胡云麗 陳斌

(杭州市氣象局，浙江 杭州 310051)

0 引 言

地球的自轉和公轉造成太陽直射點南、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節(jié)、電力的調度，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，我們應當遵循自然規(guī)律、適當?shù)卣{整生態(tài)環(huán)境的配置和農業(yè)布局，實現(xiàn)人類與自然環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[2]?？梢?，研究四季變化特征，對于農業(yè)具有極其重要的指導意義。

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)厮募緲藴剩瑢⑹沟脛澐纸Y果在全國范圍內(空間上)無法進行比對。為此，采用統(tǒng)一、科學的氣候季節(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)務和公眾氣象服務，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意義和應用價值。

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，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，由于人為設置基準點，子序列長度不同可能引起突變點漂移，應通過反復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月宣告結束，再次迎來春天，如此循環(huán)往復。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。此分析結果和四季起始日期分析結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，相關系數(shù)也很小。只有冬季的相關系數(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 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。