趙國(guó)永，韓 艷，閆軍輝，江蕾蕾，向 梅

(1. 信陽(yáng)師范學(xué)院 南北過(guò)渡帶研究中心，河南 信陽(yáng) 464000; 2. 豫南巖礦寶玉石鑒定及加工中心， 河南 信陽(yáng) 464000)

0 引言

目前，全球變化已成為熱門話題.聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(International Panel on Climate Change，IPCC)已經(jīng)發(fā)布了5次評(píng)估報(bào)告，認(rèn)為最近百年全球變暖是毫無(wú)疑問(wèn)的，且距今越近升溫速率越大；同時(shí)，評(píng)估報(bào)告發(fā)布了全球變暖以后帶來(lái)的嚴(yán)重危害[1].氣候變化與人們生活密切相關(guān)，氣候變化越來(lái)越受到重視.在全球變暖的背景下，研究區(qū)域性四季變化特征具有重要的意義.

四季劃分方法具有很多種類，主要包括：(1)公歷法：公歷3—5月劃分為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月至翌年2月為冬季.(2)農(nóng)歷法：陰歷1—3月為春季、4—6月夏季、7—9月為秋季、10—12月為冬季.(3)二十四節(jié)氣法：將二十四節(jié)氣中“四立”作為四季開(kāi)始的標(biāo)志.(4)天文法：以春分(3月21日)、夏至(6月22日)、秋分(9月23日)和冬至(12月22日)作為四季開(kāi)始的時(shí)間.(5)氣候四季劃分法：本文方法，見(jiàn)下文.前四種方法操作簡(jiǎn)單、快捷，但是將每一年四季開(kāi)始的時(shí)間和長(zhǎng)度固定下來(lái)，與實(shí)際情況不符合.學(xué)者通過(guò)對(duì)全國(guó)和區(qū)域性(江蘇省、山東省、綿陽(yáng)市、深圳市)的四季開(kāi)始及長(zhǎng)度研究，發(fā)現(xiàn)氣候四季劃分法的結(jié)果與實(shí)際最接近[2-5].

目前，學(xué)者還沒(méi)有對(duì)信陽(yáng)市城區(qū)四季開(kāi)始時(shí)間及持續(xù)時(shí)間進(jìn)行研究，本研究擬以1951—2013年信陽(yáng)市城區(qū)日均氣溫為研究對(duì)象，運(yùn)用多種方法探討四季變化特征.

1 研究區(qū)概況

信陽(yáng)市城區(qū)位于河南省南部，多年(1951—2013年)平均氣溫為15.31 ℃，1月份平均氣溫為1.93 ℃，7月份平均氣溫為27.57 ℃；年降雨量為1096.66 mm，夏季降雨量(6—8月)占全年降雨量比重為47.35%，冬季降雨量(12月至翌年2月)占全年降雨量比重為8.82%.由此可知，信陽(yáng)市城區(qū)氣候特征為典型亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候，夏季炎熱、冬季寒冷，降雨量主要集中于夏季.

2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究的數(shù)據(jù)包括信陽(yáng)市城區(qū)1951—2013年日平均氣溫、月平均氣溫和月降雨量，數(shù)據(jù)來(lái)自于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)，其信陽(yáng)市城區(qū)站號(hào)為57297，經(jīng)緯度為32°08′N，114°03′E，海拔為114.5 m.

3 研究方法

3.1 四季的劃分方法

1934年，張寶堃先生提出以候(5天為一候)平均氣溫作為劃分四季的標(biāo)準(zhǔn)[6]，在實(shí)際的操作過(guò)程中，不管是用每月6候或全年73候的劃分的方法，均存在人為割裂天氣過(guò)程的現(xiàn)象[5].本研究劃分四季的方法，以張寶堃先生候溫劃分四季的方法為基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)日平均溫度進(jìn)行5日滑動(dòng)平均，該方法打破了年日界限；同時(shí)，農(nóng)業(yè)界限溫度(對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有指標(biāo)或臨界意義的溫度)穩(wěn)定通過(guò)的日期確定的方法也是5日滑動(dòng)平均氣溫法，該方法劃分四季即保留了候平均氣溫的優(yōu)點(diǎn)，又克服其存在的不足，更加符合實(shí)際情況[5].

具體的劃分方法如下：連續(xù)5日滑動(dòng)平均氣溫穩(wěn)定≥22 ℃時(shí)，5日滑動(dòng)平均首日即為夏季開(kāi)始時(shí)間；連續(xù)5日滑動(dòng)平均氣溫穩(wěn)定<10 ℃時(shí)，5日滑動(dòng)平均首日即為冬季開(kāi)始時(shí)間；從夏季到冬季，連續(xù)5日滑動(dòng)平均氣溫穩(wěn)定<22 ℃時(shí)，5日滑動(dòng)平均首日即為秋季開(kāi)始時(shí)間；從冬季到夏季，連續(xù)5日滑動(dòng)平均氣溫穩(wěn)定≥10 ℃時(shí)，5日滑動(dòng)平均首日即為春季開(kāi)始時(shí)間[3].特別強(qiáng)調(diào)一下，“穩(wěn)定”指在某一個(gè)季節(jié)中，不能出現(xiàn)連續(xù)5日的滑動(dòng)平均氣溫低于界限值.

為了便于比較，對(duì)四季開(kāi)始的時(shí)間進(jìn)行歸一化，即從每一年的1月1日算起.如：入春時(shí)間為3月26日，歸一化后的入春時(shí)間為31+28(平年)+26=85日，即從1月1日算起，第85天為入春的時(shí)間.

3.2 分析方法

Mann-Kendall檢驗(yàn)是一種非參數(shù)檢驗(yàn)法，在非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)中檢驗(yàn)更為合適，能夠很好地揭示時(shí)間序列的突變檢驗(yàn)和趨勢(shì)變化，其詳細(xì)介紹見(jiàn)文獻(xiàn)[7-8].小波分析是通過(guò)平移和伸縮參數(shù)對(duì)信號(hào)的不同頻率分量采用不同持續(xù)時(shí)間的窗函數(shù)來(lái)分析信號(hào)，不僅可以給出氣候序列變化的尺度，還可以顯示變化的時(shí)間位置，其詳細(xì)介紹見(jiàn)文獻(xiàn)[9-10].R/S分析法最早是由英國(guó)科學(xué)家赫斯特在研究尼羅河多年水文觀測(cè)資料時(shí)提出的一種新的統(tǒng)計(jì)方法—變標(biāo)度極差分析法(Rescaled Range Analysis，簡(jiǎn)稱R/S).后來(lái)經(jīng)Mandelbrot與Wallis在理論上對(duì)該方法進(jìn)一步補(bǔ)充完善，把它發(fā)展成為研究時(shí)間序列的分形理論，詳細(xì)介紹見(jiàn)參考文獻(xiàn)[11].根據(jù)Hurst值的大小可以判斷時(shí)間序列趨勢(shì)成分是表現(xiàn)為持續(xù)性，還是反持續(xù)性.對(duì)于不同的Hurst指數(shù)H(0

表1 Hurst指數(shù)分級(jí)表[12]

4 結(jié)果與分析

4.1 四季開(kāi)始及持續(xù)時(shí)間

運(yùn)用5日滑動(dòng)平均氣溫法，對(duì)1951—2013年信陽(yáng)市城區(qū)日平均溫度變化進(jìn)行四季的劃分，其結(jié)果如下：過(guò)去63年，信陽(yáng)市城區(qū)平均入春、入夏、入秋、入冬的時(shí)間分別為：3月26日、5月29日、9月19日和11月20日.春季、夏季、秋季、冬季的長(zhǎng)度分別約為：63.9、112.3、62.4、126.6 d(圖1)，春、秋季時(shí)間較短，夏、冬季時(shí)間較長(zhǎng)，四季中最長(zhǎng)季節(jié)是冬季.夏半年(夏季和秋季)的時(shí)間長(zhǎng)度約為174.76 d，冬半年(冬季和春季)的時(shí)間長(zhǎng)度約為190.49 d，冬半年時(shí)長(zhǎng)比夏半年長(zhǎng)約15 d.

圖1 1951-2013年信陽(yáng)市城區(qū)四季平均開(kāi)始時(shí)間及長(zhǎng)度Fig.1 Sketch map of the average beginning and lengths of four seasons in Xinyang city during the last 63 years

4.2 趨勢(shì)分析

運(yùn)用Mann-Kendall方法進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn).信陽(yáng)市城區(qū)入春的時(shí)間具有顯著減少趨勢(shì)，且減少速率為1.03 d/10 a；入夏、入秋和入冬的時(shí)間具有增加趨勢(shì)，入秋和入冬的時(shí)間通過(guò)95%顯著檢驗(yàn)，其增加速率分別為0.61 d/10 a、1.3 d/10 a、1.52d/10 a(表2).信陽(yáng)市城區(qū)春、夏、秋季長(zhǎng)度具有增加趨勢(shì)，其增加速率分別為1.95 d/10 a、0.83 d/10 a、1.41 d/10 a，春季長(zhǎng)度通過(guò)95%顯著檢驗(yàn)，說(shuō)明春季長(zhǎng)度增加趨勢(shì)較顯著.冬季長(zhǎng)度具有顯著減少趨勢(shì)(通過(guò)99%顯著性檢驗(yàn))，且減少速率為2.86 d/10 a(表3).夏半年長(zhǎng)度具有增加趨勢(shì)，冬半年長(zhǎng)度具有減少趨勢(shì)(表3).

表2 1951-2013年信陽(yáng)市城區(qū)四季開(kāi)始時(shí)間M-K檢驗(yàn)Tab. 2 The Mann-Kendall test in the beginning of four seasons in Xinyang city during 1951—2013

注：*和**分別表示信度通過(guò)了95%和99%的顯著性檢.

表3 1951-2013年信陽(yáng)市城區(qū)四季、夏半年和 冬半年長(zhǎng)度Mann-Kendall檢驗(yàn)Tab. 3 The Mann-Kendall test of the duration of four seasons, summer half the year and winter half of year in Xinyang city during 1951-2013

注：*和**分別表示信度通過(guò)了95%和99%的顯著性檢.

過(guò)去63年，信陽(yáng)市城區(qū)入春的時(shí)間顯著提前，入秋和入冬的時(shí)間顯著推遲；春季的長(zhǎng)度顯著的增加，冬季的長(zhǎng)度顯著的縮短.由此得出，近63年信陽(yáng)市城區(qū)年均溫度具有逐漸升高的趨勢(shì)，與IPCC報(bào)告的近百年全球海陸平均氣溫變化趨勢(shì)一致[1].

4.3 突變檢驗(yàn)

根據(jù)UF變化曲線可知：(1)1959、1978和1998年，入春時(shí)間處于谷值(顯著提前)，1996—2007年入春時(shí)間逐漸減少(提前)，2008—2013年入春時(shí)間逐漸升高(推遲)；1968年以后，春季長(zhǎng)度逐漸增加，1987年以后UF值超過(guò)95%置信線，說(shuō)明春季長(zhǎng)度顯著的增加.(2)1968—1994年入夏時(shí)間逐漸升高(推遲)， 1995—2008年入夏時(shí)間逐漸減少(提前)，2009—2013年入夏時(shí)間逐漸升高(推遲)，說(shuō)明入夏時(shí)間經(jīng)歷了“推遲—提前—推遲”的過(guò)程；1962—1996年夏季長(zhǎng)度逐漸縮短，1997年以后夏季長(zhǎng)度逐漸增加.(3)1951—1997年入秋時(shí)間小幅度波動(dòng)變化，1998年以后入秋時(shí)間逐漸增加(推遲)；1952—1992年秋季長(zhǎng)度逐漸增加，1993—2003年秋季長(zhǎng)度逐漸縮短，而后小幅度增加.(4)1953—1992年入冬時(shí)間逐漸增加(推遲)，1993—2003年入冬時(shí)間逐漸減少(提前)，此后入冬時(shí)間逐漸升高(推遲)，1987年以后UF值超過(guò)了95%置信線，說(shuō)明1987年以后入冬的時(shí)間顯著增加(推遲)；1956年以后冬季長(zhǎng)度逐漸縮短，2001年以后冬季長(zhǎng)度UF值超過(guò)了95%置信線，說(shuō)明冬季長(zhǎng)度顯著的縮短.

根據(jù)Mann-Kendall突變檢驗(yàn)理論，得出以下結(jié)論：(1)入春時(shí)間突變開(kāi)始年份為1998年，突變的時(shí)間區(qū)域?yàn)?008年；春季長(zhǎng)度突變開(kāi)始的年份為1969年，突變的時(shí)間區(qū)域?yàn)?987—2013年.(2)入夏時(shí)間突變年份為1968年，突變的時(shí)間區(qū)域?yàn)?987—2004年；夏季長(zhǎng)度不存在肯定性突變.(3)入秋時(shí)間突變年份為1998年，突變的時(shí)間區(qū)域?yàn)?009—2010、2012—2013年；秋季長(zhǎng)度不存在肯定性突變.(4)入冬時(shí)間突變年份為1963和1976年，突變的時(shí)間區(qū)域?yàn)?965、1988—2002和2005—2013年；冬季長(zhǎng)度突變年份為1996年，突變的時(shí)間區(qū)域?yàn)?001—2013年.

1987年以后，春季長(zhǎng)度顯著增加，入冬時(shí)間明顯推遲；1998年以后，夏季長(zhǎng)度逐漸增加，入秋時(shí)間逐漸推遲；2001年以后，冬季長(zhǎng)度顯著減少，說(shuō)明1987年以后年均溫度升高的速率較之前增大，與IPCC報(bào)告中“距今時(shí)間尺度越短，升溫速率越大”的結(jié)論相一致[1].

4.4 周期分析

根據(jù)小波分析的基本原理，通過(guò)95%置信區(qū)間周期為：入春時(shí)間具有2.5 a、準(zhǔn)4 a和準(zhǔn)6 a變化周期，且準(zhǔn)6a變化周期較顯著.春季長(zhǎng)度具有2.5 a、準(zhǔn)4 a和準(zhǔn)8 a變化周期，其中準(zhǔn)8 a變化周期較顯著.入夏時(shí)間具有2.5 a、準(zhǔn)6 a和準(zhǔn)8 a變化周期，且準(zhǔn)8a變化周期較顯著、2.5 a變化周期不顯著.夏季長(zhǎng)度具有3～4 a、5～6 a變化周期，其中3～4 a變化周期較顯著.入秋時(shí)間和秋季長(zhǎng)度具有顯著的準(zhǔn)3a變化周期.入冬時(shí)間和冬季的長(zhǎng)度具有顯著的2～4 a變化周期(圖2).

圖2 1951-2013年信陽(yáng)市城區(qū)四季 開(kāi)始時(shí)間及持續(xù)時(shí)間整體能量譜a-d分別為四季開(kāi)始時(shí)間(春、夏、秋、冬)，e-f分別為 四季長(zhǎng)度，灰色線為95%置信區(qū)間Fig. 2 The overall energy spectrum of beginning and duration of four seasons in Xinyang city during 1951-2013

4.5 R/S分析

1951—2013年，入春時(shí)間和冬季長(zhǎng)度具有減少的趨勢(shì)，Hurst值介于0.5和1之間，意味著未來(lái)變化趨勢(shì)將持續(xù)減少，且持續(xù)強(qiáng)度為較強(qiáng)等級(jí)；入夏、入秋、入冬時(shí)間和春季、夏季、秋季長(zhǎng)度均具有增加趨勢(shì)，Hurst值介于0.5和1之間，說(shuō)明未來(lái)變化趨勢(shì)將持續(xù)增加，且入夏時(shí)間、春季長(zhǎng)度和夏季長(zhǎng)度持續(xù)強(qiáng)度為較強(qiáng)等級(jí)，秋季長(zhǎng)度增加的持續(xù)強(qiáng)度為很弱的等級(jí).根據(jù)Hurst指數(shù)的結(jié)果，信陽(yáng)市城區(qū)暖化的現(xiàn)象將持續(xù).

表4 信陽(yáng)市城區(qū)四季開(kāi)始時(shí)間及 持續(xù)時(shí)間的R/S分析結(jié)果及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)Fig. 4 Result of R/S analysis of the beginning and duration of four seasons and future developing trend in Xinyang city

5 結(jié)論

運(yùn)用5日滑動(dòng)平均、Mann-Kendall檢驗(yàn)、小波分析和R/S分析等方法，對(duì)1951—2013年信陽(yáng)市城區(qū)日平均溫度變化進(jìn)行四季的劃分研究，主要結(jié)論：(1)信陽(yáng)市城區(qū)四季中，冬季時(shí)間最長(zhǎng)，春季時(shí)間最短，冬半年長(zhǎng)度大于夏半年；(2)入春時(shí)間提前、入冬時(shí)間推遲，春季長(zhǎng)度增加、冬季長(zhǎng)度縮短，說(shuō)明信陽(yáng)市城區(qū)均溫具有升高的趨勢(shì)，與IPCC報(bào)告最近100年溫度變化趨勢(shì)一致；(3)根據(jù)R/S分析結(jié)果，未來(lái)信陽(yáng)市城區(qū)暖化的趨勢(shì)將持續(xù)，需要采取積極行動(dòng)應(yīng)對(duì)全球變暖.