周期为52 a左右，第2周期为18 a左右，还有6 a左右和31 a左右周期；4月降水量第1主周期为44 a左右，第2周期为21 a左右，还有5 a和12 a左右的周期；5月降水量第1主周期为34 a左右，第2周期为17 a左右，还有7 a左右周期。这个结果与施能等［3］研究的中国年降水有2~7 a周期相一致。

图2 1951—2020年阜蒙县春播期降水量(a)、平均气温(b)、日照时数(c)Morlet小波方差曲线

由图2b可知，春播期平均气温第1主周期为28 a左右，还有41、7、14 a左右的周期；4月平均气温第1主周期为21 a左右，第2周期为41 a左右，还有5 a左右周期；5月平均气温第1主周期为28 a左右，还有7、13、60 a左右的周期；以上多数周期皆与7的倍数有关或相近。

由图2c可知，春播期日照时数第1主周期为47 a左右，第2周期为30 a左右，还有4和41 a左右周期；4月日照时数第1主周期为33 a左右，第2周期为8 a左右，还有12 a左右的周期；5月日照时数第1主周期为47 a左右，第2周期为29 a左右，还有10 a左右的周期；以上多数周期皆与10~12 a(太阳黑子的周期)的倍数有关或相近。

2.3 Mann-Kendall突变检验

通过绘制1951—2020年春播期各气象要素的Mann-Kendall突变检验曲线，由图3a可知，春播期降水在0.05显著水平之间有3个交点，配合Pettitt突变检验分析(图略)，确定只有1954年发生了突变，突变后降水明显减少；4月降水量在0.05显著水平之间有多个交点，通过其他检验方法综合分析，确定只有1987和2005年发生了突变，1987年突变后降水明显减少，2005年突变后降水明显增多；5月与春播期降水的突变时间相同(1954年)，且变化趋势也相同。

图3 1951—2020年阜蒙县春播期降水量(a)、平均气温(b)、日照时数(c)Man-Mendall突变检验曲线

由图3b可知，春播期平均气温在0.05显著水平之间没有交点，说明没有突变现象发生，从1980 s开始呈现极显著的上升趋势，且UF曲线值逐渐超过2.56，说明上升趋势极为显著，超过了0.01显著水平。

由图3c可知，春播期日照时数在0.05显著水平之间有多个交点，通过其他检验方法综合分析，确定只有1954年发生了突变，突变后的日照时数明显减少；4月日照时数在1958年发生了突变，突变后的日照时数逐渐减少；5月日照时数在1960年发生了突变，趋势与上述相同。

2.4 未来趋势变化

采用R/S重标极差分形方法(当0.5＜H＜1.0表示过去时间序列趋势与未来变化趋势一致；当0＜H＜0.5时，表示未来变化趋势与过去趋势相反；当H=0.5时，表示未来的变化趋势不确定)，对1951—2020年春播期各气象要素进行未来趋势分析，从R/S分形的计算结果(图4和表1)可以发现，Hurst 指数均小于0.5，说明未来变化趋势与1951—2020年这段时间的气象要素趋势是相反的。根据Hurst 指数大小，可以判断未来趋势变化的强弱。在所有的Hurst 指数中，4月平均气温Hurst 指数最大(最接近0.5)，说明其未来下降趋势最弱；4月日照时数Hurst 指数最小，说明其未来上升趋势最强。

表1 1951—2020年阜蒙县春播期各气象要素Hurst 指数及未来趋势

图4 1951—2020年阜蒙县春播期降水量(a)、平均气温(b)、日照时数(c)的R/S趋势

3 讨论

3.1 春播期降水量的影响因子

从1951—2020年阜蒙县春播期及各月降水量与太阳黑子数以负相关为主(图略)，即太阳黑子数逐渐减少，则降水量逐渐增加，其相关系数分别为-0.268(0.05显著水平)、0.012、-0.312(0.01显著水平)；从表2上看，春播期降水量与各月太阳黑子数的Spearman相关系数基本上都是负相关关系，除1月外，均达到了0.05水平上的显著相关，其中最大为4月(-0.307)，达到0.01水平的显著相关；4月降水量与各月太阳黑子数的相关性均不显著；5月均达到了0.05水平上的显著相关，特别是与3—6月最为显著，均达到了0.01显著水平。这与周连童等［20］对我国华北地区春季降水与太阳黑子数的相关性研究结论基本一致，也与刘敏等［21］认为铁岭春季降水时的结论相一致。另外，李辑等［23］认为辽宁夏季降水与太阳黑子数呈负相关关系，这与本文的结论基本一致，马晓刚等［23］认为太阳活动与阜蒙县夏季降水呈极显著负相关。

表2 1951—2020年阜蒙县春播期降水量与各月太阳黑子数的Spearman相关系数

从1951—2020年阜蒙县春播期及各月降水量与WPSHAI的Pearson相关系数基本上都是正相关关系(图略)，即随着WPSHAI增加，降水量也增多，相关系数分别为0.371、0.092、0.359，有2个均超过0.01显著水平。从表3可知，春播期降水量与各月WPSHAI的相关性均为正相关，上半年比下半年相关性强，上半年相关系数均达到了0.01显著水平，与1—3月WPSHAI的相关性更为显著。4月降水量与WPSHAI的相关性总体不强，只有2月、3月的相关系数达到了0.05显著水平。5月降水量与WPSHAI相关显著，具体情况与春播期基本相同。这与夏梅艳等［24］对辽宁春旱与气候关系的研究结果相一致，也与刘敏等［21］得出铁岭春旱的气候成因时的观点一致。

表3 1951—2020年阜蒙县春播期降水量与各月WPSHAI的Pearson相关系数

另外，从1951—2020年阜蒙县春播期及各月降水量与Niño 3.4指数的相关系数(图略)分别为0.054、-0.013、0.070，均不显著。春播期及各月降水量与1—4月Niño 3.4指数都是呈正相关，特别是春播期降水量与1—2月Niño 3.4指数的Pearson相关系数为0.314、0.315，达到了0.01的显著水平。

3.2 春播期平均气温的影响因子

从1951—2020年阜蒙县春播期及各月平均气温与WPSHAI的Spearman相关系数均为正相关关系(图略)，相关系数分别为0.371、0.352、0.312，均超过0.01显著水平。从表4可知，平均气温与WPSHAI的相关性在6—8月、2月最差，与其他月份基本上都为显著相关。春播期平均气温与各月WPSHAI相关最为显著的月份为12月，相关系数为0.521，达到了0.01的显著水平，11月次之；与2月的相关性最差，6月次之。4月平均气温与各月WPSHAI的相关情况基本与春播期的相关情况相一致。5月平均气温与各月WPSHAI相关最为显著的月份为10月，相关系数为0.353，达到了0.01的显著水平，12月次之；与8月的相关性最差，6月次之。

表4 1951—2020年阜蒙县春播期平均气温与各月WPSHAI的Spearman相关系数

从1951—2020年阜蒙县春播期及各月平均气温与APVAI的Spearman相关系数基本上都为负相关关系(图略)，相关系数分别为-0.473、-0.455、-0.328，均达到0.01显著水平。从表5可知，春播期平均气温APVAI的相关最为显著的月份为5月，相关系数为-0.372，6月次之，均达到了0.01的显著水平；与冬季的APVAI相关性最差。4月平均气温与各月APVAI相关最为显著的月份为4月和6月，相关系数均为-0.392，达到了0.01的显著水平，5月次之；与冬季的APVAI相关性最差，秋季次之。5月平均气温与APVAI相关最为显著的月份为5月，相关系数为-0.345，达到了0.01的显著水平；与冬季的APVAI相关性最差，秋季次之。

表5 1951—2020年阜蒙县春播期平均气温与各月APVAI的Spearman相关系数

另外，1951—2020年阜蒙县春播期及各月平均气温与AOI为正相关关系(图略)，Spearman相关系数分别为0.372、0.300、0.288，均超过0.05的显著水平。春播期平均气温与当月AOI的相关系数为0.346，4月平均气温与当月AOI的相关系数为0.344，5月为0.357，均达到了0.01的显著水平。马晓刚等［25］研究北太平洋海温对阜新气温的影响时发现二者之间相关系数较高，以春季和夏季相关最为显著，其在太阳黑子谷值年周期内的相关系数分别为0.94和0.96。

由于气候情况的复杂性，春播期各气象要素受诸多因素影响，还需更加全面和深入地研究，特别是日照时数方面尚没有找到显著影响因子，需多方面探讨。

4 结论

研究1951—2020年阜蒙县春播期及各月降水量、平均气温、日照时数规律及影响因子，得出的结论如下：

（1）从年际变化看，降水量和平均气温都呈现增加趋势，此结论与其他学者［5-6,8-11］的研究结果相一致；而日照时数的变化趋势基本相反；根据Hurst指数判断，降水量、平均气温的未来趋势均为下降，但并不显著；日照时数的未来趋势既有上升也有下降，总体为上升。从年代来看，降水量、平均气温、日照时数均在2010 s数值最高。

（2）春播期及各月降水量的第1主周期分别为52、44、34 a左右，还有5、6、7 a的周期，这与施能等［3］研究的中国年降水有2~7 a的变化周期相一致；春播期及各月平均气温的第1主周期分别为28、21、28 a左右，还有其他周期多数与7 a的倍数有关或相近；日照时数的第1主周期分别为47、33、47 a，还有其他周期多数与10~12 a的倍数有关或相近。

（3）春播期及各月降水量的突变年份分别为1954、1987和2005年，其中只有2005年是突变后降水量逐渐增多，其余各年皆为突变后降水量逐渐减少；平均气温没有发生突变的情况，自1980 s开始其上升趋势更加显著；春播期及各月日照时数的突变年份分别为1954、1958、1960年，突变后日照时数均逐渐增加。

（4）春播期降水的影响因子有太阳黑子、WPSHAI、Niño 3.4，与其相关系数分别为-0.268、0.371、0.054，前2项均达到了0.05显著水平，此结果与刘敏［21］、夏梅艳［24］等的观点具有一致性；春播期及各月平均气温的影响因子有WPSHAI、APVAI、AOI，与其相关系数分别为0.371、0.473、0.372，均达到了0.01显著水平。