杭州市四季氣候變化特征分析

胡云麗 陳斌

(杭州市氣象局，浙江 杭州 310051)

0 引 言

地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)造成太陽直射點南、北移動，地面上得到的太陽輻射周期性變化，從而導(dǎo)致地球季節(jié)循環(huán)更替。季節(jié)更替是漸變的，但人們?yōu)榱藚^(qū)分，通常會在兩個季節(jié)之間人為劃定一條分界線。天文上以節(jié)氣來劃分季節(jié)，四季起始日分別為立春、立夏、立秋和立冬。而在氣候的角度，按照日平均氣溫將一年劃分為不同的階段，稱為氣候季節(jié)。

杭州處四季分明區(qū)，一年分為春季、夏季、秋季和冬季4個氣候季節(jié)。氣候季節(jié)對各行業(yè)以及生活都有不同程度的影響，大的如水庫庫容的調(diào)節(jié)、電力的調(diào)度，小的如日常穿衣、出行等等。楊詩芳的研究指出，浙江省50 a平均氣溫近呈上升趨勢[1]。郁珍艷等人認為，四季開始日期的變化是變暖趨勢的一種反映，因此，我們應(yīng)當遵循自然規(guī)律、適當?shù)卣{(diào)整生態(tài)環(huán)境的配置和農(nóng)業(yè)布局，實現(xiàn)人類與自然環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[2]?？梢姡芯克募咀兓卣?，對于農(nóng)業(yè)具有極其重要的指導(dǎo)意義。

杭州歷史上對四季的劃分最早曾采用候平均氣溫法，即以每月1—5日確定為一候，6—10日確定為一候，以此類推。若一候的平均氣溫達到換季的標準，則確定中間一天為下一季節(jié)的起始日；20世紀90年代后，四季劃分采用5 d平均法。若連續(xù)5 d的平均氣溫達到換季標準，確定中間一天為下一季的起始日。

我國幅員遼闊，各地氣候差異很大，若各地都采用當?shù)厮募緲藴?，將使得劃分結(jié)果在全國范圍內(nèi)(空間上)無法進行比對。為此，采用統(tǒng)一、科學(xué)的氣候季節(jié)劃分指標和方法，以此來確定氣候季節(jié)出現(xiàn)早晚、持續(xù)長短，并規(guī)范業(yè)務(wù)和公眾氣象服務(wù)，可使全國各地季節(jié)的早晚和時段在空間上進行橫行比較，具有十分重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

2012年11月1日我國正式實施《氣候季節(jié)劃分》(QX/T152—2012)氣象行業(yè)標準，對氣候季節(jié)劃分指標、常年和當年氣候季節(jié)界定方法，及氣候季節(jié)早晚和長短等級等都提供了充分的劃分依據(jù)。本文以此標準為基礎(chǔ)，利用杭州歷史資料對1951—2018年這68 a的每一年進行四季劃分，逐一分析歷年四季起始日期、持續(xù)時間、氣溫和降水等的氣候變化，旨在為杭州市四季氣象服務(wù)提供可靠的氣候背景依據(jù)。

1 使用資料

本文使用1951年1月—2019年3月杭州國家基準氣候站逐日平均氣溫資料得到四季完整的68 a進行四季變化分析。

2 分析方法

2.1 四季標準

四季劃分采用《氣候季節(jié)劃分》氣象行業(yè)標準作為依據(jù)。

經(jīng)過張立波等人在浙江省的應(yīng)用，此標準雖然存在個別年份春季起始日偏早、冬季起始日偏遲的情況，但對大部分年份四季起始日期的劃分基本合理，且計算簡便、通用性強，不僅適用于四季分明區(qū)，而且對無冬區(qū)、無夏區(qū)等其他氣候類型地區(qū)的季節(jié)劃分都有很好的指導(dǎo)意義[3]。

2.2 線性傾向估計

四季氣候要素的整體變化研究采用線性傾向估計方法[4]。

2.3 累積距平方法

四季氣候要素的局部變化研究采用累積距平方法[4]。

2.4 山本(Yamamoto)方法

四季氣候要素的突變檢測采用山本方法[4]。

山本方法從氣候信息與氣候噪聲兩部分來討論突變問題。

兩段子序列的均值差的絕對值視為氣候變化的信號，而它們的變率則視為噪聲，信噪比為兩者的比值。若某時刻的Rsn>1.0，則認為有突變發(fā)生；若Rsn>2.0，則認為有強突變發(fā)生。

此方法中，由于人為設(shè)置基準點，子序列長度不同可能引起突變點漂移，應(yīng)通過反復(fù)變動子序列長度進行實驗比較，以便得到可靠判別?？紤]到本文使用的杭州站歷史資料長度和計算方便，分別采用n1=n2=5、10、15、20來進行分析[4]。

3 杭州常年及歷年四季特征

常年春季始于3月10日，夏季始于5月20日，秋季常在9月底入季，11月底開始杭州迎來一年中最寒冷的季節(jié)——冬季，直至次年3月宣告結(jié)束，再次迎來春天，如此循環(huán)往復(fù)。郁珍艷等人的研究認為，浙江地區(qū)較符合物候現(xiàn)象的春季大概開始于3月上中旬，夏季大概開始于5月中下旬，秋季大概開始于9月下旬至10月上旬，冬季大概開始于11月下旬至12月上旬[5]。運用《氣候季節(jié)劃分》行業(yè)標準得到的杭州常年四季起始日與之一致。

如表1所示，四季中，夏季最長，達132 d，冬季次之，季長103 d，秋季最短，僅2個月，春季比秋季多出11 d。夏季平均氣溫最高，為26.4℃，最低的冬季僅6.1℃；春季氣溫15.7℃，比秋季低0.9℃。夏季為降水最多的季節(jié)，其次是春季。秋、冬兩季從季平均降水量來看冬季多于秋季，但去除季長的影響因素后，秋季降水比冬季略多。各季節(jié)的歷年降水普遍波動較大，如春季，常年平均降水量為299 mm，最小的年份僅89.1 mm，是常年的30%，最大的年份達771.8 mm，是常年的2.58倍。

表1 杭州常年及歷年四季特征

4 杭州市四季氣候的變化分析

4.1 四季起始日期

從68 a的氣候趨勢估計看，入春日期的回歸系數(shù)為-0.206，入夏為-0.236，入秋為0.197，入冬為0.097，其相關(guān)系數(shù)分別為-0.3476、-0.4226、0.4661、0.2536均通過了α=0.05的顯著性檢驗，表明杭州市春、夏季起始日期分別以每10 a約2.06 d、2.36 d的速度在提前，秋、冬兩季分別以每10 a約1.97 d、0.97 d的速度推后，且這種趨勢在α=0.05顯著水平上是顯著的。

氣候趨勢反映的是整體變化，但從局部看存在波動性。累積距平曲線顯示(圖1)，春、夏兩季起始日期和秋、冬兩季呈反位相分布。

圖1 杭州市1951—2018年四季起始日期累積距平曲線

春、夏季曲線的變化趨勢大體一致。在20世紀80年代之前明顯上升，且都為正值，說明入季均推遲；80年代至90年代中期較為平緩，90年代后期開始呈明顯下降趨勢，表明入季提前。兩條曲線比較靠近或有所交叉，因而春季的季長有波動，但變化不大。秋、冬兩季曲線變化趨勢和春、夏兩季正好相反。80年代前以下降為主，說明入季多為提前。90年代后期開始上升，說明入季推后。兩條曲線同向變化且比較靠近，也說明秋季長度變化不大。而結(jié)合4條曲線總體變化也可以發(fā)現(xiàn)，80年代之前，入冬提前、入春推后，說明冬季長度增加；而21世紀以來，春季距平值下降，入春提前，同時冬季距平值增加，入冬推后，說明冬季變短。此外，80年代之前，入夏推后、入秋提前，說明夏季變短，而21世紀以來則正好相反，夏季變長。

突變檢測發(fā)現(xiàn)(圖略)，夏季曲線在n取5時，2001年和2016年信噪比均超過1.0，但當n分別取10和15時，這2 a的信噪比均很小，所以不能確定此時發(fā)生突變。其他季節(jié)均未出現(xiàn)信噪比大于1.0的情況。

4.2 四季長度

夏季、冬季長度的回歸系數(shù)分別為0.431、-0.276，其相關(guān)系數(shù)分別為0.6142、-0.3843，均通過顯著性檢驗，表明杭州市夏季加長、冬季縮短，其變化幅度分別為每10 a 4.31 d、2.76 d。而春、秋兩季的回歸系數(shù)和相關(guān)系數(shù)絕對值都較小，表明氣候變化不顯著(圖2)。

累積距平結(jié)果顯示(圖略)，20世紀50年代至80年代，冬季長度呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢，90年代后，冬季縮短。而由歷年冬季長度時間序列也可發(fā)現(xiàn)，2001—2018年這18 a的冬季季長除2002年(103 d)、2009年(119 d)和2013年(105 d)這3 a大于等于常年冬季長度(103 d)以外，其他年份均小于常年季長。杭州站歷年冬季最短季長68 d也出現(xiàn)在這期間(2006年)。夏季變化趨勢則正好相反，80年代前明顯變短，90年代后迅速增加。過去68 a里4個超過150 d的夏天全部出現(xiàn)在1991年之后，最長的2007年達到158 d。春、秋兩季的季長累積距平曲線總體比較平緩，說明這些年間變化不大。此分析結(jié)果和四季起始日期分析結(jié)果中反映出來的季長變化特征一致。

突變檢測發(fā)現(xiàn)，四季季長無論取n為5、10、15時，信噪比均小于1.0，可見季長有變化，但達不到突變。

4.3 四季氣溫

春、夏、秋3季氣溫的氣候趨勢估計回歸系數(shù)都為很小的正值，相關(guān)系數(shù)也很小。只有冬季的相關(guān)系數(shù)為0.4846通過了顯著性檢驗(圖3)，其回歸系數(shù)為0.024，相當于每10 a冬季氣溫就增加了0.24℃。以1981—2010年30 a冬季平均氣溫6.1℃為參照，歷年冬季氣溫高于常年冬季0.5℃以上為暖冬標準，杭州68 a來共出現(xiàn)暖冬13次。其中除了2次發(fā)生在1977年和1978年以外，其他11 a均出現(xiàn)在1986年以后，這33 a里暖冬年份占比為1/3，歷年冬季氣溫最高值前3也都出現(xiàn)在這期間。

圖2 杭州市1951—2018年四季長度變化及線性趨勢

圖3 杭州市1951—2018年冬季氣溫及其距平變化

累積距平分析顯示，20世紀80年代中之前，冬季氣溫處于下降期，80年代后期至今處于上升期。夏季氣溫在20世紀50—70年代都較為穩(wěn)定，80—90年代下降，2002年后回升。春、秋兩季呈波動變化，但幅度相對夏、冬兩季較小。

突變檢測發(fā)現(xiàn)，春、夏、冬3季氣溫在n取5時有突變點，但當n取10和15時，對應(yīng)的年份前后均達不到突變標準，因而不能確定氣溫突變。

4.5 四季降水

春季回歸系數(shù)為-1.847，夏季為2.876，相關(guān)系數(shù)分別為-0.2842和0.2780，均在α=0.05水平上顯著，可見68 a中春季降水有所減少，而夏季降水增加(圖4)。秋、冬兩季未通過顯著性檢驗。

圖4 杭州市1951—2018年春、夏季降水變化及線性趨勢

降水變化最大的是夏季。20世紀50年代后期至80年代初有明顯下降特點，隨后上升，21世紀初達到最高點，至2007年有小幅下降，之后回升。春季降水在50年代顯著上升，60年代至90年代前期有升有降，波動不大，之后呈下降趨勢，直至2014年。近幾年的降水無明顯變化。秋冬兩季累積距平曲線在x軸上下波動，且幅度不大。

突變檢測中，同降水一樣，n分別取5、10和15時，3種情況均無法一致反映出四季降水的突變點，因而不能確定突變發(fā)生。

5 結(jié) 語

1)杭州常年四季起始日期分別為3月10日、5月20日、9月29日、11月28日。常年四季長度依次為71 d、132 d、60 d、103 d，夏季最長，秋季最短。

2)夏季平均氣溫26.4℃，冬季6.1℃。春季與秋季氣溫相當，其中春季比秋季低0.9℃。夏季為降水最多的季節(jié)，平均總降水量704 mm，其次是春季。秋、冬兩季從季平均總降水量來看冬季多于秋季，但去除季長因素后，秋季降水比冬季略多。

3)過去68 a春、夏季起始日期分別以每10 a約2.06 d、2.36 d的速度提前，秋、冬兩季分別以每10 a約1.97 d、0.97 d的速度推后，且這種趨勢在α=0.05顯著水平上是顯著的。

4)夏季加長、冬季縮短的趨勢明顯，其變化幅度分別為每10 a 4.31 d和2.76 d。春、秋兩季的季長氣候變化不顯著。

5)春、夏、秋3季氣溫的氣候變化均不大，但冬季升溫顯著，每10 a冬季氣溫就增加0.24℃。

6)四季中，春季降水有所減少，夏季降水增加，變化幅度分別為每10 a 18.5和28.8 mm。秋、冬兩季降水變化不大。