1961-2014年華北平原二十四節氣熱量資源的時空分布變化分析*

董 蓓，胡 琦**，潘學標，何奇瑾，姜會飛，喬 宇，王瀟瀟，魏 培，趙海涵，張熙庭

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1961-2014年華北平原二十四節氣熱量資源的時空分布變化分析*

董 蓓1,2，胡 琦1,2**，潘學標1,2，何奇瑾1,2，姜會飛1，喬 宇1，王瀟瀟1,2，魏 培1,2，趙海涵1,2，張熙庭1

（1.中國農業大學資源與環境學院，北京 100193；2.農業部武川農業環境科學觀測實驗站，呼和浩特 011700）

通過推算歷年二十四節氣的劃分時間，利用華北地區63個氣象站點1961-2014年逐日地面觀測資料，分析每個節氣期間平均氣溫、最高/低氣溫、≥0℃積溫的線性變化趨勢；基于春分、秋分日計算分析研究區各站點無霜期的終/始日與春分/秋分日差值和無霜期≥0℃積溫的時空分布變化特征。結果表明，華北平原氣溫（平均、最高、最低）最高為大、小暑節氣，最低為小、大寒節氣。無霜期由北向南遞增，終霜日平均發生在春分節氣，沿緯度方向由南向北推遲，初霜日平均發生在霜降節氣，沿緯度方向由南向北提前。1961-2014年華北地區二十四節氣內熱量資源（氣溫、≥0℃積溫）均呈現上升趨勢，冬春季的節氣升溫幅度大于夏秋季。雨水節氣平均氣溫、最高、最低氣溫增幅在二十四節氣中最大，分別為0.63、0.74和0.53℃·10a-1。最低氣溫增幅大于平均氣溫和最高氣溫，對氣候增暖的貢獻較大。近54a來研究區無霜期內≥0℃積溫平均增加442.8℃·d。氣候變暖同時延長了華北地區的無霜期，研究區無霜期氣候傾向率平均為3.9d·10a-1，該變化由初/終霜日的變化共同作用引起，且春季終霜日提前（氣候傾向率為2.1d·10a-1）比秋季初霜日推遲（氣候傾向率為1.9d·10a-1）更明顯。

華北地區；二十四節氣；氣溫；積溫；無霜期

二十四節氣是古人根據太陽在黃道（即地球繞太陽公轉的軌道）上的位置變化而制定的，以黃河流域中原地區的氣候、物候為依據而建立，秦漢時期完整的二十四節氣概念已經形成。二十四節氣能夠細致反映季節交替的變化，其蘊含的時令順序、物候變化等信息對指導古人春耕、夏耘、秋收、冬藏等農事活動具有重要意義[1]，至今仍對農業生產活動具有參考價值。現代農業氣象學產生以后，許多學者結合二十四節氣與現代農業氣象資料進行農業氣候歷、農事歷或農事活動表的編制，使其在現代農業生產中繼續發揮作用[2]。

氣候變化背景下，全球地表氣溫呈波動上升趨勢[3]，中國近幾十年增溫速率明顯高于全球或北半球同期，增暖趨勢更顯著[4-5]。氣候增暖引起熱量資源時空分布的變化[6]，對農業生產、種植制度和農事活動等將產生重大影響[7]。氣候增暖使二十四節氣內的熱量資源也必然因此發生改變，錢誠等[2]研究表明，4個反映物候現象的氣候節氣（驚蟄、清明、小滿和芒種）普遍存在提前的趨勢，許多與節氣相關的農諺和經驗可能變得不再適宜，沈嬌嬌等[8]通過分析西安市二十四節氣氣候變化特征及突變特征，指出其氣溫呈增加的趨勢。華北平原不僅是中國最重要的糧棉油生產基地之一[9]，對糧食安全保障體系和農業生產安全起著重要作用[10]，還是古代二十四節氣的 發源地，然而有關該地區近幾十年來不同節氣內的熱量資源(氣溫、積溫)的時空分布變化的研究報道較少，且鮮有學者將無霜期與節氣結合起來研究。為此，本文利用華北地區（京、津、冀、豫、魯）63個氣象站點1961-2014年的地面觀測資料，選取氣溫（平均氣溫、最高、最低氣溫）和與作物生長期密切相關的無霜期、≥0℃積溫作為熱量指標，分析近54a該地區二十四節氣內熱量資源的變化趨勢和特征，旨在為氣候變化背景下有效開發和利用華北地區熱量資源，根據二十四節氣因地制宜安排和調整農事活動、制定適應對策以規避可能的氣候風險提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 數據來源及預處理

選擇華北平原（京、津、冀、豫、魯）具有1961-2014年完整時間序列的逐日氣象資料的臺站，共63個作為研究對象（圖1），氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網中的中國地面氣候資料日值數據集（V3.0）。所用數據集經過嚴格質量控制和檢查，缺測率約1‰，缺測的氣象要素采用Matlab編程進行訂正：若缺測序列小于5d，缺測值采用線性插值方法代替；若缺測序列≥5d，則采用同一日值的多年平均值代替。

1.2 研究方法及數據處理

1.2.1 節氣日期推算

為方便編程計算，首先采用壽星式確定每年小寒日期（Date），其后節氣日期順次增加15d，即

式中，Y為年份的后2位，D為常數0.2422，L為閏年數，[]為取整符號，C為常數，20世紀為6.11，21世紀為5.4055，例如，1988年小寒日期Date= [88×0.2422+6.11]-[(88-1)/4]=27-21=6，即1月6日為小寒。經驗證，研究時段內1982年和2000年計算結果需加1，其余年份與實際小寒日期一致。

圖1 研究區63個氣象站點分布

Fig. 1 Distribution of the 63 meteorological stations in the study area

注：各省（市、區）后括號內數據為該地區氣象臺站數。灰色區域為研究區

Note: The figure in the bracket is the meteorological station number of each province (city, district) .Grey area is the study area

1.2.2 無霜期及無霜期內≥0℃積溫計算

無霜期是農作物生長的重要指標，根據以下定義計算[11-12]：以日最低氣溫≤2℃作為霜日出現的氣象指標，每年秋季第一次出現的霜日稱為初霜日，春季最后一次出現的霜日稱為終霜日，終霜日至初霜日之間的持續日數即為無霜期。本研究將初/終霜日均以日序表示，即每年的1月1日為1，…，1月31日為31，以此類推。

農作物的生長期與無霜期密切相關，無霜期愈長，生長期越長。無霜期內≥0℃積溫表示了某一地區適宜作物生長的溫度區間內最大的熱量資源，本文出現的≥0℃積溫均為根據無霜期初日、終日和日平均溫度數據計算的無霜期內積溫。

1.2.3 氣候傾向率計算

用 X表示樣本量為n的某一氣候要素，用t表示對應的年序，采用最小二乘法擬合得到一元線性回歸方程，即

X=at+b (t=1,2,3,…,n) （2）

式中，a為回歸系數，以a 的10倍作為氣象要素的氣候傾向率。采用F檢驗法對擬合的回歸方程進行顯著性檢驗（P<0.05）。

1.2.4 數據處理

每個節氣的平均氣象要素（平均氣溫、最高、最低氣溫、積溫）以節氣間多日要素平均值表示，即某節氣當日至相鄰下一節氣的前一日時間段氣象要素的平均值，全區平均為研究區所有氣象站點氣象要素的多年平均值。氣溫、積溫、無霜期、氣候傾向率等的數據處理均利用Matlab2014軟件實現；利用ArcGIS10.1軟件反距離權重插值法 (Inverse Distance Weighted Interpolation，IDW)制作氣候要素的空間分布圖，設定Cell size參數均為0.02；折線圖采用OriginPro8軟件制作。

2 結果與分析

2.1 華北平原二十四節氣平均氣溫變化基本特征

根據每個站點1961-2014年的氣溫資料和二十四節氣推算結果（表1），計算各站點每個節氣內的華北平原平均氣溫、最高/最低氣溫，由表1可見，各站點3個氣溫要素隨節氣變化的過程基本一致，因此，各站點的圖省略，僅給出全區平均后的計算結果（圖1）。由圖1可見，平均和最高/最低氣溫隨節氣變化的過程基本一致，均呈現單峰型的特點。其中，立春作為春季的開始，平均氣溫開始高于0℃；大暑節氣平均溫度和極端高溫最大，分別為26.1℃和30.6℃；立冬作為冬季的開始，極端最低氣溫開始小于0℃；小寒節氣平均氣溫和極端最低氣溫最小，分別為-3.12℃和-7.51℃，其次是大寒，平均氣溫和最低氣溫分別為-2.8℃和-7.3℃。從節氣內氣溫變化曲線中可以發現，雨水之后氣溫上升速度加快，驚蟄、春分、清明、谷雨節氣內平均氣溫較其上一節氣高3.1～4.1℃，其中清明氣溫波動幅度最大，較上一節氣高4.1℃；秋分之后氣溫下降速度加快，寒露、霜降、立冬、小雪和大雪的節氣內平均氣溫較其上一節氣低3.0～4.3℃，其中小雪較上一節氣氣溫下降4.3℃，降溫幅度最大。

Note：SC is Slight Cold, GC is Great Cold, SPB is Spring Begins, R is the Rains, IA is Insects Awaken, VE is Vernal Equinox, CB is Clear and Bright, GR is Grain Rain, SUB is Summer Begins, GB is Grain Buds ,GE is Grain in Ear, SS is Summer Solstice, SH is Slight Heat, GH is Great Heat, AB is Autumn Begins, STH is Stopping the Heat, WD is White Dews, AE is Autumn Equinox, CD is Cold Dews, HF is Hoar-frost Falls, WB is Winter Begins, LS is Light Snow, HS is Heavy Snow, WS is Winter Solstice. The same as below

2.2 華北平原二十四節氣氣溫和積溫變化趨勢分析

對研究區內每個站點1961-2014年二十四節氣內平均氣溫、最高/最低氣溫和≥0℃積溫的線性變化趨勢進行分析，統計線性變化趨勢通過0.05水平顯著性檢驗的站點數，并計算其相應傾向率的平均值，結果見表1。由表可見，從季節尺度來看，冬春季的大寒-清明時段平均氣溫增速超過0.37℃·10a-1，增幅達顯著性水平（P<0.05）的站點占50%以上，夏秋季的立夏-白露時段平均氣溫增速較小，介于0.05～0.2℃·10a-1，達到顯著性水平的站點不足1/3。就單個節氣而言，1961-2014年華北平原二十四節氣均呈增暖的趨勢，其中雨水節氣平均氣溫增幅在二十四節氣中最大，為0.63℃·10a-1，所有站點均達顯著性水平。各節氣最低氣溫增幅大于平均氣溫，其中16個節氣最低氣溫增幅大于0.30℃·10a-1，最大增溫速率同樣出現在雨水節氣（0.74℃·10a-1）。各節氣均以最高氣溫增幅最小，在-0.07～0.53℃·10a-1，且最高氣溫氣候傾向率達到顯著性的站點超過50%的節氣僅有雨水、清明和寒露。

由于每個氣象站點無霜期始/終日不同，因此各個站點無霜期內≥0℃積溫開始和結束的節氣也存在差異，為保證準確性，僅對每個站點具有完整的1961-2014年逐年≥0℃積溫序列的節氣進行計算，不符合條件的節氣不計入區域平均值，并將每個節氣的站點數進行標注。結果表明，無霜期內二十四節氣≥0℃積溫均呈增加的趨勢，立夏-秋分≥0℃積溫增幅在0.66～5.03℃·d·10a-1，所有的氣象站點均有完整的逐年≥0℃積溫序列。驚蟄-谷雨以及寒露-小雪節氣≥0℃積溫氣候傾向率大于6.0℃·d·10a-1，一方面原因在于平均溫度的升高，另一方面來自節氣內平均溫度≥0℃天數的增加。

2.3 華北平原初/終霜日相對秋/春分日差值的特征分析

以每年的春分日為參照，計算每個站點歷年終霜日與其差值，結果的平均值分布見圖3a1。由圖中可見，從1961-2014年平均情況看，華北平原終霜日與春分日偏差日數平均為8.9d，區域內各地終霜日分布在春分前第10天到春分后第32天（即第80-122天），終霜出現日期沿緯度由南向北推遲；0d等值線為河南省北部的新鄉—開封—商丘一線，即該線附近區域終霜日發生在春分日，該線以南終霜日發生在春分之前，以北地區（約占總站點數的75%）終霜日發生在春分之后，河北省北部終霜日比春分遲20d以上。從長時間變化來看，整個研究期內各站終霜日與春分日間的差值具有顯著的線性減小趨勢（圖3a2），平均變化率-2.1d·10a-1,60%（n=38）的氣象站點氣候傾向率通過了0.05水平的顯著性檢驗，說明氣候變化背景下終霜日與春分日的偏差日數有顯著的減少趨勢。

表1 1961-2014年華北平原二十四節氣平均氣溫(T)、最高(Tmax)/最低氣溫(Tmin)和≥0℃積溫(∑T)線性變化趨勢(Tr)及通過顯著性檢驗的站點數(Nr)（P＜0.05）

注：“積溫”列中括號內數字表示某節氣內具有完整54年（1961-2014）的逐年≥0℃積溫序列的站點數，如雨水節氣有6個氣象站點具有完整的逐年≥0℃積溫序列，-表示某節氣由于溫度低，各站均沒有完整的≥0℃積溫序列資料。

Note: Figures in brackets indicate the number of stations with the complete time series of accumulated temperature over 0℃ from 1961 to 2014 in a certain solar term, e.g., R solar term has 6 meteorological stations with the complete time series.“–”represents that none stations have the complete time series of accumulated temperature over 0℃ from 1961 to 2014 for a certain solar term due to the low temperature.

以每年的秋分日為參照，計算每個站點歷年初霜日與其差值，所得序列的平均值空間分布見圖3b1。由圖可見，區域內各地初霜日發生在秋分日前第40天到秋分后第22天（即第260-322天），空間差異大，初霜出現日期沿緯度方向由南向北提前。0d等值線穿過河北南部的石家莊、衡水至天津，該地區初霜日發生在秋分日左右，等值線以北的地區初霜日發生在秋分之前，河北北部初霜日比秋分日早15d以上。從長時間變化來看，近54a來研究區96.8%的站點（n=61）初霜日與秋分日差值的氣候傾向率為正值，58.7%（n=37）的氣象站點達到顯著性水平（P<0.05），河北中西部、山東和河南的部分地區氣候傾向率大于2d·10a-1（圖3b2）。

注：差值為正表示終霜日發生在春分日或初霜日發生在秋分日之后，負值相反。黑色三角形表示氣候傾向率通過顯著性檢驗的站點（P<0.05）。下同

Note: Positive difference value of the difference between last frost date and VE means last frost occurred after the VE date, while negative value means last frost occurred before the VE date, as well as the difference between first frost date and AE. Black triangle indicates the station with significant climate tendency rate (P<0.05). The same as bellow

2.4 華北平原無霜期和無霜期內≥0℃積溫的時空變化特征

由圖4a1可見，無霜期由北向南遞增，河北省張家口和承德北部無霜期小于170d，北京、天津、河北中南部和山東的大部分地區無霜期大于210d，河南大部分地區無霜期大于220d。華北平原近54a來 無霜期變化率在-2.3～9.3d·10a-1，達到P<0.05顯性水平的氣象站點占75%（n=47），但地區間差異較大，河北中西部、河南北部地區無霜期增幅大于5d·10a-1，河北省承德市北部、山東部分地區無霜期增幅小于3d·10a-1（圖4a2）。華北平原無霜期內≥0℃積溫的空間分布狀況如圖4b1所示，可以看出，與無霜期類似，≥0℃積溫亦呈由北向南遞增的趨勢，河北省北部地區無霜期內≥0℃積溫不足3300℃·d，河南大部分地區無霜期內≥0℃積溫超過4700℃·d。近54a來研究區無霜期內≥0℃積溫平均增加了442.8℃·d，其變化率在-47.5～186.5℃·d·10a-1。空間分布與無霜期氣候傾向率分布類似（圖4b2），事實上二者的相關系數達0.96，說明無霜期的變化對期內≥0℃積溫的變化有很大影響。

就區域平均而言，研究時段內華北平原無霜期平均增加21.4d，全區無霜期的氣候傾向率平均3.9d·10a-1，如圖5所示（上頁）。其中終霜日平均發生在春分節氣（平均值為第98.9天左右），1961-2014年終霜日約提前11.3d，氣候傾向率為2.1d·10a-1（P<0.05），初霜日平均發生在霜降節氣（平均值為第300.5天左右），近54a來研究區終霜日約推遲了10.1d，氣候傾向率為1.9d·10a-1（P<0.05），該結果表明，華北平原無霜期延長是由初/終霜日的變化共同作用的，且春季終霜日提前比秋季初霜日推遲更明顯。

3 結論與討論

本文以二十四節氣為切入點，選取氣溫（平均氣溫、最高、最低氣溫）和無霜期為指標，對1961-2014年華北平原熱量資源空間分布及其變化特征進行分析，結果表明，研究區大小暑節氣氣溫最高，平均氣溫高于25℃；小大寒節氣氣溫最低，平均氣溫低于-2.8℃。驚蟄、春分、清明、谷雨節氣平均氣溫上升幅度較大，寒露-大雪節氣內的每個節氣平均氣溫分別較上一節氣低3.0~4.3℃，降溫幅度最大。華北平原作為古代二十四節氣發源地，其氣候特征仍與相應的許多節氣相符，如俗語“熱在三伏，冷在三九”中“三伏天”和“三九天”分別出現在大暑節氣前后和小寒節氣內；“驚蟄天暖地氣開”表示驚蟄之后氣溫迅速回暖等。

氣候變化使節氣內熱量資源發生了顯著變化。1961-2014年華北平原所有節氣內氣溫均呈現上升趨勢，冬春季的大寒-清明時段平均氣溫增溫最顯著，雨水節氣平均氣溫增幅在二十四節氣中最大，為0.63℃·10a-1，Hu等[13]曾研究表明，全國超過60%的氣象站點2月下旬（雨水節氣內）增溫幅度最大，與本文研究結果一致，冀翠華等[14]也有類似的研究結果。夏秋季的立夏-白露時段平均氣溫增溫速率較小，小于0.2℃·10a-1。唐紅玉等[15-16]指出，近50a中國近地面氣候變暖主要是最低氣溫顯著上升的結果，本文研究進一步證實，二十四節氣中最低氣溫增幅均大于平均氣溫，16個節氣最低氣溫增幅大于0.30℃·10a-1，對氣候增暖的貢獻較大；最高氣溫增幅最小，在-0.07～0.53℃·10a-1。無霜期內所有節氣≥0℃積溫均呈增加趨勢，驚蟄-谷雨以及寒露-小雪節氣≥0℃積溫氣候傾向率大于6.0℃·d·10a-1，原因在于平均溫度的升高和節氣內≥0℃天數的增加。近54a來研究區無霜期內≥0℃積溫平均增加了442.8℃·d，氣候傾向率在-47.5～186.5℃·d·10a-1。氣候變化同時延長了華北平原的無霜期，1961-2014年研究區無霜期增加了21.4d，全區無霜期的氣候傾向率平均為3.9d·10a-1，其中終霜日提前了11.3d（氣候傾向率為2.1d·10a-1），初霜日推遲了10.1d（氣候傾向率為1.9d·10a-1）。該結果表明，華北平原無霜期延長是由初/終霜日的變化共同作用的，且春季終霜日提前比秋季初霜日推遲更明顯，與許多學者在不同區域范圍的研究結果相符[17-19]。以春/秋分為參照分析終/初霜日的變化發現，在整個研究區內終/初霜日與春/秋分日并不一致，如終霜日與春分日偏差日數平均為8.9d，隨著氣候增暖導致終霜日提前，此偏差日數有顯著的減少趨勢。

總之，氣候變化背景下華北平原二十四節氣內熱量資源增加趨勢顯著，無霜期延長，過去根據節氣時令來安排農業生產的經驗也需要隨之進行調整，錢誠等[2]指出，在氣候變化大背景下驚蟄、清明、小滿和芒種普遍存在提前的趨勢，沈嬌嬌等[8]通過分析西安市二十四節氣氣溫變化特征及突變特征，指出驚蟄前后春耕、追肥等農事活動應照常進行或略有提前，但與芒種相關的農事活動不可盲目提前。若單從熱量資源的增加，無霜期延長而言，氣候變暖可以使作物適時早播，生育期獲得更多的熱量資源，有利于華北平原農作物穩產、豐收，對中國糧食安全具有重要的現實意義。但是本文對熱量資源的分析和研究只能為農業生產決策提供參考，實際中農事活動的調整應綜合考慮降水、日照、生產技術等因素。因此，未來研究還需將二十四節氣內光、溫、水等氣候要素進行更深入的綜合分析，為各地因地制宜提前布局相應的農事活動提供科學依據，以適應氣候變化的影響。

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Spatiotemporal Distribution and Variation of Heat Resources in the Twenty-Four Solar Terms in North China Plain over the Period 1961-2014

DONG Bei1,2, HU Qi1,2,PAN Xue-biao1,2, HE Qi-jin1,2, JIANG Hui-fei1, QIAO Yu1, WANG Xiao-xiao1,2, WEI Pei1,2, ZHAO Hai-han1,2, ZHANG Xi-ting1

(1.College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 2.Scientific and Observing Experimental Station of Agro-Environment, Ministry of Agriculture, Hohhot 011700)

By calculating the dividing time of the twenty-four solar terms in each year, average values and climate trends for temperature (average temperature, maximum and minimum temperature) and accumulated temperature over 0℃ in each solar term were analyzed based on the observed data from 63 meteorological stations in North China Plain from 1961 to 2014. Spatial distribution of the deviation days between last / first frost date and Vernal Equinox/Autumnal Equinox date, as well as accumulated temperature over 0℃ in frost-free period and their changing rates, were also studied. Results showed that the Great Heat and Slight Heat solar terms exhibited the largest heat resources, on the contrast, the Great Cold and Slight Cold solar terms exhibited the smallest heat resources. The days of frost free period increased from north to south in the study area. The last frost date averagely occurred in the Vernal Equinox, postponed from south to north along the latitude direction, and the first frost date occurred in the Hoar-frost Falls on the average, advanced from south to north along the latitude direction. Each solar term in North China Plain in 1961-2014 showed a significant increasing trend for heat resources, and the highest warming rate occurred in the Rains solar term with average temperature, maximum and minimum temperature increasing trend values 0.63, 0.74 and 0.53℃·10y-1, respectively. The minimum temperature had greater contribution to climate warming than maximum temperature because of its higher increasing trend. Accumulated temperature over 0℃ in frost-free period in the study area increased by 442.8℃·d in recent 54 years. Climate warming has also prolonged frost free period in North China at increasing trend 3.9d·10y-1due to the changes in both the first and last frost date, and the advanced last frost date in spring (climate tend rate 2.1d·10y-1) was more significant than the delayed first frost date in autumn (climate tend rate 1.9d·10y-1) .

North China; 24 solar terms in China; Temperature; Accumulated temperature; Frost free period

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.03.001

2016-08-03

通訊作者：。E-mail：s10020292@cau.edu.cn

國家重點研發計劃項目（2016YFD0300105；2016YFD0300106）；國家自然科學基金項目（41271053）

董蓓（1993-）,碩士生，研究方向為氣候變化、農業資源利用。E-mail：18630700611@163.com

董蓓,胡琦,潘學標,等.1961-2014年華北平原二十四節氣熱量資源的時空分布變化分析[J].中國農業氣象,2017,38(3):131-140