麗水市四季長度的氣候演變規(guī)律*

吳昊旻 李松平 麻碧華

(1.南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京210093;2.麗水市氣象局，浙江 麗水323000)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，近58 a來麗水氣溫升高1.0℃，且以20世紀(jì)90年代之后升溫最為顯著［1］。氣溫的升高導(dǎo)致四季起止時(shí)間和長度也發(fā)生了明顯改變，而四季的變化對老百姓的日常生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著直接的影響［2］。麗水市地處浙西南山區(qū)，是以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主的綜合性經(jīng)濟(jì)產(chǎn)區(qū)，四季的更替直接影響著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局，因此研究四季變化特征，揭示四季長度的多時(shí)間尺度的變化規(guī)律是十分必要的。

氣候變暖及溫度變化在區(qū)域和季節(jié)上差異較大，不少學(xué)者針對季節(jié)氣候問題展開了研究。韓超等［3］通過分析物候春季的變化特征及其與氣溫的關(guān)系，得出冬春季氣溫的明顯上升是華北地區(qū)物候春季明顯提早的主要因素;湯懋蒼等［4－5］指出氣溫變化對季節(jié)劃分有著顯著的影響;徐家良等［6－7］分析了長三角地區(qū)的氣候趨勢及季節(jié)的變化特征。本研究借鑒相關(guān)分析方法，從氣候演變規(guī)律的角度出發(fā)，探索麗水季節(jié)長度變化的周期特征，希望為生態(tài)環(huán)境的合理配置和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的合理布局提供參考依據(jù)。

1 資料和方法

氣象數(shù)據(jù)取自麗水市國家氣象觀測站1953—2010 a逐日平均氣溫資料。季節(jié)的劃分以連續(xù)五日日平均氣溫≥10℃，≥22℃，＜22℃和＜10℃的第一天為入春、入夏、入秋和入冬季的起始日［7］，相鄰兩個(gè)季節(jié)之間的時(shí)間長度則定為四季長度。

本研究首先運(yùn)用趨勢分析方法［8－9］對麗水市四季長度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其次應(yīng)用Morlet小波分析［10－12］對四季長度在不同時(shí)間尺度的周期特征進(jìn)行探究，最后利用多窗口譜方法［13－15］(Multi-Taper Method，簡稱MTM)對顯著周期信號進(jìn)行診斷分析。

2 四季長度的氣候變化特征分析

表1給出了麗水市四季長度的氣候變化統(tǒng)計(jì)，由四季起始日期的統(tǒng)計(jì)分析，得出四季長度的演變趨勢?？梢钥闯鳆愃募鹃L度，以夏季和冬季為最長，都在100 d以上，特別是夏季，平均長度達(dá)到117.7 d，橫跨4個(gè)月，約占全年時(shí)長的1/3;而過渡季節(jié)春季和秋季長度則相對較短，尤其是秋季，平均長度只有63.2 d，持續(xù)時(shí)間只有2個(gè)月左右，所占比例不足20%。

從四季長度氣候傾向率可以看出，春、夏、秋季長度均表現(xiàn)為延長，其中夏季長度的拉長相對明顯，近 58 a延長 7.3 d，增長幅度約6.2%;冬季長度則表現(xiàn)為縮短，且氣候傾向率(－2.8 d/10 a)通過0.05顯著性水平，相當(dāng)于近58 a冬季長度縮短了16.3 d，減少幅度達(dá)14.9%。

表1 1953—2010年麗水市四季長度氣候變化統(tǒng)計(jì)

3 四季長度氣候演變規(guī)律的小波分析

四季長度距平序列的Morlet小波變換系數(shù)在時(shí)間－頻率域中的變化情況，如圖1所示，虛線表示季節(jié)長度縮短，實(shí)線表示季節(jié)長度延長;等值線越密集，表示信號振蕩中心強(qiáng)度越強(qiáng)，周期特征也越明顯;小波系數(shù)絕對值越大，表明該時(shí)間尺度變化越顯著;而正負(fù)小波系數(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)(零等值線)反映了信號的突變轉(zhuǎn)折點(diǎn)［10］。

圖1 麗水市1953—2010年四季長度的Morlet小波變換

春季長度的周期特征主要體現(xiàn)在2～4 a的年際尺度上，且表現(xiàn)為“中間強(qiáng)，兩頭弱”的氣候特征。1968年前，春季長度延長和縮短交替出現(xiàn)，且以3 a周期振蕩為主;1969—1997年，周期振蕩加強(qiáng)，2 a振蕩成為周期變化的主要成分;1998年后，周期振蕩再次減弱，且以2.4 a振蕩為主。年代際尺度上，以20 a振蕩為主，其中1953—1963年、1973—1982年和1994—2004年表現(xiàn)為春季長度延長，而 1964—1972年、1983—1993年和2005—2010年春季長度則以縮短為主，且1965年、1976年和1988年對應(yīng)閉合中心的絕對值都達(dá)到1以上。

夏季長度的變化，以4—8 a年際尺度上的周期最為明顯，全時(shí)域出現(xiàn)正負(fù)周期交替約10.5次，周期長度為 5.5 a，其中 1963—1980 年等值線最為密集，周期交替較為強(qiáng)烈，且頻率縮短，以4 a為主。年代際尺度上，32 a周期振蕩相對明顯，主要分為1953—1975年的夏季長度延長期、1976—1994年的縮短期和1995—2010年的拉長期，閉合中心的絕對值都達(dá)到1.0。

秋季長度的周期變化特征，從年際尺度上來看，2 a時(shí)間尺度的周期較明顯，其中1965—1970 年、1980—1985 年、1990—1995 年 和2003—2010年等值線最為密集，周期交替最為頻繁。而年代際尺度上，等值線稀疏，閉合中心絕對值最大也只有0.6～0.8之間，強(qiáng)度稍弱，周期特征不強(qiáng)。

冬季長度的氣候變化以年代際尺度上的32 a以上的周期較為明顯，僅可分為1953—1970年的冬季縮短期、1971—1992年的延長期和1993—2010年的縮短期，正負(fù)交替轉(zhuǎn)折點(diǎn)則出現(xiàn)在1970年和1992年，等值線閉合中心值分別達(dá)到－1，1.2和－1。而在年際尺度上，2 a左右周期相對明顯，其他時(shí)間尺度等值線閉合中心的絕對值在0.2～0.4之間，強(qiáng)度較弱，且等值線分布較為稀疏，周期振蕩不明顯。

4 四季長度周期變化特征的多窗口譜分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證麗水市四季長度的周期演變規(guī)律，對四季長度序列進(jìn)行多窗口譜分析，結(jié)果如圖2所示。從近58 a四季長度序列的MTM譜估計(jì)及其相應(yīng)的強(qiáng)紅噪聲臨界譜可以看出，在置信度95%的水平上，麗水市春、夏、秋長度序列在頻率 f＜0.03，即周期大于33 a(注:f為振蕩頻率，周期T為頻率f的倒數(shù))的低頻振蕩并不明顯，而冬季長度在頻率f=0.01的低頻振蕩譜超出99%置信度檢驗(yàn)線，但對應(yīng)周期長度超過本研究的時(shí)間序列58 a，故作剔除處理。

圖2 麗水市1953—2010年四季長度周期特征的多窗口譜分析

在f＞0.03的高頻譜段上，春季長度振蕩頻率 f=0.36，即周期 T=2.8 a，譜密度最強(qiáng)，達(dá)到718.4，突破95%置信度檢驗(yàn);夏季長度振蕩頻率沒有突破90%以上的置信度檢驗(yàn)，只有 f介于 0.15～0.20之間、f=0.35和f=0.39，分別對應(yīng)周期為 5 ～ 6.7 a，2.9 a和2.6 a接近90%置信度檢驗(yàn)線;秋季長度的振蕩頻率在0.46～0.50時(shí)突破95%置信度檢驗(yàn)，甚至在 f=0.50時(shí)超過99%置信度檢驗(yàn)線，說明秋季長度周期特征在2.0～2.2 a最明顯，尤其在T=2.0 a時(shí)最為顯著;冬季長度振蕩頻率在 f＞0.03的高頻譜段上沒有突破95%的置信度檢驗(yàn)線，只有振蕩頻率在0.44～0.46范圍內(nèi)，超過90%置信度檢驗(yàn)線，對應(yīng)周期2.2～2.3 a，周期特征最明顯。綜上所述，四季長度在年代際尺度上周期特征不明顯;而在年際尺度上，春季長度2.8 a周期最顯著，夏季長度2～7 a周期相對明顯，秋、冬季長度以2 a左右周期交替為主。

根據(jù)四季長度的周期發(fā)展?fàn)顩r(結(jié)合圖1和圖2)，預(yù)測未來麗水市季節(jié)長度的發(fā)展趨勢。圖1A中，春季長度在2～4 a時(shí)間尺度上的較強(qiáng)周期振蕩可見，2010年時(shí)負(fù)值區(qū)域還沒結(jié)束，表明2010年后的一段時(shí)間春季長度仍將延續(xù)縮短趨勢。圖2B顯示，夏季長度的周期性在2～7 a尺度上最明顯，而圖1B中該時(shí)間尺度振蕩在末尾時(shí)實(shí)線區(qū)域仍在發(fā)展，由此推測未來約2～3 a時(shí)間(1/2周期)內(nèi)夏季長度仍是延長走勢。圖1C表明，秋季在2 a年際尺度上表現(xiàn)為實(shí)線區(qū)域剛開始發(fā)展的狀態(tài)，由此推測秋季長度的拉長仍將繼續(xù)。圖1D看出，冬季在32 a年代際尺度上和2 a年際尺度上，虛線都沒有閉合，說明冬季長度的縮短現(xiàn)象還將持續(xù)一段時(shí)間。由此可以總結(jié)出，近幾年春、冬季長度將延續(xù)縮短趨勢，而夏、秋季長度的發(fā)展態(tài)勢是延長。

5 結(jié)語

1)麗水市1953—2010年四季長度氣候變化特征，夏、冬季較長，春、秋季較短。且春、夏、秋季長度氣候變化趨勢表現(xiàn)為延長，其中以夏季長度的拉長相對明顯;冬季長度表現(xiàn)為顯著縮短，氣候傾向率達(dá) －2.8 d/10 a，通過0.05顯著性水平。

2)四季長度的Morlet小波變換的周期演變特征，主要體現(xiàn)在年際尺度上，具體表現(xiàn)為:春季長度以2～4 a周期為主，且表現(xiàn)為“中間強(qiáng)，兩頭弱”的氣候特征;夏季長度以4～8 a年際尺度上的周期最為明顯;秋季長度的周期變化特征主要體現(xiàn)在年際尺度上2 a的周期;冬季長度以年代際尺度上的32 a以上的周期較為明顯，而年際尺度上以2 a周期為主。

3)多窗口譜驗(yàn)證近58 a麗水四季長度的周期特征，表明四季長度在年代際尺度上周期特征不明顯;而在年際尺度上，春季長度2.8 a周期最顯著，夏季長度2～7 a周期相對明顯，秋、冬季長度以2 a左右周期交替為主。

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