1961-2014年华北平原二十四节气热量资源的时空分布变化分析*

董 蓓，胡 琦**，潘学标，何奇瑾，姜会飞，乔 宇，王潇潇，魏 培，赵海涵，张熙庭



1961-2014年华北平原二十四节气热量资源的时空分布变化分析*

董 蓓1,2，胡 琦1,2**，潘学标1,2，何奇瑾1,2，姜会飞1，乔 宇1，王潇潇1,2，魏 培1,2，赵海涵1,2，张熙庭1

（1.中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；2.农业部武川农业环境科学观测实验站，呼和浩特 011700）

通过推算历年二十四节气的划分时间，利用华北地区63个气象站点1961-2014年逐日地面观测资料，分析每个节气期间平均气温、最高/低气温、≥0℃积温的线性变化趋势；基于春分、秋分日计算分析研究区各站点无霜期的终/始日与春分/秋分日差值和无霜期≥0℃积温的时空分布变化特征。结果表明，华北平原气温（平均、最高、最低）最高为大、小暑节气，最低为小、大寒节气。无霜期由北向南递增，终霜日平均发生在春分节气，沿纬度方向由南向北推迟，初霜日平均发生在霜降节气，沿纬度方向由南向北提前。1961-2014年华北地区二十四节气内热量资源（气温、≥0℃积温）均呈现上升趋势，冬春季的节气升温幅度大于夏秋季。雨水节气平均气温、最高、最低气温增幅在二十四节气中最大，分别为0.63、0.74和0.53℃·10a-1。最低气温增幅大于平均气温和最高气温，对气候增暖的贡献较大。近54a来研究区无霜期内≥0℃积温平均增加442.8℃·d。气候变暖同时延长了华北地区的无霜期，研究区无霜期气候倾向率平均为3.9d·10a-1，该变化由初/终霜日的变化共同作用引起，且春季终霜日提前（气候倾向率为2.1d·10a-1）比秋季初霜日推迟（气候倾向率为1.9d·10a-1）更明显。

华北地区；二十四节气；气温；积温；无霜期

二十四节气是古人根据太阳在黄道（即地球绕太阳公转的轨道）上的位置变化而制定的，以黄河流域中原地区的气候、物候为依据而建立，秦汉时期完整的二十四节气概念已经形成。二十四节气能够细致反映季节交替的变化，其蕴含的时令顺序、物候变化等信息对指导古人春耕、夏耘、秋收、冬藏等农事活动具有重要意义[1]，至今仍对农业生产活动具有参考价值。现代农业气象学产生以后，许多学者结合二十四节气与现代农业气象资料进行农业气候历、农事历或农事活动表的编制，使其在现代农业生产中继续发挥作用[2]。

气候变化背景下，全球地表气温呈波动上升趋势[3]，中国近几十年增温速率明显高于全球或北半球同期，增暖趋势更显著[4-5]。气候增暖引起热量资源时空分布的变化[6]，对农业生产、种植制度和农事活动等将产生重大影响[7]。气候增暖使二十四节气内的热量资源也必然因此发生改变，钱诚等[2]研究表明，4个反映物候现象的气候节气（惊蛰、清明、小满和芒种）普遍存在提前的趋势，许多与节气相关的农谚和经验可能变得不再适宜，沈娇娇等[8]通过分析西安市二十四节气气候变化特征及突变特征，指出其气温呈增加的趋势。华北平原不仅是中国最重要的粮棉油生产基地之一[9]，对粮食安全保障体系和农业生产安全起着重要作用[10]，还是古代二十四节气的 发源地，然而有关该地区近几十年来不同节气内的热量资源(气温、积温)的时空分布变化的研究报道较少，且鲜有学者将无霜期与节气结合起来研究。为此，本文利用华北地区（京、津、冀、豫、鲁）63个气象站点1961-2014年的地面观测资料，选取气温（平均气温、最高、最低气温）和与作物生长期密切相关的无霜期、≥0℃积温作为热量指标，分析近54a该地区二十四节气内热量资源的变化趋势和特征，旨在为气候变化背景下有效开发和利用华北地区热量资源，根据二十四节气因地制宜安排和调整农事活动、制定适应对策以规避可能的气候风险提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 数据来源及预处理

选择华北平原（京、津、冀、豫、鲁）具有1961-2014年完整时间序列的逐日气象资料的台站，共63个作为研究对象（图1），气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网中的中国地面气候资料日值数据集（V3.0）。所用数据集经过严格质量控制和检查，缺测率约1‰，缺测的气象要素采用Matlab编程进行订正：若缺测序列小于5d，缺测值采用线性插值方法代替；若缺测序列≥5d，则采用同一日值的多年平均值代替。

1.2 研究方法及数据处理

1.2.1 节气日期推算

为方便编程计算，首先采用寿星式确定每年小寒日期（Date），其后节气日期顺次增加15d，即

式中，Y为年份的后2位，D为常数0.2422，L为闰年数，[]为取整符号，C为常数，20世纪为6.11，21世纪为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日为小寒。经验证，研究时段内1982年和2000年计算结果需加1，其余年份与实际小寒日期一致。

图1 研究区63个气象站点分布

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

注：各省（市、区）后括号内数据为该地区气象台站数。灰色区域为研究区

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 无霜期及无霜期内≥0℃积温计算

无霜期是农作物生长的重要指标，根据以下定义计算[11-12]：以日最低气温≤2℃作为霜日出现的气象指标，每年秋季第一次出现的霜日称为初霜日，春季最后一次出现的霜日称为终霜日，终霜日至初霜日之间的持续日数即为无霜期。本研究将初/终霜日均以日序表示，即每年的1月1日为1，…，1月31日为31，以此类推。

农作物的生长期与无霜期密切相关，无霜期愈长，生长期越长。无霜期内≥0℃积温表示了某一地区适宜作物生长的温度区间内最大的热量资源，本文出现的≥0℃积温均为根据无霜期初日、终日和日平均温度数据计算的无霜期内积温。

1.2.3 气候倾向率计算

用 X表示样本量为n的某一气候要素，用t表示对应的年序，采用最小二乘法拟合得到一元线性回归方程，即

X=at+b (t=1,2,3,…,n) （2）

式中，a为回归系数，以a 的10倍作为气象要素的气候倾向率。采用F检验法对拟合的回归方程进行显著性检验（P<0.05）。

1.2.4 数据处理

每个节气的平均气象要素（平均气温、最高、最低气温、积温）以节气间多日要素平均值表示，即某节气当日至相邻下一节气的前一日时间段气象要素的平均值，全区平均为研究区所有气象站点气象要素的多年平均值。气温、积温、无霜期、气候倾向率等的数据处理均利用Matlab2014软件实现；利用ArcGIS10.1软件反距离权重插值法 (Inverse Distance Weighted Interpolation，IDW)制作气候要素的空间分布图，设定Cell size参数均为0.02；折线图采用OriginPro8软件制作。

2 结果与分析

2.1 华北平原二十四节气平均气温变化基本特征

根据每个站点1961-2014年的气温资料和二十四节气推算结果（表1），计算各站点每个节气内的华北平原平均气温、最高/最低气温，由表1可见，各站点3个气温要素随节气变化的过程基本一致，因此，各站点的图省略，仅给出全区平均后的计算结果（图1）。由图1可见，平均和最高/最低气温随节气变化的过程基本一致，均呈现单峰型的特点。其中，立春作为春季的开始，平均气温开始高于0℃；大暑节气平均温度和极端高温最大，分别为26.1℃和30.6℃；立冬作为冬季的开始，极端最低气温开始小于0℃；小寒节气平均气温和极端最低气温最小，分别为-3.12℃和-7.51℃，其次是大寒，平均气温和最低气温分别为-2.8℃和-7.3℃。从节气内气温变化曲线中可以发现，雨水之后气温上升速度加快，惊蛰、春分、清明、谷雨节气内平均气温较其上一节气高3.1～4.1℃，其中清明气温波动幅度最大，较上一节气高4.1℃；秋分之后气温下降速度加快，寒露、霜降、立冬、小雪和大雪的节气内平均气温较其上一节气低3.0～4.3℃，其中小雪较上一节气气温下降4.3℃，降温幅度最大。

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 华北平原二十四节气气温和积温变化趋势分析

对研究区内每个站点1961-2014年二十四节气内平均气温、最高/最低气温和≥0℃积温的线性变化趋势进行分析，统计线性变化趋势通过0.05水平显著性检验的站点数，并计算其相应倾向率的平均值，结果见表1。由表可见，从季节尺度来看，冬春季的大寒-清明时段平均气温增速超过0.37℃·10a-1，增幅达显著性水平（P<0.05）的站点占50%以上，夏秋季的立夏-白露时段平均气温增速较小，介于0.05～0.2℃·10a-1，达到显著性水平的站点不足1/3。就单个节气而言，1961-2014年华北平原二十四节气均呈增暖的趋势，其中雨水节气平均气温增幅在二十四节气中最大，为0.63℃·10a-1，所有站点均达显著性水平。各节气最低气温增幅大于平均气温，其中16个节气最低气温增幅大于0.30℃·10a-1，最大增温速率同样出现在雨水节气（0.74℃·10a-1）。各节气均以最高气温增幅最小，在-0.07～0.53℃·10a-1，且最高气温气候倾向率达到显著性的站点超过50%的节气仅有雨水、清明和寒露。

由于每个气象站点无霜期始/终日不同，因此各个站点无霜期内≥0℃积温开始和结束的节气也存在差异，为保证准确性，仅对每个站点具有完整的1961-2014年逐年≥0℃积温序列的节气进行计算，不符合条件的节气不计入区域平均值，并将每个节气的站点数进行标注。结果表明，无霜期内二十四节气≥0℃积温均呈增加的趋势，立夏-秋分≥0℃积温增幅在0.66～5.03℃·d·10a-1，所有的气象站点均有完整的逐年≥0℃积温序列。惊蛰-谷雨以及寒露-小雪节气≥0℃积温气候倾向率大于6.0℃·d·10a-1，一方面原因在于平均温度的升高，另一方面来自节气内平均温度≥0℃天数的增加。

2.3 华北平原初/终霜日相对秋/春分日差值的特征分析

以每年的春分日为参照，计算每个站点历年终霜日与其差值，结果的平均值分布见图3a1。由图中可见，从1961-2014年平均情况看，华北平原终霜日与春分日偏差日数平均为8.9d，区域内各地终霜日分布在春分前第10天到春分后第32天（即第80-122天），终霜出现日期沿纬度由南向北推迟；0d等值线为河南省北部的新乡—开封—商丘一线，即该线附近区域终霜日发生在春分日，该线以南终霜日发生在春分之前，以北地区（约占总站点数的75%）终霜日发生在春分之后，河北省北部终霜日比春分迟20d以上。从长时间变化来看，整个研究期内各站终霜日与春分日间的差值具有显著的线性减小趋势（图3a2），平均变化率-2.1d·10a-1,60%（n=38）的气象站点气候倾向率通过了0.05水平的显著性检验，说明气候变化背景下终霜日与春分日的偏差日数有显著的减少趋势。

表1 1961-2014年华北平原二十四节气平均气温(T)、最高(Tmax)/最低气温(Tmin)和≥0℃积温(∑T)线性变化趋势(Tr)及通过显著性检验的站点数(Nr)（P＜0.05）

注：“积温”列中括号内数字表示某节气内具有完整54年（1961-2014）的逐年≥0℃积温序列的站点数，如雨水节气有6个气象站点具有完整的逐年≥0℃积温序列，-表示某节气由于温度低，各站均没有完整的≥0℃积温序列资料。

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.

以每年的秋分日为参照，计算每个站点历年初霜日与其差值，所得序列的平均值空间分布见图3b1。由图可见，区域内各地初霜日发生在秋分日前第40天到秋分后第22天（即第260-322天），空间差异大，初霜出现日期沿纬度方向由南向北提前。0d等值线穿过河北南部的石家庄、衡水至天津，该地区初霜日发生在秋分日左右，等值线以北的地区初霜日发生在秋分之前，河北北部初霜日比秋分日早15d以上。从长时间变化来看，近54a来研究区96.8%的站点（n=61）初霜日与秋分日差值的气候倾向率为正值，58.7%（n=37）的气象站点达到显著性水平（P<0.05），河北中西部、山东和河南的部分地区气候倾向率大于2d·10a-1（图3b2）。

注：差值为正表示终霜日发生在春分日或初霜日发生在秋分日之后，负值相反。黑色三角形表示气候倾向率通过显著性检验的站点（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 华北平原无霜期和无霜期内≥0℃积温的时空变化特征

由图4a1可见，无霜期由北向南递增，河北省张家口和承德北部无霜期小于170d，北京、天津、河北中南部和山东的大部分地区无霜期大于210d，河南大部分地区无霜期大于220d。华北平原近54a来 无霜期变化率在-2.3～9.3d·10a-1，达到P<0.05显性水平的气象站点占75%（n=47），但地区间差异较大，河北中西部、河南北部地区无霜期增幅大于5d·10a-1，河北省承德市北部、山东部分地区无霜期增幅小于3d·10a-1（图4a2）。华北平原无霜期内≥0℃积温的空间分布状况如图4b1所示，可以看出，与无霜期类似，≥0℃积温亦呈由北向南递增的趋势，河北省北部地区无霜期内≥0℃积温不足3300℃·d，河南大部分地区无霜期内≥0℃积温超过4700℃·d。近54a来研究区无霜期内≥0℃积温平均增加了442.8℃·d，其变化率在-47.5～186.5℃·d·10a-1。空间分布与无霜期气候倾向率分布类似（图4b2），事实上二者的相关系数达0.96，说明无霜期的变化对期内≥0℃积温的变化有很大影响。

就区域平均而言，研究时段内华北平原无霜期平均增加21.4d，全区无霜期的气候倾向率平均3.9d·10a-1，如图5所示（上页）。其中终霜日平均发生在春分节气（平均值为第98.9天左右），1961-2014年终霜日约提前11.3d，气候倾向率为2.1d·10a-1（P<0.05），初霜日平均发生在霜降节气（平均值为第300.5天左右），近54a来研究区终霜日约推迟了10.1d，气候倾向率为1.9d·10a-1（P<0.05），该结果表明，华北平原无霜期延长是由初/终霜日的变化共同作用的，且春季终霜日提前比秋季初霜日推迟更明显。

3 结论与讨论

本文以二十四节气为切入点，选取气温（平均气温、最高、最低气温）和无霜期为指标，对1961-2014年华北平原热量资源空间分布及其变化特征进行分析，结果表明，研究区大小暑节气气温最高，平均气温高于25℃；小大寒节气气温最低，平均气温低于-2.8℃。惊蛰、春分、清明、谷雨节气平均气温上升幅度较大，寒露-大雪节气内的每个节气平均气温分别较上一节气低3.0~4.3℃，降温幅度最大。华北平原作为古代二十四节气发源地，其气候特征仍与相应的许多节气相符，如俗语“热在三伏，冷在三九”中“三伏天”和“三九天”分别出现在大暑节气前后和小寒节气内；“惊蛰天暖地气开”表示惊蛰之后气温迅速回暖等。

气候变化使节气内热量资源发生了显著变化。1961-2014年华北平原所有节气内气温均呈现上升趋势，冬春季的大寒-清明时段平均气温增温最显著，雨水节气平均气温增幅在二十四节气中最大，为0.63℃·10a-1，Hu等[13]曾研究表明，全国超过60%的气象站点2月下旬（雨水节气内）增温幅度最大，与本文研究结果一致，冀翠华等[14]也有类似的研究结果。夏秋季的立夏-白露时段平均气温增温速率较小，小于0.2℃·10a-1。唐红玉等[15-16]指出，近50a中国近地面气候变暖主要是最低气温显著上升的结果，本文研究进一步证实，二十四节气中最低气温增幅均大于平均气温，16个节气最低气温增幅大于0.30℃·10a-1，对气候增暖的贡献较大；最高气温增幅最小，在-0.07～0.53℃·10a-1。无霜期内所有节气≥0℃积温均呈增加趋势，惊蛰-谷雨以及寒露-小雪节气≥0℃积温气候倾向率大于6.0℃·d·10a-1，原因在于平均温度的升高和节气内≥0℃天数的增加。近54a来研究区无霜期内≥0℃积温平均增加了442.8℃·d，气候倾向率在-47.5～186.5℃·d·10a-1。气候变化同时延长了华北平原的无霜期，1961-2014年研究区无霜期增加了21.4d，全区无霜期的气候倾向率平均为3.9d·10a-1，其中终霜日提前了11.3d（气候倾向率为2.1d·10a-1），初霜日推迟了10.1d（气候倾向率为1.9d·10a-1）。该结果表明，华北平原无霜期延长是由初/终霜日的变化共同作用的，且春季终霜日提前比秋季初霜日推迟更明显，与许多学者在不同区域范围的研究结果相符[17-19]。以春/秋分为参照分析终/初霜日的变化发现，在整个研究区内终/初霜日与春/秋分日并不一致，如终霜日与春分日偏差日数平均为8.9d，随着气候增暖导致终霜日提前，此偏差日数有显著的减少趋势。

总之，气候变化背景下华北平原二十四节气内热量资源增加趋势显著，无霜期延长，过去根据节气时令来安排农业生产的经验也需要随之进行调整，钱诚等[2]指出，在气候变化大背景下惊蛰、清明、小满和芒种普遍存在提前的趋势，沈娇娇等[8]通过分析西安市二十四节气气温变化特征及突变特征，指出惊蛰前后春耕、追肥等农事活动应照常进行或略有提前，但与芒种相关的农事活动不可盲目提前。若单从热量资源的增加，无霜期延长而言，气候变暖可以使作物适时早播，生育期获得更多的热量资源，有利于华北平原农作物稳产、丰收，对中国粮食安全具有重要的现实意义。但是本文对热量资源的分析和研究只能为农业生产决策提供参考，实际中农事活动的调整应综合考虑降水、日照、生产技术等因素。因此，未来研究还需将二十四节气内光、温、水等气候要素进行更深入的综合分析，为各地因地制宜提前布局相应的农事活动提供科学依据，以适应气候变化的影响。

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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

通讯作者：。E-mail：s10020292@cau.edu.cn

国家重点研发计划项目（2016YFD0300105；2016YFD0300106）；国家自然科学基金项目（41271053）

董蓓（1993-）,硕士生，研究方向为气候变化、农业资源利用。E-mail：18630700611@163.com

董蓓,胡琦,潘学标,等.1961-2014年华北平原二十四节气热量资源的时空分布变化分析[J].中国农业气象,2017,38(3):131-140