近50年高淳二十四节气气温变化特征及突变分析

孔维财，宋如东，陆一磊，夏晓敏

（江苏省南京市高淳区气象局，南京 211300）

二十四节气起源于黄河流域，最早的二十四节气见于秦汉时期。中国古人通过观察太阳周年运动与气候、农业、物候的关系，把一年分为不同的节气，对应各种不同的气候特征、农业活动、物候特点，充分体现了中国古人的智慧，至今还发挥着重要的作用［1］。二十四节气现已成为中国文化的一部分，2016年中国二十四节气成为第31 个入选人类非物质文化遗产代表名录。

随着全球气候变暖的加剧，极端气候事件频发，不仅对农业生产安全和人体健康带来威胁，也对社会经济造成巨大的影响［2］。近年来，关于二十四节气的研究较多，钱诚等［3］研究了中国二十四节气气候变化规律；李耀宁等［4］研究了北京市二十四节气气温变化规律；沈姣姣等［5］研究了西安市二十四节气气温变化特征并进行了突变分析；杨玲珠等［6］研究了邯郸市二十四节气气候特征；武峰梅等［7］研究了孝义市二十四节气气象要素的变化特征。这些研究均表明二十四节气均处于升温趋势。

中国地域广阔，气候差异明显，不同地区同一节气从事的农业活动也不同。南京市高淳区（简称高淳）位于江苏省西南部，总面积约802 km2，属亚热带季风气候区，气候适宜，是江苏省重要的粮食生产和水产养殖基地。在全球气候变暖的趋势下，高淳二十四节气气温也呈明显的上升趋势，气候条件和物候特征也随之改变。随着社会经济的发展，对农产品的数量和质量要求越来越高，研究如何更好地利用热量资源、准确把握农时进行农事活动，不但有利于提高农业气象服务质量，而且对提高长江中下游地区的农业经济效益具有重要的意义［8-11］。

1 资料与方法

1.1 二十四节气划分

二十四节气反映了太阳周年视运动，在公历中日期相对固定，随年份有1～2 d 的变动，为便于统计分析，本研究为所有节气取一个固定日期（表1），同时以立春、立夏、立秋和立冬节气为分界将二十四节气划分为春季型、夏季型、秋季型和冬季型。取惊蛰、清明、小满和芒种为物候性代表节气。

表1 二十四节气日期

1.2 资料来源及研究方法

1970—2019年逐日气温数据来源于南京市高淳区气象局，其中因迁站等非自然变化因素导致的数据变化均进行了处理，具有较好的代表性和连续性。本研究基于SPSS、Matlab 等软件，采用气候倾向率、滑动平均、累计距平、相关分析、M-K 突变检验等方法，对南京市高淳区进行了近50年二十四节气气温变化特征分析和物候性节气（惊蛰、清明、小满和芒种）气温突变分析。

2 结果与分析

2.1 二十四节气气温年变化特征

2.1.1年变化特征分析 高淳位于长江中下游地区，属于亚热带季风气候，夏季炎热多雨、冬季寒冷干燥，春秋季为过渡季节，高淳近50年各节气平均气温、初终日气温呈明显的正态、单峰型特点，且趋势一致（图1）。大暑是一年中最热的节气，平均气温为29.7 ℃，小暑次之，平均气温为28.5 ℃；大寒是一年中气温最低的节气，平均气温为3.3 ℃，小寒次之，平均气温为3.4 ℃，极端最低气温出现在大寒节气的概率为52%，出现在小寒的概率为34%。大寒至小暑的终日平均气温高于初日平均气温，气温呈上升趋势，上升幅度最大为春分至清明，升幅为3.6 ℃；大暑至小寒的终日平均气温低于初日平均气温，呈下降趋势，下降幅度最大为霜降至立冬，降幅为3.6 ℃。

图1 二十四节气平均气温、初终日平均气温和相邻节气气温差

为分析高淳近50年气温变化趋势，本研究计算了各个节气气温的变化线性趋势，结果（表2）表明，节气气温均呈上升趋势，这与全球气候变暖的大背景相符合［12］，其中，有5 个节气的线性趋势通过了95%的信度检验，12 个通过了99%的信度检验。上升趋势最大的为春分，气候倾向率为0.81 ℃/10年，上升趋势最小的是处暑，气候倾向率为0.13 ℃/10年，其中，春季型节气上升趋势整体较大，秋季型节气次之，平均线性趋势系数分别为0.059、0.037 ℃/年，平均上升趋势最小为夏季型节气，夏季型和冬季型节气平均线性趋势均为0.032 ℃/年。随着高淳经济的发展，城市热岛效应对高淳春季型和秋季型节气影响较大，对高温型节气影响较小［13-15］。

表2 二十四节气气温变化的线性趋势系数（单位：℃/年）

2.1.2年代际变化特征分析 由表3 可知，各节气在年代上距平呈上升趋势，大部分节气距平在20 世纪70年代和80年代为负值，从20 世纪90年代开始距平多为正值。春季型、夏季型和秋季型节气距平均在20 世纪80年代出现负最大值，距平平均值分别为-1.1、-0.6、-0.7 ℃；夏季型和秋季型节气在近50年距平变化幅度较小，夏季型节气距平平均值在20 世纪70年代至21 世纪10年代相差1.0 ℃，秋季型相差为1.1 ℃，而春季型和冬季型相差分别为1.8、1.3 ℃。

表3 二十四节气年代际气温距平 （单位：℃）

2.2 物候性节气气温距平变化及突变分析

二十四节气与中国农业生产密切相关，其中惊蛰、清明、小满和芒种等节气对物候和农事安排有重要的指导意义［16］。本研究对惊蛰、清明、小满和芒种的气温及距平进行了线性拟合，并对物候性节气平均气温进行M-K 突变分析，分析其有无突变点。

2.2.1 气温距平变化分析 惊蛰物候特征为作物复苏生长，该时期气温对作物的生长十分重要。由图2a 可知，高淳近50年以来惊蛰平均气温为9.4 ℃，上升趋势明显，线性趋势系数为0.072 ℃/年（通过了99%的信度检验），该节气气温距平也呈上升的趋势，这与节气平均气温上升趋势一致；1970—1993年节气距平多以负值为主，1994—2019年距平多以正值为主，距平上升趋势的气候倾向率为0.72 ℃/10年。清明（图2b）、小满（图2c）节气与惊蛰节气比较相似，清明、小满平均气温上升线性趋势系数分别为0.052 ℃/年（通过了99%的信度检验）和0.026 ℃/年（通过了95%的信度检验），清明在1995年前以负距平为主，1995年之后以正距平为主，距平上升趋势的气候倾向率为0.52 ℃/10年，小满以2000年为分界点，前期以负值为主，后期以正值为主，距平上升趋势的气候倾向率为0.26 ℃/10年。芒种（图2d）平均气温为24.9 ℃，平均气温上升线性趋势系数为0.023 ℃/年（通过了95%的信度检验），距平正负变化没有明显的分界点，距平上升趋势的气候倾向率为0.23 ℃/10年。

图2 物候性节气气温距平

2.2.2 气温M-K 突变分析 本研究通过M-K 法分析了物候性节气气温突变点，如果UF和UB线在置信区间（0.05 水平显著置信曲线U0.05=1.96）之间有交点，说明存在突变，交点对应年份为突变年份。

惊蛰（图3a）UF均大于0，气温呈升高趋势，在1993年存在突变点，上升显著，趋势变大。清明（图3b）气温在1970—1985年呈上升趋势（UF>0），1985—2000年节气气温呈下降的趋势（UF<0），2000年后转暖趋势明显，在2000年存在突变点。小满（图3c）气温在1970—1985年上升与下降的趋势都不明显，在1985年之后气温变暖趋势十分明显（UF>0），在1985年存在转暖的突变点。芒种（图3d）气温在1970—1980年呈下降趋势（UF<0），至1980年后气温呈上升的趋势，趋势明显，在1980年存在突变点，但是在2000年气温上升趋势变缓，在2000年也存在一个突变点。

图3 物候性节气M-K 突变分析

3 小结与讨论

本研究利用SPSS、Matlab 等软件，采用线性相关分析、M-K突变检验等方法，分析了高淳1970—2019年二十四节气和物候性节气（惊蛰、清明、小满和芒种）的平均气温、初终日平均气温、相邻节气温差、年代际平均气温及距平，得出如下结论。

1）高淳近50年二十四节气平均气温、初终日气温呈明显的正态、单峰型特点，且趋势一致；大暑和大寒分别是一年中最热和最冷的节气；大寒至小暑的节气终日平均气温高于初日平均气温，气温逐渐上升，大暑至小寒的节气终日平均气温低于初日平均气温，气温逐渐下降；一年中，一般大暑气温达到一年的峰值，至大寒降至气温最低值。

2）各节气气温的变化线性趋势中有5 个节气通过了95%的信度检验，12 个通过了99%的信度检验。上升趋势最大的为春分，上升趋势最小的是处暑；春季型和秋季型节气上升趋势整体较高，上升趋势最小为夏季型节气，这与高淳的城市热岛效应关系密切；大部分节气距平在20 世纪70年代和80年代为负值，从20 世纪90年代开始距平多为正值；惊蛰、清明、小满和芒种的节气距平上升趋势与节气平均气温上升趋势一致。惊蛰在1970—1993年气温距平以负值为主，1994—2019年距平以正值为主；清明在2000年前以负距平为主，2000年之后以正距平为主；小满以1995年为分界点，前期以负值为主，后期以正值为主；芒种气温距平正负距平变化没有明显的分界点。

3）通过M-K 分析可知，惊蛰气温呈一致的升高趋势，在1993年存在突变点，上升趋势变大；清明在2000年后转暖趋势明显，2000年为突变点；小满在1970—1985年上升与下降的趋势都不明显，在1985年之后气温变暖趋势十分明显，1985年存在突变点；芒种在1970—1980年呈下降趋势，至1980年后气温呈明显上升的趋势，1980年为突变点。

根据二十四节气气温升高的趋势，高淳的农事活动可适当提前。但本研究对农业生产活动提供的帮助有一定的局限性，农事活动的调整还需要综合考虑降水、日照、当地农业生产技术水平等因素，二十四节气与其他气象要素的综合分析还有待进一步研究。