赵国永，韩 艳，闫军辉，江蕾蕾，向 梅

(1. 信阳师范学院 南北过渡带研究中心，河南 信阳 464000; 2. 豫南岩矿宝玉石鉴定及加工中心， 河南 信阳 464000)

0 引言

目前，全球变化已成为热门话题.联合国政府间气候变化专门委员会(International Panel on Climate Change，IPCC)已经发布了5次评估报告，认为最近百年全球变暖是毫无疑问的，且距今越近升温速率越大；同时，评估报告发布了全球变暖以后带来的严重危害[1].气候变化与人们生活密切相关，气候变化越来越受到重视.在全球变暖的背景下，研究区域性四季变化特征具有重要的意义.

四季划分方法具有很多种类，主要包括：(1)公历法：公历3—5月划分为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、12月至翌年2月为冬季.(2)农历法：阴历1—3月为春季、4—6月夏季、7—9月为秋季、10—12月为冬季.(3)二十四节气法：将二十四节气中“四立”作为四季开始的标志.(4)天文法：以春分(3月21日)、夏至(6月22日)、秋分(9月23日)和冬至(12月22日)作为四季开始的时间.(5)气候四季划分法：本文方法，见下文.前四种方法操作简单、快捷，但是将每一年四季开始的时间和长度固定下来，与实际情况不符合.学者通过对全国和区域性(江苏省、山东省、绵阳市、深圳市)的四季开始及长度研究，发现气候四季划分法的结果与实际最接近[2-5].

目前，学者还没有对信阳市城区四季开始时间及持续时间进行研究，本研究拟以1951—2013年信阳市城区日均气温为研究对象，运用多种方法探讨四季变化特征.

1 研究区概况

信阳市城区位于河南省南部，多年(1951—2013年)平均气温为15.31 ℃，1月份平均气温为1.93 ℃，7月份平均气温为27.57 ℃；年降雨量为1096.66 mm，夏季降雨量(6—8月)占全年降雨量比重为47.35%，冬季降雨量(12月至翌年2月)占全年降雨量比重为8.82%.由此可知，信阳市城区气候特征为典型亚热带大陆性季风气候，夏季炎热、冬季寒冷，降雨量主要集中于夏季.

2 数据来源

本研究的数据包括信阳市城区1951—2013年日平均气温、月平均气温和月降雨量，数据来自于中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)，其信阳市城区站号为57297，经纬度为32°08′N，114°03′E，海拔为114.5 m.

3 研究方法

3.1 四季的划分方法

1934年，张宝堃先生提出以候(5天为一候)平均气温作为划分四季的标准[6]，在实际的操作过程中，不管是用每月6候或全年73候的划分的方法，均存在人为割裂天气过程的现象[5].本研究划分四季的方法，以张宝堃先生候温划分四季的方法为基础，同时对日平均温度进行5日滑动平均，该方法打破了年日界限；同时，农业界限温度(对农业生产具有指标或临界意义的温度)稳定通过的日期确定的方法也是5日滑动平均气温法，该方法划分四季即保留了候平均气温的优点，又克服其存在的不足，更加符合实际情况[5].

具体的划分方法如下：连续5日滑动平均气温稳定≥22 ℃时，5日滑动平均首日即为夏季开始时间；连续5日滑动平均气温稳定<10 ℃时，5日滑动平均首日即为冬季开始时间；从夏季到冬季，连续5日滑动平均气温稳定<22 ℃时，5日滑动平均首日即为秋季开始时间；从冬季到夏季，连续5日滑动平均气温稳定≥10 ℃时，5日滑动平均首日即为春季开始时间[3].特别强调一下，“稳定”指在某一个季节中，不能出现连续5日的滑动平均气温低于界限值.

为了便于比较，对四季开始的时间进行归一化，即从每一年的1月1日算起.如：入春时间为3月26日，归一化后的入春时间为31+28(平年)+26=85日，即从1月1日算起，第85天为入春的时间.

3.2 分析方法

Mann-Kendall检验是一种非参数检验法，在非正态分布的数据中检验更为合适，能够很好地揭示时间序列的突变检验和趋势变化，其详细介绍见文献[7-8].小波分析是通过平移和伸缩参数对信号的不同频率分量采用不同持续时间的窗函数来分析信号，不仅可以给出气候序列变化的尺度，还可以显示变化的时间位置，其详细介绍见文献[9-10].R/S分析法最早是由英国科学家赫斯特在研究尼罗河多年水文观测资料时提出的一种新的统计方法—变标度极差分析法(Rescaled Range Analysis，简称R/S).后来经Mandelbrot与Wallis在理论上对该方法进一步补充完善，把它发展成为研究时间序列的分形理论，详细介绍见参考文献[11].根据Hurst值的大小可以判断时间序列趋势成分是表现为持续性，还是反持续性.对于不同的Hurst指数H(0

表1 Hurst指数分级表[12]

4 结果与分析

4.1 四季开始及持续时间

运用5日滑动平均气温法，对1951—2013年信阳市城区日平均温度变化进行四季的划分，其结果如下：过去63年，信阳市城区平均入春、入夏、入秋、入冬的时间分别为：3月26日、5月29日、9月19日和11月20日.春季、夏季、秋季、冬季的长度分别约为：63.9、112.3、62.4、126.6 d(图1)，春、秋季时间较短，夏、冬季时间较长，四季中最长季节是冬季.夏半年(夏季和秋季)的时间长度约为174.76 d，冬半年(冬季和春季)的时间长度约为190.49 d，冬半年时长比夏半年长约15 d.

图1 1951-2013年信阳市城区四季平均开始时间及长度Fig.1 Sketch map of the average beginning and lengths of four seasons in Xinyang city during the last 63 years

4.2 趋势分析

运用Mann-Kendall方法进行趋势检验.信阳市城区入春的时间具有显著减少趋势，且减少速率为1.03 d/10 a；入夏、入秋和入冬的时间具有增加趋势，入秋和入冬的时间通过95%显著检验，其增加速率分别为0.61 d/10 a、1.3 d/10 a、1.52d/10 a(表2).信阳市城区春、夏、秋季长度具有增加趋势，其增加速率分别为1.95 d/10 a、0.83 d/10 a、1.41 d/10 a，春季长度通过95%显著检验，说明春季长度增加趋势较显著.冬季长度具有显著减少趋势(通过99%显著性检验)，且减少速率为2.86 d/10 a(表3).夏半年长度具有增加趋势，冬半年长度具有减少趋势(表3).

表2 1951-2013年信阳市城区四季开始时间M-K检验Tab. 2 The Mann-Kendall test in the beginning of four seasons in Xinyang city during 1951—2013

注：*和**分别表示信度通过了95%和99%的显著性检.

表3 1951-2013年信阳市城区四季、夏半年和 冬半年长度Mann-Kendall检验Tab. 3 The Mann-Kendall test of the duration of four seasons, summer half the year and winter half of year in Xinyang city during 1951-2013

注：*和**分别表示信度通过了95%和99%的显著性检.

过去63年，信阳市城区入春的时间显著提前，入秋和入冬的时间显著推迟；春季的长度显著的增加，冬季的长度显著的缩短.由此得出，近63年信阳市城区年均温度具有逐渐升高的趋势，与IPCC报告的近百年全球海陆平均气温变化趋势一致[1].

4.3 突变检验

根据UF变化曲线可知：(1)1959、1978和1998年，入春时间处于谷值(显著提前)，1996—2007年入春时间逐渐减少(提前)，2008—2013年入春时间逐渐升高(推迟)；1968年以后，春季长度逐渐增加，1987年以后UF值超过95%置信线，说明春季长度显著的增加.(2)1968—1994年入夏时间逐渐升高(推迟)， 1995—2008年入夏时间逐渐减少(提前)，2009—2013年入夏时间逐渐升高(推迟)，说明入夏时间经历了“推迟—提前—推迟”的过程；1962—1996年夏季长度逐渐缩短，1997年以后夏季长度逐渐增加.(3)1951—1997年入秋时间小幅度波动变化，1998年以后入秋时间逐渐增加(推迟)；1952—1992年秋季长度逐渐增加，1993—2003年秋季长度逐渐缩短，而后小幅度增加.(4)1953—1992年入冬时间逐渐增加(推迟)，1993—2003年入冬时间逐渐减少(提前)，此后入冬时间逐渐升高(推迟)，1987年以后UF值超过了95%置信线，说明1987年以后入冬的时间显著增加(推迟)；1956年以后冬季长度逐渐缩短，2001年以后冬季长度UF值超过了95%置信线，说明冬季长度显著的缩短.

根据Mann-Kendall突变检验理论，得出以下结论：(1)入春时间突变开始年份为1998年，突变的时间区域为2008年；春季长度突变开始的年份为1969年，突变的时间区域为1987—2013年.(2)入夏时间突变年份为1968年，突变的时间区域为1987—2004年；夏季长度不存在肯定性突变.(3)入秋时间突变年份为1998年，突变的时间区域为2009—2010、2012—2013年；秋季长度不存在肯定性突变.(4)入冬时间突变年份为1963和1976年，突变的时间区域为1965、1988—2002和2005—2013年；冬季长度突变年份为1996年，突变的时间区域为2001—2013年.

1987年以后，春季长度显著增加，入冬时间明显推迟；1998年以后，夏季长度逐渐增加，入秋时间逐渐推迟；2001年以后，冬季长度显著减少，说明1987年以后年均温度升高的速率较之前增大，与IPCC报告中“距今时间尺度越短，升温速率越大”的结论相一致[1].

4.4 周期分析

根据小波分析的基本原理，通过95%置信区间周期为：入春时间具有2.5 a、准4 a和准6 a变化周期，且准6a变化周期较显著.春季长度具有2.5 a、准4 a和准8 a变化周期，其中准8 a变化周期较显著.入夏时间具有2.5 a、准6 a和准8 a变化周期，且准8a变化周期较显著、2.5 a变化周期不显著.夏季长度具有3～4 a、5～6 a变化周期，其中3～4 a变化周期较显著.入秋时间和秋季长度具有显著的准3a变化周期.入冬时间和冬季的长度具有显著的2～4 a变化周期(图2).

图2 1951-2013年信阳市城区四季 开始时间及持续时间整体能量谱a-d分别为四季开始时间(春、夏、秋、冬)，e-f分别为 四季长度，灰色线为95%置信区间Fig. 2 The overall energy spectrum of beginning and duration of four seasons in Xinyang city during 1951-2013

4.5 R/S分析

1951—2013年，入春时间和冬季长度具有减少的趋势，Hurst值介于0.5和1之间，意味着未来变化趋势将持续减少，且持续强度为较强等级；入夏、入秋、入冬时间和春季、夏季、秋季长度均具有增加趋势，Hurst值介于0.5和1之间，说明未来变化趋势将持续增加，且入夏时间、春季长度和夏季长度持续强度为较强等级，秋季长度增加的持续强度为很弱的等级.根据Hurst指数的结果，信阳市城区暖化的现象将持续.

表4 信阳市城区四季开始时间及 持续时间的R/S分析结果及未来发展趋势Fig. 4 Result of R/S analysis of the beginning and duration of four seasons and future developing trend in Xinyang city

5 结论

运用5日滑动平均、Mann-Kendall检验、小波分析和R/S分析等方法，对1951—2013年信阳市城区日平均温度变化进行四季的划分研究，主要结论：(1)信阳市城区四季中，冬季时间最长，春季时间最短，冬半年长度大于夏半年；(2)入春时间提前、入冬时间推迟，春季长度增加、冬季长度缩短，说明信阳市城区均温具有升高的趋势，与IPCC报告最近100年温度变化趋势一致；(3)根据R/S分析结果，未来信阳市城区暖化的趋势将持续，需要采取积极行动应对全球变暖.