信陽市城區(qū)四季變化特征研究

趙國永，韓 艷，閆軍輝，江蕾蕾，向 梅

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

0 引言

目前，全球變化已成為熱門話題.聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(International Panel on Climate Change，IPCC)已經(jīng)發(fā)布了5次評估報告，認(rèn)為最近百年全球變暖是毫無疑問的，且距今越近升溫速率越大；同時，評估報告發(fā)布了全球變暖以后帶來的嚴(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)作為四季開始的時間.(5)氣候四季劃分法：本文方法，見下文.前四種方法操作簡單、快捷，但是將每一年四季開始的時間和長度固定下來，與實際情況不符合.學(xué)者通過對全國和區(qū)域性(江蘇省、山東省、綿陽市、深圳市)的四季開始及長度研究，發(fā)現(xiàn)氣候四季劃分法的結(jié)果與實際最接近[2-5].

目前，學(xué)者還沒有對信陽市城區(qū)四季開始時間及持續(xù)時間進行研究，本研究擬以1951—2013年信陽市城區(qū)日均氣溫為研究對象，運用多種方法探討四季變化特征.

1 研究區(qū)概況

信陽市城區(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)來源

本研究的數(shù)據(jù)包括信陽市城區(qū)1951—2013年日平均氣溫、月平均氣溫和月降雨量，數(shù)據(jù)來自于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)，其信陽市城區(qū)站號為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]，在實際的操作過程中，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)，同時對日平均溫度進行5日滑動平均，該方法打破了年日界限；同時，農(nóng)業(yè)界限溫度(對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有指標(biāo)或臨界意義的溫度)穩(wěn)定通過的日期確定的方法也是5日滑動平均氣溫法，該方法劃分四季即保留了候平均氣溫的優(yōu)點，又克服其存在的不足，更加符合實際情況[5].

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

為了便于比較，對四季開始的時間進行歸一化，即從每一年的1月1日算起.如：入春時間為3月26日，歸一化后的入春時間為31+28(平年)+26=85日，即從1月1日算起，第85天為入春的時間.

3.2 分析方法

Mann-Kendall檢驗是一種非參數(shù)檢驗法，在非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)中檢驗更為合適，能夠很好地揭示時間序列的突變檢驗和趨勢變化，其詳細(xì)介紹見文獻[7-8].小波分析是通過平移和伸縮參數(shù)對信號的不同頻率分量采用不同持續(xù)時間的窗函數(shù)來分析信號，不僅可以給出氣候序列變化的尺度，還可以顯示變化的時間位置，其詳細(xì)介紹見文獻[9-10].R/S分析法最早是由英國科學(xué)家赫斯特在研究尼羅河多年水文觀測資料時提出的一種新的統(tǒng)計方法—變標(biāo)度極差分析法(Rescaled Range Analysis，簡稱R/S).后來經(jīng)Mandelbrot與Wallis在理論上對該方法進一步補充完善，把它發(fā)展成為研究時間序列的分形理論，詳細(xì)介紹見參考文獻[11].根據(jù)Hurst值的大小可以判斷時間序列趨勢成分是表現(xiàn)為持續(xù)性，還是反持續(xù)性.對于不同的Hurst指數(shù)H(0

表1 Hurst指數(shù)分級表[12]

4 結(jié)果與分析

4.1 四季開始及持續(xù)時間

運用5日滑動平均氣溫法，對1951—2013年信陽市城區(qū)日平均溫度變化進行四季的劃分，其結(jié)果如下：過去63年，信陽市城區(qū)平均入春、入夏、入秋、入冬的時間分別為：3月26日、5月29日、9月19日和11月20日.春季、夏季、秋季、冬季的長度分別約為：63.9、112.3、62.4、126.6 d(圖1)，春、秋季時間較短，夏、冬季時間較長，四季中最長季節(jié)是冬季.夏半年(夏季和秋季)的時間長度約為174.76 d，冬半年(冬季和春季)的時間長度約為190.49 d，冬半年時長比夏半年長約15 d.

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

4.2 趨勢分析

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

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

注：*和**分別表示信度通過了95%和99%的顯著性檢.

表3 1951-2013年信陽市城區(qū)四季、夏半年和 冬半年長度Mann-Kendall檢驗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**分別表示信度通過了95%和99%的顯著性檢.

過去63年，信陽市城區(qū)入春的時間顯著提前，入秋和入冬的時間顯著推遲；春季的長度顯著的增加，冬季的長度顯著的縮短.由此得出，近63年信陽市城區(qū)年均溫度具有逐漸升高的趨勢，與IPCC報告的近百年全球海陸平均氣溫變化趨勢一致[1].

4.3 突變檢驗

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

根據(jù)Mann-Kendall突變檢驗理論，得出以下結(jié)論：(1)入春時間突變開始年份為1998年，突變的時間區(qū)域為2008年；春季長度突變開始的年份為1969年，突變的時間區(qū)域為1987—2013年.(2)入夏時間突變年份為1968年，突變的時間區(qū)域為1987—2004年；夏季長度不存在肯定性突變.(3)入秋時間突變年份為1998年，突變的時間區(qū)域為2009—2010、2012—2013年；秋季長度不存在肯定性突變.(4)入冬時間突變年份為1963和1976年，突變的時間區(qū)域為1965、1988—2002和2005—2013年；冬季長度突變年份為1996年，突變的時間區(qū)域為2001—2013年.

1987年以后，春季長度顯著增加，入冬時間明顯推遲；1998年以后，夏季長度逐漸增加，入秋時間逐漸推遲；2001年以后，冬季長度顯著減少，說明1987年以后年均溫度升高的速率較之前增大，與IPCC報告中“距今時間尺度越短，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95%置信區(qū)間周期為：入春時間具有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.入秋時間和秋季長度具有顯著的準(zhǔn)3a變化周期.入冬時間和冬季的長度具有顯著的2～4 a變化周期(圖2).

圖2 1951-2013年信陽市城區(qū)四季 開始時間及持續(xù)時間整體能量譜a-d分別為四季開始時間(春、夏、秋、冬)，e-f分別為 四季長度，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，入春時間和冬季長度具有減少的趨勢，Hurst值介于0.5和1之間，意味著未來變化趨勢將持續(xù)減少，且持續(xù)強度為較強等級；入夏、入秋、入冬時間和春季、夏季、秋季長度均具有增加趨勢，Hurst值介于0.5和1之間，說明未來變化趨勢將持續(xù)增加，且入夏時間、春季長度和夏季長度持續(xù)強度為較強等級，秋季長度增加的持續(xù)強度為很弱的等級.根據(jù)Hurst指數(shù)的結(jié)果，信陽市城區(qū)暖化的現(xiàn)象將持續(xù).

表4 信陽市城區(qū)四季開始時間及 持續(xù)時間的R/S分析結(jié)果及未來發(fā)展趨勢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

運用5日滑動平均、Mann-Kendall檢驗、小波分析和R/S分析等方法，對1951—2013年信陽市城區(qū)日平均溫度變化進行四季的劃分研究，主要結(jié)論：(1)信陽市城區(qū)四季中，冬季時間最長，春季時間最短，冬半年長度大于夏半年；(2)入春時間提前、入冬時間推遲，春季長度增加、冬季長度縮短，說明信陽市城區(qū)均溫具有升高的趨勢，與IPCC報告最近100年溫度變化趨勢一致；(3)根據(jù)R/S分析結(jié)果，未來信陽市城區(qū)暖化的趨勢將持續(xù)，需要采取積極行動應(yīng)對全球變暖.