近50年關(guān)中西部24節(jié)氣氣溫變化特征及突變分析

雷 雯，張向榮

(1.寶雞市氣象局，陜西寶雞 721006；2.閻良區(qū)氣象局，西安 710089)

24節(jié)氣是我國歷史上的歷法，起源于黃河中下游地區(qū)。它反映了季節(jié)變化、物候現(xiàn)象、氣候變化，涵蓋了天文、地理、人文、農(nóng)事等，在農(nóng)耕時代發(fā)揮了重要作用，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也具有重要的指導(dǎo)意義。近年來針對24節(jié)氣特征和規(guī)律變化的研究越來越多，翼翠華等[1]分析了黃河中下游地區(qū)24節(jié)氣氣溫、濕度、風(fēng)速等6個氣象要素的氣候變化特征，董蓓等[2]對1961—2014年華北平原24節(jié)氣熱量資源的時空分布變化特征進行了分析，趙芮芮[3]對1960—2016年我國冬小麥主產(chǎn)區(qū)24節(jié)氣平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量和日照時數(shù)等變化特征進行了研究。

陜西關(guān)中西部屬暖溫帶半干旱半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，光、熱、水資源豐沛，是我國主要的糧、油、果、畜生產(chǎn)基地之一。境內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，山、川、塬兼?zhèn)洌稀⑽鳌⒈比姝h(huán)山，地貌差異大，受特殊地理位置影響境內(nèi)冷暖空氣交替頻繁，是氣象災(zāi)害頻發(fā)區(qū)，也是氣候脆弱區(qū)[4]。在全球氣候變暖的大背景下，關(guān)中西部近50 a來年平均氣溫以0.238 ℃/10 a氣候傾向率上升[5]。氣候變暖勢必影響24節(jié)氣內(nèi)氣象要素時空分布，而氣溫是氣候的主要指標，作物的生長發(fā)育要求一定的環(huán)境溫度，環(huán)境溫度過高或過低，作物會出現(xiàn)相應(yīng)的低溫災(zāi)害和高溫?zé)岷6]；因此以氣溫為主，深入分析關(guān)中西部24節(jié)氣的氣溫變化規(guī)律，并對驚蟄、清明、小滿、芒種4個物候性節(jié)氣的氣溫突變特征進行研究分析，充分認識氣候變化對本地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，從而適當調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局，因地制宜、分類指導(dǎo)[7]，以期為關(guān)中西部農(nóng)業(yè)積極應(yīng)對氣候變化，合理開發(fā)利用農(nóng)業(yè)氣候資源，指導(dǎo)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)活動提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

1.1 研究地域

關(guān)中西部寶雞市行政轄區(qū)4區(qū)8縣，各縣區(qū)地理位置劃分為：川塬區(qū)包含渭濱區(qū)、金臺區(qū)、陳倉區(qū)、鳳翔區(qū)、岐山縣、眉縣、扶風(fēng)縣；南部山區(qū)包含太白縣、鳳縣；北部山區(qū)包含隴縣、千陽縣、麟游縣。渭濱區(qū)國家氣象站位于寶雞市區(qū)，太白縣、隴縣氣象站為國家基本氣象站，3站建站時間長，氣象數(shù)據(jù)資料全，在所處的地理區(qū)域中均具有代表性。因此本文用渭濱區(qū)代表川塬區(qū)，太白縣代表南部山區(qū)，隴縣代表北部山區(qū)，對關(guān)中西部不同地域24節(jié)氣的氣溫變化特征進行分析研究。

1.2 數(shù)據(jù)來源

氣象資料為渭濱區(qū)、太白縣、隴縣3個國家氣象站1970—2019年逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫等氣象數(shù)據(jù)，來自國家氣象信息中心。

1.3 24節(jié)氣的劃分

24節(jié)氣在現(xiàn)行的公歷中日期隨年份變化有2～3 d的變動。為了方便統(tǒng)計研究，為每個節(jié)氣確定了代表日期。如變動日期為3 d取中間日期，變動日期為2 d取后一天為代表日期[8]；同時以立春、立夏、立秋、立冬四個節(jié)氣為分界線，將24節(jié)氣劃分為春季型、夏季型、秋季型、冬季型節(jié)氣[9]。節(jié)氣類型劃分和代表日期見表1。

表1 24節(jié)氣及代表日期

1.4 研究方法

利用數(shù)理統(tǒng)計、線性趨勢分析方法分析24節(jié)氣氣溫的分布特征和變化趨勢；以驚蟄、清明、小滿和芒種4個物候性節(jié)氣為代表，用非參數(shù)Mann-Kendall(簡稱M-K)檢驗法和滑動T檢驗法對物候性節(jié)氣進行氣溫突變檢驗。

2 結(jié)果和分析

2.1 氣溫基本特征

按照24節(jié)氣順序，分析關(guān)中西部川塬區(qū)、南部山區(qū)、北部山區(qū)1970—2019年各節(jié)氣的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫分布(圖1為川塬區(qū)分布圖，南、北部山區(qū)圖略)，發(fā)現(xiàn)關(guān)中西部24節(jié)氣的氣溫呈單峰型分布，且平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫曲線走勢一致。川塬區(qū)、南部山區(qū)、北部山區(qū)均為大暑氣溫最高，平均氣溫分別為26.3、20.0、23.7 ℃，最高氣溫分別為31.6、26.3、29.5 ℃；小暑氣溫次高。三地小寒氣溫最低，平均氣溫分別為0.3、-4.1、-2.3 ℃，最低氣溫分別為-3.2、-9.6、-6.6 ℃。川塬區(qū)冬至氣溫次低，南、北部山區(qū)大寒次低。

圖1 1970—2019年關(guān)中西部川塬區(qū)24節(jié)氣氣溫分布

關(guān)中西部川塬區(qū)、南部山區(qū)、北部山區(qū)三地兩兩相鄰節(jié)氣平均氣溫差見圖2。川塬區(qū)清明、南部山區(qū)驚蟄和清明、北部山區(qū)驚蟄氣溫升幅最大，較前一節(jié)氣分別上升了3.3、3.2、3.1 ℃。三地立冬氣溫降幅最大，較前一節(jié)氣分別下降了3.8、3.5、3.9 ℃。可見一年當中三地節(jié)氣升溫時間略有差異，降溫時間一致。三地相鄰節(jié)氣氣溫變化最大的均為春季型節(jié)氣(增溫)，秋季型節(jié)氣(降溫)次之，夏季型節(jié)氣最小。春季和秋季型節(jié)氣氣溫變幅明顯大于冬季和夏季型，說明春季型和秋季型節(jié)氣氣溫變化起伏劇烈，驗證了“一場春雨一場暖，一場秋雨一場寒”的諺語。

圖2 1970—2019年關(guān)中西部川塬區(qū)、南部山區(qū)、北部山區(qū)相鄰節(jié)氣平均氣溫差

三地24節(jié)氣氣溫日較差分布見圖3。川塬區(qū)冬季型、南北部山區(qū)秋季型節(jié)氣氣溫日較差較小，最小為白露，日較差分別為8.0、9.7、8.9 ℃。川塬區(qū)和北部山區(qū)夏季型節(jié)氣日較差較大，川塬區(qū)最大為小滿時的11.7 ℃，北部山區(qū)最大為谷雨、小滿、芒種，均為13.2 ℃。南部山區(qū)冬季型節(jié)氣日較差較大，最大為谷雨時的13.1 ℃。三地各節(jié)氣氣溫日較差相比較，各節(jié)氣均為川塬區(qū)最小，大暑至來年雨水南部山區(qū)最大，清明至夏至北部山區(qū)最大。

圖3 1970—2019年關(guān)中西部川塬區(qū)、南部山區(qū)、北部山區(qū)節(jié)氣氣溫日較差

為觀察不同節(jié)氣氣溫近50 a變化趨勢，統(tǒng)計川塬區(qū)、南部山區(qū)、北部山區(qū)24節(jié)氣平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、氣溫日較差的線性趨勢率(見表2，氣溫日較差線性趨勢率略)。由表2可知，除南、北部山區(qū)小寒節(jié)氣最高氣溫呈降溫趨勢外，三地平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫均呈增溫趨勢，川塬區(qū)增溫最顯著，北部山區(qū)最不顯著。

表2 1970—2019年關(guān)中西部24節(jié)氣氣溫線性趨勢率 單位：℃/10 a

續(xù)表

就季節(jié)性節(jié)氣而言，三地均為春季型節(jié)氣增溫最明顯，除立春外，其他節(jié)氣平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫全部通過0.05的顯著性檢驗，呈顯著增溫趨勢。絕大多數(shù)節(jié)氣通過0.01的顯著性檢驗，呈極顯著增溫趨勢。平均氣溫線性趨勢率，川塬區(qū)和北部山區(qū)驚蟄最大，分別為0.875、0.680 ℃/10 a，南部山區(qū)雨水最大為0.736 ℃/10 a。夏季、秋季和冬季型節(jié)氣，最低氣溫比平均氣溫和最高氣溫增溫顯著(北部山區(qū)冬季型節(jié)氣除外)，最高氣溫增溫最不明顯。這與任國玉[10]等研究認為“近50年中國地面氣溫的增加主要是平均最低氣溫明顯上升”的結(jié)果一致。

春季型節(jié)氣氣溫日較差多呈增大趨勢，但僅川塬區(qū)和北部山區(qū)的驚蟄通過0.05的顯著性檢驗；夏季、秋季、冬季型節(jié)氣多呈減小趨勢，僅南部山區(qū)的小寒表現(xiàn)顯著。

2.2 平均氣溫年代際變化特征

統(tǒng)計關(guān)中西部川塬區(qū)、南部山區(qū)、北部山區(qū)不同年代氣溫距平，發(fā)現(xiàn)三地24節(jié)氣氣溫年代變化呈波動上升趨勢，氣溫距平呈現(xiàn)“負—正”變化特征。20世紀70—80年代三地氣溫為負距平的節(jié)氣各在20個以上，說明70—80年代大部分節(jié)氣氣溫偏低；20世紀90年代開始負距平逐漸減少，三地氣溫偏低和偏高的節(jié)氣數(shù)量相近，說明90年代24節(jié)氣間氣溫變化差異大。南部山區(qū)負距平減少數(shù)量相對少，說明其變暖的趨勢較其他兩地緩慢；21世紀2000—2010年代三地氣溫大多為正距平，說明大部分節(jié)氣氣溫偏高。

20世紀70年代—2010年代三地(70年代南部山區(qū)除外)春季型節(jié)氣氣溫距平值最大，說明春季型節(jié)氣氣溫起伏波動最大，驗證了“春天孩兒面，一日變?nèi)儭钡闹V語。

2.3 物候性節(jié)氣平均氣溫變化及突變特征

反映物候現(xiàn)象的驚蟄、清明、小滿、芒種4個節(jié)氣與作物生長發(fā)育關(guān)鍵期緊密相關(guān)，研究這4個物候型節(jié)氣的氣溫變化和突變特征，可為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)事活動提供更多參考依據(jù)。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，關(guān)中西部川塬區(qū)、南部山區(qū)、北部山區(qū)4個物候性節(jié)氣平均氣溫變化趨勢基本一致，因此以川塬區(qū)為代表，對1970—2019年4個物候型節(jié)氣平均氣溫距平進行線性趨勢擬合，并對平均氣溫進行M-K突變檢驗和滑動T檢驗，分析物候型節(jié)氣平均氣溫的變化趨勢和突變情況。

2.3.1 驚蟄 由圖4a可知，近50 a驚蟄氣溫呈極顯著上升趨勢，增溫趨勢通過0.01顯著性檢驗。距平呈“負—正”分布，1970—1998年基本為負距平，1998年之后基本為正距平。正距平2013年最大(6.0 ℃)，負距平1970年最大(-4.8 ℃)。由圖4b可看出,1988年UF<0為下降趨勢，1970、1994年UF=0，其余年份UF>0，并在1973、2004—2019年超出0.05顯著性水平臨界線(U0.05=1.96)，呈顯著增溫，其中2009—2019年超出0.01顯著性水平臨界線(U0.01=2.56)，為極顯著增溫。UF和UB在0.05顯著性水平臨界線內(nèi)只有1999年一個交點，說明1999年為驚蟄氣溫轉(zhuǎn)暖突變年。

圖4 1970—2019年關(guān)中西部川塬區(qū)驚蟄平均氣溫距平變化(a)及M-K突變檢驗(b)

2.3.2 清明 由圖5a可知，近50 a清明氣溫呈極顯著上升趨勢，增溫趨勢通過0.01顯著性檢驗，5 a滑動平均曲線呈兩峰兩谷波動狀態(tài)，正距平2009年和2019年最大(3.2 ℃)，負距平1971年最大(-4.0 ℃)。由圖5b可看出，1971、1994、1996、1997年UF<0，1970年UF=0，其余年份UF>0，2005—2019年氣溫為顯著增溫，其中2008—2019年為極顯著增溫。UF和UB在0.05顯著性水平臨界線內(nèi)出現(xiàn)兩個交點，通過滑動T檢驗(圖略)，確定1999年為清明氣溫轉(zhuǎn)暖突變年。

2.3.3 小滿 由圖6a可知，近50 a小滿氣溫呈波動上升趨勢，增溫趨勢通過0.05顯著性檢驗，5 a滑動平均曲線呈四谷三峰波動狀態(tài)，波動性強，波動幅度小。正距平2008年最大(2.8 ℃)，負距平1983年最大(-2.8 ℃)。由圖6b可看出，1972年UF<0，1970，1973年UF=0，其余年份UF>0，1981—1982、2001—2019年氣溫顯著增溫，其中2007—2010、2014年為極顯著增溫。1976年為小滿氣溫轉(zhuǎn)暖突變年。

圖5 1970—2019年關(guān)中西部川塬區(qū)清明平均氣溫距平變化(a)及M-K突變檢驗(b)

圖6 1970—2019年關(guān)中西部川塬區(qū)小滿平均氣溫距平變化(a)及M-K突變檢驗(b)

2.3.4 芒種 近50 a芒種氣溫呈波動上升趨勢(圖略)，增溫趨勢通過0.05顯著性檢驗，5 a滑動平均曲線為兩峰兩谷。正距平2003年最大(2.7 ℃)，負距平1987年最大(-4.2 ℃)。

對1970—2019年芒種平均氣溫進行M-K突變檢驗(圖略)，1985—1996年UF<0，1970、1997年UF=0，其余年份UF>0，2005—2007、2009、2011—2019年顯著增溫，其中2016年為極顯著增溫。UF和UB曲線出現(xiàn)多個交點，通過滑動T檢驗，確定1995年為芒種氣溫轉(zhuǎn)暖突變年。

3 結(jié)論

(1)近50 a 關(guān)中西部24節(jié)氣氣溫呈單峰型分布,大暑氣溫最高，小寒最低。春季型節(jié)氣增溫最快，秋季型節(jié)氣降溫最快，春季增溫速率快于秋季降溫速率。驚蟄和清明氣溫升幅最大，立冬降幅最大。氣溫日較差冬季型(川塬區(qū))和秋季型節(jié)氣(南北山區(qū))最小，夏季型(川塬區(qū)和北部山區(qū))和冬季型節(jié)氣(南部山區(qū))最大。

(2)近50 a 關(guān)中西部川塬區(qū)比南、北部山區(qū)增溫顯著。春季型節(jié)氣除立春外，平均氣溫、最高、最低氣溫均為顯著增溫趨勢，而夏季、秋季和冬季型節(jié)氣最低氣溫比平均氣溫和最高氣溫增溫顯著(北部山區(qū)冬季型節(jié)氣除外)。氣溫日較差春季型節(jié)氣多呈增大趨勢，其他季節(jié)型節(jié)氣多呈減小趨勢，但增大和減小趨勢不顯著。

(3)近50 a 關(guān)中西部24節(jié)氣氣溫年代變化呈波動上升趨勢，氣溫距平呈“負—正”變化。20世紀70—80年代大部分節(jié)氣氣溫偏低；20世紀90年代氣溫偏低和偏高的節(jié)氣數(shù)量相近；21世紀2000—2010年代大部分節(jié)氣氣溫偏高。

(4)近50 a關(guān)中西部驚蟄、 清明氣溫為極顯著上升趨勢，小滿、芒種為顯著上升趨勢。驚蟄氣溫距平呈“負—正”分布，1973、2004—2019年顯著增溫，1999年為氣溫轉(zhuǎn)暖突變年。清明氣溫5 a滑動平均曲線呈兩峰兩谷波動，2005—2019年顯著增溫，1999年為轉(zhuǎn)暖突變年。小滿5 a滑動平均曲線呈四谷三峰波動，1981—1982、2001—2019年顯著增溫，1976年為轉(zhuǎn)暖突變年。芒種5 a滑動平均曲線呈兩峰兩谷，2005—2007、2009、2011—2019年顯著增溫，1995年為轉(zhuǎn)暖突變年。