气候变化背景下四季的天文划分法和节气划分法的优劣变化

宋英杰 隋伟辉 信 欣 魏思静

一、引 言

关于四季的划分，存在强调天文特征和气候特征的不同划分方式。天文划分法是以春分(Spring Equinox) 、夏至(Summer Solstice)、秋分(Autumn Equinox)和 冬至(Winter Solstice)作为四季起始点的季节划分方式，在黄道上依次对应黄经0°、90°、180°和270°。春分和秋分作为昼夜平分日，夏至和冬至依次作为白昼最长日和白昼最短日，是最具地域共性和清晰指征的天文时点。它们不仅是中国古代最早被测定的节气，也是二十四节气中最具国际性的四个节气，是世界上很多国家至今仍采用的季节划分节点。节气划分法是以立春(Spring Begins)、立夏(Summer Begins)、立秋(Autumn Begins)和立冬(Winter Begins)作为四季起始点的季节划分方式，在黄道上依次对应黄经315°、45°、135°和225°，它们是在“二至二分”基础上的时令细分，与“二至二分”共同构成“四时八节”，是二十四节气体系的雏形(图1)。先秦时期《鹖冠子》：斗柄东指，天下皆春；斗柄南指，天下皆夏；斗柄西指，天下皆秋；斗柄北指，天下皆冬(1)黄怀信：《鹖冠子校注》，中华书局，2014年，第70页。。在先秦时期，它们已是中国古人观天测候的主要时点。先秦时期《左传》：(僖公五年)凡分至启闭，必书云物，为备故也(2)杨伯峻：《春秋左传注》，中华书局，1990年，第303页。。其中，分代表春分秋分，至代表冬至夏至，启代表立春立夏，闭代表立秋立冬。

图1 地球绕日轨道上的“四时八节”示意

从本质上讲，天文划分法和节气划分法都是基于天文节点的季节划分方式，是“天上的时间”，而非“地上的时间”，都与特定地区气候意义上的季节存在显著差异。由于认知局限，古人认为“斗柄东指，天下皆春”“一叶落而知天下秋”，实际上天下并非皆春或同秋。尽管天文划分法和节气划分法在表征各地气候差异方面存在局限，但因其通俗易懂，所以在文化层面上依然用于界定四季。

然而，张宝堃先生在《中国四季之分布》中指出：“以面积如此广大、寒暖如此悬殊、地形如此高下的国家，欲讨论其四季气候的分布，自非有多量长期的记录作精密的统计不可”(3)张宝堃：《中国四季之分布》，《地理学报》，1934年第1期。。基于“近理”和“适用”，他依照人们对于寒热温凉的通感以及春生夏长秋收冬藏的物候节律，10℃为冷暖之分界温度，22℃为暖之最高界限，确定10℃和22℃为季节更迭的温度阈值，并参照节气体系中五天一候的时令尺度，将候平均气温作为温度标准，以每候平均温度10℃作为春始秋末的标准、每候平均温度22℃作为春末秋始的标准。在现行的季节划分方式下，需要先计算日平均气温的5日滑动均值序列，以该温度序列值首次达到四季温度阈值为标志日即四季开始日期。如果初次判断的起始日期比常年日期偏早15天以上，需进行起始日的二次判断。可见，气候意义上的季节划分方式日臻严谨和完善。

综上所述，天文划分法、节气划分法都基于一个假定，即四季分明，属于四季准等长的季节体系。但是，中国四季分明的区域约有476万平方千米，只占中国当前陆地面积的近50%(图2)。通常可以将基于气候意义上的季节划分方式计算的气候四季长度与全年365天等分四季的长度(91.25天)之间的均方差作为气候四季均衡度的测度指标。该均方差越小，说明气候四季越均衡，越接近古人四季准等长的季节划分理念。无论1951—1980年还是1981—2010年，只有北纬30°附近地区的四季长度相对均衡(图3)，而且随着气候变暖，气候意义上的四季时间也在改变。在气候变化背景下，天文四季和节气四季中哪一个的适用性更好？其适用的区域在哪里？下文将探讨这些问题。

图2 气候意义上四季分明区域

图3 气候四季长度相对均衡的区域(北纬30°)

二、资料和方法

本文的部分基础数据来源于国家气象信息中心“1951年以来中国地面日值资料数据集”和“中国地面气候标准值数据集(1981—2010年)”。1981—2010年的累年日平均气温直接采用“中国地面气候标准值数据集(1981—2010年)整编处理站点资料”，1951—1980年、2011—2020年的累年日均值需要根据2221个国家级气象站的地面站点日值资料进行分析处理和计算。

(1)

其中，ti表示第i年的日平均值，2月29日不计入统计，n表示统计资料年数，i取1至n的整数，然后，利用谐波分析方法对上面求得的累年日均值资料进行处理，滤去高频波动(4)国家气象信息中心编制：《气候资料统计整编方法(1981—2010)(发布版)》，2012年。。考虑到可读性，这里略去计算过程。

关于气候入季的时间判定，本文基于气象行业标准进行计算分析(5)中国气象局：气象行业标准《气候季节划分》(QX/T152-2012)，2012年。。累年日平均值的五日滑动序列计算公式为：

(2)

此外，根据气象行业标准中的判定方法，气候无冬区的春季起始日为1月1日，本文基于气象行业标准中气候无夏区秋季起始日的判定方法和二十四节气春季起始的古义，对入春日期进行一定修正，采用常年气温序列中气温最低日的次日为春季起始日，即气温的拐点。

三、天文划分法和节气划分法在三个不同时期的优劣变化

根据1951—2020年相关节气的天文日期和标准时间节点，天文划分法四季的开始时间为：3月21日春分、6月21日夏至、9月23日秋分、12月22日冬至，节气划分法四季的开始时间为：2月4日立春、5月5日立夏、8月8日立秋、11月7日立冬。基于1951—1980年累年日平均气温序列、1981—2010年地面整编资料日平均气温和2011—2020年累年日平均气温序列，采用上述修正后的气候入季判定方法，分别计算全国各站点在三个背景时段的入春、入夏、入秋、入冬日期，以及春季、夏季、秋季、冬季的四季长度。

(一)天文划分法、节气划分法与气候意义上的四季开始时间的吻合度指标

分别计算天文划分法、节气划分法与气候意义上四季的入季时间之间的均方差，并以此作为天文划分法、节气划分法与气候意义上四季的吻合度测度指标。显然，均方差越小，对应的划分法与气候意义上四季之间的吻合度越高。对于气候上常夏/长夏的无冬区(常夏区是指常年滑动平均气温序列无连续5天小于22℃，长夏无冬区是指常年滑动平均气温序列无连续5天小于10℃且夏季长于春秋两季)和常冬/长冬无夏区(常冬区是指常年滑动平均气温序列无连续5天大于等于10℃，长冬无夏区是指常年滑动平均气温序列无连续5天大于等于22℃且冬季长于春秋两季)，以天文划分法和节气划分法下的相应季长作为与气候意义上的四季的入季时间差值。

(二)气候变化背景下不同划分法的优劣变化

节气划分法四季的开始日期与气候意义上四季的开始日期的均方差，减去天文划分法四季的开始日期与气候意义上四季的开始日期的均方差，结果记为SD，单位为天。利用SD的取值可以将中国划分为如下四个区域：-10SD>0区域和SD≥10区域。

在图4中，在深色区域(包括10>SD>0区域和SD≥10区域)，天文划分法优于节气划分法。可见，在1951—1980年，天文划分法在中国多数地区优于节气划分法，尤其在北方地区，天文划分法明显占优。

图4 1951—1980年天文划分法比节气划分法更准确的区域

在图5、图6和图7中，在深色区域(包括-10

图5 1951—1980年节气划分法比天文划分法更准确的区域

图6 1981—2010年节气划分法比天文划分法更准确的区域

图7 2011—2020年节气划分法比天文划分法更准确的区域

由以上分析可知，将气候意义上四季的开始时间作为参照，随着气候变化，节气划分法比天文划分法占优势的区域不断扩大。进一步计算节气划分法四季的开始时间(立春、立夏、立秋、立冬)与1981—2010年气候意义上四季的开始时间的均方差，在图8中颜色越深的区域，节气四季开始时间与气候四季开始的时间相差越短，也代表节气四季越接近真实气候四季的区域。可见，基于四季准等长的节气体系，节气划分法最适用于气候四季相对均衡的北纬30°附近地区。图9给出了27个省会城市和4个直辖市气候季节与节气季节的吻合度排名，可见在北纬30°附近地区以及广义节气起源地区，节气四季与气候四季的吻合度最高。如成都位居第一，当向南或向北扩展(如广州、海口、西宁、拉萨)时，节气四季与气候四季的吻合度不断下降。

图8 气候四季与节气四季开始时间离散度(1981—2010年)

图9 27个省会城市和4个直辖市气候季节与节气季节的吻合度排名

从四季均衡度的变化来看，随着气候的变化，北方城市的四季均衡度提高，而南方城市的四季均衡度下降。从图10可以看出，在1981—2010年气候期内，四季均衡度排名前四的城市为成都、贵阳、上海和杭州，它们分布在北纬30°附近。

图10 气候四季分明的20个省会城市和4个直辖市的四季均衡度

中国幅员辽阔，气候多样。从气候意义上四季的开始时间、季节长度与天文四季、节气四季的比较来看，随着气候的变化，可以发现：在气候冬季显著长于夏季的代表区域(如北京)，节气划分法转而占优，而在哈尔滨两种划分法逐渐分不出优劣；在节气体系广义的起源区域(如西安和郑州)，节气划分法转而占优；在气候四季相对均衡的代表区域(节气四季与气候四季开始时间的离散度不超过15天)(如南京和成都)，节气划分法转而占优；在气候四季不分明的区域(气候意义上的常冬区、常夏区、常春区、无冬区和无夏区)(如昆明)，始终是节气划分法占优，广州则是节气划分法转而占优。

(三)气候变化背景下节气划分法的优势

从气候意义上的四季开始时间分析可知，节气划分法逐渐占优的原因是气候变化，气候入春、入夏提前(图11)，气候入秋、入冬延后(图12)。但入春、入夏日期提前幅度较大，入秋、入冬日期延后幅度较小(图13)。

图11 1981—2010年相比于1951—1980年春季和夏季提前的区域

图12 1981—2010年相比于1951—1980年秋季和冬季延后的区域

图13 2011—2020年相比于1951—1980年全国平均换季时间变化

从全国平均的季节变化幅度来看，与1951—1980年相比，2011—2020年春季提前幅度最大，春季平均提前7天，88.4%的地区春季提前，10.5%的地区春季延后，1.1%的地区无明显变化，还有0.8%的地区出现了由有冬到无冬、春秋相连到有夏、常冬到有春秋的气候类型变化。夏季平均提前6.48天，76%的地区夏季提前，8.4%的地区夏季延后，15.6%的地区无明显变化，还有5.9%的地区产生由无夏到有夏的气候类型变化。秋季平均延后5.18天，83.8%的地区秋季延后，9.6%的地区秋季提前，6.6%的地区无明显变化，还有0.9%的地区产生由有冬到无冬、春秋相连到有夏、常冬到有春秋的气候类型变化。冬季延后幅度最小，冬季平均延后3.81天，78.9%的地区冬季延后，7.4%的地区冬季提前，13.7%的地区无变化，还有2.4%的地区产生由有冬到无冬、常冬到有春秋等气候类型变化。

总而言之，在气候变化背景下，春夏提前的幅度相对较大，秋冬延后的幅度较小，这使得多数地区的入春、入夏日期与立春日、立夏日的偏差显著缩小，尽管多数地区入秋日期与立秋日的偏差增大，但入冬日期与立冬日的偏差变化较小。因此，总体上可以得出，随着气候的变化，节气划分法逐渐优于天文划分法。

四、结 论

本文将1951—1980年气候期和1981—2010年气候期作为两种气候比对情境，并以2011—2020年作为1981—2010年气候期的延伸情境，以气象标准划分的气候意义上的四季划分方法作为参照，采用自定义的四季吻合度和均衡度测度指标，探讨了天文划分法、节气划分法两种四季划分方法在中国气候变化背景下的优劣变化。研究结论表明：在1951—1980年气候期，天文划分法更契合气候意义上的四季更迭，但随着气候的变化，在1981—2010年气候期，节气划分法转而优于天文划分法，延伸至2011—2020年，其优势更为明显。