陳小英 阮翠冰 林巧靈 阮凌云

(福建省寧德市氣象局，福建 寧德 352100)

1 概述

2021年8月正式發(fā)布的IPCC第六次評估報(bào)告第一工作組報(bào)告指出，1970年以來的50年是過去兩千年以來最暖的50年，2011—2020年全球地表溫度比工業(yè)革命時(shí)期上升了1.09℃，預(yù)計(jì)未來20年全球升溫幅度將達(dá)到或超過1.5℃，屆時(shí)熱浪將增加，暖季延長而冷季縮短[1]。氣候變暖氣溫升高無疑給整個(gè)氣候系統(tǒng)帶來了巨大深遠(yuǎn)的影響，這其中就包括四季起止時(shí)間和持續(xù)時(shí)間的變化。趙俊虎等[2]在對中國的季節(jié)變化與極端溫度事件的聯(lián)系研究中指出，中國大部分地區(qū)冬季起始時(shí)間推后，春、夏季起始時(shí)間提前，秋季起始時(shí)間變化不大，因此冬季長度顯著縮短，春、夏、秋季長度延長。張世軒等[3-4]在對全球變暖下中國季節(jié)變化的分析中也指出中國大部分地區(qū)冬季持續(xù)天數(shù)和起始時(shí)間變化相對于春、夏、秋三季而言更為顯著，但同一季節(jié)不同區(qū)域的響應(yīng)不同，就全國而言，北方比南方的響應(yīng)更明顯。郁珍艷等[5]則認(rèn)為全國范圍內(nèi)四季起始日的變化為春夏季提早、秋冬季推遲，其中夏季提早最明顯，春季較弱，空間區(qū)域分布上是北方變化比南方明顯，東部變化比西部明顯。王正等[6]在中國季節(jié)劃分及其對夏季降水的預(yù)測研究中指出，1981—2016年中國四季持續(xù)時(shí)間的變化呈現(xiàn)顯著的東西向差異，東部大部分地區(qū)春、秋季持續(xù)時(shí)間增加，西部地區(qū)縮短；夏、冬季的持續(xù)時(shí)間東部地區(qū)縮短，西部地區(qū)增加，縮短或增加的高低值區(qū)因季節(jié)而異。從上述文獻(xiàn)來看，不同區(qū)域近30～50年四季變化特征基本都有春夏季提早、秋冬季推遲的趨勢，但四季入季時(shí)間和季節(jié)長度變化存在著明顯的地域差異性。

季節(jié)的變遷與人類、自然的休養(yǎng)生息關(guān)系密切，其輪換更迭的規(guī)律發(fā)生變化勢必對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)、人類經(jīng)濟(jì)活動等造成廣泛長遠(yuǎn)影響[7-8]。寧德位于福建省東北翼沿海，依山傍海，東臨臺灣海峽，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，境內(nèi)地理環(huán)境復(fù)雜，兼有海洋氣候、山地氣候、盆地氣候等多種氣候特點(diǎn)。獨(dú)特的地理氣候特征對氣候變暖的響應(yīng)亦有所不同，這種不同也勢必體現(xiàn)在四季變化上。本文擬通過氣候統(tǒng)計(jì)診斷法分析得出寧德氣候季節(jié)變化規(guī)律，從而為當(dāng)?shù)貐^(qū)域生態(tài)環(huán)境的合理配置和農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)布局的合理調(diào)整等問題提供量化依據(jù)。

2 資料來源和分析方法

2.1 資料來源

本研究所用數(shù)據(jù)采自寧德市9個(gè)國家級氣象觀測站(蕉城、福安、福鼎、霞浦、古田、壽寧、周寧、柘榮、屏南)1971—2020年日平均氣溫，數(shù)據(jù)經(jīng)過質(zhì)量控制，具有代表性、準(zhǔn)確性和比較性，并有完整的序列。按地理位置及氣候特點(diǎn)將蕉城、福安、福鼎、霞浦、古田劃歸為沿海地區(qū)，壽寧、周寧、柘榮、屏南劃為山區(qū)。

2.2 四季劃分

四季劃分的方法主要有天文法、物候法、自然天氣季節(jié)法和氣溫劃分法[9-13]。其中自然天氣季節(jié)劃分法較為常用，通常是將3—5月、6—8月、9—11月、12—2月依次劃定為為春、夏、秋、冬季，福建的劃分略有不同，綜合了大氣環(huán)流形勢、氣象要素變化等特點(diǎn)，將3—6月、7—9月、10—11月、12—2月劃定為為春、夏、秋、冬季，其中3—4月為早春季、5—6月為雨季[14]。以上季節(jié)劃分法簡單明了，但全國各地在同一天進(jìn)入一個(gè)季節(jié)顯然不盡科學(xué)，與實(shí)際狀況出入較大，無法準(zhǔn)確反映不同地域的四季特點(diǎn)。2012 年11月實(shí)施的氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《氣候季節(jié)劃分》( QX/T152—2012)[15]，是在張寶堃[16]提出的候溫法的基礎(chǔ)上修訂而成，即以5d滑動平均氣溫是否達(dá)到10.0℃或22.0℃作為劃分依據(jù)，當(dāng)5d滑動平均氣溫≤10.0℃時(shí)為冬季，≥22.0℃時(shí)為夏季，介于10.0～22.0℃之間時(shí)則為春季、秋季。此季節(jié)劃分法與自然物候?qū)嶋H變化情況基本能夠相對應(yīng)，雖然可能存在個(gè)別年份因?yàn)閾Q季前后氣溫波動起伏較大而造成換季時(shí)間出現(xiàn)偏遲或偏早現(xiàn)象，但總體劃分結(jié)果仍較為客觀合理。本研究以此標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，利用寧德所轄各縣(市)1971—2020年歷史氣溫資料，逐一計(jì)算分析歷年四季起始時(shí)間和季節(jié)長度。

2.3 研究方法

按照氣候季節(jié)劃分行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，分別統(tǒng)計(jì)出歷年四季起始日期和季節(jié)長度；利用ArcGIS內(nèi)嵌的反距離權(quán)重法對寧德市四季起始時(shí)間和季節(jié)長度進(jìn)行空間插值分析；利用一元線性回歸分析法進(jìn)行趨勢分析，并做相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)；用Mann-kendall(M-K)非參數(shù)檢驗(yàn)法[17]對四季起始時(shí)間、季節(jié)長度分別做突變檢測；采用多元線性回歸分析法[18]篩選四季變化的主要影響因子。

3 結(jié)果與分析

3.1 四季起始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間的空間差異分析

根據(jù)《氣候季節(jié)劃分》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算得出寧德市平均進(jìn)入春、夏、秋、冬的日期分別為2月28日、5月30日、9月24日、12月12日，各季長度分別為92d、117d、79d、78d，所屬9縣市的四季起始時(shí)間及季節(jié)長度的空間分布則如圖1所示。從圖1可看出，蕉城、福安、福鼎、霞浦、古田5個(gè)沿?？h市近50年進(jìn)入春夏的時(shí)間均比壽寧、周寧、柘榮、屏南4個(gè)山區(qū)縣要早1個(gè)月左右，進(jìn)入秋冬季的時(shí)間則晚1～1.5個(gè)月。季節(jié)長度上，春、秋季各地相差不大，一般在3個(gè)月左右；夏、冬季差異則極為顯著：沿海縣市的夏季長度在5個(gè)月左右，山區(qū)縣只有3個(gè)月左右；冬季長度山區(qū)長達(dá)3.5個(gè)月，而在沿?？h市中，最長的古田不足2個(gè)月，短的如蕉城、福安只有13d。

(a)春季入季

(b)春季長度

(c)夏季入季

(d)夏季長度

(e)秋季入季

(f)秋季長度

(g)冬季入季

(h)冬季長度

鑒于沿海縣市之間以及山區(qū)縣市之間在四季起始時(shí)間及長度上相差不大，顯著差異只是存在于沿海與山區(qū)之間，為了全面描述寧德市的四季分布及變化特點(diǎn)，本研究以沿海、山區(qū)的逐日平均氣溫為基礎(chǔ)，對寧德市四季入季時(shí)間及季節(jié)長度按沿海、山區(qū)兩個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行計(jì)算分析。

3.2 四季起始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間的趨勢演變分析

3.2.1 四季起始時(shí)間變化分析

如表1所示，沿海春夏入季較山區(qū)早1個(gè)月左右，秋冬入季則遲1～1.5個(gè)月，入季最早與最遲在春夏季以及沿海的冬季可相差2個(gè)月之多。近50年，沿海與山區(qū)的四季起始時(shí)間變化趨勢都是春夏季提前，秋冬季推遲，其中夏季變化最為顯著，其次是沿海的入春、山區(qū)的入冬，分別通過了1%、5%顯著性檢驗(yàn)。

表1 1971—2020年寧德市沿海、山區(qū)四季起始時(shí)間變化統(tǒng)計(jì)

如圖2a～d所示，春夏季入季時(shí)間提前，也體現(xiàn)在進(jìn)入春夏季特早、偏早年份的頻次要較特晚、偏晚的頻次高，且特晚、偏晚年份多出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代、80年代，特早、偏早年份多出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代及之后，如沿海的14次特早入春年中，70年代出現(xiàn) 3次，80年代 1次，90年代2次，2000年后達(dá)到8次，山區(qū)的14次特早入春年中則有9次是出現(xiàn)在1997年到2010年之間。這表明沿海、山區(qū)的春季在21世紀(jì)的前10年為過去50年最早入春的年代。與春季起始日變化特點(diǎn)略有不同的是沿海入夏特早年主要集中在兩個(gè)時(shí)間段，分別是1997—2005年及最近的的5年，山區(qū)特早入夏的年份較少，主要是集中在2015—2020年間。沿海入夏呈逐年代穩(wěn)定提早的趨勢，但幅度在近10年略有收窄。山區(qū)入夏的年代際變化趨勢則不如沿海穩(wěn)定，提早與推遲交替進(jìn)行，繼整個(gè)90年代氣候變暖使得夏季顯著提早之后，進(jìn)入21世紀(jì)后的10年，雖然入春時(shí)間大幅提早，但入夏時(shí)間并未相應(yīng)提早，而是反向回復(fù)正常，直至近10年山區(qū)入夏大幅度提早的現(xiàn)象才再次凸顯。

沿海在入秋時(shí)間上的變化是四季當(dāng)中最小的，如圖2e所示，出現(xiàn)特早、偏早的年份雖然多于偏晚、特晚的年份，但多出現(xiàn)在70年代至90年代中前期之間，近10年以正常入秋為主，總體入秋時(shí)間有向后推遲的趨勢。山區(qū)的入秋氣候傾向率未能通過顯著性檢驗(yàn)，變化幅度在四季中也僅略大于春季，如圖2f所示，以2000年為界，13次偏早特早年中出現(xiàn)在此之前的有9次之多，15次偏晚特晚的年份出現(xiàn)在此之后的則有12次之多，表明進(jìn)入21世紀(jì)之后山區(qū)推遲入秋的現(xiàn)象愈發(fā)頻發(fā)。圖2g～h為沿海、山區(qū)入冬的時(shí)間曲線，可以看出，沿海與山區(qū)之間存在較明顯差異。沿海的特早年主要集中在1980—1985年、2009—2014年，年代際上，上世紀(jì)90年代入冬最晚，近10年為次晚入冬，其他年代入冬時(shí)間相差不大，屬相對偏早；山區(qū)特早入冬年份不多，但偏早年份較多，多集中在70年代和1990—2010年之間，年代際變化上70年代入冬時(shí)間最早，近10年入冬最晚，入冬推遲的趨勢顯著于沿海。

綜上，沿海與山區(qū)四季起始時(shí)間的變化趨勢一致，但由于地理環(huán)境差異，不同地域?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)速度與響應(yīng)程度不同，使得多數(shù)情況下沿海的變化要顯著于山區(qū)，年際間的波動幅度也大于山區(qū)，這與郁珍艷等[5]在對我國四季時(shí)間變化特點(diǎn)的研究中得出的全國范圍內(nèi)四季起始日的變化東部比西部明顯的結(jié)論是相一致的。相對于夏季起始時(shí)間顯著性提早的趨勢特征，冬、春季起止時(shí)間的變化則顯得復(fù)雜，尤以沿海冬季為甚。分析其原因，主要是氣候變暖背景下暖冬現(xiàn)象頻發(fā)，但階段冷空氣活動又相對活躍，氣溫波動頻率及幅度加大，個(gè)別年份冬季特征并不明顯，造成由秋入冬或由冬入春時(shí)的界限不清晰。

(a)(b)

(c)(d)

(e)(f)

(g)(h)

3.2.2 四季持續(xù)時(shí)間變化分析

如表2所示，沿海春秋季長度相當(dāng)，但夏冬季長度相差極大，夏長冬短，差值達(dá)到115d，各季的長度變化又以春、冬季為最大，最長持續(xù)時(shí)間與最短持續(xù)時(shí)間相差分別達(dá)到88d、84d；山區(qū)四季長度相對較為均分，冬長夏短，相差21d，各季的長度變化也是以春、冬季為最大，分別為71d、83d；沿海與山區(qū)在春秋季的季節(jié)長度上相差不大，主要差別在夏冬兩季，沿海夏季長度比山區(qū)長63d，冬季長度則短73d。從近50年變化趨勢來看，沿海與山區(qū)的四季長度總的變化特點(diǎn)都是夏秋季延長，春冬季縮短，但春秋季變化趨勢微弱，通過顯著性檢驗(yàn)的只有夏冬兩季。

表2 1971—2020年寧德市沿海、山區(qū)四季持續(xù)時(shí)間變化統(tǒng)計(jì)

如圖3a～h所示,沿海、山區(qū)在夏冬季長度的變化上與入季時(shí)間的變化特點(diǎn)相似，夏季偏短、冬季偏長的年份多集中在90年代之前，夏季偏長、冬季偏短的年份則多集中在90年代之后。在年代際的變化上，沿海夏季長度呈逐年代延長，但延長幅度在近10年收窄；山區(qū)夏季長度的年代際變化是延長與縮短交替進(jìn)行，近10年延長幅度明顯加大。冬季長度的年代際變化上，沿海在80年代表現(xiàn)為最長，近10年最短，而90年代冬季縮短幅度則是最大；山區(qū)冬季自90年代起逐年代縮短，期間屢有年份創(chuàng)下最短冬季極值，如2020年的冬季就急劇縮短至只有54d，為近50年最短的一個(gè)冬季。無論是山區(qū)還是沿海，從平均值來看最近的10年是50年來夏季最長冬季最短的10年。

從長期總趨勢來看，沿海、山區(qū)春秋季節(jié)長度的變化均為不顯著，但從1991—2020年的3個(gè)年代際情況來看，變化則較為突出，尤其是山區(qū)的春季，季節(jié)長度延長或縮短的幅度相比其他季節(jié)都是最大的，呈現(xiàn)跳躍式變化，如2011—2020年平均季節(jié)長度相比前10年縮短達(dá)30d，期間出現(xiàn)4個(gè)年份的特短年、4個(gè)年份的偏短年。

四季持續(xù)時(shí)間發(fā)生上述變化的原因主要是受四季起始時(shí)間變化的影響，入夏時(shí)間的提前和入秋時(shí)間的推遲直接導(dǎo)致了夏季長度的延長，入冬時(shí)間的推遲和入春時(shí)間的提前直接導(dǎo)致冬季長度的縮短，而春季提早的幅度小于夏季提早的幅度則使得春季縮短，同理，秋季延長是因?yàn)榍锛就七t的幅度小于冬季推遲的幅度。

(a)(b)

(c)(d)

(e)(f)

(g)(h)

3.3 四季起始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間的突變檢測

對四季開始日期及季節(jié)長度做Mann-kendall(M-K)非參數(shù)突變檢驗(yàn)，可判斷入季遲早及季節(jié)長短趨勢變化發(fā)生較為明顯轉(zhuǎn)折的時(shí)間點(diǎn)。以氣候傾向率均通過1%顯著性檢驗(yàn)的夏季為例分析，如圖4所示，沿海、山區(qū)入夏時(shí)間的突變年分別出現(xiàn)在1996年、2014年，突變年后入夏時(shí)間連續(xù)較多年有較大幅度的提早，其中沿海的UF線在2002年后超過5%顯著性水平臨界線，提早趨勢顯著。沿海、山區(qū)夏季長度的突變年與入夏突變年基本一致，分別出現(xiàn)在1997年、2014年，突變后，夏季長度連續(xù)較多年都有較大幅度的延長，UF線分別在2002年、2017年后超過顯著性水平5%臨界線。分析中還發(fā)現(xiàn)，沿海夏季起始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間的突變與氣溫變化的突變(圖略)完全同步，與中國大部分地區(qū)地表氣溫發(fā)生變暖突變的時(shí)間具有較好的一致性[6,19-20]。另外，山區(qū)的M-K圖在一定程度上也體現(xiàn)了一些學(xué)者有關(guān)“1998—2012年氣溫增速趨緩，全球氣候變暖停滯，變暖停滯在季節(jié)和空間分布上呈現(xiàn)不均勻性”的研究結(jié)論[20-21]。至于其他季的入季時(shí)間及季節(jié)長度在M-K圖上存在多個(gè)交點(diǎn)，主要發(fā)生在1986年、1996年、2005年、2015年的前后年間，但突變不顯著，階段性的轉(zhuǎn)折變化不再贅述。

(a)沿海夏季起始時(shí)間 (b)沿海夏季持續(xù)時(shí)間

(c)山區(qū)夏季起始時(shí)間 (d)山區(qū)夏季持續(xù)時(shí)間

3.4 氣溫對四季變化的影響

運(yùn)用多元線性回歸方法對可能影響四季變化的氣象因子如四季起始日或結(jié)束日所在月的平均氣溫、最低或最高平均氣溫等進(jìn)行擬合比較，結(jié)果顯現(xiàn)為單因子擬合效果更好，其中對四季入季時(shí)間影響最大的是四季起始日所處月份的平均氣溫，相關(guān)系數(shù)絕對值介于0.55～0.75之間，沿海入夏時(shí)間與5月平均氣溫最為相關(guān)，系數(shù)達(dá)到-0.75，呈反向關(guān)系；山區(qū)入冬時(shí)間與11月平均氣溫相關(guān)系數(shù)最小為0.55，呈正向關(guān)系。而影響季節(jié)長度變化的因素則較多，既有起始日所在月氣溫的影響，也有結(jié)束日所在月氣溫的影響，還與季節(jié)的總體平均氣溫有關(guān)，如對山區(qū)夏季長度、沿海冬季長度影響最大的是所處季節(jié)的季平均氣溫，相關(guān)系數(shù)分別為0.58、-0.74；而沿海的秋季長度、山區(qū)的冬季長度更多受季節(jié)結(jié)束所處月份(即1月、3月)平均氣溫的影響，相關(guān)系數(shù)為0.43、-0.48；其余季節(jié)的長度則受入季當(dāng)月平均氣溫的影響更大，除了山區(qū)的春季長度與入春月的相關(guān)系數(shù)未能通過1%顯著性水平檢驗(yàn)外，其余通過檢驗(yàn)的相關(guān)系數(shù)均在0.44～0.74之間。針對歷史最早最晚入季日期反查氣溫也可發(fā)現(xiàn)，入季最早最晚的時(shí)間與歷史極端低溫或高溫過程出現(xiàn)的時(shí)間有較好的重疊對應(yīng)關(guān)系。

4 結(jié)論與討論

①1971—2020年，寧德市沿海春夏秋冬四季入季時(shí)間分別為2月12日、5月18日、10月14日、1月9日；山區(qū)入季時(shí)間分別為3月14日、6月16日、9月10日、11月28日。沿海與山區(qū)四季起始時(shí)間的總體變化趨勢一致，均呈現(xiàn)春夏季提前、秋冬季推遲的特點(diǎn)，沿海春夏秋冬四季的氣候傾向率分別為-3.0d/10a、-3.4d/10a、1.6d/10a、1.6d/10a，山區(qū)的氣候傾向率分別為-1.4d/10a、-2.4d/10a、1.4d/10a、1.6d/10a。相對于夏季起始時(shí)間顯著性提早的趨勢特征，冬、春季起止時(shí)間的變化顯得復(fù)雜，尤以沿海冬季為甚。

②沿海夏長冬短，山區(qū)夏短冬長，夏季長度相差2個(gè)月，冬季長度相差近2.5個(gè)月，春秋季長度則相差不大。沿海春夏秋冬四季的氣候傾向率分別為-0.3d/10a、4.9d/10a、0.1d/10a、-5.0d/10a，山區(qū)的氣候傾向率分別為-1.1d/10a、3.9d/10a、0.3d/10a、-4.1d/10a，呈現(xiàn)夏秋延長、春冬縮短的變化趨勢，其中夏冬兩季變化顯著。

③沿海、山區(qū)在不同季節(jié)其入季時(shí)間及季節(jié)長度變化的顯著程度各有不同，四季中以夏季變化最為顯著，其中沿海夏季自1996—1997年發(fā)生突變后有持續(xù)10年較大幅度的入季提早和長度的延長，山區(qū)的夏季自2014年發(fā)生突變后直至2020年，入季時(shí)間及季節(jié)長度都以較大的變率提早和延長。

④寧德四季變化與氣溫變化有著顯著相關(guān)關(guān)系，對四季入季時(shí)間影響最大的是季節(jié)開始月份的平均氣溫，相關(guān)系數(shù)絕對值在0.55～0.75之間。影響季節(jié)長度變化的因素則因區(qū)域、季節(jié)不同而不同，山區(qū)夏季長度、沿海冬季長度受所處季節(jié)的季平均氣溫影響最大，相關(guān)系數(shù)分別為0.58、-0.74；沿海秋季長度、山區(qū)冬季長度更多受季節(jié)結(jié)束所在月份平均氣溫影響，相關(guān)系數(shù)為0.43、-0.48；其余季節(jié)長度受入季當(dāng)月平均氣溫的影響更大，相關(guān)值介于0.44～0.74之間。

本文僅對寧德市四季變化的特點(diǎn)做了相關(guān)研究，因季節(jié)變遷產(chǎn)生的對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)等方面的影響評估還有待進(jìn)一步探索。另外，影響季節(jié)變化的氣候因素極為復(fù)雜，隨著氣候變暖加劇，極端天氣日趨嚴(yán)重頻繁，空間分布上也更為不均，現(xiàn)有的季節(jié)劃分方法對各地四季劃分的適用上存在一定局限性，如何完善季節(jié)劃分方法有待于更深入的研究。