常德市不同地理環(huán)境四季變化特征對(duì)比分析

桑友偉　孟蕾

摘要：為向湖南省常德市生態(tài)資源利用和規(guī)劃提供更細(xì)致的參考，利用1977—2011年日平均氣溫資料，采用線性傾向估計(jì)法、Mann-Kendall法、Pearson方法、Morlet小波分析法等方法對(duì)比分析了常德市城區(qū)和石門縣山區(qū)不同地理環(huán)境中四季初始日期及季節(jié)長(zhǎng)度變化特征。結(jié)果表明，常德市城區(qū)和石門縣山區(qū)四季的平均初始日期整體相差較小;但石門縣比常德市城區(qū)要推遲入夏，提前入秋;石門縣比常德市城區(qū)春、秋長(zhǎng)，夏季短，冬季無(wú)差別。兩地四季初始日期和季節(jié)長(zhǎng)度的變化幅度皆比較大，尤其在夏季初始日期變幅最大。兩地在夏季出現(xiàn)初始日期差值和季節(jié)長(zhǎng)度差值的頻率最高;兩地春、秋兩季初始日期的差異通常只影響春、秋兩季當(dāng)季的長(zhǎng)度，但夏、冬季節(jié)的差異則影響到相鄰兩個(gè)季節(jié)。兩地四季初始日期周期特征存在一定差異，在20年以上的大時(shí)間尺度上主要差異體現(xiàn)在冬季，在20年以下的時(shí)間尺度上主要差異體現(xiàn)在夏季。兩地夏季初始日期皆顯著提前，夏季長(zhǎng)度皆顯著延長(zhǎng)，皆為突變現(xiàn)象，不同的是，常德市城區(qū)秋季長(zhǎng)度顯著變短，石門縣春季長(zhǎng)度顯著變短。

關(guān)鍵詞：四季;地理環(huán)境;Mann-Kendall檢驗(yàn);小波分析;常德市

中圖分類號(hào)：P467? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）15-0055-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.15.012? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Comparative analysis on variation characteristics of seasons at

different geographical environment of Changde city

SANG You-wei，MENG Lei

（China Meteorological Administration Training Centre Hunan Branch， Changsha 410125，China）

Abstract： In order to provide more detailed reference for the utilization and planning of ecological resources in Changde city of Hunan province， the daily average temperature data from 1977 to 2011 were used to compare and analyze the variation characteristics of seasons start date and seasonal length in different geographical environments in Changde urban area and Shimen mountain area by linear tendency estimation method， Mann-Kendall method， Pearson method and Morlet wavelet analysis method. The results show that the average start date of seasons in Changde urban area and Shimen mountain area has a small difference， but it delays entering summer and autumn in Shimen county than that in Changde urban area. Compare to Changde urban area， Shimens spring and autumn are longer， but summer is shorter， and has no difference in winter. The variation range of the start date and seasonal length of four seasons between the two areas is relatively large， especially in summer. The frequency of the difference of the start date and the seasonal length between the two areas is the highest in summer， and the difference of the start date between the two areas in spring or autumn usually only affects the length of spring or autumn， but the difference of the summer and winter season affects the adjacent two seasons. There are some differences on the period characteristics of the four seasons start dates between the two areas， the main differences on the large time scale over 20 years are in winter， and the main differences on the time scale below 20 years are in summer. The start date of summer is significantly earlier， the length of summer is significantly longer， both are sudden changes; the difference is that the length of autumn in Changde is significantly shorter， and the length of spring in Shimen is significantly shorter.

Key words： season; geographical environment; Mann-Kendall test; Morlet wavelet analysis; Changde city

常德市位于湖南省北部，洞庭湖西側(cè)，是環(huán)洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)圈的重要城市，境內(nèi)地形地貌既有平原、丘崗，也有山地，地勢(shì)總體西北高東南低，其中常德市城區(qū)武陵區(qū)和鼎城區(qū)以平原為主，其下轄的石門縣位于常德市西北部，以山地為主[1]，受地形地貌及相應(yīng)地理環(huán)境影響，常德市城區(qū)與石門縣山區(qū)在眾多氣象條件上有著一定的不同，四季初始日期及季節(jié)長(zhǎng)度在很大程度上受到氣象條件的影響，且四季與人們生產(chǎn)生活息息相關(guān)，如果同一地區(qū)不同地理環(huán)境針對(duì)四季的生產(chǎn)生活采取同一套原則將會(huì)出現(xiàn)一定的偏差，因此研究常德市不同地理環(huán)境中的四季變化特征有比較重要的意義。

關(guān)于四季初始日期變化的研究有很多，國(guó)內(nèi)外許多專家對(duì)此作了詳細(xì)細(xì)致的研究，如張寶堃[2]提出的季節(jié)劃分標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)今仍然作為氣候季節(jié)劃分的標(biāo)準(zhǔn);而楊詩(shī)芳等[3]提出了適宜江浙等級(jí)的季節(jié)劃分標(biāo)準(zhǔn);郁珍艷等[4-6]、張世軒等[7]分析了中國(guó)四季長(zhǎng)度、四季初始日期等特征，并研究了氣候變化背景下中國(guó)四季的變化;吳昊旻等[8]、王雷等[9]、范思睿等[10]則研究了近50年長(zhǎng)三角地區(qū)、東北地區(qū)、青藏高原四季的氣候變化特征;還有眾多研究人員立足所在省市[11-14]研究當(dāng)?shù)貛资晁募咀兓?。這些研究都為研究四季劃分標(biāo)準(zhǔn)以及四季初始日期及季節(jié)長(zhǎng)度對(duì)全球變暖的響應(yīng)提供了有利參考。但以往這些研究主要集中在對(duì)四季劃分標(biāo)準(zhǔn)和變化趨勢(shì)的分析，本研究主要對(duì)比分析了同一地區(qū)不同地理環(huán)境中四季初始日期及季節(jié)長(zhǎng)度差異，為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展、人民生產(chǎn)生活、生態(tài)資源利用和規(guī)劃提供更細(xì)致的參考。

1? 資料選取與方法

1.1? 資料來(lái)源與站點(diǎn)介紹

選取湖南省常德市及其下轄石門縣的兩個(gè)國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站1961—2015年逐日平均氣溫資料進(jìn)行初步篩選和處理，由于石門觀測(cè)站于1977年搬遷至新站，常德觀測(cè)站于2012年搬遷至新站，遷站會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的非均一性[15]，為了保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性，選取1977—2011年日平均氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行常德市四季初始日期及季節(jié)長(zhǎng)度變化特征分析。

常德觀測(cè)站位于常德市鼎城區(qū)，周邊地形以平原為主，測(cè)站海拔高度35 m;石門觀測(cè)站位于石門縣，地形以山地為主，石門縣平均海拔約500 m，測(cè)站海拔116.9 m。

1.2? 四季劃分標(biāo)準(zhǔn)

四季劃分以2012年8月中國(guó)氣象局發(fā)布的氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《氣候季節(jié)劃分》為依據(jù)，當(dāng)年氣候季節(jié)起始日確定以5日滑動(dòng)平均氣溫穩(wěn)定通過(guò)10 ℃初日為入春，穩(wěn)定通過(guò)22 ℃初日為入夏，穩(wěn)定通過(guò)22 ℃終日后1 d為入秋，穩(wěn)定通過(guò)10 ℃終日后1 d為入冬。其中計(jì)算5日滑動(dòng)平均氣溫所用公式：

TMj=■? （1）

式中，TMj為第j日5日滑動(dòng)平均溫度值，單位為℃;tj為第j日平均溫度，單位為℃。

1.3? 研究方法

要素隨時(shí)間變化趨勢(shì)采用線性傾向估計(jì)方法[16]，顯著性檢驗(yàn)和突變分析采用Mann-Kendall法[17]，相關(guān)分析采用Pearson方法[18]，周期變化分析采用Morlet小波分析法[19]，保證率[20]則利用頻率進(jìn)行計(jì)算。

應(yīng)用小波分析法分析四季初始日期時(shí)，以每年1月1日為當(dāng)年第一天，計(jì)算四季初始日期距離當(dāng)年第一天的長(zhǎng)度和四季初始日期距平值，按年份進(jìn)行排序，在此基礎(chǔ)上得出距平序列的Morlet小波變換系數(shù)在時(shí)間-頻率域中的變化情況，虛線表示季節(jié)初始日期提前，實(shí)線表示延后，小波系數(shù)絕對(duì)值大則表明該時(shí)間尺度變化顯著，等值線密集區(qū)代表周期特征明顯，正負(fù)小波系數(shù)的零等值線反映了信號(hào)的突變點(diǎn)[14]。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 初始日期與季節(jié)長(zhǎng)度氣候特征

2.1.1? 1977—2011年兩地各季節(jié)初始日期與季節(jié)長(zhǎng)度? 根據(jù)國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)常德市四季進(jìn)行劃分，得到歷年四季的初始日期和季節(jié)長(zhǎng)度。由表1可知，1977—2011年，常德市地區(qū)夏季最長(zhǎng)，冬季次之，春、秋季較短。常德市城區(qū)和石門縣兩地各個(gè)季節(jié)的平均初始日期整體相差較小，其中夏季初始日期相差3 d，秋季相差1 d，春、冬季節(jié)無(wú)差別;80%保證率下，常德市城區(qū)和石門縣的入春和入冬日期相差較小，僅相隔1 d，但比較入夏和入秋的日期時(shí)發(fā)現(xiàn)，石門縣比常德市城區(qū)要推遲5 d入夏，提前3 d入秋。

比較常德市城區(qū)和石門縣同一季節(jié)長(zhǎng)度的平均值發(fā)現(xiàn)，春季長(zhǎng)度相差3 d，夏季相差5 d，秋季相差2 d，冬季無(wú)差別。石門縣比常德市城區(qū)春、秋長(zhǎng)，夏季短，冬季無(wú)差別。

常德市城區(qū)和石門縣兩地都顯示出四季初始日期和季節(jié)長(zhǎng)度的變化幅度較大。常德市城區(qū)春季最早和最晚初始日期相差36 d，夏季則相差了61 d，秋季相差32 d，冬季相差43 d;石門縣春季的最早和最晚初始日期相差48 d，夏季相差59 d，秋季相差44 d，冬季相差44 d。常德市城區(qū)最長(zhǎng)和最短季節(jié)長(zhǎng)度之差最多達(dá)68 d（夏季），最少為51 d（冬季）;石門縣最長(zhǎng)和最短季節(jié)長(zhǎng)度之差最多達(dá)65 d（夏季），最少為49 d（冬季）。由常德市城區(qū)和石門縣對(duì)比分析可知，常德市城區(qū)在夏、冬兩季的最長(zhǎng)和最短季節(jié)長(zhǎng)度之差比石門縣大，而在春、秋兩季則比石門縣小。

2.1.2? 兩地各季節(jié)初始日期相關(guān)性? 分析常德市城區(qū)與石門縣兩地各季節(jié)初始日期相關(guān)性（表2）發(fā)現(xiàn)，常德市城區(qū)與石門縣四季的初始日期都呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明在較大程度上兩地的四季初始日期同步，并且常德市城區(qū)春季與夏季、常德市城區(qū)春季與石門縣夏季也呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明當(dāng)年常德市城區(qū)如果入春提早或推后，則一定程度上會(huì)影響整個(gè)常德市所轄地區(qū)的入夏日期。

2.1.3? 兩地各季節(jié)初始日期差值與季節(jié)長(zhǎng)度差值及其相關(guān)性? 雖然常德市城區(qū)與石門縣四季初始日期在較大程度上同步，但進(jìn)一步對(duì)比常德市城區(qū)和石門縣兩地各年四季初始日期和季節(jié)長(zhǎng)度相差時(shí)間發(fā)現(xiàn)，兩地在夏季的初始日期相差頻率最高，其次是秋季和冬季，春季最低。其中，夏季初始日期兩地在1983年相隔超過(guò)40 d，在1986年相隔超過(guò)30 d，1977年春季、1994年秋季、1995年冬季初始日期兩地相隔均超過(guò)20 d（圖1）。兩地季節(jié)長(zhǎng)度差值同樣在夏季的出現(xiàn)頻率最高，其次是冬、春、秋季。多數(shù)情況下初始日期早（晚）的當(dāng)年季節(jié)長(zhǎng)度相對(duì)較長(zhǎng)（短），但有些年份有所不同，如1977年常德市城區(qū)比石門縣晚25 d入春，當(dāng)年的常德市春季則比石門縣短22 d，并未明顯影響當(dāng)年其他季節(jié)長(zhǎng)度（圖2）。

對(duì)兩地四季初始日期差值和季節(jié)長(zhǎng)度差值的相關(guān)性進(jìn)行分析，結(jié)果見表3。由表3可知，春季初始日期差值與季節(jié)長(zhǎng)度差值呈顯著負(fù)相關(guān);夏季初始日期差值與當(dāng)年春季長(zhǎng)度差值呈極顯著正相關(guān)，與當(dāng)年夏季長(zhǎng)度差值呈極顯著負(fù)相關(guān);秋季初始日期差值與秋季長(zhǎng)度差值呈顯著負(fù)相關(guān);冬季初始日期差值與秋季長(zhǎng)度差值呈極顯著正相關(guān)，與冬季長(zhǎng)度差值呈極顯著負(fù)相關(guān);春季長(zhǎng)度差值與夏季長(zhǎng)度差值呈極顯著負(fù)相關(guān);夏季長(zhǎng)度差值與冬季長(zhǎng)度差值呈顯著負(fù)相關(guān);秋季長(zhǎng)度差值與冬季長(zhǎng)度差值呈極顯著負(fù)相關(guān)。這說(shuō)明常德市城區(qū)與石門縣相比，春、秋兩季的初始日期提早或延遲通常只影響春、秋兩季當(dāng)季的長(zhǎng)度，即如果常德市城區(qū)春、秋兩季的初始日期早于石門縣，則意味著常德市城區(qū)當(dāng)年春季、秋季長(zhǎng)度長(zhǎng)于石門縣，但不意味著常德市城區(qū)會(huì)比石門縣早入夏、入冬，反之同理。夏、冬季節(jié)初始日期提早或延遲則影響到相鄰兩個(gè)季節(jié)，夏季的初始日期影響了當(dāng)年春、夏兩季的長(zhǎng)度，而冬季的初始日期影響了秋、冬兩個(gè)季節(jié)，即如果常德市城區(qū)夏季、冬季的初始日期早于石門縣，則意味著常德市城區(qū)當(dāng)年春季、秋季長(zhǎng)度短于石門縣，而夏季、冬季長(zhǎng)度長(zhǎng)于石門縣，反之同理。

2.2? 初始日期周期變化特征

為了更加明確兩地四季初始日期的周期變化特征，計(jì)算初始日期距平系列并作小波分析。由圖3可知，35年來(lái)常德市城區(qū)春季初始日期存在2～4年、5～10年和15年以上的周期，2～4年的周期在1982年以前和2006年以后較強(qiáng)，中間時(shí)段較弱，5～10年的周期在1990年以后增強(qiáng)，15年以上的周期一直信號(hào)較強(qiáng)。常德市城區(qū)夏季初始日期存在2～4年、5～8年、9～13年、14～25年和26年以上的周期，1997年后5～8年周期出現(xiàn)顯著增強(qiáng)，其他周期較穩(wěn)定。常德市城區(qū)秋季初始日期在2～3年、4～6年、7～20年和21年以上時(shí)間尺度上存在周期特征，其中2～3年周期在1987年前和2007年后較強(qiáng)，中間時(shí)段較弱，4～6年周期特征較穩(wěn)定，且在1993年后信號(hào)增強(qiáng)，7～20年周期則在2000年后信號(hào)減弱，21年以上周期特征信號(hào)一直較強(qiáng)。常德市城區(qū)冬季初始日期在2～3年、4～6年和7～17年時(shí)間尺度上周期特征顯著，其中2～3年周期特征在1993—1999年較強(qiáng)，其他時(shí)段較弱，4～6年周期特征一直較穩(wěn)定，7～17年周期特征相比其他周期信號(hào)更強(qiáng)，但在1996年后有所減弱。

石門縣春季初始日期存在2～3年、4～10年和15年以上的周期，2～3年在1982年前和2007年后較強(qiáng)，中間時(shí)段較弱，4～10年周期信號(hào)一直較強(qiáng)較穩(wěn)定，15年以上周期振蕩信號(hào)最強(qiáng)且穩(wěn)定。石門縣夏季初始日期存在2～4年、5～8年、9～18年和23年以上的周期，且2～4年和5～8年周期特征較穩(wěn)定，2000年后5～8年周期增強(qiáng)，9～18年周期在1990年后顯現(xiàn)，23年以上周期一直較強(qiáng)且穩(wěn)定。石門縣秋季初始日期存在2～3年、4～6年、7～9年、10～13年、15～20年和21年以上的周期，4～20年和21年以上周期信號(hào)較強(qiáng)。石門縣冬季初始日期存在2～3年、4～6年、7～15年和16年以上的周期，其中4～6年周期特征穩(wěn)定，7～15年周期特征較強(qiáng)，但在2000年后略有減弱，16年以上周期弱于其他季節(jié)大時(shí)間尺度上的周期。

常德市城區(qū)與石門縣同屬同一地區(qū)，春、夏、秋3個(gè)季節(jié)的初始日期周期特征在20年以上的大時(shí)間尺度上表現(xiàn)相近，冬季表現(xiàn)有所不同;在10～20年的時(shí)間尺度上，春、秋、冬3個(gè)季節(jié)表現(xiàn)相近，但夏季差異較大，常德市城區(qū)夏季在此時(shí)間尺度上周期特征明顯，而石門縣很弱;在10年以下的時(shí)間尺度上，兩地4個(gè)季節(jié)初始日期周期特征相近，但在某些年份的夏季周期信號(hào)強(qiáng)弱有較明顯不同，如1982年和1987年的夏季。

2.3? 初始日期與季節(jié)長(zhǎng)度年際變化趨勢(shì)

進(jìn)一步分析常德市城區(qū)和石門縣兩地四季初始日期和季節(jié)長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)和突變特征。由表4可知，35年來(lái)常德市城區(qū)和石門縣夏季初始日期呈現(xiàn)顯著或極顯著提前趨勢(shì)，而春、秋、冬3季的初始日期變化不顯著;常德市城區(qū)夏、秋季長(zhǎng)度和石門縣春、夏季長(zhǎng)度有顯著或極顯著的變化，兩地冬季長(zhǎng)度變化皆未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。常德市城區(qū)夏季初始日期每10年提前4.79 d，石門縣夏季初始日期每10年提前5.63 d，由此而導(dǎo)致常德市城區(qū)和石門縣夏季的季節(jié)長(zhǎng)度每10年增加的時(shí)間超過(guò)7 d，并使得春、秋兩季長(zhǎng)度顯著變短，尤其是石門縣春季每10年減少5.29 d，兩地冬季則影響不大。

分析常德市城區(qū)與石門縣兩地初始日期之差和季節(jié)長(zhǎng)度之差的年際變化發(fā)現(xiàn)，兩地四季的初始日期差值皆減小，春季的初始日期差值呈顯著減小，通過(guò)置信水平為0.05的顯著性檢驗(yàn)，其他季節(jié)未通過(guò)顯著性檢驗(yàn);兩地季節(jié)長(zhǎng)度差值皆減小，其中春季長(zhǎng)度差值顯著減小，通過(guò)置信水平為0.05的顯著性檢驗(yàn)，夏、秋、冬3季長(zhǎng)度差值減小不顯著。

為分析變化顯著的常德市城區(qū)與石門縣兩地初始日期與季節(jié)長(zhǎng)度是否是突變現(xiàn)象，故對(duì)變化顯著的常德市城區(qū)和石門縣夏季初始日期及季節(jié)長(zhǎng)度、常德市城區(qū)與石門縣春季初始日期之差和春季長(zhǎng)度之差進(jìn)行突變檢測(cè)。發(fā)現(xiàn)常德市城區(qū)和石門縣夏季初始日期及季節(jié)長(zhǎng)度變化是突變現(xiàn)象，但兩地春季初始日期差值和長(zhǎng)度差值的變化不是突變現(xiàn)象。前者突變現(xiàn)象由圖4可知，常德市城區(qū)夏季初始日期自1983年開始皆有提早，自2006年至今顯著提早，突變年份是1994年;常德市城區(qū)夏季長(zhǎng)度自1983年開始增加，自2006年至今顯著增加，突變年份是1994年。石門縣夏季初始日期1981—1990年是有所延遲的，自1993年起有所提早，2005年至今顯著提早，突變年份是1994年;石門縣夏季長(zhǎng)度自1985年開始有所增加，2005年至今顯著增加，突變年份是1994年。