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(阜新市氣象局,遼寧 阜新 123000)
阜新市位于遼寧省的西北部,地形以低山丘陵為主,占總面積的60%左右。
阜新市氣候受東亞季風的支配,屬于北溫帶大陸性季風氣候,春季多干旱。
春季農業生產受多種氣象要素影響,最主要因子之一是降水。
春季是春耕播種和出苗的關鍵期,春季降水量是能夠順利進行春耕生產的重要指標,也是出苗率高低的關鍵要素。
而阜新市春季降水條件較差,總體來說,有“十年九旱”之說,所以春季降水量及首場透雨對阜新農業生產至關重要。
對阜新春季降水的研究結果,不僅能對決策氣象服務提供科學依據,還能夠指導春耕生產,為作物產量打下良好的基礎。
隨著全球的氣候變暖,各種氣候災害頻發,很多氣象專家對春季降水在不同時間、不同空間進行研究[1～3],特別是遼寧西部地區,春季降水少,干旱頻發。
楊文艷等人研究發現[4],盤錦地區1957 ～2019 年春季降水逐漸增加。
阜新市是遼寧省的主要糧食產區,糧食種植面積達33.3 萬hm2左右,占總的農作物種植面積(55.3 萬hm2左右)的61.0%左右。
本文通過對春季降水特征和規律的研究,發現阜新市春季降水變化規律及特點,可以根據降水的變化規律及時調整農業種植品種,適應氣象變化規律,有效利用降水資源,科學種田,對當地減少干旱帶來的損失,對阜新經濟發展具有重要的作用。
1. 1 資料
本文應用1961 ～2021 年3 ～6 月逐日降水量數據,數據來源于阜新市阜蒙縣及彰武縣國家氣象站,數據進行等權平均處理。
首場透雨日期的界定標準為:對于阜新市來說,春季首場透雨應是4 月至6 月中旬出現在本站及大部分鄉鎮平均降水量在10.0 mm 以上的第一場降水,且雨后消除干土層。
在分析過程中重點考慮氣候因素,所以,降水量取阜蒙縣和彰武縣氣象站4 月以后首場達到10.0 mm 或以上降水數據。
單日降水量大于或等于10.0 mm 的降雨過程的日期為首場透雨日期。
1. 2 方法
1. 2. 1 Morlet 小波分析
在統計學應用中,時間序列周期性分析方法,常用Morlet 小波分析方法來表示實部等值線圖來反映氣候序列的多時間尺度變化[5～8];由于Morlet 小波的實部是一個對稱的小波函數,可以表示不同特征時間尺度信號在不同時間的強弱和位相兩方面的信息;小波方差隨著時間尺度的變化而體現時間序列的周期性,以及序列變化的干擾強度和主周期,小波方差圖能反映降水量時間序列中所包含的各種時間尺度的周期性波動及其能量強弱隨尺度變化的特性。
其公式如下:
2. 1 降水量年和年代際變化
由圖1 可見,1961 ～2021 年阜新市3、4、5 月及春季(3 ～5 月)降水量都呈現增加趨勢,其增加速率分別為0. 47 mm/10 年、0. 10 mm/10 年、3.04 mm/10 年,其趨勢變化不顯著。
3、4、5 月和春季61 年平均降水量分別為8.1 mm、23.8 mm、43.3 mm 和75. 2 mm,峰值降水量分別出現在1981、1983、2019、1988 年為56.5 mm、110.9 mm、136. 2 mm、151. 3 mm,谷值降水量分別出現在2005、2017、2002、2003 年為0. 0 mm、0. 3 mm、9.7 mm、15.9 mm。
從年代來看,3 月份降水在20世紀80 年代最多,達16.4 mm,20 世紀60 年代降水最少為3.8 mm;4 月份降水在20 世紀80 年代最多(31. 1 mm),20 世紀90 年代降水最少(15.7 mm);5 月份降水在21 世紀10 年代最多(59. 5 mm), 20 世紀 80 年代降水最少(33.4 mm);春季(3 ～5 月)在21 世紀10 年代最多(92.0 mm), 20 世紀 60 年代降水最少(65.7 mm)。
圖1 1961 ～2021 年阜新市3 月(a)、4 月(b)、5 月(c)及春季(d)降水量變化曲線Figure 1 Precipitation over the Fuxin in March (a) , April (B) , May (c) and spring (D) form 1961 to 2021
2. 2 首場透雨頻次及降水量的旬變化及年代際變化
通過對1961 ～2021 年阜新市4 ～6 月首場透雨出現的日期和降水量的統計可得,4 月共37次,5 月共19 次,6 月共5 次。
由圖2(a)可知,從4 月上旬開始出現首場透雨,到6 月中旬首場透雨的頻次呈減少趨勢,減少速率為1. 8 次/旬,其減少的趨勢通過了顯著性檢驗;4 月中旬首場透雨的頻次達到最大,為18 次,次多為4 月和5 月上旬(10 次),最少為6 月中旬(2 次),次少為5月下旬和6 月上旬(3 次)。
由圖2(b)可知,首場透雨的各旬平均降水量呈增加趨勢,增加速率為0. 4 次/旬,最大降水量出現在6 月上旬,為17.9 mm,最小降水量出現在4 月下旬,12.2 mm。
由圖2(c)可見,從4 月上旬到6 月中旬各旬平均降水量呈增加趨勢, 其增加速率為2.8 mm/旬,通過了顯著性檢驗,其中6 月下旬的平均降水量最多,為25.8 mm,4 月上旬的平均降水量最少,為5.0 mm。
由圖2(d)可見,首場透雨的降水量呈微弱的減少趨勢,其減少速率為0.19 mm/10 年;從年代降水量來看,20 世紀70年代首場降雨的降水量最多,為16. 0 mm,20 世紀90 年代降水量最少,為11.7 mm;從首場降水的極值來看,1971 年首場降雨單日最多達到30.7 mm,1994 年次之,達28.6 mm。
圖2 1961 ～2021 年阜新市首場透雨各旬頻次 (a)和降水量(b)、旬平均降水量(c)及首場透雨的年代際降水量(d)變化曲線Figure 2 Frequency (a) and precipitation (b), average precipitation (c) and interdecadal precipitation (d) of the first drizzle over the Fuxin form 1961 to 2021
2. 3 首場透雨降水量和春季降水量年變化Morlet 分析
本文應用Morlet 小波分析方法繪制了1961 ～2021 年首場透雨量降水量和春季降水量的Morlet小波實部系數和小波方差圖。
由圖3(a)可見,首場透雨降水量的46 ～52 年的振蕩周期最為明顯,為第一主周期;30 ～32 年的振蕩周期較為明顯,為第二主周期。
由圖3(b)可見,春季降水量約有58 ～66 年的振蕩周期最為明顯(由于數據長度原因,周期顯示不全),為第一主周期; 34 ～38 年的振蕩周期現較為明顯,16 ～18 年的振蕩周期在20世紀90 年代到21 世紀10 年代表現較為明顯,10～12 年的振蕩周期在20 世紀60 年代到80 年代表現較為明顯。
圖3 1961 ～2021 年阜新市首場透雨降水量(a)和春季降水量(b)Morlet 小波實部系數變化Figure 3 The variation of Morlet wavelet real part coefficients of the first rainfall (a) and the spring rainfall (b)in Fuxin form 1961 to 2021
由圖4(a)可見,首場透雨降水量的48 年的準周期最為明顯,還有31 年的準周期較為明顯。由圖4(b)可見,春季降水量約有62 年的準周期最為明顯,還有36 年的準周期現較為明顯,17 年的準周期在20 世紀90 年代到21 世紀10 年代表現較為明顯,11 年的準周期在20 世紀60 年代到80 年代表現較為明顯。
圖4 1961 ～2021 年阜新市首場透雨降水量(a)和春季降水量 (b)小波方差變化Figure 4 The wavelet variance of the first rainfall (a) and the spring rainfall (b) in Fuxin form 1961 to 2021
3. 1 春季降水對農作物的影響
阜新地處遼寧的西北部,多丘陵,土地多沙化,屬于干旱半干旱地區,有“十年九旱”之說。阜新市降水大部分集中在6 ～8 月,從歷年平均(1991 ～2020 年)來看,阜新市春季降水占全年降水的15.9%,明顯偏少。
春季降水直接影響土壤含水量,對春耕生產具有重要意義。
對于未播種的土地,主要影響是適時播種,土壤含水量不足,會推遲春播時間;對已播種的作物也會影響正常發芽、出苗,土壤含水量不足,會使幼苗出土困難,造成缺苗斷條,甚至毀種。
3. 2 春季降水的影響因子
阜新市降水大部分集中在6 ～8 月,從歷年平均(1991 ～2020 年)來看,阜新市春季降水占全年降水的15. 9%,明顯偏少。
夏梅艷等研究表明[12],西太平洋副熱帶高壓位置與夏季降水關系密切,與春季降水有著一定的關系,當春季位置偏西偏北時,春季降水偏小。
馬曉剛等研究表明[13],太陽活動與夏季降水成極為密切的反相關關系,太陽黑子相對數與周期內的暴雨日數其相關系數達到了-0.842,極為顯著。
周連童等研究表明[14],春季降水與前期太陽黑子平均數呈反相關,太陽黑子峰值年后3 年,易發生降水偏少。
通過分析表明,1991 ～2018 年太陽黑子平均數與阜新市1994 ～2021 年首場透雨降水量呈現出明顯的正相關關系,相關系數r= 0.4658,P值為0.0098,通過了0.01 的顯著性檢驗。
1961 ～2021年太陽黑子平均數與同期5 月份降水量呈反相關關系,相關系數r=-0.257,P值為 0.046,通過了0.05 的顯著性檢驗。
從1961 ～2021 年阜新市3、4、5 月及春季(3 ～5 月)降水量都呈現增加趨勢。
從年代來看,春季在21 世紀10 年代最多,20 世紀60 年代降水最少。
首場透雨從4 月上旬開始出現到6 月中旬頻次逐漸減少,減少速率為1.8 次/旬。
首場透雨的降水量呈減少趨勢,增加速率為0.4 次/旬。
從4 月上旬到6 月中旬各旬平均降水量呈增加趨勢,其增加速率為2. 8 mm/旬。
首場透雨的降水量呈微弱的減少趨勢, 其減少速率為0.19 mm/10 年。
阜新市首場透雨降水量有準48 年和準31 年的周期,春季降水量有準62 年和準36 年的周期。
阜新市降水大部分集中在6 ～8 月,阜新市歷年春季降水占全年降水的15.9%,明顯偏少。
近30 年太陽黑子峰值的后3 年與首場透雨降水量呈現出明顯的正相關關系,其相關系數為0.4658(P=0.0098)。
太陽黑子平均數與同期5月份降水量呈反相關關系,其相關系數r=-0.257(P= 0.046)。
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