近50年高淳二十四節氣氣溫變化特征及突變分析

孔維財，宋如東，陸一磊，夏曉敏

（江蘇省南京市高淳區氣象局，南京 211300）

二十四節氣起源于黃河流域，最早的二十四節氣見于秦漢時期。中國古人通過觀察太陽周年運動與氣候、農業、物候的關系，把一年分為不同的節氣，對應各種不同的氣候特征、農業活動、物候特點，充分體現了中國古人的智慧，至今還發揮著重要的作用［1］。二十四節氣現已成為中國文化的一部分，2016年中國二十四節氣成為第31 個入選人類非物質文化遺產代表名錄。

隨著全球氣候變暖的加劇，極端氣候事件頻發，不僅對農業生產安全和人體健康帶來威脅，也對社會經濟造成巨大的影響［2］。近年來，關于二十四節氣的研究較多，錢誠等［3］研究了中國二十四節氣氣候變化規律；李耀寧等［4］研究了北京市二十四節氣氣溫變化規律；沈姣姣等［5］研究了西安市二十四節氣氣溫變化特征并進行了突變分析；楊玲珠等［6］研究了邯鄲市二十四節氣氣候特征；武峰梅等［7］研究了孝義市二十四節氣氣象要素的變化特征。這些研究均表明二十四節氣均處于升溫趨勢。

中國地域廣闊，氣候差異明顯，不同地區同一節氣從事的農業活動也不同。南京市高淳區（簡稱高淳）位于江蘇省西南部，總面積約802 km2，屬亞熱帶季風氣候區，氣候適宜，是江蘇省重要的糧食生產和水產養殖基地。在全球氣候變暖的趨勢下，高淳二十四節氣氣溫也呈明顯的上升趨勢，氣候條件和物候特征也隨之改變。隨著社會經濟的發展，對農產品的數量和質量要求越來越高，研究如何更好地利用熱量資源、準確把握農時進行農事活動，不但有利于提高農業氣象服務質量，而且對提高長江中下游地區的農業經濟效益具有重要的意義［8-11］。

1 資料與方法

1.1 二十四節氣劃分

二十四節氣反映了太陽周年視運動，在公歷中日期相對固定，隨年份有1～2 d 的變動，為便于統計分析，本研究為所有節氣取一個固定日期（表1），同時以立春、立夏、立秋和立冬節氣為分界將二十四節氣劃分為春季型、夏季型、秋季型和冬季型。取驚蟄、清明、小滿和芒種為物候性代表節氣。

表1 二十四節氣日期

1.2 資料來源及研究方法

1970—2019年逐日氣溫數據來源于南京市高淳區氣象局，其中因遷站等非自然變化因素導致的數據變化均進行了處理，具有較好的代表性和連續性。本研究基于SPSS、Matlab 等軟件，采用氣候傾向率、滑動平均、累計距平、相關分析、M-K 突變檢驗等方法，對南京市高淳區進行了近50年二十四節氣氣溫變化特征分析和物候性節氣（驚蟄、清明、小滿和芒種）氣溫突變分析。

2 結果與分析

2.1 二十四節氣氣溫年變化特征

2.1.1年變化特征分析 高淳位于長江中下游地區，屬于亞熱帶季風氣候，夏季炎熱多雨、冬季寒冷干燥，春秋季為過渡季節，高淳近50年各節氣平均氣溫、初終日氣溫呈明顯的正態、單峰型特點，且趨勢一致（圖1）。大暑是一年中最熱的節氣，平均氣溫為29.7 ℃，小暑次之，平均氣溫為28.5 ℃；大寒是一年中氣溫最低的節氣，平均氣溫為3.3 ℃，小寒次之，平均氣溫為3.4 ℃，極端最低氣溫出現在大寒節氣的概率為52%，出現在小寒的概率為34%。大寒至小暑的終日平均氣溫高于初日平均氣溫，氣溫呈上升趨勢，上升幅度最大為春分至清明，升幅為3.6 ℃；大暑至小寒的終日平均氣溫低于初日平均氣溫，呈下降趨勢，下降幅度最大為霜降至立冬，降幅為3.6 ℃。

圖1 二十四節氣平均氣溫、初終日平均氣溫和相鄰節氣氣溫差

為分析高淳近50年氣溫變化趨勢，本研究計算了各個節氣氣溫的變化線性趨勢，結果（表2）表明，節氣氣溫均呈上升趨勢，這與全球氣候變暖的大背景相符合［12］，其中，有5 個節氣的線性趨勢通過了95%的信度檢驗，12 個通過了99%的信度檢驗。上升趨勢最大的為春分，氣候傾向率為0.81 ℃/10年，上升趨勢最小的是處暑，氣候傾向率為0.13 ℃/10年，其中，春季型節氣上升趨勢整體較大，秋季型節氣次之，平均線性趨勢系數分別為0.059、0.037 ℃/年，平均上升趨勢最小為夏季型節氣，夏季型和冬季型節氣平均線性趨勢均為0.032 ℃/年。隨著高淳經濟的發展，城市熱島效應對高淳春季型和秋季型節氣影響較大，對高溫型節氣影響較小［13-15］。

表2 二十四節氣氣溫變化的線性趨勢系數（單位：℃/年）

2.1.2年代際變化特征分析 由表3 可知，各節氣在年代上距平呈上升趨勢，大部分節氣距平在20 世紀70年代和80年代為負值，從20 世紀90年代開始距平多為正值。春季型、夏季型和秋季型節氣距平均在20 世紀80年代出現負最大值，距平平均值分別為-1.1、-0.6、-0.7 ℃；夏季型和秋季型節氣在近50年距平變化幅度較小，夏季型節氣距平平均值在20 世紀70年代至21 世紀10年代相差1.0 ℃，秋季型相差為1.1 ℃，而春季型和冬季型相差分別為1.8、1.3 ℃。

表3 二十四節氣年代際氣溫距平 （單位：℃）

2.2 物候性節氣氣溫距平變化及突變分析

二十四節氣與中國農業生產密切相關，其中驚蟄、清明、小滿和芒種等節氣對物候和農事安排有重要的指導意義［16］。本研究對驚蟄、清明、小滿和芒種的氣溫及距平進行了線性擬合，并對物候性節氣平均氣溫進行M-K 突變分析，分析其有無突變點。

2.2.1 氣溫距平變化分析 驚蟄物候特征為作物復蘇生長，該時期氣溫對作物的生長十分重要。由圖2a 可知，高淳近50年以來驚蟄平均氣溫為9.4 ℃，上升趨勢明顯，線性趨勢系數為0.072 ℃/年（通過了99%的信度檢驗），該節氣氣溫距平也呈上升的趨勢，這與節氣平均氣溫上升趨勢一致；1970—1993年節氣距平多以負值為主，1994—2019年距平多以正值為主，距平上升趨勢的氣候傾向率為0.72 ℃/10年。清明（圖2b）、小滿（圖2c）節氣與驚蟄節氣比較相似，清明、小滿平均氣溫上升線性趨勢系數分別為0.052 ℃/年（通過了99%的信度檢驗）和0.026 ℃/年（通過了95%的信度檢驗），清明在1995年前以負距平為主，1995年之后以正距平為主，距平上升趨勢的氣候傾向率為0.52 ℃/10年，小滿以2000年為分界點，前期以負值為主，后期以正值為主，距平上升趨勢的氣候傾向率為0.26 ℃/10年。芒種（圖2d）平均氣溫為24.9 ℃，平均氣溫上升線性趨勢系數為0.023 ℃/年（通過了95%的信度檢驗），距平正負變化沒有明顯的分界點，距平上升趨勢的氣候傾向率為0.23 ℃/10年。

圖2 物候性節氣氣溫距平

2.2.2 氣溫M-K 突變分析 本研究通過M-K 法分析了物候性節氣氣溫突變點，如果UF和UB線在置信區間（0.05 水平顯著置信曲線U0.05=1.96）之間有交點，說明存在突變，交點對應年份為突變年份。

驚蟄（圖3a）UF均大于0，氣溫呈升高趨勢，在1993年存在突變點，上升顯著，趨勢變大。清明（圖3b）氣溫在1970—1985年呈上升趨勢（UF>0），1985—2000年節氣氣溫呈下降的趨勢（UF<0），2000年后轉暖趨勢明顯，在2000年存在突變點。小滿（圖3c）氣溫在1970—1985年上升與下降的趨勢都不明顯，在1985年之后氣溫變暖趨勢十分明顯（UF>0），在1985年存在轉暖的突變點。芒種（圖3d）氣溫在1970—1980年呈下降趨勢（UF<0），至1980年后氣溫呈上升的趨勢，趨勢明顯，在1980年存在突變點，但是在2000年氣溫上升趨勢變緩，在2000年也存在一個突變點。

圖3 物候性節氣M-K 突變分析

3 小結與討論

本研究利用SPSS、Matlab 等軟件，采用線性相關分析、M-K突變檢驗等方法，分析了高淳1970—2019年二十四節氣和物候性節氣（驚蟄、清明、小滿和芒種）的平均氣溫、初終日平均氣溫、相鄰節氣溫差、年代際平均氣溫及距平，得出如下結論。

1）高淳近50年二十四節氣平均氣溫、初終日氣溫呈明顯的正態、單峰型特點，且趨勢一致；大暑和大寒分別是一年中最熱和最冷的節氣；大寒至小暑的節氣終日平均氣溫高于初日平均氣溫，氣溫逐漸上升，大暑至小寒的節氣終日平均氣溫低于初日平均氣溫，氣溫逐漸下降；一年中，一般大暑氣溫達到一年的峰值，至大寒降至氣溫最低值。

2）各節氣氣溫的變化線性趨勢中有5 個節氣通過了95%的信度檢驗，12 個通過了99%的信度檢驗。上升趨勢最大的為春分，上升趨勢最小的是處暑；春季型和秋季型節氣上升趨勢整體較高，上升趨勢最小為夏季型節氣，這與高淳的城市熱島效應關系密切；大部分節氣距平在20 世紀70年代和80年代為負值，從20 世紀90年代開始距平多為正值；驚蟄、清明、小滿和芒種的節氣距平上升趨勢與節氣平均氣溫上升趨勢一致。驚蟄在1970—1993年氣溫距平以負值為主，1994—2019年距平以正值為主；清明在2000年前以負距平為主，2000年之后以正距平為主；小滿以1995年為分界點，前期以負值為主，后期以正值為主；芒種氣溫距平正負距平變化沒有明顯的分界點。

3）通過M-K 分析可知，驚蟄氣溫呈一致的升高趨勢，在1993年存在突變點，上升趨勢變大；清明在2000年后轉暖趨勢明顯，2000年為突變點；小滿在1970—1985年上升與下降的趨勢都不明顯，在1985年之后氣溫變暖趨勢十分明顯，1985年存在突變點；芒種在1970—1980年呈下降趨勢，至1980年后氣溫呈明顯上升的趨勢，1980年為突變點。

根據二十四節氣氣溫升高的趨勢，高淳的農事活動可適當提前。但本研究對農業生產活動提供的幫助有一定的局限性，農事活動的調整還需要綜合考慮降水、日照、當地農業生產技術水平等因素，二十四節氣與其他氣象要素的綜合分析還有待進一步研究。