基于气候信息的雨养农业适时播种：撒哈拉以南非洲可持续粮食安全支持框架

《Climate Services》：Climate-informed timely planting in rainfed systems for supporting sustainable food security in sub-Saharan Africa

　　

未预见且未缓解的气候风险是实现联合国可持续发展目标2（零饥饿）的主要障碍，其通过事后冲击与事前不确定性影响持续加剧粮食不安全。就后者而言，气候相关不确定性降低了投入品使用效率，并抑制了改良农业实践的采纳与部门投资（Hansen et al., 2022）。依赖绿水（即植物根系可利用的降雨来源土壤水分）的雨养系统对气候变率与变化高度脆弱。干旱绿水异常在全球范围内降低雨养作物产量（Borgomeo et al., 2020），且全球变暖预计将对依赖雨养的地区产生不成比例的影响，在1.5°C与3°C情景下分别危及8亿与12亿人的粮食生产（Rosa and He, 2025）。 农户可通过适应性管理实践缓解气候相关风险，如作物日历调整或品种选择（如Liu et al., 2013；Tachie-Obeng et al., 2013；Rose et al., 2016；Minoli et al., 2022）。然而，资源与能力的限制阻碍了发展中国家小农户获取这些应对策略（如Obe et al., 2025；Incoom et al., 2025），因此需要在提高作物产量与气候韧性的有效性之外，兼顾成本与可持续性标准（Liu and Yang, 2022）。为此，上述作者倡导适时播种——最重要的非投入要素之一——作为气候变化条件下提升产量增益的经济可行且实用的策略。 热带地区的播种日期受有效雨季开始时间控制（Minoli et al., 2022），因此其时间的事前信息对粮食安全至关重要（如Davenport et al., 2021；Shukla et al., 2021；Zampieri et al., 2023）。然而，模型对降雨开始日期预测的表现很大程度上取决于所采用的定义（Kumi et al., 2020）。文献中存在多种表征雨季开始的定义，基于不同尺度、变量与方法（如Bal et al., 2022；Bombardi et al., 2020）。最简单的是使用经验性降雨量阈值，通常结合干旱期分析以满足农艺需求（如Mupangwa et al., 2011）。然而，对经验阈值的主要批评在于刚性阈值在目标区域之外不适用（Bombardi et al., 2019），并存在数据集与分辨率偏差风险（Fitzpatrick et al., 2015；García-Franco et al., 2021；Mwangi et al., 2024），而灵活阈值则需要额外的风险/收益评估（Fitzpatrick et al., 2015）。基于累积降水异常（如Dunning et al., 2016）或小波变换（如García-Franco et al., 2021；Amekudzi et al., 2015）的替代方法提供了跨数据集与区域的稳健性和可移植性，但由于不存在优越或通用的方法，选择取决于空间尺度或终端用户需求等因素（Bombardi et al., 2020）。然而，很少有研究系统性地探讨这一选择如何影响诊断出的开始日期、其年际变率、检测稳健性以及同一降雨记录中长期趋势的解释，尤其是在双峰过渡带气候中（Kouadio et al., 2026）。 此外，非洲气候数据可用性与信息获取的限制构成了气候风险管理和气候变化适应的重大障碍，但这些问题并非气候信息无用的唯一原因。即使存在合适的数据，由此衍生的信息可能不在决策者相关的尺度（时间或空间）上，或以不相关的格式呈现（Dinku et al., 2022）。例如，尚不清楚撒哈拉以南非洲的区域预报如何表征开始与结束的变率（超出与季节总量的相关性），因为它们可能仅对雨季开始做出主观陈述（MacLeod, 2018；Rauch et al., 2019）。因此，大多数面向农户的现有决策支持工具并未在特定地点和日期提供关于播种决策的清晰且可操作的气候指导（Black et al., 2023）。根据世界气象组织（WMO, 2020），成功的气候服务应涉及在单一或多个时间尺度上使用定制、客观的区域气候预报，包括可追溯、可复现且有据可查的步骤序列。然而，非洲国家的国家气象服务（NMS）通常基于气象学家利用全球输出及其他可用信息的经验，通过主观共识过程发布季节降雨预报（Acharya et al., 2021）。此外，尽管NMS在国家尺度提供气候信息，但面向非洲农业部门的气候服务交付与使用的研究与努力大多仍处于试点规模（Hansen et al., 2019）。 因此，本研究旨在为撒哈拉以南非洲（SSA）的气候信息驱动农业可持续性提供一个客观且可复现的框架，解决前述已识别的局限性：在本地域外使用经验的、不可移植的雨季开始定义；缺乏在适宜时空尺度上的具体种植气候建议；以及方法论选择对所得开始日期影响的评估不足。为此，研究人员开发了一种对该区域雨养玉米生长季开始时间进行长期预报的方法，该方法提供空间与时间上明确的播种日期建议，同时确保其在不同农业生态区域与气候数据集间的适用性与可比性。该信息的整合将有助于强化气候服务在农户资源配置优化与气候相关风险缓解中的作用，最终在气候变率与变化下提高粮食系统的韧性。 本文结构如下：首先，研究人员提出最大小波功率日期（MWPD）——基于基线期（1982–2010）降水时间序列导出——作为雨养系统适时播种的稳健指标。其次，研究人员检验其最大化满足当地农业气候开始标准概率的能力。随后，研究人员评估MWPD基于前期降雨的可预测性，考虑数月的前置时间以实现充分的农业规划。最后，研究人员通过利用不同降雨数据集验证研究结果的稳健性，从而促进对MWPD在增强SSA利益相关者生长季开始预报可靠性与可接受性方面的优势与局限进行全面评估。

一、研究背景与问题提出

撒哈拉以南非洲（sub-Saharan Africa, SSA）约90%的农业为小农户雨养系统，对季节降雨变率高度脆弱。气候相关不确定性不仅通过事后冲击造成粮食不安全，还通过事前不确定性降低投入效率、抑制改良实践采纳与部门投资，构成联合国可持续发展目标2（零饥饿）实现的主要障碍。农户可通过作物日历调整等适应性管理缓解风险，但小农户资源有限，适时播种作为最重要的非投入要素，是经济可行的增产与气候韧性策略。

热带地区播种日期受有效雨季开始时间控制，其事前信息对粮食安全至关重要。然而，现有雨季开始定义多依赖经验性降雨阈值，刚性阈值在区域外不适用且存在数据集与分辨率偏差；基于累积降水异常或小波变换的替代方法虽具稳健性与可移植性，但缺乏对方法选择如何影响诊断结果、年际变率、检测稳健性与长期趋势解释的系统评估。此外，非洲气候数据可获取性受限，即使数据存在，信息尺度或格式也常与决策者需求不匹配。区域预报对雨季开始的表征多为主观陈述，现有决策支持工具缺乏针对特定地点与日期的可操作种植指导。国家气象服务（National Meteorological Services, NMS）多依赖主观共识过程发布季节预报，且气候服务研究多停留在试点规模。因此，本研究旨在提供客观、可复现的框架，解决经验定义不可移植、缺乏具体种植建议及方法论影响评估不足等问题。

二、研究内容与主要结论

研究人员提出最大小波功率日期（Maximum Wavelet Power Date, MWPD），基于基线期（1982–2010）降水时间序列导出，作为雨养系统适时播种的稳健指标。研究检验其满足当地农业气候开始标准的能力，评估其基于前期降雨的可预测性（考虑数月前置时间），并利用多套降雨数据集验证结果稳健性。研究得出以下主要结论：MWPD可作为跨尺度与数据集稳健的雨养玉米生长季开始指标；提前四个月的预测误差一般在±14天窗口内；若季节开始偏早，预测技巧下降，凸显情境化专家解读的必要性；该方法灵活，适用于其他作物、更细空间尺度与专家知识整合；相关农业气候条件的区域化支持定制化服务供给。

三、关键技术与方法

研究采用连续小波变换（Continuous Wavelet Transform, CWT），选用Morlet母小波，对以作物日历种植日期（Crop Calendar Planting Date, CCPD）为中心的60天日降水时间序列窗口进行分析，时间分辨率dt=1天，频率分辨率dj=1/20，傅里叶周期范围2–20天。每年每位置的最大小波功率对应时间点即MWPD。种植日期数据来自全球网格作物模型比较计划（GGCMI）第三阶段作物日历（0.5°分辨率），气候数据包括AgERA5、AgMERRA、CHIRPS、CHIRTS、MSWEP-Past、MSWX-Past等多套降水与温度数据集，基线期1982–2010（CHIRTS为1983–2010），AgERA5另提取2011–2024年数据用于验证。统计方法包括增广迪基-富勒检验（Augmented Dickey Fuller, ADF）与KPSS检验（Kwiatkowski-Phillips-Schmidt-Shin test）评估平稳性，Sen斜率与曼-肯德尔检验（Mann-Kendall test）识别趋势，Ptitsyn等提出的置换检验检测短时间序列周期性。

四、研究结果

MWPD与CCPD的关系分析：研究人员计算了MWPD相对CCPD的标准差与平均绝对差，并获取MWPD提前或滞后超过m天的概率，以评估其作为种植时间指示器的可靠性。

MWPD的平稳性与趋势检验：通过ADF与KPSS检验评估MWPD时间序列平稳性，Sen斜率与Mann-Kendall检验识别趋势，置换检验检测周期性，结果表明MWPD在不同区域表现出不同的统计特征。

MWPD可预测性评估：研究人员检验了MWPD基于前期降雨的可预测性，考虑数月前置时间。结果表明提前四个月的预测误差一般在±14天窗口内，但预测技巧在季节开始偏早时下降。

跨数据集稳健性验证：通过多套降雨数据集（AgERA5、CHIRPS、MSWEP-Past等）交叉验证，确认MWPD作为雨季开始指标的稳健性及其在不同数据源间的可移植性。

五、讨论与结论

讨论部分指出，MWPD方法克服了经验阈值定义不可移植的局限，提供了客观、可复现且跨数据集稳健的雨季开始指标。预测技巧的季节依赖性（早开始年份预测误差增大）凸显了结合专家知识进行情境化解读的必要性。区域化农业气候条件分析支持面向不同农业生态区的定制化气候服务供给。研究结论为：MWPD可作为SSA雨养玉米适时播种的可靠决策支持工具，提前数月提供可操作的种植日期建议，有助于优化农户资源配置、缓解气候相关风险，最终增强粮食系统在气候变率与变化下的韧性。该框架的灵活性使其可推广至其他作物与更细空间尺度，为气候智慧农业提供方法论支撑。