寧德市近50年氣候季節劃分及變化特征分析

陳小英 阮翠冰 林巧靈 阮凌云

(福建省寧德市氣象局，福建 寧德 352100)

1 概述

2021年8月正式發布的IPCC第六次評估報告第一工作組報告指出，1970年以來的50年是過去兩千年以來最暖的50年，2011—2020年全球地表溫度比工業革命時期上升了1.09℃，預計未來20年全球升溫幅度將達到或超過1.5℃，屆時熱浪將增加，暖季延長而冷季縮短[1]。氣候變暖氣溫升高無疑給整個氣候系統帶來了巨大深遠的影響，這其中就包括四季起止時間和持續時間的變化。趙俊虎等[2]在對中國的季節變化與極端溫度事件的聯系研究中指出，中國大部分地區冬季起始時間推后，春、夏季起始時間提前，秋季起始時間變化不大，因此冬季長度顯著縮短，春、夏、秋季長度延長。張世軒等[3-4]在對全球變暖下中國季節變化的分析中也指出中國大部分地區冬季持續天數和起始時間變化相對于春、夏、秋三季而言更為顯著，但同一季節不同區域的響應不同，就全國而言，北方比南方的響應更明顯。郁珍艷等[5]則認為全國范圍內四季起始日的變化為春夏季提早、秋冬季推遲，其中夏季提早最明顯，春季較弱，空間區域分布上是北方變化比南方明顯，東部變化比西部明顯。王正等[6]在中國季節劃分及其對夏季降水的預測研究中指出，1981—2016年中國四季持續時間的變化呈現顯著的東西向差異，東部大部分地區春、秋季持續時間增加，西部地區縮短；夏、冬季的持續時間東部地區縮短，西部地區增加，縮短或增加的高低值區因季節而異。從上述文獻來看，不同區域近30～50年四季變化特征基本都有春夏季提早、秋冬季推遲的趨勢，但四季入季時間和季節長度變化存在著明顯的地域差異性。

季節的變遷與人類、自然的休養生息關系密切，其輪換更迭的規律發生變化勢必對農業生產、環境生態系統、人類經濟活動等造成廣泛長遠影響[7-8]。寧德位于福建省東北翼沿海，依山傍海，東臨臺灣海峽，屬亞熱帶季風氣候區，境內地理環境復雜，兼有海洋氣候、山地氣候、盆地氣候等多種氣候特點。獨特的地理氣候特征對氣候變暖的響應亦有所不同，這種不同也勢必體現在四季變化上。本文擬通過氣候統計診斷法分析得出寧德氣候季節變化規律，從而為當地區域生態環境的合理配置和農業、經濟布局的合理調整等問題提供量化依據。

2 資料來源和分析方法

2.1 資料來源

本研究所用數據采自寧德市9個國家級氣象觀測站(蕉城、福安、福鼎、霞浦、古田、壽寧、周寧、柘榮、屏南)1971—2020年日平均氣溫，數據經過質量控制，具有代表性、準確性和比較性，并有完整的序列。按地理位置及氣候特點將蕉城、福安、福鼎、霞浦、古田劃歸為沿海地區，壽寧、周寧、柘榮、屏南劃為山區。

2.2 四季劃分

四季劃分的方法主要有天文法、物候法、自然天氣季節法和氣溫劃分法[9-13]。其中自然天氣季節劃分法較為常用，通常是將3—5月、6—8月、9—11月、12—2月依次劃定為為春、夏、秋、冬季，福建的劃分略有不同，綜合了大氣環流形勢、氣象要素變化等特點，將3—6月、7—9月、10—11月、12—2月劃定為為春、夏、秋、冬季，其中3—4月為早春季、5—6月為雨季[14]。以上季節劃分法簡單明了，但全國各地在同一天進入一個季節顯然不盡科學，與實際狀況出入較大，無法準確反映不同地域的四季特點。2012 年11月實施的氣象行業標準《氣候季節劃分》( QX/T152—2012)[15]，是在張寶堃[16]提出的候溫法的基礎上修訂而成，即以5d滑動平均氣溫是否達到10.0℃或22.0℃作為劃分依據，當5d滑動平均氣溫≤10.0℃時為冬季，≥22.0℃時為夏季，介于10.0～22.0℃之間時則為春季、秋季。此季節劃分法與自然物候實際變化情況基本能夠相對應，雖然可能存在個別年份因為換季前后氣溫波動起伏較大而造成換季時間出現偏遲或偏早現象，但總體劃分結果仍較為客觀合理。本研究以此標準為依據，利用寧德所轄各縣(市)1971—2020年歷史氣溫資料，逐一計算分析歷年四季起始時間和季節長度。

2.3 研究方法

按照氣候季節劃分行業標準，分別統計出歷年四季起始日期和季節長度；利用ArcGIS內嵌的反距離權重法對寧德市四季起始時間和季節長度進行空間插值分析；利用一元線性回歸分析法進行趨勢分析，并做相關系數的顯著性檢驗；用Mann-kendall(M-K)非參數檢驗法[17]對四季起始時間、季節長度分別做突變檢測；采用多元線性回歸分析法[18]篩選四季變化的主要影響因子。

3 結果與分析

3.1 四季起始時間和持續時間的空間差異分析

根據《氣候季節劃分》行業標準，計算得出寧德市平均進入春、夏、秋、冬的日期分別為2月28日、5月30日、9月24日、12月12日，各季長度分別為92d、117d、79d、78d，所屬9縣市的四季起始時間及季節長度的空間分布則如圖1所示。從圖1可看出，蕉城、福安、福鼎、霞浦、古田5個沿海縣市近50年進入春夏的時間均比壽寧、周寧、柘榮、屏南4個山區縣要早1個月左右，進入秋冬季的時間則晚1～1.5個月。季節長度上，春、秋季各地相差不大，一般在3個月左右；夏、冬季差異則極為顯著：沿海縣市的夏季長度在5個月左右，山區縣只有3個月左右；冬季長度山區長達3.5個月，而在沿海縣市中，最長的古田不足2個月，短的如蕉城、福安只有13d。

(a)春季入季

(b)春季長度

(c)夏季入季

(d)夏季長度

(e)秋季入季

(f)秋季長度

(g)冬季入季

(h)冬季長度

鑒于沿海縣市之間以及山區縣市之間在四季起始時間及長度上相差不大，顯著差異只是存在于沿海與山區之間，為了全面描述寧德市的四季分布及變化特點，本研究以沿海、山區的逐日平均氣溫為基礎，對寧德市四季入季時間及季節長度按沿海、山區兩個區域分別進行計算分析。

3.2 四季起始時間和持續時間的趨勢演變分析

3.2.1 四季起始時間變化分析

如表1所示，沿海春夏入季較山區早1個月左右，秋冬入季則遲1～1.5個月，入季最早與最遲在春夏季以及沿海的冬季可相差2個月之多。近50年，沿海與山區的四季起始時間變化趨勢都是春夏季提前，秋冬季推遲，其中夏季變化最為顯著，其次是沿海的入春、山區的入冬，分別通過了1%、5%顯著性檢驗。

表1 1971—2020年寧德市沿海、山區四季起始時間變化統計

如圖2a～d所示，春夏季入季時間提前，也體現在進入春夏季特早、偏早年份的頻次要較特晚、偏晚的頻次高，且特晚、偏晚年份多出現在20世紀70年代、80年代，特早、偏早年份多出現在20世紀90年代及之后，如沿海的14次特早入春年中，70年代出現 3次，80年代 1次，90年代2次，2000年后達到8次，山區的14次特早入春年中則有9次是出現在1997年到2010年之間。這表明沿海、山區的春季在21世紀的前10年為過去50年最早入春的年代。與春季起始日變化特點略有不同的是沿海入夏特早年主要集中在兩個時間段，分別是1997—2005年及最近的的5年，山區特早入夏的年份較少，主要是集中在2015—2020年間。沿海入夏呈逐年代穩定提早的趨勢，但幅度在近10年略有收窄。山區入夏的年代際變化趨勢則不如沿海穩定，提早與推遲交替進行，繼整個90年代氣候變暖使得夏季顯著提早之后，進入21世紀后的10年，雖然入春時間大幅提早，但入夏時間并未相應提早，而是反向回復正常，直至近10年山區入夏大幅度提早的現象才再次凸顯。

沿海在入秋時間上的變化是四季當中最小的，如圖2e所示，出現特早、偏早的年份雖然多于偏晚、特晚的年份，但多出現在70年代至90年代中前期之間，近10年以正常入秋為主，總體入秋時間有向后推遲的趨勢。山區的入秋氣候傾向率未能通過顯著性檢驗，變化幅度在四季中也僅略大于春季，如圖2f所示，以2000年為界，13次偏早特早年中出現在此之前的有9次之多，15次偏晚特晚的年份出現在此之后的則有12次之多，表明進入21世紀之后山區推遲入秋的現象愈發頻發。圖2g～h為沿海、山區入冬的時間曲線，可以看出，沿海與山區之間存在較明顯差異。沿海的特早年主要集中在1980—1985年、2009—2014年，年代際上，上世紀90年代入冬最晚，近10年為次晚入冬，其他年代入冬時間相差不大，屬相對偏早；山區特早入冬年份不多，但偏早年份較多，多集中在70年代和1990—2010年之間，年代際變化上70年代入冬時間最早，近10年入冬最晚，入冬推遲的趨勢顯著于沿海。

綜上，沿海與山區四季起始時間的變化趨勢一致，但由于地理環境差異，不同地域對氣候變化的響應速度與響應程度不同，使得多數情況下沿海的變化要顯著于山區，年際間的波動幅度也大于山區，這與郁珍艷等[5]在對我國四季時間變化特點的研究中得出的全國范圍內四季起始日的變化東部比西部明顯的結論是相一致的。相對于夏季起始時間顯著性提早的趨勢特征，冬、春季起止時間的變化則顯得復雜，尤以沿海冬季為甚。分析其原因，主要是氣候變暖背景下暖冬現象頻發，但階段冷空氣活動又相對活躍，氣溫波動頻率及幅度加大，個別年份冬季特征并不明顯，造成由秋入冬或由冬入春時的界限不清晰。

(a)(b)

(c)(d)

(e)(f)

(g)(h)

3.2.2 四季持續時間變化分析

如表2所示，沿海春秋季長度相當，但夏冬季長度相差極大，夏長冬短，差值達到115d，各季的長度變化又以春、冬季為最大，最長持續時間與最短持續時間相差分別達到88d、84d；山區四季長度相對較為均分，冬長夏短，相差21d，各季的長度變化也是以春、冬季為最大，分別為71d、83d；沿海與山區在春秋季的季節長度上相差不大，主要差別在夏冬兩季，沿海夏季長度比山區長63d，冬季長度則短73d。從近50年變化趨勢來看，沿海與山區的四季長度總的變化特點都是夏秋季延長，春冬季縮短，但春秋季變化趨勢微弱，通過顯著性檢驗的只有夏冬兩季。

表2 1971—2020年寧德市沿海、山區四季持續時間變化統計

如圖3a～h所示,沿海、山區在夏冬季長度的變化上與入季時間的變化特點相似，夏季偏短、冬季偏長的年份多集中在90年代之前，夏季偏長、冬季偏短的年份則多集中在90年代之后。在年代際的變化上，沿海夏季長度呈逐年代延長，但延長幅度在近10年收窄；山區夏季長度的年代際變化是延長與縮短交替進行，近10年延長幅度明顯加大。冬季長度的年代際變化上，沿海在80年代表現為最長，近10年最短，而90年代冬季縮短幅度則是最大；山區冬季自90年代起逐年代縮短，期間屢有年份創下最短冬季極值，如2020年的冬季就急劇縮短至只有54d，為近50年最短的一個冬季。無論是山區還是沿海，從平均值來看最近的10年是50年來夏季最長冬季最短的10年。

從長期總趨勢來看，沿海、山區春秋季節長度的變化均為不顯著，但從1991—2020年的3個年代際情況來看，變化則較為突出，尤其是山區的春季，季節長度延長或縮短的幅度相比其他季節都是最大的，呈現跳躍式變化，如2011—2020年平均季節長度相比前10年縮短達30d，期間出現4個年份的特短年、4個年份的偏短年。

四季持續時間發生上述變化的原因主要是受四季起始時間變化的影響，入夏時間的提前和入秋時間的推遲直接導致了夏季長度的延長，入冬時間的推遲和入春時間的提前直接導致冬季長度的縮短，而春季提早的幅度小于夏季提早的幅度則使得春季縮短，同理，秋季延長是因為秋季推遲的幅度小于冬季推遲的幅度。

(a)(b)

(c)(d)

(e)(f)

(g)(h)

3.3 四季起始時間和持續時間的突變檢測

對四季開始日期及季節長度做Mann-kendall(M-K)非參數突變檢驗，可判斷入季遲早及季節長短趨勢變化發生較為明顯轉折的時間點。以氣候傾向率均通過1%顯著性檢驗的夏季為例分析，如圖4所示，沿海、山區入夏時間的突變年分別出現在1996年、2014年，突變年后入夏時間連續較多年有較大幅度的提早，其中沿海的UF線在2002年后超過5%顯著性水平臨界線，提早趨勢顯著。沿海、山區夏季長度的突變年與入夏突變年基本一致，分別出現在1997年、2014年，突變后，夏季長度連續較多年都有較大幅度的延長，UF線分別在2002年、2017年后超過顯著性水平5%臨界線。分析中還發現，沿海夏季起始時間和持續時間的突變與氣溫變化的突變(圖略)完全同步，與中國大部分地區地表氣溫發生變暖突變的時間具有較好的一致性[6,19-20]。另外，山區的M-K圖在一定程度上也體現了一些學者有關“1998—2012年氣溫增速趨緩，全球氣候變暖停滯，變暖停滯在季節和空間分布上呈現不均勻性”的研究結論[20-21]。至于其他季的入季時間及季節長度在M-K圖上存在多個交點，主要發生在1986年、1996年、2005年、2015年的前后年間，但突變不顯著，階段性的轉折變化不再贅述。

(a)沿海夏季起始時間 (b)沿海夏季持續時間

(c)山區夏季起始時間 (d)山區夏季持續時間

3.4 氣溫對四季變化的影響

運用多元線性回歸方法對可能影響四季變化的氣象因子如四季起始日或結束日所在月的平均氣溫、最低或最高平均氣溫等進行擬合比較，結果顯現為單因子擬合效果更好，其中對四季入季時間影響最大的是四季起始日所處月份的平均氣溫，相關系數絕對值介于0.55～0.75之間，沿海入夏時間與5月平均氣溫最為相關，系數達到-0.75，呈反向關系；山區入冬時間與11月平均氣溫相關系數最小為0.55，呈正向關系。而影響季節長度變化的因素則較多，既有起始日所在月氣溫的影響，也有結束日所在月氣溫的影響，還與季節的總體平均氣溫有關，如對山區夏季長度、沿海冬季長度影響最大的是所處季節的季平均氣溫，相關系數分別為0.58、-0.74；而沿海的秋季長度、山區的冬季長度更多受季節結束所處月份(即1月、3月)平均氣溫的影響，相關系數為0.43、-0.48；其余季節的長度則受入季當月平均氣溫的影響更大，除了山區的春季長度與入春月的相關系數未能通過1%顯著性水平檢驗外，其余通過檢驗的相關系數均在0.44～0.74之間。針對歷史最早最晚入季日期反查氣溫也可發現，入季最早最晚的時間與歷史極端低溫或高溫過程出現的時間有較好的重疊對應關系。

4 結論與討論

①1971—2020年，寧德市沿海春夏秋冬四季入季時間分別為2月12日、5月18日、10月14日、1月9日；山區入季時間分別為3月14日、6月16日、9月10日、11月28日。沿海與山區四季起始時間的總體變化趨勢一致，均呈現春夏季提前、秋冬季推遲的特點，沿海春夏秋冬四季的氣候傾向率分別為-3.0d/10a、-3.4d/10a、1.6d/10a、1.6d/10a，山區的氣候傾向率分別為-1.4d/10a、-2.4d/10a、1.4d/10a、1.6d/10a。相對于夏季起始時間顯著性提早的趨勢特征，冬、春季起止時間的變化顯得復雜，尤以沿海冬季為甚。

②沿海夏長冬短，山區夏短冬長，夏季長度相差2個月，冬季長度相差近2.5個月，春秋季長度則相差不大。沿海春夏秋冬四季的氣候傾向率分別為-0.3d/10a、4.9d/10a、0.1d/10a、-5.0d/10a，山區的氣候傾向率分別為-1.1d/10a、3.9d/10a、0.3d/10a、-4.1d/10a，呈現夏秋延長、春冬縮短的變化趨勢，其中夏冬兩季變化顯著。

③沿海、山區在不同季節其入季時間及季節長度變化的顯著程度各有不同，四季中以夏季變化最為顯著，其中沿海夏季自1996—1997年發生突變后有持續10年較大幅度的入季提早和長度的延長，山區的夏季自2014年發生突變后直至2020年，入季時間及季節長度都以較大的變率提早和延長。

④寧德四季變化與氣溫變化有著顯著相關關系，對四季入季時間影響最大的是季節開始月份的平均氣溫，相關系數絕對值在0.55～0.75之間。影響季節長度變化的因素則因區域、季節不同而不同，山區夏季長度、沿海冬季長度受所處季節的季平均氣溫影響最大，相關系數分別為0.58、-0.74；沿海秋季長度、山區冬季長度更多受季節結束所在月份平均氣溫影響，相關系數為0.43、-0.48；其余季節長度受入季當月平均氣溫的影響更大，相關值介于0.44～0.74之間。

本文僅對寧德市四季變化的特點做了相關研究，因季節變遷產生的對當地農業生態、經濟建設等方面的影響評估還有待進一步探索。另外，影響季節變化的氣候因素極為復雜，隨著氣候變暖加劇，極端天氣日趨嚴重頻繁，空間分布上也更為不均，現有的季節劃分方法對各地四季劃分的適用上存在一定局限性，如何完善季節劃分方法有待于更深入的研究。