宁德市近50年气候季节划分及变化特征分析

陈小英 阮翠冰 林巧灵 阮凌云

(福建省宁德市气象局，福建 宁德 352100)

1 概述

2021年8月正式发布的IPCC第六次评估报告第一工作组报告指出，1970年以来的50年是过去两千年以来最暖的50年，2011—2020年全球地表温度比工业革命时期上升了1.09℃，预计未来20年全球升温幅度将达到或超过1.5℃，届时热浪将增加，暖季延长而冷季缩短[1]。气候变暖气温升高无疑给整个气候系统带来了巨大深远的影响，这其中就包括四季起止时间和持续时间的变化。赵俊虎等[2]在对中国的季节变化与极端温度事件的联系研究中指出，中国大部分地区冬季起始时间推后，春、夏季起始时间提前，秋季起始时间变化不大，因此冬季长度显著缩短，春、夏、秋季长度延长。张世轩等[3-4]在对全球变暖下中国季节变化的分析中也指出中国大部分地区冬季持续天数和起始时间变化相对于春、夏、秋三季而言更为显著，但同一季节不同区域的响应不同，就全国而言，北方比南方的响应更明显。郁珍艳等[5]则认为全国范围内四季起始日的变化为春夏季提早、秋冬季推迟，其中夏季提早最明显，春季较弱，空间区域分布上是北方变化比南方明显，东部变化比西部明显。王正等[6]在中国季节划分及其对夏季降水的预测研究中指出，1981—2016年中国四季持续时间的变化呈现显著的东西向差异，东部大部分地区春、秋季持续时间增加，西部地区缩短；夏、冬季的持续时间东部地区缩短，西部地区增加，缩短或增加的高低值区因季节而异。从上述文献来看，不同区域近30～50年四季变化特征基本都有春夏季提早、秋冬季推迟的趋势，但四季入季时间和季节长度变化存在着明显的地域差异性。

季节的变迁与人类、自然的休养生息关系密切，其轮换更迭的规律发生变化势必对农业生产、环境生态系统、人类经济活动等造成广泛长远影响[7-8]。宁德位于福建省东北翼沿海，依山傍海，东临台湾海峡，属亚热带季风气候区，境内地理环境复杂，兼有海洋气候、山地气候、盆地气候等多种气候特点。独特的地理气候特征对气候变暖的响应亦有所不同，这种不同也势必体现在四季变化上。本文拟通过气候统计诊断法分析得出宁德气候季节变化规律，从而为当地区域生态环境的合理配置和农业、经济布局的合理调整等问题提供量化依据。

2 资料来源和分析方法

2.1 资料来源

本研究所用数据采自宁德市9个国家级气象观测站(蕉城、福安、福鼎、霞浦、古田、寿宁、周宁、柘荣、屏南)1971—2020年日平均气温，数据经过质量控制，具有代表性、准确性和比较性，并有完整的序列。按地理位置及气候特点将蕉城、福安、福鼎、霞浦、古田划归为沿海地区，寿宁、周宁、柘荣、屏南划为山区。

2.2 四季划分

四季划分的方法主要有天文法、物候法、自然天气季节法和气温划分法[9-13]。其中自然天气季节划分法较为常用，通常是将3—5月、6—8月、9—11月、12—2月依次划定为为春、夏、秋、冬季，福建的划分略有不同，综合了大气环流形势、气象要素变化等特点，将3—6月、7—9月、10—11月、12—2月划定为为春、夏、秋、冬季，其中3—4月为早春季、5—6月为雨季[14]。以上季节划分法简单明了，但全国各地在同一天进入一个季节显然不尽科学，与实际状况出入较大，无法准确反映不同地域的四季特点。2012 年11月实施的气象行业标准《气候季节划分》( QX/T152—2012)[15]，是在张宝堃[16]提出的候温法的基础上修订而成，即以5d滑动平均气温是否达到10.0℃或22.0℃作为划分依据，当5d滑动平均气温≤10.0℃时为冬季，≥22.0℃时为夏季，介于10.0～22.0℃之间时则为春季、秋季。此季节划分法与自然物候实际变化情况基本能够相对应，虽然可能存在个别年份因为换季前后气温波动起伏较大而造成换季时间出现偏迟或偏早现象，但总体划分结果仍较为客观合理。本研究以此标准为依据，利用宁德所辖各县(市)1971—2020年历史气温资料，逐一计算分析历年四季起始时间和季节长度。

2.3 研究方法

按照气候季节划分行业标准，分别统计出历年四季起始日期和季节长度；利用ArcGIS内嵌的反距离权重法对宁德市四季起始时间和季节长度进行空间插值分析；利用一元线性回归分析法进行趋势分析，并做相关系数的显著性检验；用Mann-kendall(M-K)非参数检验法[17]对四季起始时间、季节长度分别做突变检测；采用多元线性回归分析法[18]筛选四季变化的主要影响因子。

3 结果与分析

3.1 四季起始时间和持续时间的空间差异分析

根据《气候季节划分》行业标准，计算得出宁德市平均进入春、夏、秋、冬的日期分别为2月28日、5月30日、9月24日、12月12日，各季长度分别为92d、117d、79d、78d，所属9县市的四季起始时间及季节长度的空间分布则如图1所示。从图1可看出，蕉城、福安、福鼎、霞浦、古田5个沿海县市近50年进入春夏的时间均比寿宁、周宁、柘荣、屏南4个山区县要早1个月左右，进入秋冬季的时间则晚1～1.5个月。季节长度上，春、秋季各地相差不大，一般在3个月左右；夏、冬季差异则极为显著：沿海县市的夏季长度在5个月左右，山区县只有3个月左右；冬季长度山区长达3.5个月，而在沿海县市中，最长的古田不足2个月，短的如蕉城、福安只有13d。

(a)春季入季

(b)春季长度

(c)夏季入季

(d)夏季长度

(e)秋季入季

(f)秋季长度

(g)冬季入季

(h)冬季长度

鉴于沿海县市之间以及山区县市之间在四季起始时间及长度上相差不大，显著差异只是存在于沿海与山区之间，为了全面描述宁德市的四季分布及变化特点，本研究以沿海、山区的逐日平均气温为基础，对宁德市四季入季时间及季节长度按沿海、山区两个区域分别进行计算分析。

3.2 四季起始时间和持续时间的趋势演变分析

3.2.1 四季起始时间变化分析

如表1所示，沿海春夏入季较山区早1个月左右，秋冬入季则迟1～1.5个月，入季最早与最迟在春夏季以及沿海的冬季可相差2个月之多。近50年，沿海与山区的四季起始时间变化趋势都是春夏季提前，秋冬季推迟，其中夏季变化最为显著，其次是沿海的入春、山区的入冬，分别通过了1%、5%显著性检验。

表1 1971—2020年宁德市沿海、山区四季起始时间变化统计

如图2a～d所示，春夏季入季时间提前，也体现在进入春夏季特早、偏早年份的频次要较特晚、偏晚的频次高，且特晚、偏晚年份多出现在20世纪70年代、80年代，特早、偏早年份多出现在20世纪90年代及之后，如沿海的14次特早入春年中，70年代出现 3次，80年代 1次，90年代2次，2000年后达到8次，山区的14次特早入春年中则有9次是出现在1997年到2010年之间。这表明沿海、山区的春季在21世纪的前10年为过去50年最早入春的年代。与春季起始日变化特点略有不同的是沿海入夏特早年主要集中在两个时间段，分别是1997—2005年及最近的的5年，山区特早入夏的年份较少，主要是集中在2015—2020年间。沿海入夏呈逐年代稳定提早的趋势，但幅度在近10年略有收窄。山区入夏的年代际变化趋势则不如沿海稳定，提早与推迟交替进行，继整个90年代气候变暖使得夏季显著提早之后，进入21世纪后的10年，虽然入春时间大幅提早，但入夏时间并未相应提早，而是反向回复正常，直至近10年山区入夏大幅度提早的现象才再次凸显。

沿海在入秋时间上的变化是四季当中最小的，如图2e所示，出现特早、偏早的年份虽然多于偏晚、特晚的年份，但多出现在70年代至90年代中前期之间，近10年以正常入秋为主，总体入秋时间有向后推迟的趋势。山区的入秋气候倾向率未能通过显著性检验，变化幅度在四季中也仅略大于春季，如图2f所示，以2000年为界，13次偏早特早年中出现在此之前的有9次之多，15次偏晚特晚的年份出现在此之后的则有12次之多，表明进入21世纪之后山区推迟入秋的现象愈发频发。图2g～h为沿海、山区入冬的时间曲线，可以看出，沿海与山区之间存在较明显差异。沿海的特早年主要集中在1980—1985年、2009—2014年，年代际上，上世纪90年代入冬最晚，近10年为次晚入冬，其他年代入冬时间相差不大，属相对偏早；山区特早入冬年份不多，但偏早年份较多，多集中在70年代和1990—2010年之间，年代际变化上70年代入冬时间最早，近10年入冬最晚，入冬推迟的趋势显著于沿海。

综上，沿海与山区四季起始时间的变化趋势一致，但由于地理环境差异，不同地域对气候变化的响应速度与响应程度不同，使得多数情况下沿海的变化要显著于山区，年际间的波动幅度也大于山区，这与郁珍艳等[5]在对我国四季时间变化特点的研究中得出的全国范围内四季起始日的变化东部比西部明显的结论是相一致的。相对于夏季起始时间显著性提早的趋势特征，冬、春季起止时间的变化则显得复杂，尤以沿海冬季为甚。分析其原因，主要是气候变暖背景下暖冬现象频发，但阶段冷空气活动又相对活跃，气温波动频率及幅度加大，个别年份冬季特征并不明显，造成由秋入冬或由冬入春时的界限不清晰。

(a)(b)

(c)(d)

(e)(f)

(g)(h)

3.2.2 四季持续时间变化分析

如表2所示，沿海春秋季长度相当，但夏冬季长度相差极大，夏长冬短，差值达到115d，各季的长度变化又以春、冬季为最大，最长持续时间与最短持续时间相差分别达到88d、84d；山区四季长度相对较为均分，冬长夏短，相差21d，各季的长度变化也是以春、冬季为最大，分别为71d、83d；沿海与山区在春秋季的季节长度上相差不大，主要差别在夏冬两季，沿海夏季长度比山区长63d，冬季长度则短73d。从近50年变化趋势来看，沿海与山区的四季长度总的变化特点都是夏秋季延长，春冬季缩短，但春秋季变化趋势微弱，通过显著性检验的只有夏冬两季。

表2 1971—2020年宁德市沿海、山区四季持续时间变化统计

如图3a～h所示,沿海、山区在夏冬季长度的变化上与入季时间的变化特点相似，夏季偏短、冬季偏长的年份多集中在90年代之前，夏季偏长、冬季偏短的年份则多集中在90年代之后。在年代际的变化上，沿海夏季长度呈逐年代延长，但延长幅度在近10年收窄；山区夏季长度的年代际变化是延长与缩短交替进行，近10年延长幅度明显加大。冬季长度的年代际变化上，沿海在80年代表现为最长，近10年最短，而90年代冬季缩短幅度则是最大；山区冬季自90年代起逐年代缩短，期间屡有年份创下最短冬季极值，如2020年的冬季就急剧缩短至只有54d，为近50年最短的一个冬季。无论是山区还是沿海，从平均值来看最近的10年是50年来夏季最长冬季最短的10年。

从长期总趋势来看，沿海、山区春秋季节长度的变化均为不显著，但从1991—2020年的3个年代际情况来看，变化则较为突出，尤其是山区的春季，季节长度延长或缩短的幅度相比其他季节都是最大的，呈现跳跃式变化，如2011—2020年平均季节长度相比前10年缩短达30d，期间出现4个年份的特短年、4个年份的偏短年。

四季持续时间发生上述变化的原因主要是受四季起始时间变化的影响，入夏时间的提前和入秋时间的推迟直接导致了夏季长度的延长，入冬时间的推迟和入春时间的提前直接导致冬季长度的缩短，而春季提早的幅度小于夏季提早的幅度则使得春季缩短，同理，秋季延长是因为秋季推迟的幅度小于冬季推迟的幅度。

(a)(b)

(c)(d)

(e)(f)

(g)(h)

3.3 四季起始时间和持续时间的突变检测

对四季开始日期及季节长度做Mann-kendall(M-K)非参数突变检验，可判断入季迟早及季节长短趋势变化发生较为明显转折的时间点。以气候倾向率均通过1%显著性检验的夏季为例分析，如图4所示，沿海、山区入夏时间的突变年分别出现在1996年、2014年，突变年后入夏时间连续较多年有较大幅度的提早，其中沿海的UF线在2002年后超过5%显著性水平临界线，提早趋势显著。沿海、山区夏季长度的突变年与入夏突变年基本一致，分别出现在1997年、2014年，突变后，夏季长度连续较多年都有较大幅度的延长，UF线分别在2002年、2017年后超过显著性水平5%临界线。分析中还发现，沿海夏季起始时间和持续时间的突变与气温变化的突变(图略)完全同步，与中国大部分地区地表气温发生变暖突变的时间具有较好的一致性[6,19-20]。另外，山区的M-K图在一定程度上也体现了一些学者有关“1998—2012年气温增速趋缓，全球气候变暖停滞，变暖停滞在季节和空间分布上呈现不均匀性”的研究结论[20-21]。至于其他季的入季时间及季节长度在M-K图上存在多个交点，主要发生在1986年、1996年、2005年、2015年的前后年间，但突变不显著，阶段性的转折变化不再赘述。

(a)沿海夏季起始时间 (b)沿海夏季持续时间

(c)山区夏季起始时间 (d)山区夏季持续时间

3.4 气温对四季变化的影响

运用多元线性回归方法对可能影响四季变化的气象因子如四季起始日或结束日所在月的平均气温、最低或最高平均气温等进行拟合比较，结果显现为单因子拟合效果更好，其中对四季入季时间影响最大的是四季起始日所处月份的平均气温，相关系数绝对值介于0.55～0.75之间，沿海入夏时间与5月平均气温最为相关，系数达到-0.75，呈反向关系；山区入冬时间与11月平均气温相关系数最小为0.55，呈正向关系。而影响季节长度变化的因素则较多，既有起始日所在月气温的影响，也有结束日所在月气温的影响，还与季节的总体平均气温有关，如对山区夏季长度、沿海冬季长度影响最大的是所处季节的季平均气温，相关系数分别为0.58、-0.74；而沿海的秋季长度、山区的冬季长度更多受季节结束所处月份(即1月、3月)平均气温的影响，相关系数为0.43、-0.48；其余季节的长度则受入季当月平均气温的影响更大，除了山区的春季长度与入春月的相关系数未能通过1%显著性水平检验外，其余通过检验的相关系数均在0.44～0.74之间。针对历史最早最晚入季日期反查气温也可发现，入季最早最晚的时间与历史极端低温或高温过程出现的时间有较好的重叠对应关系。

4 结论与讨论

①1971—2020年，宁德市沿海春夏秋冬四季入季时间分别为2月12日、5月18日、10月14日、1月9日；山区入季时间分别为3月14日、6月16日、9月10日、11月28日。沿海与山区四季起始时间的总体变化趋势一致，均呈现春夏季提前、秋冬季推迟的特点，沿海春夏秋冬四季的气候倾向率分别为-3.0d/10a、-3.4d/10a、1.6d/10a、1.6d/10a，山区的气候倾向率分别为-1.4d/10a、-2.4d/10a、1.4d/10a、1.6d/10a。相对于夏季起始时间显著性提早的趋势特征，冬、春季起止时间的变化显得复杂，尤以沿海冬季为甚。

②沿海夏长冬短，山区夏短冬长，夏季长度相差2个月，冬季长度相差近2.5个月，春秋季长度则相差不大。沿海春夏秋冬四季的气候倾向率分别为-0.3d/10a、4.9d/10a、0.1d/10a、-5.0d/10a，山区的气候倾向率分别为-1.1d/10a、3.9d/10a、0.3d/10a、-4.1d/10a，呈现夏秋延长、春冬缩短的变化趋势，其中夏冬两季变化显著。

③沿海、山区在不同季节其入季时间及季节长度变化的显著程度各有不同，四季中以夏季变化最为显著，其中沿海夏季自1996—1997年发生突变后有持续10年较大幅度的入季提早和长度的延长，山区的夏季自2014年发生突变后直至2020年，入季时间及季节长度都以较大的变率提早和延长。

④宁德四季变化与气温变化有着显著相关关系，对四季入季时间影响最大的是季节开始月份的平均气温，相关系数绝对值在0.55～0.75之间。影响季节长度变化的因素则因区域、季节不同而不同，山区夏季长度、沿海冬季长度受所处季节的季平均气温影响最大，相关系数分别为0.58、-0.74；沿海秋季长度、山区冬季长度更多受季节结束所在月份平均气温影响，相关系数为0.43、-0.48；其余季节长度受入季当月平均气温的影响更大，相关值介于0.44～0.74之间。

本文仅对宁德市四季变化的特点做了相关研究，因季节变迁产生的对当地农业生态、经济建设等方面的影响评估还有待进一步探索。另外，影响季节变化的气候因素极为复杂，随着气候变暖加剧，极端天气日趋严重频繁，空间分布上也更为不均，现有的季节划分方法对各地四季划分的适用上存在一定局限性，如何完善季节划分方法有待于更深入的研究。