西安四季变化的差异性及阶段性特征

高红燕，梁 佳，张 曦，王 丹，郭 杨

(1.陕西省气象服务中心，西安 710014；2.陕西省气象局秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室，西安 710016)

在全球增暖背景下，城市的急速扩展产生的热岛效应导致城市气温发生了显著变化[1-2]，同时也对四季开始的迟早、持续日数的变化产生了影响[3-5]，势必对能源、农业、环境、生活等具有影响。因此对城市季节的初日和持续日数的变化研究具有重要的应用价值。

关于四季的划分方法有多种[6-8]，有以地球绕太阳轨道运行位置的天文学标准来划分四季，以春分、夏至、秋分、冬至为四季的起始日，有以农历和结合农业生产的24节气中的立春、立夏、立秋、立冬为四季的初日划分四季，现在最常用的四季划分法是以公历法划分四季，不同地区季节初日、持续日数一致，按照此方法划分的季节无法反映季节变化的区域差异，对四季长短分布不均的地域并不适合。张宝堃[9]在1934年提出符合自然景象的物候法划分中国气候四季标准，至今仍是四季气候研究的重要参考依据；刘抗[10]等在此基础上融入了海拔高度，避免了单一判断标准所产生的个别站点季节缺失情况；2012年中国气象局制定《气候季节划分法》(QX/T 152—2012)的行业标准[11]，此方法考虑了出现少于四个季节的地区特征(如常夏、常冬、无夏、无冬、常春等)，同时综合了物候法划分的优点，用连续5 d滑动平均气温判断四季初日，如果四季初日与平均初日比较提前(推后)15 d以上，需作二次判断，此方法减少了物候法偏早或偏晚现象的次数。而中国地域广阔，无论用那种方法划分四季，气候季节性特征区域差异大，季节长短也不尽相同。研究发现，近半个世纪以来，中国的不同区域四个季节的特征也出现一定的异常，中国北方、湖北、浙江、北京[12-15]等多地的四季初日和持续日数发生了变化，春、夏季初日提前，秋、冬季初日推迟，冬、春季持续日数缩短，夏、秋季持续日数增长的特征。西安作为西北地区最大的城市，四季也同样呈现显著的变化。对西安的气温变化及城市热岛效应已有了大量的研究[16-19]，但对西安利用气候法划分四季还未进行系统的研究，基于此，本文针对气候法划分西安四季的初日、持续日数的变化展开研究，可充实西安城市气候变化的研究，为工农业生产和气象服务提供参考依据。

1 资料的选取和方法

1.1 四季划分标准

采用《气候季节划分法》(QX/T 152—2012)[1]的标准计算西安四季的初始日和持续日数，四季逐日平均气温符合滑动平均连续5 d阈值的第一个值则为初日的第一天，四季阈值分别为10 ℃、22 ℃，气温区间分别为春、秋季10～22 ℃，夏季≥22 ℃，冬季气温≤10 ℃。如果根据上述判定的初日比平均初日早15 d以上，需作二次判断，则需计算至再一次出现连续5 d滑动平均气温达到阈值，两次过程之间，满足季节阈值范围的日数≥不满足的阈值范围内的日数，则以初次判断的初日为准，否则以第二次判断的初日为准。平均初日为所有年份的初日平均；季节初日至下一个季节初日的前一天为季节持续日数。初日和持续日数的等级划分标准为：每年初日与平均初日差异在±15 d以上是特早或特晚，±(5～15)d(包括等于15 d)之间属于偏早或偏晚，±5 d(包括等于±5 d)内属于正常；持续日数与平均持续日数的差异在±15 d以上属于特长或特晚，±(5～15)d之间属于偏长或偏短，±5 d内属于正常。

1.2 资料的选取和研究方法

西安国家基本气象站受城市发展的影响迁移至泾河，泾河站2005年开始观测，2014年1月1日起由泾河站代表西安国家基本气象站。

为了分析迁站对四季初日和持续日数的影响，应用2005—2013年西安站与泾河站9年的同期气温资料对比了两站四季初日和持续日数的差异。结果表明两站初日出现在同一天占72%，初日不同日出现春季有4 a、夏季3 a、秋季1 a、冬季2 a，春、夏季明显多于秋、冬季。春、夏季初日不同日的7 a中，西安比泾河早1 d的有6 a，晚1 d的有1 a；而秋、冬季西安比泾河均晚1 a。两站四季持续日数相同的年份占53%，西安与泾河站持续日数比较：西安夏季4 a均比泾河长1 d，冬季5 a均短1 d，春季(5 a)、秋季(3 a)各有不同，差异均为1 d，主要原因是受季节的初日和结束日的迟早的影响。虽然两站的初日和持续日数有不同步，差异均为1 d，对初日和持续日数的研究影响不明显，可以忽略不计。因此，逐日平均气温1951—2013年选取西安站，2014—2018选取泾河站，通过距平、累积距平法，分析西安市近68 a来四季初日和持续日数的变化趋势，诊断发生突变的时间点，确定西安四季初日和持续日数的阶段性。四季初日(持续日数)距平是每年的初日(持续日数)与平均初日(平均持续日数)的差值，初日(持续日数)距平负值为提前(缩短)，正值为推后(增长)。累积距平计算公式如下：

(1)

(2)

2 结果分析

2.1 四季初日特征及变化趋势的阶段性

2.1.1 四季初日特征 四季初日是通过日平均气温连续5 d滑动平均达到阈值来确定，受日平均气温波动的影响而动态变化。表1给出了西安四季初日及等级的变化，西安四季平均初日分别为：春季3月21日、夏季5月23日、秋季9月8日、冬季11月6日，最早/最晚初日分别出现在3月4日/4月14日、5月2日/6月15日、8月27日/9月23日、10月21日/11月20日，最早和最晚分别相差41 d、44 d、27 d和30 d。从四季初日的早晚等级来看，四季初日正常年份占总年份的比例分别为38%、34%、63%、47%，秋、冬季正常比例高于春、夏季，秋季正常年份最多，夏季最少。偏早/偏晚占比分别为28%/24%、18%/31%、21%/16%、22%/29%，每个季节都有偏早或偏晚出现，少于正常年份。特早/特晚占比分别为4%/6%、10%/7%、0%/0%、1%/0%，春、夏季初日特早、特晚明显多于秋、冬季，夏季出现的最多，特晚初日秋、冬季未出现，秋季是唯一未出现特早、特晚的季节。

四季初日波动明显，春、夏季初日波动大于秋、冬季、夏季初日波动最大，秋季波动最小(图1)。从气候倾向率可知(表1)，春、夏季初日呈提前趋势，秋、冬季初日呈推后趋势。气候倾向率夏季为-2.7 d/10 a，春季为-1.8 d/10 a，秋、冬季气候倾向率均为1 d/10 a。由四季初日距平年际变化(图1)可发现，2000年以后春季初日19 a中有16 a早于平均初日，2 a晚于平均初日，1 a与平均初日基本相同，偏晚的年份主要出在1999年以前。1994年以后夏季初日25 a中有20 a早于平均初日，4 a晚于平均初日，1 a与平均初日基本相同，比正常初日偏晚的年份主要出现在1993年以前。采用《气候季节划分法》得到的春、夏季初日主要出现在3月、5月，均出现在公历法的春季(3—5月)期间，而西安春季(3—5月)的线性增温趋势达到 2.20 ℃/10 a,是其它季节的2～4倍[19]。西安年平均气温升温突变发生在1994年，春季气温变暖尤为明显[17]，这也许是春(2000年后)、夏(1994年后)季初日提前的主要原因。秋季初日1986年以前提前占多数，1987年以后推后占多数。冬季与夏季相反，2001年后初日18 a中有14 a晚于平均初日，3 a早于平均初日。2000年以前呈波动变化。这种变化是否与西安城市化发展及气候变暖有关，有待于进一步研究。

图1 1951—2018年西安四季初日距平及早晚等级(点线为偏早/偏晚界线；点划线为特早/特晚界线)

表1 1951—2018年西安四季初始日及等级变化趋势

2.1.2 四季初日变化趋势及阶段性特征 累积距平是一种常用的由曲线直观判断变化趋势的方法，从曲线明显的上下起伏可以判断其长期的演变趋势及持续性变化，并可以诊断出发生突变的大致时间[20]。初日累积距平曲线呈上升趋势表示距平值增加即为初日推后趋势，下降趋势则表示距平值减小即为初日提前趋势。由图2可知：春、夏季初日的变化趋势一致，先上升后下降，即初日先推后再提前的趋势；秋季初日变化趋势与春、夏季相反，先提前再推后的趋势；冬季为先提前后平稳波动再推后的趋势。累积距平的变化趋势的转折点即为变化趋势的突变点，春季初日的突变时间点为2000年，夏季1994年，秋季1987年，冬季初日有两个突变时间节点，分别为1972年和2000年。

根据初日累积距平的突变时间确定四季初日的阶段性划分(表2)，四季初日的每个阶段变化趋势均通过了0.05的显著性检验。春季第二阶段平均初日比第一阶段早12 d，差异显著；夏季两个阶段的差异与春季一致，平均初日第二阶段比第一阶段早14 d，差异比春季更加突出；秋季的阶段性差异与春、夏季相反，第二阶段平均初日比第一阶段晚5 d；冬季初日出现了三个阶段，第一阶段在20世纪70年代以前呈提前趋势，第二阶段处于平稳波动阶段，第三阶段平均初日比第一、二阶段分别晚6 d、4 d。总之，秋、冬季初日的阶段性变化较春、夏季明显，春、夏季初日第二阶段比第一阶段偏早明显，秋、冬季初日则为偏晚。

2.2 四季持续日数特征及变化趋势的阶段性

2.2.1 四季持续日数特征 四季持续日数的长短与初日的起始日和结束日的迟早有关，表3和图3给出了四季持续日数的长短和等级，春、 夏、秋、冬季平均持续日数分别为64 d、105 d、59 d、137 d，长短差异明显。典型的冬、夏季长，平均持续日数均在3.0月以上；冬季持续日数长达4.5月以上，比第二长的夏季长32 d；春、秋季短，均少于3.0个月；夏、冬季分别是秋季的1.8、2.3倍。四季最短/最长持续日数分别为32 d/84 d、81 d/134 d、38 d/79 d、109 d/159 d，春、夏、秋、冬季最长和最短差异分别为 52 d、53 d、41 d、50 d；四季持续日数长短波动明显，除秋季外，其它三季最早最晚差异均超过50 d。从四季持续日数变化的气候倾向率来看，春、冬季呈缩短趋势(气候倾向率为-2.7 d/10 a)，夏季呈增长趋势(气候倾向率达到3.6 d/10 a)，秋季无变化。从持续日数等级特征可知，四季持续日数正常年占总年数的比例分别为39%、35%、41%、26%，春、秋季正常年高于夏、冬季，冬季正常年最少；四季偏短/偏长年占比分别为22%/24%、28%/15%、19%/25%、24%/28%，夏季偏长比例最小；特短/特长年占比分别为9%/10%、12%/15%、6%/4%、13%/9%；四季均有特短/特长年份出现，夏季特长年最多，秋季特长和特短年均最少。

图2 1951—2018年西安四季初日累积距平

表2 1951—2018年西安四季初日、持续日数的阶段变化

表3 1951—2018年西安四季持续日数及等级变化趋势

2.2.2 四季持续日数变化趋势及阶段性特征 采用与初日同样的方法来确定持续日数年际变化趋势和阶段性。从图4可知，春、冬季持续日数变化趋势一致， 呈先增长后缩短的趋势。夏季恰恰相反，呈先缩短后增长的趋势。秋季变化趋势弱于其它三个季节，先平稳波动，后微弱增长。春、夏、秋、冬持续日数的时间转折点即突变时间分别为1992、1990、2002、2001年，均出现在1990年以后。

根据四季持续日数变化趋势的突变时间来划分其阶段(表2)。春、夏季的阶段性转折相差2 a，秋、冬季阶段性转折点相差1 a。夏、冬季持续日数变化幅度明显大于春、秋季，四季持续日数无论是长期趋势还是阶段性趋势均通过了0.05的显著性检验。第二阶段与第一阶段比较，持续日数春、冬季缩短，夏、秋季增长，第一阶段冬季比夏季长43 d，春季比秋季长6 d。进入第二阶段后，冬季短17 d，夏季长16 d，二者差异从第一阶段的43 d变为第二阶段的10 d；春季短6 d，秋季长3 d,春季比秋季长7 d。致使进入第二阶段后春季与秋季持续日数变为一致，均为61 d。

图3 1951—2018年西安四季持续日数距平及长度等级(点线为偏长/偏短界线；点划线为特长/特短界线)

3 结论和讨论

利用1951—2018年西安国家基本气象站逐日平均气温资料，采用《气候季节划分法》划分标准和数理统计方法，对西安市四季的初日和持续日数的变化趋势、等级、阶段性进行分析，揭示了西安市四季初日和持续日数的变化趋势，分析了初日和持续日数阶段性的特征。主要结论归纳如下。

(1)西安春、夏季初日呈提前趋势，秋、冬季为推后趋势。西安初日变化的气候倾向率，夏季为-2.7 d/10 a，春季为-1.8 d/10 a，秋、冬季均为1 d/10 a。四季初日的迟早等级变化具有明显的差异性，夏季特早(晚)初日出现最多，其次是春季，秋季初日等级变化最小，未出现特早(晚)初日。

(2)四季初日的变化除冬季为3个阶段外，其余三季均为2个阶段，四季初日的阶段性转折点春、冬季变化的时间节点一致(2000年)，夏、秋季初日转折点均早于春、冬季。春、夏季初日第二阶段比第一阶段分别早12 d、14 d，阶段性变化幅度较大；秋、冬季阶段差异较小，秋季第二阶段比第一阶段晚5 d,冬季初日第三阶段比第二、第一阶段分别晚4 d、6 d。

(3)春、冬季持续日数呈缩短趋势，夏、秋季呈增长趋势，夏季增长幅度明显，气候倾向率达到3.6 d/10 a；冬季缩短趋势明显，气候倾向率为-2.7 d/10 a。四季持续日数长短等级比初日的差异性明显，特短(长)四季均有出现，正常持续日数出现比例均小于初日。

(4)四季持续日数的变化均为2个阶段，第二阶段与第一阶段比较，春、冬季持续日数分别短6 d、17 d，夏、秋季长16 d、3 d。第二阶段春、秋季持续日数一致，夏、冬季从第一阶段相差43 d到第二阶段的10 d，夏、冬季持续日数趋于接近；持续日数的阶段性转折点春、夏季分别出现在1992年、1990年，秋、冬季转折点分别出现在2002年、2001年。持续日数除了受初日的影响外还与结束日的迟早有关。

图4 1951—2018年西安四季持续日数累积距平