SINO-OVERSEAS GRAPEVINE & WINE
降水特征分析
梁小娟1,2，张晓煜1,2,3*，杨永娥1,2，冯蕊1,2，王静2,3
（1. 宁夏大学葡萄酒与园艺学院，宁夏银川 750021；2. 中国气象局旱区特农业气象灾害监测预警与
风险管理重点实验室，宁夏银川 750002；3. 宁夏气象科学研究所，宁夏银川 750002）摘 要：为摸清贺兰山东麓产区酿酒葡萄关键生育期降水特征，根据1981—2020年贺兰山东麓国家气象站降
水资料，采用气候倾向率法、Mann-Kendall 非参数统计检验法、滑动t 检验法和Morlet 小波分析法，对近40年贺兰山东麓降水变化特征进行分析。结果表明：（1）贺兰山东麓产区年降水量总体呈增长趋势。葡萄新梢生长期降水呈下降趋势，在1992年和2009年出现突变；果实膨大期和转成熟期呈增加趋势，未发生突变；年际生长季降水量和降水日数均表现为由南向北递减的趋势。（2）贺兰山东麓产区全年和生长季暴雨量和暴雨日数呈增加趋势，新梢生长期大雨日数呈减少趋势，果实膨大期大雨和暴雨日数增加；转成熟期小雨日数变化最为明显。（3）产区降水量存在28年周期震荡，而葡萄关键生育期存在10年周期性震荡，降水量减少的虚线等值线在2020年均未闭合，此后一段时间产区将处于降水偏少
期。分析所得贺兰山东麓产区酿酒葡萄关键生育期的降水时空分布特征，为产区气候变化适应和葡萄园水分管理提供参考。
关键词：贺兰山东麓；降水量；降水日数；气候倾向率；Mann-Kendall 检验；小波分析；气候变化中图分类号：P426.6 文献标志码：A DOI ：10.13414/jki.zwpp.2023.04.002
收稿日期：2022-08-24
基金项目：国家自然科学基金项目（42165013）；宁夏自治区重点研发计划项目（2022BBF02014，NXNYYZ202101-02）作者简介：梁小娟（1999—），硕士研究生，主要从事果树生理生态与高效栽培研究。E-mail:*******************通信作者：张晓煜（1968—），博士，研究员，主要从事葡萄气象与灾害风险管理研究。E-mail:*******************
Precipitation Characteristics of the Eastern Foot of Helan Mountains
Grape Region from 1981 to 2020
LIANG Xiaojuan 1,2, ZHANG Xiaoyu 1,2,3*, YANG Yong'e 1,2, FENG Rui 1,2, WANG Jing 2,3
( 1. College of Enology and Horticulture, Ningxia University, Yinchuan 750021, China; 2. Key Labora
tory of Agricultural Meteorological Disaster Monitoring, Early Warning and Risk Management in Dry Areas, China Meteorological Administration,
Yinchuan 750002, China; 3. Ningxia Institute of Meteorological Science, Yinchuan 750002, China )
2023(4): 6-17
Abstract: In order to map the precipitation characteristics of the eastern foot of Helan Mountains in the critical
growth period of wine grapes, according to the precipitation data of the national meteorological stations in the eastern foot of Helan Mountains from 1981 to 2020, using the climate propensity rate method, the Mann-Kendall nonparametric statistical test, the sliding t-test, and Morlet wavelet analysis, precipitation variation characteristics in the eastern foot of Helan Mountains was analyzed in the last 40 years. The results showed that: (1) The annual precipitation in the eastern foot of Helan Mountains has generally increased in the last 40 years. There was a decreasing trend of precipitation during the new growth period of grapes, mutations in 1992 and 2009; there was an increasing trend in fruit expansion and color change periods, no mutations have occurred; both annual and
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IPCC第五次（2013）和第六次（2018）评估报告[1-2]指出，水循环已响应二氧化碳和全球气候变暖的结果。据预测，在全球范围内，气温升高使得水循环加速，未来极端性气候事件的发生概率可能将进一步增加，全球降水趋势会更加不平衡。近年来，对降水变化特征和趋势的研究逐渐成为国内外气象、水文、生态等领域的研究热点。相关研究表明，受气候变化影响，降水的季节和地域差异变化显著。1960—2011年，整个西北地区年降水量呈微弱上升趋势，每10年气候倾向率为0.17 mm，而西北东部明显下降，西北和青藏高原一带显著上升[3]。有学者指出，1961—2010年黄土高原多年平均降水量季节变化差异显著，春夏秋季均呈下降趋势，而冬季多年平均降水量显著上升[4]。刘新平等[5]在研究奈曼地区降水特征时发现，近49年该地区春季降水增加，夏、秋、冬三季降水逐年减少，降水量整体呈下降趋势，气候趋于更加干旱化。由此可知，随着全球气候变化，地域间水资源时空分布格局也发生了明显改变。
葡萄生长发育和品质形成对水分非常敏感，关键物候期水分的变化会间接影响葡萄果实成分和品质[6]，严格控制各发育期的水分是种好葡萄的重要前提。在新梢生长期和果实膨大期需水量较多，而花期和果实成熟期需水较少，雨水过多会导致裂果和烂果，降低产量及品质，使得所酿造出来的葡萄酒口感不佳[7]；相反，年均降雨量较少有利于葡萄糖分的保持，对葡萄和葡萄酒品质的提高有重要作用。随着气候变化，贺兰山东麓产区极端降水事件频发，给葡萄园水分管理带来了严峻挑战，同时对酿酒葡萄产业发展造成深远影响。因此有必要摸清产区降水时空分布规律，对产区葡萄园科学灌溉，适应气候变化，充分利用雨水资源具有重要意义。
本文通过对贺兰山东麓产区1981—2020年降水资料的统计分析，探讨产区及葡萄关键生育期降水的时空变化特征，以期为该地区葡萄园产业水分动态管理提供支撑，为高产优质的酿酒葡萄田间管理提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
研究区为贺兰山东麓酿酒葡萄种植区。该区位于贺兰山山前倾斜洪积平原，呈南北纵向延伸分布，海拔1090～1400 m，光照足，温差大，年降水量172～266 mm，蒸发量大，湿度低，全年日照时数达3000 h，无霜期160 d左右。目前，酿酒葡萄种植面积达3.5万 hm2，占全国酿酒葡萄面积的1/3左右，是中国最大的酿酒葡萄集中连片种植区和酒庄酒产区。
1.2 数据来源
调查数据来源于1981—2020年宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄主产区1个国家基准站（银川）和7个国家基本站（惠农、石嘴山、平罗、贺兰、永宁、青铜峡、同心）的逐日（20:00至翌日20:00）降水数据，数据完整，无缺失，具有较好的连续性。本文所选气候站均为产区主要代表站，其中银川、青铜峡和同心3个站
growing season precipitation and days of precipitation showed a decreasing trend from south to north. (2) Increase in the amount and number of days of heavy rainfall throughout the year and growing season in the eastern foot of Helan Mountains production area, reduction in the number of heavy rain days during the new growth period, increase in the number of days of heavy and stormy rains during fruit expansion. The variation in the number of light rain days was most pronounced during the transition to color maturity. (3) There was a 28 year-cycle oscillation of precipitation in the production area, and the presence of ten years cyclic oscillations in the critical growth period of grapevine. The dashed contours of precipitation reduction were not even closed in 2020, and the production area would be in a period of low precipitation thereafter. This paper analyzed the spatial and temporal distribution characteristics of precipitation for each key growth period of wine grapes in the eastern foot of Helan Mountains appellation to provide a reference basis for precipitation mechanisms, climate change adaptation and vineyard water management in the eastern foot of Helan Mountains appellation.
Key words: the eastern foot of Helan Mountains; precipitation; precipitation days; climate propensity rate;
Mann-Kendall test; Wavelet analysis; climate change
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降水变率大且降水丰富，单独分析其变化特征。
一天内只要有降水（降水量≥0.1 mm，包括微量），当日即被计算为降水日。降水强度根据GB/T 28592—2012《降水量等级标准》，以日雨量计可将降雨划分为小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨，划分标准为24 h（20:00—20:00）降水量＜10 mm 为小雨、10～25 mm为中雨、25～50 mm为大雨、50～100 mm为暴雨、100～250 mm为大暴雨、＞250 mm 为特大暴雨[8-9]，文中将降水量＞50 mm（暴雨、大暴雨、特大暴雨）统称为暴雨。
研究过程中，对完整的逐日降水数据进行整理和顺次加和，构建月、年降水序列，最后计算各降水序列的均值和变异系数，进一步通过线性趋势、等值线图等进行降水变化特征分析。
1.3 分析方法
本文按照年、生长季对贺兰山东麓产区的降水数据进行计算并分析其降水变化趋势，年降水量使用全产区8个气象站40年平均降水数据；将葡萄生长季（4—9月）划分为3个关键生育期，包括新梢生长期（4—5月）、果实膨大期（6—7月）和转成熟期（8—9月）。采用降水气候倾向率分析降水序列的变化趋势，Mann-Kendall检验和滑动t检验法辨析降水序列的突变情况，Morlet小波分析法探究降水周期规律。
1.3.1 气候倾向率
气候要素的变化趋势一般用一元线性方程表示。降水倾向率用于定量分析趋势变化的强弱，降水及倾向率的空间分布差异性利用Arcgis平台的普通克里金空间插值方法进行分析。
y=ax+b
式中：y为降水量；x为年际序列号；b为常数项；a为斜率，也称气候倾向率[10-11]。
1.3.2 Mann-Kendall非参数统计检验法
Mann-Kendall检验不需要样本遵从特定分布，也不受少数异常值的干扰，适用性强，计算方便，可以检验时间序列是否发生了突变，比较适于水文、气象等非正态分布数据的分析，被世界气象组织推荐并广泛使用。近年来，该方法在降水、气温等气象要素时间序列的趋势变化中得到了较多应用[12-15]。按序列的顺序X1，X2，...X n计算一次秩统计量U，记为UF；按序列的逆序X n，X n-1，...X1再计算一次秩统计量U，记为UB。当UF＞0时，表示原序列呈上升趋势，反之则呈下降趋势；若UF超过置信度线（α95=±1.96）时，表明上升或者下降趋势显著；若UF和UB两条曲线的交叉点位于置信区间内，则该交叉点对应的时间便是序列突变开始的时间。
1.3.3 Morlet小波分析法
小波分析是时间和频率的局部变换，适用于非稳定的信号处理，能有效地从信号中提取信息，揭示出隐藏在时间序列中的多种变化周期，并能对时间序列未来的发展趋势进行定性估计，目前已被广泛应用于水文时间序列的周期分析中，已有不少学者利用小波函数分析不同地区的降水量周期变化特征[16]。小波函数有很多种，针对水文系列的特征，本研究选取Morlet复小波作为小波函数进行降水周期分析[14]。
2 结果与分析
2.1 贺兰山东麓产区降水量变化特征分析酿酒葡萄
2.1.1 年际降水量变化
1981—2020年贺兰山东麓产区年降水总量为87.1～270.5 mm，变化幅度大，年均降水量为191.9 mm，极大值出现在2012年，达270.5 mm，当年降水主要集中在7月，该月降水量达115.8 mm；极小值出现在2005年，为87.1 mm；最大年降水量约为最小年降水量的3倍，极差达183.4 mm。
贺兰山东麓产区多年平均降水量线性增幅为每10年增6.89 mm，呈上升趋势（图1）。3个代表站中，银川站多年平均降水量189.4 mm，线性趋势增幅最大，每10年增加9.27 mm；青铜峡站次之，每10年增加8.13 mm，呈上升趋势；同心站多年降水量呈下降趋势，每10年降水量减少3.26 mm（图1）。贺
兰山东麓产区及3个代表站降水量M-K检验结果（图2）表明：UF和UB曲线在显著性水平0.05的临界线之间存在多个交点，利用滑动t检验发现产区年均降水量未发生突变，说明40年降水序列不存在突变现象，只存在年代际的低频震荡；银川站在1992年左右发生突变，1981—1991年均降水量为181.0 mm，1992—2020年均降水量为192.6 mm，同比增加11.6 mm，而其余两个站40年降水量与年降水量变化特征相似，只存在低频震荡，未发生突变。从年降水量变异系数的时间变化
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（图3）可以看出，贺兰山东麓产区降水量变异系数多＜0.4，整体呈减小趋势，存在明显年代际周期，20世纪80年代、90年代中期和2010年前后变异系数年际波动较大，说明降水量年际分配差异较大。
2.1.2 生育期降水量变化
由图4可知，1981—2020年贺兰山东麓产区葡萄3个关键生育期平均降水量分别为28.4、70.7、69.3 mm，每10年的气候倾向率为﹣1.97、5.86、1.61 mm，其中果实膨大期降水量增加趋势显著。对葡萄关键生育期降水序列进行M-K检验和滑动t检验，结果显示，新梢生长期降水量存在两个突变点，分别是1992年和2009年，而在果实膨大期和转成熟期降水量未发生突变，降水量呈上升趋势。
新梢生长期降水量呈下降趋势，线性减少率为每10年﹣1.97 mm，年际间波动较大。新梢生长期平均降水量为28.4 mm，占年平均降水量的14.8%。其中，极大值为2002年的72.4 mm，极小值为2000年的0.8 mm，降水量振幅为71.6 mm；新梢生长期降水量对年降水量贡献率最小。根据突变检验分析，新梢生长期在1992年和2009年发生突变，1981—1991年平均降水量为35.6 mm，1992—2008年平均降水量为24.0 mm，2009—2020年平均降水量为28.1 mm，降水量逐渐减少。从图5可以看出，新梢生长期降水量变异系数逐年减小，在2000年之前年际变化幅度较大，1995年最大为1.63，说明降水量在该时段内变化幅度大，产区出现旱涝灾害的几率增加。
果实膨大期和成熟期降水均呈增加趋势。果实膨大期降水量以每10年约5.86 mm的速率增加，整体波动不大。果实膨大期平均降水量为70.7 mm，占年平均降水量的36.8%，极大值为2012年的161.2 mm，极小值为2005年的22.2 mm，其中2012年降水量明显增多，可能与当年夏季的达维、苏拉、海葵3个台风接连在我国东部沿海登陆间接导致西北地区降水量异常增多有一定关系；自1981年来，降水量整体呈平稳波动上升趋势，年降水量的增加主要源于果实膨大期降水量增加的贡献。根据突变检验分析，果实膨大期未发生突变，说明降水量只存在轻微震荡。
而果实膨大图 1 1981—2020年贺兰山东麓产区及代表站降水量变化趋势
Figure 1 Variation trend of precipitation in the eastern foot of Helan Mountains region and representative stations from 1981 to 2020
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期降水量变异系数最大，未超过0.8；1990—2010年的20年间变异系数波动较大，降水量年际间分配不均匀，稳定性较差（图5）。
转成熟期降水量每10年增加1.61 mm，年际变幅较大，在波动中平稳增加。此期平均降水量为69.3 mm，占年均降水量的36.1%，极大值为2020年的122.7 mm，极小值为1981年的33.9 mm，降水量变幅为88.8 mm。根据突变检验分析，转成熟期降水量40年不存在突变现象。由图5可以看出，转成熟期降水量变异系数与果实膨大期相似，且在2000年之后年际变化幅度大，表明在此期间内降水量波动性较大，有较强的不稳定性。
2.2 贺兰山东麓产区不同等级降水变化特征分析2.2.1 年际不同等级降水量和降水日数变化
贺兰山东麓产区和3个代表站40年不同等级降水日数年际变化如图6所示。由图6可以看出，40年来小雨日数分布最多，其最多日数出现在2014年，达59.5 d，最少日数为1997年的30.5 d；中雨最多日数是1990年的7.1 d，1982年的1.4 d是其最少日数；在2012年出现大雨日数最多，为2.1 d。进入21世纪
以来，暴雨次数不但没有减少，反而明显增多，2002、2006、2018年暴雨次数最多达6次，意味着短时强降水概率增加，
正是图 2 1981—2020年贺兰山东麓产区及代表站降水量M-K突变检验
Figure 2 M-K test statistical test of precipitation in the eastern foot of Helan Mountain region and
representative stations from 1981 to 2020
图 3 贺兰山东麓产区降水量变异系数时间变化曲线
Figure 3 Temporal variation curve of precipitation variation
coefficient in the eastern foot of Helan Mountain region
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