西安四季變化的差異性及階段性特征

高紅燕，梁 佳，張 曦，王 丹，郭 楊

(1.陜西省氣象服務(wù)中心，西安 710014；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點實驗室，西安 710016)

在全球增暖背景下，城市的急速擴展產(chǎn)生的熱島效應(yīng)導致城市氣溫發(fā)生了顯著變化[1-2]，同時也對四季開始的遲早、持續(xù)日數(shù)的變化產(chǎn)生了影響[3-5]，勢必對能源、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、生活等具有影響。因此對城市季節(jié)的初日和持續(xù)日數(shù)的變化研究具有重要的應(yīng)用價值。

關(guān)于四季的劃分方法有多種[6-8]，有以地球繞太陽軌道運行位置的天文學標準來劃分四季，以春分、夏至、秋分、冬至為四季的起始日，有以農(nóng)歷和結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的24節(jié)氣中的立春、立夏、立秋、立冬為四季的初日劃分四季，現(xiàn)在最常用的四季劃分法是以公歷法劃分四季，不同地區(qū)季節(jié)初日、持續(xù)日數(shù)一致，按照此方法劃分的季節(jié)無法反映季節(jié)變化的區(qū)域差異，對四季長短分布不均的地域并不適合。張寶堃[9]在1934年提出符合自然景象的物候法劃分中國氣候四季標準，至今仍是四季氣候研究的重要參考依據(jù)；劉抗[10]等在此基礎(chǔ)上融入了海拔高度，避免了單一判斷標準所產(chǎn)生的個別站點季節(jié)缺失情況；2012年中國氣象局制定《氣候季節(jié)劃分法》(QX/T 152—2012)的行業(yè)標準[11]，此方法考慮了出現(xiàn)少于四個季節(jié)的地區(qū)特征(如常夏、常冬、無夏、無冬、常春等)，同時綜合了物候法劃分的優(yōu)點，用連續(xù)5 d滑動平均氣溫判斷四季初日，如果四季初日與平均初日比較提前(推后)15 d以上，需作二次判斷，此方法減少了物候法偏早或偏晚現(xiàn)象的次數(shù)。而中國地域廣闊，無論用那種方法劃分四季，氣候季節(jié)性特征區(qū)域差異大，季節(jié)長短也不盡相同。研究發(fā)現(xiàn)，近半個世紀以來，中國的不同區(qū)域四個季節(jié)的特征也出現(xiàn)一定的異常，中國北方、湖北、浙江、北京[12-15]等多地的四季初日和持續(xù)日數(shù)發(fā)生了變化，春、夏季初日提前，秋、冬季初日推遲，冬、春季持續(xù)日數(shù)縮短，夏、秋季持續(xù)日數(shù)增長的特征。西安作為西北地區(qū)最大的城市，四季也同樣呈現(xiàn)顯著的變化。對西安的氣溫變化及城市熱島效應(yīng)已有了大量的研究[16-19]，但對西安利用氣候法劃分四季還未進行系統(tǒng)的研究，基于此，本文針對氣候法劃分西安四季的初日、持續(xù)日數(shù)的變化展開研究，可充實西安城市氣候變化的研究，為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和氣象服務(wù)提供參考依據(jù)。

1 資料的選取和方法

1.1 四季劃分標準

采用《氣候季節(jié)劃分法》(QX/T 152—2012)[1]的標準計算西安四季的初始日和持續(xù)日數(shù)，四季逐日平均氣溫符合滑動平均連續(xù)5 d閾值的第一個值則為初日的第一天，四季閾值分別為10 ℃、22 ℃，氣溫區(qū)間分別為春、秋季10～22 ℃，夏季≥22 ℃，冬季氣溫≤10 ℃。如果根據(jù)上述判定的初日比平均初日早15 d以上，需作二次判斷，則需計算至再一次出現(xiàn)連續(xù)5 d滑動平均氣溫達到閾值，兩次過程之間，滿足季節(jié)閾值范圍的日數(shù)≥不滿足的閾值范圍內(nèi)的日數(shù)，則以初次判斷的初日為準，否則以第二次判斷的初日為準。平均初日為所有年份的初日平均；季節(jié)初日至下一個季節(jié)初日的前一天為季節(jié)持續(xù)日數(shù)。初日和持續(xù)日數(shù)的等級劃分標準為：每年初日與平均初日差異在±15 d以上是特早或特晚，±(5～15)d(包括等于15 d)之間屬于偏早或偏晚，±5 d(包括等于±5 d)內(nèi)屬于正常；持續(xù)日數(shù)與平均持續(xù)日數(shù)的差異在±15 d以上屬于特長或特晚，±(5～15)d之間屬于偏長或偏短，±5 d內(nèi)屬于正常。

1.2 資料的選取和研究方法

西安國家基本氣象站受城市發(fā)展的影響遷移至涇河，涇河站2005年開始觀測，2014年1月1日起由涇河站代表西安國家基本氣象站。

為了分析遷站對四季初日和持續(xù)日數(shù)的影響，應(yīng)用2005—2013年西安站與涇河站9年的同期氣溫資料對比了兩站四季初日和持續(xù)日數(shù)的差異。結(jié)果表明兩站初日出現(xiàn)在同一天占72%，初日不同日出現(xiàn)春季有4 a、夏季3 a、秋季1 a、冬季2 a，春、夏季明顯多于秋、冬季。春、夏季初日不同日的7 a中，西安比涇河早1 d的有6 a，晚1 d的有1 a；而秋、冬季西安比涇河均晚1 a。兩站四季持續(xù)日數(shù)相同的年份占53%，西安與涇河站持續(xù)日數(shù)比較：西安夏季4 a均比涇河長1 d，冬季5 a均短1 d，春季(5 a)、秋季(3 a)各有不同，差異均為1 d，主要原因是受季節(jié)的初日和結(jié)束日的遲早的影響。雖然兩站的初日和持續(xù)日數(shù)有不同步，差異均為1 d，對初日和持續(xù)日數(shù)的研究影響不明顯，可以忽略不計。因此，逐日平均氣溫1951—2013年選取西安站，2014—2018選取涇河站，通過距平、累積距平法，分析西安市近68 a來四季初日和持續(xù)日數(shù)的變化趨勢，診斷發(fā)生突變的時間點，確定西安四季初日和持續(xù)日數(shù)的階段性。四季初日(持續(xù)日數(shù))距平是每年的初日(持續(xù)日數(shù))與平均初日(平均持續(xù)日數(shù))的差值，初日(持續(xù)日數(shù))距平負值為提前(縮短)，正值為推后(增長)。累積距平計算公式如下：

(1)

(2)

2 結(jié)果分析

2.1 四季初日特征及變化趨勢的階段性

2.1.1 四季初日特征 四季初日是通過日平均氣溫連續(xù)5 d滑動平均達到閾值來確定，受日平均氣溫波動的影響而動態(tài)變化。表1給出了西安四季初日及等級的變化，西安四季平均初日分別為：春季3月21日、夏季5月23日、秋季9月8日、冬季11月6日，最早/最晚初日分別出現(xiàn)在3月4日/4月14日、5月2日/6月15日、8月27日/9月23日、10月21日/11月20日，最早和最晚分別相差41 d、44 d、27 d和30 d。從四季初日的早晚等級來看，四季初日正常年份占總年份的比例分別為38%、34%、63%、47%，秋、冬季正常比例高于春、夏季，秋季正常年份最多，夏季最少。偏早/偏晚占比分別為28%/24%、18%/31%、21%/16%、22%/29%，每個季節(jié)都有偏早或偏晚出現(xiàn)，少于正常年份。特早/特晚占比分別為4%/6%、10%/7%、0%/0%、1%/0%，春、夏季初日特早、特晚明顯多于秋、冬季，夏季出現(xiàn)的最多，特晚初日秋、冬季未出現(xiàn)，秋季是唯一未出現(xiàn)特早、特晚的季節(jié)。

四季初日波動明顯，春、夏季初日波動大于秋、冬季、夏季初日波動最大，秋季波動最小(圖1)。從氣候傾向率可知(表1)，春、夏季初日呈提前趨勢，秋、冬季初日呈推后趨勢。氣候傾向率夏季為-2.7 d/10 a，春季為-1.8 d/10 a，秋、冬季氣候傾向率均為1 d/10 a。由四季初日距平年際變化(圖1)可發(fā)現(xiàn)，2000年以后春季初日19 a中有16 a早于平均初日，2 a晚于平均初日，1 a與平均初日基本相同，偏晚的年份主要出在1999年以前。1994年以后夏季初日25 a中有20 a早于平均初日，4 a晚于平均初日，1 a與平均初日基本相同，比正常初日偏晚的年份主要出現(xiàn)在1993年以前。采用《氣候季節(jié)劃分法》得到的春、夏季初日主要出現(xiàn)在3月、5月，均出現(xiàn)在公歷法的春季(3—5月)期間，而西安春季(3—5月)的線性增溫趨勢達到 2.20 ℃/10 a,是其它季節(jié)的2～4倍[19]。西安年平均氣溫升溫突變發(fā)生在1994年，春季氣溫變暖尤為明顯[17]，這也許是春(2000年后)、夏(1994年后)季初日提前的主要原因。秋季初日1986年以前提前占多數(shù)，1987年以后推后占多數(shù)。冬季與夏季相反，2001年后初日18 a中有14 a晚于平均初日，3 a早于平均初日。2000年以前呈波動變化。這種變化是否與西安城市化發(fā)展及氣候變暖有關(guān)，有待于進一步研究。

圖1 1951—2018年西安四季初日距平及早晚等級(點線為偏早/偏晚界線；點劃線為特早/特晚界線)

表1 1951—2018年西安四季初始日及等級變化趨勢

2.1.2 四季初日變化趨勢及階段性特征 累積距平是一種常用的由曲線直觀判斷變化趨勢的方法，從曲線明顯的上下起伏可以判斷其長期的演變趨勢及持續(xù)性變化，并可以診斷出發(fā)生突變的大致時間[20]。初日累積距平曲線呈上升趨勢表示距平值增加即為初日推后趨勢，下降趨勢則表示距平值減小即為初日提前趨勢。由圖2可知：春、夏季初日的變化趨勢一致，先上升后下降，即初日先推后再提前的趨勢；秋季初日變化趨勢與春、夏季相反，先提前再推后的趨勢；冬季為先提前后平穩(wěn)波動再推后的趨勢。累積距平的變化趨勢的轉(zhuǎn)折點即為變化趨勢的突變點，春季初日的突變時間點為2000年，夏季1994年，秋季1987年，冬季初日有兩個突變時間節(jié)點，分別為1972年和2000年。

根據(jù)初日累積距平的突變時間確定四季初日的階段性劃分(表2)，四季初日的每個階段變化趨勢均通過了0.05的顯著性檢驗。春季第二階段平均初日比第一階段早12 d，差異顯著；夏季兩個階段的差異與春季一致，平均初日第二階段比第一階段早14 d，差異比春季更加突出；秋季的階段性差異與春、夏季相反，第二階段平均初日比第一階段晚5 d；冬季初日出現(xiàn)了三個階段，第一階段在20世紀70年代以前呈提前趨勢，第二階段處于平穩(wěn)波動階段，第三階段平均初日比第一、二階段分別晚6 d、4 d。總之，秋、冬季初日的階段性變化較春、夏季明顯，春、夏季初日第二階段比第一階段偏早明顯，秋、冬季初日則為偏晚。

2.2 四季持續(xù)日數(shù)特征及變化趨勢的階段性

2.2.1 四季持續(xù)日數(shù)特征 四季持續(xù)日數(shù)的長短與初日的起始日和結(jié)束日的遲早有關(guān)，表3和圖3給出了四季持續(xù)日數(shù)的長短和等級，春、 夏、秋、冬季平均持續(xù)日數(shù)分別為64 d、105 d、59 d、137 d，長短差異明顯。典型的冬、夏季長，平均持續(xù)日數(shù)均在3.0月以上；冬季持續(xù)日數(shù)長達4.5月以上，比第二長的夏季長32 d；春、秋季短，均少于3.0個月；夏、冬季分別是秋季的1.8、2.3倍。四季最短/最長持續(xù)日數(shù)分別為32 d/84 d、81 d/134 d、38 d/79 d、109 d/159 d，春、夏、秋、冬季最長和最短差異分別為 52 d、53 d、41 d、50 d；四季持續(xù)日數(shù)長短波動明顯，除秋季外，其它三季最早最晚差異均超過50 d。從四季持續(xù)日數(shù)變化的氣候傾向率來看，春、冬季呈縮短趨勢(氣候傾向率為-2.7 d/10 a)，夏季呈增長趨勢(氣候傾向率達到3.6 d/10 a)，秋季無變化。從持續(xù)日數(shù)等級特征可知，四季持續(xù)日數(shù)正常年占總年數(shù)的比例分別為39%、35%、41%、26%，春、秋季正常年高于夏、冬季，冬季正常年最少；四季偏短/偏長年占比分別為22%/24%、28%/15%、19%/25%、24%/28%，夏季偏長比例最小；特短/特長年占比分別為9%/10%、12%/15%、6%/4%、13%/9%；四季均有特短/特長年份出現(xiàn)，夏季特長年最多，秋季特長和特短年均最少。

圖2 1951—2018年西安四季初日累積距平

表2 1951—2018年西安四季初日、持續(xù)日數(shù)的階段變化

表3 1951—2018年西安四季持續(xù)日數(shù)及等級變化趨勢

2.2.2 四季持續(xù)日數(shù)變化趨勢及階段性特征 采用與初日同樣的方法來確定持續(xù)日數(shù)年際變化趨勢和階段性。從圖4可知，春、冬季持續(xù)日數(shù)變化趨勢一致， 呈先增長后縮短的趨勢。夏季恰恰相反，呈先縮短后增長的趨勢。秋季變化趨勢弱于其它三個季節(jié)，先平穩(wěn)波動，后微弱增長。春、夏、秋、冬持續(xù)日數(shù)的時間轉(zhuǎn)折點即突變時間分別為1992、1990、2002、2001年，均出現(xiàn)在1990年以后。

根據(jù)四季持續(xù)日數(shù)變化趨勢的突變時間來劃分其階段(表2)。春、夏季的階段性轉(zhuǎn)折相差2 a，秋、冬季階段性轉(zhuǎn)折點相差1 a。夏、冬季持續(xù)日數(shù)變化幅度明顯大于春、秋季，四季持續(xù)日數(shù)無論是長期趨勢還是階段性趨勢均通過了0.05的顯著性檢驗。第二階段與第一階段比較，持續(xù)日數(shù)春、冬季縮短，夏、秋季增長，第一階段冬季比夏季長43 d，春季比秋季長6 d。進入第二階段后，冬季短17 d，夏季長16 d，二者差異從第一階段的43 d變?yōu)榈诙A段的10 d；春季短6 d，秋季長3 d,春季比秋季長7 d。致使進入第二階段后春季與秋季持續(xù)日數(shù)變?yōu)橐恢?，均?1 d。

圖3 1951—2018年西安四季持續(xù)日數(shù)距平及長度等級(點線為偏長/偏短界線；點劃線為特長/特短界線)

3 結(jié)論和討論

利用1951—2018年西安國家基本氣象站逐日平均氣溫資料，采用《氣候季節(jié)劃分法》劃分標準和數(shù)理統(tǒng)計方法，對西安市四季的初日和持續(xù)日數(shù)的變化趨勢、等級、階段性進行分析，揭示了西安市四季初日和持續(xù)日數(shù)的變化趨勢，分析了初日和持續(xù)日數(shù)階段性的特征。主要結(jié)論歸納如下。

(1)西安春、夏季初日呈提前趨勢，秋、冬季為推后趨勢。西安初日變化的氣候傾向率，夏季為-2.7 d/10 a，春季為-1.8 d/10 a，秋、冬季均為1 d/10 a。四季初日的遲早等級變化具有明顯的差異性，夏季特早(晚)初日出現(xiàn)最多，其次是春季，秋季初日等級變化最小，未出現(xiàn)特早(晚)初日。

(2)四季初日的變化除冬季為3個階段外，其余三季均為2個階段，四季初日的階段性轉(zhuǎn)折點春、冬季變化的時間節(jié)點一致(2000年)，夏、秋季初日轉(zhuǎn)折點均早于春、冬季。春、夏季初日第二階段比第一階段分別早12 d、14 d，階段性變化幅度較大；秋、冬季階段差異較小，秋季第二階段比第一階段晚5 d,冬季初日第三階段比第二、第一階段分別晚4 d、6 d。

(3)春、冬季持續(xù)日數(shù)呈縮短趨勢，夏、秋季呈增長趨勢，夏季增長幅度明顯，氣候傾向率達到3.6 d/10 a；冬季縮短趨勢明顯，氣候傾向率為-2.7 d/10 a。四季持續(xù)日數(shù)長短等級比初日的差異性明顯，特短(長)四季均有出現(xiàn)，正常持續(xù)日數(shù)出現(xiàn)比例均小于初日。

(4)四季持續(xù)日數(shù)的變化均為2個階段，第二階段與第一階段比較，春、冬季持續(xù)日數(shù)分別短6 d、17 d，夏、秋季長16 d、3 d。第二階段春、秋季持續(xù)日數(shù)一致，夏、冬季從第一階段相差43 d到第二階段的10 d，夏、冬季持續(xù)日數(shù)趨于接近；持續(xù)日數(shù)的階段性轉(zhuǎn)折點春、夏季分別出現(xiàn)在1992年、1990年，秋、冬季轉(zhuǎn)折點分別出現(xiàn)在2002年、2001年。持續(xù)日數(shù)除了受初日的影響外還與結(jié)束日的遲早有關(guān)。

圖4 1951—2018年西安四季持續(xù)日數(shù)累積距平