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(lái)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(zhǎng)度也發(fā)生了明顯改變，而四季的變化對(duì)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(zhǎng)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(duì)季節(jié)氣候問(wèn)題展開(kāi)了研究。韓超等［3］通過(guò)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(duì)季節(jié)劃分有著顯著的影響;徐家良等［6－7］分析了長(zhǎng)三角地區(qū)的氣候趨勢(shì)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(zhǎng)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(guó)家氣象觀測(cè)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(zhǎng)度則定為四季長(zhǎng)度。

本研究首先運(yùn)用趨勢(shì)分析方法［8－9］對(duì)麗水市四季長(zhǎng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其次應(yīng)用Morlet小波分析［10－12］對(duì)四季長(zhǎng)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(jiǎn)稱MTM)對(duì)顯著周期信號(hào)進(jìn)行診斷分析。

2 四季長(zhǎng)度的氣候變化特征分析

表1給出了麗水市四季長(zhǎng)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(zhǎng)度的演變趨勢(shì)?？梢钥闯鳆愃募鹃L(zhǎng)度，以夏季和冬季為最長(zhǎng)，都在100 d以上，特別是夏季，平均長(zhǎng)度達(dá)到117.7 d，橫跨4個(gè)月，約占全年時(shí)長(zhǎng)的1/3;而過(guò)渡季節(jié)春季和秋季長(zhǎng)度則相對(duì)較短，尤其是秋季，平均長(zhǎng)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(zhǎng)度氣候傾向率可以看出，春、夏、秋季長(zhǎng)度均表現(xiàn)為延長(zhǎng)，其中夏季長(zhǎng)度的拉長(zhǎng)相對(duì)明顯，近 58 a延長(zhǎng) 7.3 d，增長(zhǎng)幅度約6.2%;冬季長(zhǎng)度則表現(xiàn)為縮短，且氣候傾向率(－2.8 d/10 a)通過(guò)0.05顯著性水平，相當(dāng)于近58 a冬季長(zhǎng)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(zhǎng)度氣候變化統(tǒng)計(jì)

3 四季長(zhǎng)度氣候演變規(guī)律的小波分析

四季長(zhǎng)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(zhǎng)度縮短，實(shí)線表示季節(jié)長(zhǎng)度延長(zhǎng);等值線越密集，表示信號(hào)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(duì)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(hào)的突變轉(zhuǎn)折點(diǎn)［10］。

圖1 麗水市1953—2010年四季長(zhǎng)度的Morlet小波變換

春季長(zhǎng)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(zhǎng)度延長(zhǎng)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(zhǎng)度延長(zhǎng)，而 1964—1972年、1983—1993年和2005—2010年春季長(zhǎng)度則以縮短為主，且1965年、1976年和1988年對(duì)應(yīng)閉合中心的絕對(duì)值都達(dá)到1以上。

夏季長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)明顯，主要分為1953—1975年的夏季長(zhǎng)度延長(zhǎng)期、1976—1994年的縮短期和1995—2010年的拉長(zhǎng)期，閉合中心的絕對(duì)值都達(dá)到1.0。

秋季長(zhǎng)度的周期變化特征，從年際尺度上來(lái)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)明顯，其他時(shí)間尺度等值線閉合中心的絕對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)度的周期演變規(guī)律，對(duì)四季長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)應(yīng)周期長(zhǎng)度超過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度振蕩頻率沒(méi)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(duì)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(zhǎng)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(guò)99%置信度檢驗(yàn)線，說(shuō)明秋季長(zhǎng)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(zhǎng)度振蕩頻率在 f＞0.03的高頻譜段上沒(méi)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(guò)90%置信度檢驗(yàn)線，對(duì)應(yīng)周期2.2～2.3 a，周期特征最明顯。綜上所述，四季長(zhǎng)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(zhǎng)度2.8 a周期最顯著，夏季長(zhǎng)度2～7 a周期相對(duì)明顯，秋、冬季長(zhǎng)度以2 a左右周期交替為主。

根據(jù)四季長(zhǎng)度的周期發(fā)展?fàn)顩r(結(jié)合圖1和圖2)，預(yù)測(cè)未來(lái)麗水市季節(jié)長(zhǎng)度的發(fā)展趨勢(shì)。圖1A中，春季長(zhǎng)度在2～4 a時(shí)間尺度上的較強(qiáng)周期振蕩可見(jiàn)，2010年時(shí)負(fù)值區(qū)域還沒(méi)結(jié)束，表明2010年后的一段時(shí)間春季長(zhǎng)度仍將延續(xù)縮短趨勢(shì)。圖2B顯示，夏季長(zhǎng)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(cè)未來(lái)約2～3 a時(shí)間(1/2周期)內(nèi)夏季長(zhǎng)度仍是延長(zhǎng)走勢(shì)。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(kāi)始發(fā)展的狀態(tài)，由此推測(cè)秋季長(zhǎng)度的拉長(zhǎng)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(méi)有閉合，說(shuō)明冬季長(zhǎng)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(zhǎng)度將延續(xù)縮短趨勢(shì)，而夏、秋季長(zhǎng)度的發(fā)展態(tài)勢(shì)是延長(zhǎng)。

5 結(jié)語(yǔ)

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

2)四季長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度以4～8 a年際尺度上的周期最為明顯;秋季長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度的周期特征，表明四季長(zhǎng)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(zhǎng)度2.8 a周期最顯著，夏季長(zhǎng)度2～7 a周期相對(duì)明顯，秋、冬季長(zhǎng)度以2 a左右周期交替為主。

［1］ 吳昊旻，茅軍念，謝敏星.麗水市近58年來(lái)氣溫變化周期特征和趨勢(shì)分析［J］.大氣科學(xué)研究與應(yīng)用，2011(2):34－40.

［2］ 張靜，呂軍，項(xiàng)瑛，等.江蘇省四季變化的分析［J］.氣象科學(xué)，2008，28(5):568 －572.

［3］ 韓超，鄭景云，葛全勝.中國(guó)華北地區(qū)近40年物候春季變化.中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，2007，28(2):113 －117.

［4］ 湯懋蒼，鐘海鈴，李棟梁.青藏鐵路沿線的四季劃分及其溫度變化分析.高原氣象，2003，22(5):440－444.

［5］ 吳昊旻，陳惠芬，何凱玲.麗水市1953－2010年氣溫變化對(duì)季節(jié)長(zhǎng)度的影響［J］.氣象與環(huán)境科學(xué)，2012，35(3):76－80.

［6］ 徐家良，柯曉新，周偉東.長(zhǎng)江三角洲城市地區(qū)近50年氣候變化及其影響［M］.大氣科學(xué)研究與應(yīng)用.北京:氣象出版社，2005:8－16.

［7］ 吳昊旻，黃安寧，黃旋旋.近50年長(zhǎng)三角地區(qū)季節(jié)的氣候變化特征［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，2012，33(3):317－324.

［8］ 施能，陳家其，屠其璞.中國(guó)近100年來(lái)4個(gè)年代際的氣候變化特征［J］.氣象學(xué)報(bào)，1995，53(4):431 －439.

［9］ 吳昊旻，麻碧華，姜燕敏.浙江省1971—2009年日照時(shí)數(shù)多時(shí)間尺度分布特征［J］.氣候變化研究進(jìn)展，2011，7(3):228－229.

［10］ 姜燕敏，吳昊旻，孫衛(wèi)國(guó)，等.我國(guó)華東地區(qū)氣候變化與副高指數(shù)的小波分析［J］.廣東氣象，2008，30(6):17 －19.

［11］ 吳昊旻，楊羨敏，姜燕敏.浙江省夏秋季降水量時(shí)空分布特征及趨勢(shì)演變規(guī)律［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，2011，32(3):326－330.

［12］ 吳昊旻，姜燕敏，茅軍念.麗水汛期降水多時(shí)間尺度演變特征［J］.暴雨災(zāi)害，2010，29(2):176 －180.

［13］ 江志紅，屠其璞，施能.多窗譜分析方法及其在全球變暖研究中的應(yīng)用［J］.氣象學(xué)報(bào)，2001，59(4):480 －490.

［14］ 吳昊旻，姜燕敏，強(qiáng)玉華.浙江麗水市降水特征多時(shí)間尺度周期變化規(guī)律的探究［J］.干旱氣象，2012，30(1):34－38.

［15］ Park J.Envelope estimation for quasi-periodie geophysical signals in noise［C］//A multitaper approach in statistics in the environmental and earth sciences.London:Edward Arnold Press，1992:189 －219.