近50年关中西部24节气气温变化特征及突变分析

雷 雯，张向荣

(1.宝鸡市气象局，陕西宝鸡 721006；2.阎良区气象局，西安 710089)

24节气是我国历史上的历法，起源于黄河中下游地区。它反映了季节变化、物候现象、气候变化，涵盖了天文、地理、人文、农事等，在农耕时代发挥了重要作用，在现代农业生产中也具有重要的指导意义。近年来针对24节气特征和规律变化的研究越来越多，翼翠华等[1]分析了黄河中下游地区24节气气温、湿度、风速等6个气象要素的气候变化特征，董蓓等[2]对1961—2014年华北平原24节气热量资源的时空分布变化特征进行了分析，赵芮芮[3]对1960—2016年我国冬小麦主产区24节气平均气温、最高气温、最低气温、降水量和日照时数等变化特征进行了研究。

陕西关中西部属暖温带半干旱半湿润大陆性季风气候，四季分明，光、热、水资源丰沛，是我国主要的粮、油、果、畜生产基地之一。境内地质构造复杂，山、川、塬兼备，南、西、北三面环山，地貌差异大，受特殊地理位置影响境内冷暖空气交替频繁，是气象灾害频发区，也是气候脆弱区[4]。在全球气候变暖的大背景下，关中西部近50 a来年平均气温以0.238 ℃/10 a气候倾向率上升[5]。气候变暖势必影响24节气内气象要素时空分布，而气温是气候的主要指标，作物的生长发育要求一定的环境温度，环境温度过高或过低，作物会出现相应的低温灾害和高温热害[6]；因此以气温为主，深入分析关中西部24节气的气温变化规律，并对惊蛰、清明、小满、芒种4个物候性节气的气温突变特征进行研究分析，充分认识气候变化对本地农业生产的影响，从而适当调整农业生产布局，因地制宜、分类指导[7]，以期为关中西部农业积极应对气候变化，合理开发利用农业气候资源，指导现代农业活动提供理论依据。

1 数据来源和研究方法

1.1 研究地域

关中西部宝鸡市行政辖区4区8县，各县区地理位置划分为：川塬区包含渭滨区、金台区、陈仓区、凤翔区、岐山县、眉县、扶风县；南部山区包含太白县、凤县；北部山区包含陇县、千阳县、麟游县。渭滨区国家气象站位于宝鸡市区，太白县、陇县气象站为国家基本气象站，3站建站时间长，气象数据资料全，在所处的地理区域中均具有代表性。因此本文用渭滨区代表川塬区，太白县代表南部山区，陇县代表北部山区，对关中西部不同地域24节气的气温变化特征进行分析研究。

1.2 数据来源

气象资料为渭滨区、太白县、陇县3个国家气象站1970—2019年逐日平均气温、最高气温、最低气温等气象数据，来自国家气象信息中心。

1.3 24节气的划分

24节气在现行的公历中日期随年份变化有2～3 d的变动。为了方便统计研究，为每个节气确定了代表日期。如变动日期为3 d取中间日期，变动日期为2 d取后一天为代表日期[8]；同时以立春、立夏、立秋、立冬四个节气为分界线，将24节气划分为春季型、夏季型、秋季型、冬季型节气[9]。节气类型划分和代表日期见表1。

表1 24节气及代表日期

1.4 研究方法

利用数理统计、线性趋势分析方法分析24节气气温的分布特征和变化趋势；以惊蛰、清明、小满和芒种4个物候性节气为代表，用非参数Mann-Kendall(简称M-K)检验法和滑动T检验法对物候性节气进行气温突变检验。

2 结果和分析

2.1 气温基本特征

按照24节气顺序，分析关中西部川塬区、南部山区、北部山区1970—2019年各节气的平均气温、最高气温、最低气温分布(图1为川塬区分布图，南、北部山区图略)，发现关中西部24节气的气温呈单峰型分布，且平均气温、最高气温、最低气温曲线走势一致。川塬区、南部山区、北部山区均为大暑气温最高，平均气温分别为26.3、20.0、23.7 ℃，最高气温分别为31.6、26.3、29.5 ℃；小暑气温次高。三地小寒气温最低，平均气温分别为0.3、-4.1、-2.3 ℃，最低气温分别为-3.2、-9.6、-6.6 ℃。川塬区冬至气温次低，南、北部山区大寒次低。

图1 1970—2019年关中西部川塬区24节气气温分布

关中西部川塬区、南部山区、北部山区三地两两相邻节气平均气温差见图2。川塬区清明、南部山区惊蛰和清明、北部山区惊蛰气温升幅最大，较前一节气分别上升了3.3、3.2、3.1 ℃。三地立冬气温降幅最大，较前一节气分别下降了3.8、3.5、3.9 ℃。可见一年当中三地节气升温时间略有差异，降温时间一致。三地相邻节气气温变化最大的均为春季型节气(增温)，秋季型节气(降温)次之，夏季型节气最小。春季和秋季型节气气温变幅明显大于冬季和夏季型，说明春季型和秋季型节气气温变化起伏剧烈，验证了“一场春雨一场暖，一场秋雨一场寒”的谚语。

图2 1970—2019年关中西部川塬区、南部山区、北部山区相邻节气平均气温差

三地24节气气温日较差分布见图3。川塬区冬季型、南北部山区秋季型节气气温日较差较小，最小为白露，日较差分别为8.0、9.7、8.9 ℃。川塬区和北部山区夏季型节气日较差较大，川塬区最大为小满时的11.7 ℃，北部山区最大为谷雨、小满、芒种，均为13.2 ℃。南部山区冬季型节气日较差较大，最大为谷雨时的13.1 ℃。三地各节气气温日较差相比较，各节气均为川塬区最小，大暑至来年雨水南部山区最大，清明至夏至北部山区最大。

图3 1970—2019年关中西部川塬区、南部山区、北部山区节气气温日较差

为观察不同节气气温近50 a变化趋势，统计川塬区、南部山区、北部山区24节气平均气温、最高气温、最低气温、气温日较差的线性趋势率(见表2，气温日较差线性趋势率略)。由表2可知，除南、北部山区小寒节气最高气温呈降温趋势外，三地平均气温、最高气温、最低气温均呈增温趋势，川塬区增温最显著，北部山区最不显著。

表2 1970—2019年关中西部24节气气温线性趋势率 单位：℃/10 a

续表

就季节性节气而言，三地均为春季型节气增温最明显，除立春外，其他节气平均气温、最高气温、最低气温全部通过0.05的显著性检验，呈显著增温趋势。绝大多数节气通过0.01的显著性检验，呈极显著增温趋势。平均气温线性趋势率，川塬区和北部山区惊蛰最大，分别为0.875、0.680 ℃/10 a，南部山区雨水最大为0.736 ℃/10 a。夏季、秋季和冬季型节气，最低气温比平均气温和最高气温增温显著(北部山区冬季型节气除外)，最高气温增温最不明显。这与任国玉[10]等研究认为“近50年中国地面气温的增加主要是平均最低气温明显上升”的结果一致。

春季型节气气温日较差多呈增大趋势，但仅川塬区和北部山区的惊蛰通过0.05的显著性检验；夏季、秋季、冬季型节气多呈减小趋势，仅南部山区的小寒表现显著。

2.2 平均气温年代际变化特征

统计关中西部川塬区、南部山区、北部山区不同年代气温距平，发现三地24节气气温年代变化呈波动上升趋势，气温距平呈现“负—正”变化特征。20世纪70—80年代三地气温为负距平的节气各在20个以上，说明70—80年代大部分节气气温偏低；20世纪90年代开始负距平逐渐减少，三地气温偏低和偏高的节气数量相近，说明90年代24节气间气温变化差异大。南部山区负距平减少数量相对少，说明其变暖的趋势较其他两地缓慢；21世纪2000—2010年代三地气温大多为正距平，说明大部分节气气温偏高。

20世纪70年代—2010年代三地(70年代南部山区除外)春季型节气气温距平值最大，说明春季型节气气温起伏波动最大，验证了“春天孩儿面，一日变三变”的谚语。

2.3 物候性节气平均气温变化及突变特征

反映物候现象的惊蛰、清明、小满、芒种4个节气与作物生长发育关键期紧密相关，研究这4个物候型节气的气温变化和突变特征，可为农业生产和农事活动提供更多参考依据。统计发现，关中西部川塬区、南部山区、北部山区4个物候性节气平均气温变化趋势基本一致，因此以川塬区为代表，对1970—2019年4个物候型节气平均气温距平进行线性趋势拟合，并对平均气温进行M-K突变检验和滑动T检验，分析物候型节气平均气温的变化趋势和突变情况。

2.3.1 惊蛰 由图4a可知，近50 a惊蛰气温呈极显著上升趋势，增温趋势通过0.01显著性检验。距平呈“负—正”分布，1970—1998年基本为负距平，1998年之后基本为正距平。正距平2013年最大(6.0 ℃)，负距平1970年最大(-4.8 ℃)。由图4b可看出,1988年UF<0为下降趋势，1970、1994年UF=0，其余年份UF>0，并在1973、2004—2019年超出0.05显著性水平临界线(U0.05=1.96)，呈显著增温，其中2009—2019年超出0.01显著性水平临界线(U0.01=2.56)，为极显著增温。UF和UB在0.05显著性水平临界线内只有1999年一个交点，说明1999年为惊蛰气温转暖突变年。

图4 1970—2019年关中西部川塬区惊蛰平均气温距平变化(a)及M-K突变检验(b)

2.3.2 清明 由图5a可知，近50 a清明气温呈极显著上升趋势，增温趋势通过0.01显著性检验，5 a滑动平均曲线呈两峰两谷波动状态，正距平2009年和2019年最大(3.2 ℃)，负距平1971年最大(-4.0 ℃)。由图5b可看出，1971、1994、1996、1997年UF<0，1970年UF=0，其余年份UF>0，2005—2019年气温为显著增温，其中2008—2019年为极显著增温。UF和UB在0.05显著性水平临界线内出现两个交点，通过滑动T检验(图略)，确定1999年为清明气温转暖突变年。

2.3.3 小满 由图6a可知，近50 a小满气温呈波动上升趋势，增温趋势通过0.05显著性检验，5 a滑动平均曲线呈四谷三峰波动状态，波动性强，波动幅度小。正距平2008年最大(2.8 ℃)，负距平1983年最大(-2.8 ℃)。由图6b可看出，1972年UF<0，1970，1973年UF=0，其余年份UF>0，1981—1982、2001—2019年气温显著增温，其中2007—2010、2014年为极显著增温。1976年为小满气温转暖突变年。

图5 1970—2019年关中西部川塬区清明平均气温距平变化(a)及M-K突变检验(b)

图6 1970—2019年关中西部川塬区小满平均气温距平变化(a)及M-K突变检验(b)

2.3.4 芒种 近50 a芒种气温呈波动上升趋势(图略)，增温趋势通过0.05显著性检验，5 a滑动平均曲线为两峰两谷。正距平2003年最大(2.7 ℃)，负距平1987年最大(-4.2 ℃)。

对1970—2019年芒种平均气温进行M-K突变检验(图略)，1985—1996年UF<0，1970、1997年UF=0，其余年份UF>0，2005—2007、2009、2011—2019年显著增温，其中2016年为极显著增温。UF和UB曲线出现多个交点，通过滑动T检验，确定1995年为芒种气温转暖突变年。

3 结论

(1)近50 a 关中西部24节气气温呈单峰型分布,大暑气温最高，小寒最低。春季型节气增温最快，秋季型节气降温最快，春季增温速率快于秋季降温速率。惊蛰和清明气温升幅最大，立冬降幅最大。气温日较差冬季型(川塬区)和秋季型节气(南北山区)最小，夏季型(川塬区和北部山区)和冬季型节气(南部山区)最大。

(2)近50 a 关中西部川塬区比南、北部山区增温显著。春季型节气除立春外，平均气温、最高、最低气温均为显著增温趋势，而夏季、秋季和冬季型节气最低气温比平均气温和最高气温增温显著(北部山区冬季型节气除外)。气温日较差春季型节气多呈增大趋势，其他季节型节气多呈减小趋势，但增大和减小趋势不显著。

(3)近50 a 关中西部24节气气温年代变化呈波动上升趋势，气温距平呈“负—正”变化。20世纪70—80年代大部分节气气温偏低；20世纪90年代气温偏低和偏高的节气数量相近；21世纪2000—2010年代大部分节气气温偏高。

(4)近50 a关中西部惊蛰、 清明气温为极显著上升趋势，小满、芒种为显著上升趋势。惊蛰气温距平呈“负—正”分布，1973、2004—2019年显著增温，1999年为气温转暖突变年。清明气温5 a滑动平均曲线呈两峰两谷波动，2005—2019年显著增温，1999年为转暖突变年。小满5 a滑动平均曲线呈四谷三峰波动，1981—1982、2001—2019年显著增温，1976年为转暖突变年。芒种5 a滑动平均曲线呈两峰两谷，2005—2007、2009、2011—2019年显著增温，1995年为转暖突变年。