杭州市四季气候变化特征分析

胡云丽 陈斌

(杭州市气象局，浙江 杭州 310051)

0 引 言

地球的自转和公转造成太阳直射点南、北移动，地面上得到的太阳辐射周期性变化，从而导致地球季节循环更替。季节更替是渐变的，但人们为了区分，通常会在两个季节之间人为划定一条分界线。天文上以节气来划分季节，四季起始日分别为立春、立夏、立秋和立冬。而在气候的角度，按照日平均气温将一年划分为不同的阶段，称为气候季节。

杭州处四季分明区，一年分为春季、夏季、秋季和冬季4个气候季节。气候季节对各行业以及生活都有不同程度的影响，大的如水库库容的调节、电力的调度，小的如日常穿衣、出行等等。杨诗芳的研究指出，浙江省50 a平均气温近呈上升趋势[1]。郁珍艳等人认为，四季开始日期的变化是变暖趋势的一种反映，因此，我们应当遵循自然规律、适当地调整生态环境的配置和农业布局，实现人类与自然环境的可持续发展[2]。可见，研究四季变化特征，对于农业具有极其重要的指导意义。

杭州历史上对四季的划分最早曾采用候平均气温法，即以每月1—5日确定为一候，6—10日确定为一候，以此类推。若一候的平均气温达到换季的标准，则确定中间一天为下一季节的起始日；20世纪90年代后，四季划分采用5 d平均法。若连续5 d的平均气温达到换季标准，确定中间一天为下一季的起始日。

我国幅员辽阔，各地气候差异很大，若各地都采用当地四季标准，将使得划分结果在全国范围内(空间上)无法进行比对。为此，采用统一、科学的气候季节划分指标和方法，以此来确定气候季节出现早晚、持续长短，并规范业务和公众气象服务，可使全国各地季节的早晚和时段在空间上进行横行比较，具有十分重要的科学意义和应用价值。

2012年11月1日我国正式实施《气候季节划分》(QX/T152—2012)气象行业标准，对气候季节划分指标、常年和当年气候季节界定方法，及气候季节早晚和长短等级等都提供了充分的划分依据。本文以此标准为基础，利用杭州历史资料对1951—2018年这68 a的每一年进行四季划分，逐一分析历年四季起始日期、持续时间、气温和降水等的气候变化，旨在为杭州市四季气象服务提供可靠的气候背景依据。

1 使用资料

本文使用1951年1月—2019年3月杭州国家基准气候站逐日平均气温资料得到四季完整的68 a进行四季变化分析。

2 分析方法

2.1 四季标准

四季划分采用《气候季节划分》气象行业标准作为依据。

经过张立波等人在浙江省的应用，此标准虽然存在个别年份春季起始日偏早、冬季起始日偏迟的情况，但对大部分年份四季起始日期的划分基本合理，且计算简便、通用性强，不仅适用于四季分明区，而且对无冬区、无夏区等其他气候类型地区的季节划分都有很好的指导意义[3]。

2.2 线性倾向估计

四季气候要素的整体变化研究采用线性倾向估计方法[4]。

2.3 累积距平方法

四季气候要素的局部变化研究采用累积距平方法[4]。

2.4 山本(Yamamoto)方法

四季气候要素的突变检测采用山本方法[4]。

山本方法从气候信息与气候噪声两部分来讨论突变问题。

两段子序列的均值差的绝对值视为气候变化的信号，而它们的变率则视为噪声，信噪比为两者的比值。若某时刻的Rsn>1.0，则认为有突变发生；若Rsn>2.0，则认为有强突变发生。

此方法中，由于人为设置基准点，子序列长度不同可能引起突变点漂移，应通过反复变动子序列长度进行实验比较，以便得到可靠判别。考虑到本文使用的杭州站历史资料长度和计算方便，分别采用n1=n2=5、10、15、20来进行分析[4]。

3 杭州常年及历年四季特征

常年春季始于3月10日，夏季始于5月20日，秋季常在9月底入季，11月底开始杭州迎来一年中最寒冷的季节——冬季，直至次年3月宣告结束，再次迎来春天，如此循环往复。郁珍艳等人的研究认为，浙江地区较符合物候现象的春季大概开始于3月上中旬，夏季大概开始于5月中下旬，秋季大概开始于9月下旬至10月上旬，冬季大概开始于11月下旬至12月上旬[5]。运用《气候季节划分》行业标准得到的杭州常年四季起始日与之一致。

如表1所示，四季中，夏季最长，达132 d，冬季次之，季长103 d，秋季最短，仅2个月，春季比秋季多出11 d。夏季平均气温最高，为26.4℃，最低的冬季仅6.1℃；春季气温15.7℃，比秋季低0.9℃。夏季为降水最多的季节，其次是春季。秋、冬两季从季平均降水量来看冬季多于秋季，但去除季长的影响因素后，秋季降水比冬季略多。各季节的历年降水普遍波动较大，如春季，常年平均降水量为299 mm，最小的年份仅89.1 mm，是常年的30%，最大的年份达771.8 mm，是常年的2.58倍。

表1 杭州常年及历年四季特征

4 杭州市四季气候的变化分析

4.1 四季起始日期

从68 a的气候趋势估计看，入春日期的回归系数为-0.206，入夏为-0.236，入秋为0.197，入冬为0.097，其相关系数分别为-0.3476、-0.4226、0.4661、0.2536均通过了α=0.05的显著性检验，表明杭州市春、夏季起始日期分别以每10 a约2.06 d、2.36 d的速度在提前，秋、冬两季分别以每10 a约1.97 d、0.97 d的速度推后，且这种趋势在α=0.05显著水平上是显著的。

气候趋势反映的是整体变化，但从局部看存在波动性。累积距平曲线显示(图1)，春、夏两季起始日期和秋、冬两季呈反位相分布。

图1 杭州市1951—2018年四季起始日期累积距平曲线

春、夏季曲线的变化趋势大体一致。在20世纪80年代之前明显上升，且都为正值，说明入季均推迟；80年代至90年代中期较为平缓，90年代后期开始呈明显下降趋势，表明入季提前。两条曲线比较靠近或有所交叉，因而春季的季长有波动，但变化不大。秋、冬两季曲线变化趋势和春、夏两季正好相反。80年代前以下降为主，说明入季多为提前。90年代后期开始上升，说明入季推后。两条曲线同向变化且比较靠近，也说明秋季长度变化不大。而结合4条曲线总体变化也可以发现，80年代之前，入冬提前、入春推后，说明冬季长度增加；而21世纪以来，春季距平值下降，入春提前，同时冬季距平值增加，入冬推后，说明冬季变短。此外，80年代之前，入夏推后、入秋提前，说明夏季变短，而21世纪以来则正好相反，夏季变长。

突变检测发现(图略)，夏季曲线在n取5时，2001年和2016年信噪比均超过1.0，但当n分别取10和15时，这2 a的信噪比均很小，所以不能确定此时发生突变。其他季节均未出现信噪比大于1.0的情况。

4.2 四季长度

夏季、冬季长度的回归系数分别为0.431、-0.276，其相关系数分别为0.6142、-0.3843，均通过显著性检验，表明杭州市夏季加长、冬季缩短，其变化幅度分别为每10 a 4.31 d、2.76 d。而春、秋两季的回归系数和相关系数绝对值都较小，表明气候变化不显著(图2)。

累积距平结果显示(图略)，20世纪50年代至80年代，冬季长度呈现出明显的增加趋势，90年代后，冬季缩短。而由历年冬季长度时间序列也可发现，2001—2018年这18 a的冬季季长除2002年(103 d)、2009年(119 d)和2013年(105 d)这3 a大于等于常年冬季长度(103 d)以外，其他年份均小于常年季长。杭州站历年冬季最短季长68 d也出现在这期间(2006年)。夏季变化趋势则正好相反，80年代前明显变短，90年代后迅速增加。过去68 a里4个超过150 d的夏天全部出现在1991年之后，最长的2007年达到158 d。春、秋两季的季长累积距平曲线总体比较平缓，说明这些年间变化不大。此分析结果和四季起始日期分析结果中反映出来的季长变化特征一致。

突变检测发现，四季季长无论取n为5、10、15时，信噪比均小于1.0，可见季长有变化，但达不到突变。

4.3 四季气温

春、夏、秋3季气温的气候趋势估计回归系数都为很小的正值，相关系数也很小。只有冬季的相关系数为0.4846通过了显著性检验(图3)，其回归系数为0.024，相当于每10 a冬季气温就增加了0.24℃。以1981—2010年30 a冬季平均气温6.1℃为参照，历年冬季气温高于常年冬季0.5℃以上为暖冬标准，杭州68 a来共出现暖冬13次。其中除了2次发生在1977年和1978年以外，其他11 a均出现在1986年以后，这33 a里暖冬年份占比为1/3，历年冬季气温最高值前3也都出现在这期间。

图2 杭州市1951—2018年四季长度变化及线性趋势

图3 杭州市1951—2018年冬季气温及其距平变化

累积距平分析显示，20世纪80年代中之前，冬季气温处于下降期，80年代后期至今处于上升期。夏季气温在20世纪50—70年代都较为稳定，80—90年代下降，2002年后回升。春、秋两季呈波动变化，但幅度相对夏、冬两季较小。

突变检测发现，春、夏、冬3季气温在n取5时有突变点，但当n取10和15时，对应的年份前后均达不到突变标准，因而不能确定气温突变。

4.5 四季降水

春季回归系数为-1.847，夏季为2.876，相关系数分别为-0.2842和0.2780，均在α=0.05水平上显著，可见68 a中春季降水有所减少，而夏季降水增加(图4)。秋、冬两季未通过显著性检验。

图4 杭州市1951—2018年春、夏季降水变化及线性趋势

降水变化最大的是夏季。20世纪50年代后期至80年代初有明显下降特点，随后上升，21世纪初达到最高点，至2007年有小幅下降，之后回升。春季降水在50年代显著上升，60年代至90年代前期有升有降，波动不大，之后呈下降趋势，直至2014年。近几年的降水无明显变化。秋冬两季累积距平曲线在x轴上下波动，且幅度不大。

突变检测中，同降水一样，n分别取5、10和15时，3种情况均无法一致反映出四季降水的突变点，因而不能确定突变发生。

5 结 语

1)杭州常年四季起始日期分别为3月10日、5月20日、9月29日、11月28日。常年四季长度依次为71 d、132 d、60 d、103 d，夏季最长，秋季最短。

2)夏季平均气温26.4℃，冬季6.1℃。春季与秋季气温相当，其中春季比秋季低0.9℃。夏季为降水最多的季节，平均总降水量704 mm，其次是春季。秋、冬两季从季平均总降水量来看冬季多于秋季，但去除季长因素后，秋季降水比冬季略多。

3)过去68 a春、夏季起始日期分别以每10 a约2.06 d、2.36 d的速度提前，秋、冬两季分别以每10 a约1.97 d、0.97 d的速度推后，且这种趋势在α=0.05显著水平上是显著的。

4)夏季加长、冬季缩短的趋势明显，其变化幅度分别为每10 a 4.31 d和2.76 d。春、秋两季的季长气候变化不显著。

5)春、夏、秋3季气温的气候变化均不大，但冬季升温显著，每10 a冬季气温就增加0.24℃。

6)四季中，春季降水有所减少，夏季降水增加，变化幅度分别为每10 a 18.5和28.8 mm。秋、冬两季降水变化不大。