1961—2020年贵港市农业气候资源变化特征

蒙小寒 黄维 莫申萍 梁虹 王盛繁

(1 贵港市气象局 广西贵港 537100;2 柳州市农业气象试验站 广西柳州 545003)

气候变化已成为当今众多科学家的关注热点，第五次IPCC 报告指出，近100 年全球平均气温已升高0.85℃，而近60年上升尤其显著［1-2］。根据中国气象局发布的《2020年中国气候公报》，2020年中国年平均气温10.25℃，比常年（1981—2010年）平均偏高0.7℃，为1951 年以来第8 个最暖年。这种以变暖为显著特征的气候变化已对我国农业气候资源产生了一系列不可忽视的影响，例如年平均气温上升、无霜期和作物安全生长季延长等［3-7］。已有研究表明，广西大部分地区安全期内≥10℃活动积温和年平均气温显著上升，桂北和桂西水稻安全生育期显著延长，农业气候资源变化显著［8-10］，但不同地域农业气候资源变化特征存在显著空间差异。

贵港市位于我国广西东南部、珠江流域干线西江中游，北回归线横贯其中部，属亚热带季风气候区，气候资源丰富［11］。由于气候条件优越，贵港一直是广西重要的粮食和经济作物生产基地，常年农作物播种面积4.4×105hm2，其中粮食作物播种面积2.7×105hm2，占总面积60.5%，其比例为全区最高［12］。农业生产离不开气候资源条件，因而农业对气候反应极为敏感，农业气候资源数量的变化直接影响着农业生产布局、种植制度、作物种类及农业产量［13-14］。在全球气候变化的大背景下，充分认识和掌握气候在当地的变化规律，进而科学合理地利用气候资源，对发展农业经济具有重要意义［15］。为充分了解贵港市农业气候资源的变化特征，本研究利用贵港、桂平和平南3个国家气象观测站1961－2020 年气象资料，采用趋势分析方法、Mann-Kendall 突变检验以及周期分析方法，分析贵港地区热量、光照和降水等农业气候资源的变化规律，旨在为该地区农业生产提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 研究区概况

贵港市位于广西东南部（图1），介于北纬22°39′～24°20′，东经 109°11′～110°39′，总面积1.06×104km2，东面与梧州市接壤，南面与玉林市相邻，西面与南宁市交界，北面与来宾市相连。贵港市属亚热带季风气候区，春季温度正常，夏季气温偏高，秋季、冬季偏暖，降水主要集中于夏季，适宜的气候条件对该地区农业生产极为有利。

图1 贵港市地理概况

1.1.2 气象资料

从贵港市气象局获取1961－2020 年贵港、桂平和平南3个国家气象观测站逐日气象资料，资料主要包括平均气温、最低气温、最高气温、日照时数和降水量等。

1.2 方法

1.2.1 指标统计

分别统计年平均气温、年平均最低气温和年平均最高气温，稳定通过10℃的初日、终日及其持续天数，大于10℃活动积温，稳定通过10℃期间的降水量和日照时数，从热量、光照和降水方面分析贵港市农业气候资源的变化特征。其中，初、终日的计算均采用5 d滑动平均法［16］。

1.2.2 趋势分析

采用最小二乘法拟合农业气候资源的时间变化趋势［17］，即：

式中，xt为农业气候资源的拟合值；a0为变量初始值；a1为趋势系数；t为时间。a1为正值时，表示x随时间t呈增加趋势，反之，呈减少趋势，最后对其变化趋势进行显著性检验。另外，a1×10为气候倾向率，表示农业气候资源每10a 的变化率。

1.2.3 突变检验

采用世界气象组织推荐的Mann-Kendall 非参数统计检验法（简称M-K 方法），在matlab 中编程对各农业气候资源进行突变检验。

1.2.4 周期分析

选择Morlet 复数小波分析农业气候资源的时序周期变化特征，该小波是Gauss包络下的单频率复正弦函数，在时域和频域内具有较好的局部聚集性［18-19］。Morlet复数小波函数为：

式中，t为自变量，ω0为无量纲频率，其值取6［20］。e 为指数函数的底，i为复数中的虚数单位。对于时间序列xb*（b*=0，1，2，…，N-1，N为时间序列的长度），其小波变换为：

式中，Wb*（a，b）为小波变换系数，ψ*表示其共轭复函数，a为尺度因子，b为时间平移因子，δt为采样时间间隔，x为时间序列。

2 结果与分析

2.1 农业气候资源的线性变化趋势

图2 为贵港市1961－2020 年平均气温（图2-a）、平均最低气温（图2-b）、平均最高气温（图2-c）、稳定通过10℃初日（图2-d）、终日（图2-e）、持续天数（图2-f）、大于10℃活动积温（图2-g）、稳定通过10℃期间日照时数（图2-h）和降水量（图2-i）的线性变化趋势。从图2-a、2-b、2-c 中可以看出，年平均气温、平均最低气温和平均最高气温在波动中呈显著上升的变化趋势（p＜0.01），上升倾向率分别为0.198、0.266 和0.170℃/10a。其中，1961－2020 年平均气温平均值为21.8℃，标准差为0.52，最小值为20.7℃，出现在1984 年，最大值为22.8℃，出现在2015年；年平均最低气温平均值为18.8℃，标准差为0.59，最小值为17.5℃，出现在1984 年，最大值为20.1℃，出现在2015 年；年平均最高气温平均值为26.2℃，最小值为25.0℃，出现在1984 年，最大值为27.4℃，出现在2003年。

从图2-d、2-e、2-f 中可以看出，初日在波动中呈显著提前的变化趋势（p＜0.01），提前倾向率为4.8 d/10a，而终日未表现出明显变化趋势，持续天数呈显著延迟的变化趋势（p＜0.01），延迟倾向率为5.0 d/10a。其中，1961－2020 年初日平均日序数为第40 天，标准差为20.5，最小日序数为第1 天，出现在2017 年，最大日序数为第83天，出现在1976 年；终日平均日序数为第360 天，标准差为9.8，最小日序数为第320 天，出现在1976年，最大日序数为年末最后一天（第365天或者第366 天），有超过一半年份终日为年末最后一天；持续日数平均值为321 d，标准差为22.8，最小值为238 d，出现在1976 年，最大值为365 d，即全年均稳定通过10℃，出现在2017年。

从图2-g、2-h、2-i 中可以看出，积温在波动中呈显著上升趋势（p＜0.01），上升气候倾向率为131.040℃d/10a，但稳定通过10℃期间的日照时数和降水量的变化趋势不显著。其中，1961－2020 年平均活动积温为7 407.4℃d，标准差为409.8，最小值为5 801.2℃d，出现在1976 年，最大值为8 254.1℃d，出现在2017 年；平均日照时数为1 529.8 h，标准差为154.2，最小值为1 097.7 h，出现在1976 年，最大值为1 903.0 h，出现在2003年；降水量平均值为1 510.9 mm，标准差为309.6，最小值为759.7 mm，出现在1989 年，最大值为2 241.8 mm，出现在1994年。

图2 1961－2020年农业气候资源的线性变化趋势

2.2 农业气候资源的突变检验

图3 为农业气候资源的M-K 突变检验。从图3-a、3-b、3-c 可以看出，年平均气温、年平均最低气温和年平均最高气温的突变点一致，均为2000年，且突变后UF 统计量大于0.05 显著水平线，上升趋势显著。从图3-d、3-e、3-f可以看出，初日和持续天数的突变点均在1996 年，终日不存在突变点。其中，初日UF 统计量在2005 年后小于0.05显著水平线，提前趋势显著；持续天数UF 统计量在2005 年后大于0.05 显著水平线，增加趋势显著。从图3-g 中可以看出，有效积温跟年平均气温、平均最低气温和平均最高气温突变时间一致，都在2000 年，且在2003 年后UF 统计量大于0.05显著水平线，上升趋势显著。从图3-h 可以看出，日照时数突变点在2007 年，但突变前后UF 统计量均在0.05 显著水平线内，未呈现明显变化趋势。从图3-i 可以看出，降水量UF 和UB 统计量有多个交汇点，增加和减少趋势交替演变，但基本都在0.05显著水平线内，趋势不显著。

图3 1961－2020年农业气候资源的突变检验

2.3 突变前后农业气候资源比较

为进一步分析农业气候资源的变化情况，以显著变化的农业气候资源的突变时间为界线，分析突变前后农业气候资源的变化特征（表1）。年平均气温、年平均最低气温和年平均最高气温突变后较突变前分别高0.7、0.9、0.7℃；初日和持续天数突变后较突变前提前15 d和增加16 d，活动积温突变后较突变前增加了464.2℃d，可以看出，1996年后，特别是2000 年之后，贵港地区热量资源显著增加，这为该地区提高农业产量提供了气候条件。

表1 突变前后农业气候资源比较

2.4 农业气候资源的周期变化规律

图 4 为 1961－2020 年年平均气温 （图4-a）、平均最低气温（图4-b）、平均最高气温（图4-c）、稳定通过10℃初日（图4-d）、终日（图4-e）、持续天数（图4-f）、大于10℃活动积温（图4-g）、稳定通过10℃期间日照时数（图4-h）和降水量（图4-i）的连续小波功率谱，图中粗黑线包围的范围通过了α＝0.05显著性水平下红色噪音标准谱的检验，细黑线为影响锥型曲线。从图4-a、4-b、4-c 中可以看出，年平均气温存在着3 年和4 年尺度的显著周期变化，其中，3 年尺度周期变化主要发生在2005－2010年，能量较弱；4年尺度周期变化主要发生在1983－1996 年，该尺度较3 年尺度能量强。年平均最低气温存在1 年和4 年尺度的显著周期变化，其中，1 年尺度周期变化主要发生在1967－1975 年，4 年尺度周期变化主要发生在1985－2000 年和 2005－2010 年，3 个时段的周期变化能量相对较弱。平均最高气温存在着3 年和4年尺度的显著周期变化，其中，3 年尺度周期变化主要发生在2004－2009年，能量较弱，4年尺度周期变化主要发生在1983－1991年，能量较强。

从图4-d、4-e、4-f 中可以看出，初日未表现出明显的周期变化规律；终日存在着8年尺度的显著周期变化，主要发生在1965－1989 年，能量较强；持续日数也存在着8 年尺度的显著周期变化，主要发生在1970－1980年，能量较强。

图4 1961－2020年农业气候资源的连续小波功率谱

从图4-g、4-h、4-i 中可以看出，活动积温存在着2年尺度的显著周期变化，主要发生在1970－1977 年，能量相对较强。日照时数存在着2 年、4年和6 年尺度的显著周期变化，2 年尺度周期变化主要发生在1975－1983年，4年尺度周期变化主要发生在2000－2005年，6年尺度周期变化主要发生在1978－1981 年。降水量存在着4 年尺度的显著周期变化，该尺度周期变化主要发生在1992－2005年，能量最强。

3 讨论与结论

在全球气候变暖背景下，广西地区温、光、水资源均发生不同程度变化。贵港市年平均气温、平均最低气温、平均最高气温和大于10℃活动积温均呈显著上升趋势，突变时间在2000 年，与广西整体热量资源变化趋势基本一致［21-23］。稳定通过10℃期间日照时数在波动中呈下降趋势，但是趋势系数不明显，这与广西日照时数总体呈显著下降的趋势不同［24］，说明日照时数的变化存在明显的空间差异，稳定通过10℃期间降水量也未表现出明显的变化趋势，但存在1 个显著的4 年尺度周期变化规律。另外，稳定通过10℃初日明显提前，由于终日基本在一年中12 月中下旬，稳定通过10℃持续天数显著延长，作物安全生长季天数增加，这与黄维等［8］研究基本一致。

热量资源的显著增加，春季物候期提前，秋季物候期推迟，作物生长期相对延长，农业种植界限向高海拔扩张，在一定程度上提高了单位面积粮食生产能力，增加了农作物种植区域［6］。但随着高温日数的相应增加，以及日照时数和降水变化趋势的不确定性，高温、干旱、强降水等极端天气、气候事件日益频发［25-26］，进一步制约贵港地区的农业气候资源和生产潜力，使得作物生产潜力仍具不确定性。因此，在当前气候背景下，在充分、合理利用农业气候资源的基础上，还要关注农业气象灾害的发生规律，为贵港地区农业生产提供合理、可靠的科学依据。