氣候變化背景下四季的天文劃分法和節(jié)氣劃分法的優(yōu)劣變化

宋英杰 隋偉輝 信 欣 魏思靜

一、引 言

關(guān)于四季的劃分，存在強調(diào)天文特征和氣候特征的不同劃分方式。天文劃分法是以春分(Spring Equinox) 、夏至(Summer Solstice)、秋分(Autumn Equinox)和 冬至(Winter Solstice)作為四季起始點的季節(jié)劃分方式，在黃道上依次對應(yīng)黃經(jīng)0°、90°、180°和270°。春分和秋分作為晝夜平分日，夏至和冬至依次作為白晝最長日和白晝最短日，是最具地域共性和清晰指征的天文時點。它們不僅是中國古代最早被測定的節(jié)氣，也是二十四節(jié)氣中最具國際性的四個節(jié)氣，是世界上很多國家至今仍采用的季節(jié)劃分節(jié)點。節(jié)氣劃分法是以立春(Spring Begins)、立夏(Summer Begins)、立秋(Autumn Begins)和立冬(Winter Begins)作為四季起始點的季節(jié)劃分方式，在黃道上依次對應(yīng)黃經(jīng)315°、45°、135°和225°，它們是在“二至二分”基礎(chǔ)上的時令細分，與“二至二分”共同構(gòu)成“四時八節(jié)”，是二十四節(jié)氣體系的雛形(圖1)。先秦時期《鹖冠子》：斗柄東指，天下皆春；斗柄南指，天下皆夏；斗柄西指，天下皆秋；斗柄北指，天下皆冬(1)黃懷信：《鹖冠子校注》，中華書局，2014年，第70頁。。在先秦時期，它們已是中國古人觀天測候的主要時點。先秦時期《左傳》：(僖公五年)凡分至啟閉，必書云物，為備故也(2)楊伯峻：《春秋左傳注》，中華書局，1990年，第303頁。。其中，分代表春分秋分，至代表冬至夏至，啟代表立春立夏，閉代表立秋立冬。

圖1 地球繞日軌道上的“四時八節(jié)”示意

從本質(zhì)上講，天文劃分法和節(jié)氣劃分法都是基于天文節(jié)點的季節(jié)劃分方式，是“天上的時間”，而非“地上的時間”，都與特定地區(qū)氣候意義上的季節(jié)存在顯著差異。由于認(rèn)知局限，古人認(rèn)為“斗柄東指，天下皆春”“一葉落而知天下秋”，實際上天下并非皆春或同秋。盡管天文劃分法和節(jié)氣劃分法在表征各地氣候差異方面存在局限，但因其通俗易懂，所以在文化層面上依然用于界定四季。

然而，張寶堃先生在《中國四季之分布》中指出：“以面積如此廣大、寒暖如此懸殊、地形如此高下的國家，欲討論其四季氣候的分布，自非有多量長期的記錄作精密的統(tǒng)計不可”(3)張寶堃：《中國四季之分布》，《地理學(xué)報》，1934年第1期。。基于“近理”和“適用”，他依照人們對于寒熱溫涼的通感以及春生夏長秋收冬藏的物候節(jié)律，10℃為冷暖之分界溫度，22℃為暖之最高界限，確定10℃和22℃為季節(jié)更迭的溫度閾值，并參照節(jié)氣體系中五天一候的時令尺度，將候平均氣溫作為溫度標(biāo)準(zhǔn)，以每候平均溫度10℃作為春始秋末的標(biāo)準(zhǔn)、每候平均溫度22℃作為春末秋始的標(biāo)準(zhǔn)。在現(xiàn)行的季節(jié)劃分方式下，需要先計算日平均氣溫的5日滑動均值序列，以該溫度序列值首次達到四季溫度閾值為標(biāo)志日即四季開始日期。如果初次判斷的起始日期比常年日期偏早15天以上，需進行起始日的二次判斷?？梢?，氣候意義上的季節(jié)劃分方式日臻嚴(yán)謹(jǐn)和完善。

綜上所述，天文劃分法、節(jié)氣劃分法都基于一個假定，即四季分明，屬于四季準(zhǔn)等長的季節(jié)體系。但是，中國四季分明的區(qū)域約有476萬平方千米，只占中國當(dāng)前陸地面積的近50%(圖2)。通常可以將基于氣候意義上的季節(jié)劃分方式計算的氣候四季長度與全年365天等分四季的長度(91.25天)之間的均方差作為氣候四季均衡度的測度指標(biāo)。該均方差越小，說明氣候四季越均衡，越接近古人四季準(zhǔn)等長的季節(jié)劃分理念。無論1951—1980年還是1981—2010年，只有北緯30°附近地區(qū)的四季長度相對均衡(圖3)，而且隨著氣候變暖，氣候意義上的四季時間也在改變。在氣候變化背景下，天文四季和節(jié)氣四季中哪一個的適用性更好？其適用的區(qū)域在哪里？下文將探討這些問題。

圖2 氣候意義上四季分明區(qū)域

圖3 氣候四季長度相對均衡的區(qū)域(北緯30°)

二、資料和方法

本文的部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心“1951年以來中國地面日值資料數(shù)據(jù)集”和“中國地面氣候標(biāo)準(zhǔn)值數(shù)據(jù)集(1981—2010年)”。1981—2010年的累年日平均氣溫直接采用“中國地面氣候標(biāo)準(zhǔn)值數(shù)據(jù)集(1981—2010年)整編處理站點資料”，1951—1980年、2011—2020年的累年日均值需要根據(jù)2221個國家級氣象站的地面站點日值資料進行分析處理和計算。

(1)

其中，ti表示第i年的日平均值，2月29日不計入統(tǒng)計，n表示統(tǒng)計資料年數(shù)，i取1至n的整數(shù)，然后，利用諧波分析方法對上面求得的累年日均值資料進行處理，濾去高頻波動(4)國家氣象信息中心編制：《氣候資料統(tǒng)計整編方法(1981—2010)(發(fā)布版)》，2012年。?？紤]到可讀性，這里略去計算過程。

關(guān)于氣候入季的時間判定，本文基于氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進行計算分析(5)中國氣象局：氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《氣候季節(jié)劃分》(QX/T152-2012)，2012年。。累年日平均值的五日滑動序列計算公式為：

(2)

此外，根據(jù)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的判定方法，氣候無冬區(qū)的春季起始日為1月1日，本文基于氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中氣候無夏區(qū)秋季起始日的判定方法和二十四節(jié)氣春季起始的古義，對入春日期進行一定修正，采用常年氣溫序列中氣溫最低日的次日為春季起始日，即氣溫的拐點。

三、天文劃分法和節(jié)氣劃分法在三個不同時期的優(yōu)劣變化

根據(jù)1951—2020年相關(guān)節(jié)氣的天文日期和標(biāo)準(zhǔn)時間節(jié)點，天文劃分法四季的開始時間為：3月21日春分、6月21日夏至、9月23日秋分、12月22日冬至，節(jié)氣劃分法四季的開始時間為：2月4日立春、5月5日立夏、8月8日立秋、11月7日立冬?；?951—1980年累年日平均氣溫序列、1981—2010年地面整編資料日平均氣溫和2011—2020年累年日平均氣溫序列，采用上述修正后的氣候入季判定方法，分別計算全國各站點在三個背景時段的入春、入夏、入秋、入冬日期，以及春季、夏季、秋季、冬季的四季長度。

(一)天文劃分法、節(jié)氣劃分法與氣候意義上的四季開始時間的吻合度指標(biāo)

分別計算天文劃分法、節(jié)氣劃分法與氣候意義上四季的入季時間之間的均方差，并以此作為天文劃分法、節(jié)氣劃分法與氣候意義上四季的吻合度測度指標(biāo)。顯然，均方差越小，對應(yīng)的劃分法與氣候意義上四季之間的吻合度越高。對于氣候上常夏/長夏的無冬區(qū)(常夏區(qū)是指常年滑動平均氣溫序列無連續(xù)5天小于22℃，長夏無冬區(qū)是指常年滑動平均氣溫序列無連續(xù)5天小于10℃且夏季長于春秋兩季)和常冬/長冬無夏區(qū)(常冬區(qū)是指常年滑動平均氣溫序列無連續(xù)5天大于等于10℃，長冬無夏區(qū)是指常年滑動平均氣溫序列無連續(xù)5天大于等于22℃且冬季長于春秋兩季)，以天文劃分法和節(jié)氣劃分法下的相應(yīng)季長作為與氣候意義上的四季的入季時間差值。

(二)氣候變化背景下不同劃分法的優(yōu)劣變化

節(jié)氣劃分法四季的開始日期與氣候意義上四季的開始日期的均方差，減去天文劃分法四季的開始日期與氣候意義上四季的開始日期的均方差，結(jié)果記為SD，單位為天。利用SD的取值可以將中國劃分為如下四個區(qū)域：-10SD>0區(qū)域和SD≥10區(qū)域。

在圖4中，在深色區(qū)域(包括10>SD>0區(qū)域和SD≥10區(qū)域)，天文劃分法優(yōu)于節(jié)氣劃分法。可見，在1951—1980年，天文劃分法在中國多數(shù)地區(qū)優(yōu)于節(jié)氣劃分法，尤其在北方地區(qū)，天文劃分法明顯占優(yōu)。

圖4 1951—1980年天文劃分法比節(jié)氣劃分法更準(zhǔn)確的區(qū)域

在圖5、圖6和圖7中，在深色區(qū)域(包括-10

圖5 1951—1980年節(jié)氣劃分法比天文劃分法更準(zhǔn)確的區(qū)域

圖6 1981—2010年節(jié)氣劃分法比天文劃分法更準(zhǔn)確的區(qū)域

圖7 2011—2020年節(jié)氣劃分法比天文劃分法更準(zhǔn)確的區(qū)域

由以上分析可知，將氣候意義上四季的開始時間作為參照，隨著氣候變化，節(jié)氣劃分法比天文劃分法占優(yōu)勢的區(qū)域不斷擴大。進一步計算節(jié)氣劃分法四季的開始時間(立春、立夏、立秋、立冬)與1981—2010年氣候意義上四季的開始時間的均方差，在圖8中顏色越深的區(qū)域，節(jié)氣四季開始時間與氣候四季開始的時間相差越短，也代表節(jié)氣四季越接近真實氣候四季的區(qū)域?？梢?，基于四季準(zhǔn)等長的節(jié)氣體系，節(jié)氣劃分法最適用于氣候四季相對均衡的北緯30°附近地區(qū)。圖9給出了27個省會城市和4個直轄市氣候季節(jié)與節(jié)氣季節(jié)的吻合度排名，可見在北緯30°附近地區(qū)以及廣義節(jié)氣起源地區(qū)，節(jié)氣四季與氣候四季的吻合度最高。如成都位居第一，當(dāng)向南或向北擴展(如廣州、?？?、西寧、拉薩)時，節(jié)氣四季與氣候四季的吻合度不斷下降。

圖8 氣候四季與節(jié)氣四季開始時間離散度(1981—2010年)

圖9 27個省會城市和4個直轄市氣候季節(jié)與節(jié)氣季節(jié)的吻合度排名

從四季均衡度的變化來看，隨著氣候的變化，北方城市的四季均衡度提高，而南方城市的四季均衡度下降。從圖10可以看出，在1981—2010年氣候期內(nèi)，四季均衡度排名前四的城市為成都、貴陽、上海和杭州，它們分布在北緯30°附近。

圖10 氣候四季分明的20個省會城市和4個直轄市的四季均衡度

中國幅員遼闊，氣候多樣。從氣候意義上四季的開始時間、季節(jié)長度與天文四季、節(jié)氣四季的比較來看，隨著氣候的變化，可以發(fā)現(xiàn)：在氣候冬季顯著長于夏季的代表區(qū)域(如北京)，節(jié)氣劃分法轉(zhuǎn)而占優(yōu)，而在哈爾濱兩種劃分法逐漸分不出優(yōu)劣；在節(jié)氣體系廣義的起源區(qū)域(如西安和鄭州)，節(jié)氣劃分法轉(zhuǎn)而占優(yōu)；在氣候四季相對均衡的代表區(qū)域(節(jié)氣四季與氣候四季開始時間的離散度不超過15天)(如南京和成都)，節(jié)氣劃分法轉(zhuǎn)而占優(yōu)；在氣候四季不分明的區(qū)域(氣候意義上的常冬區(qū)、常夏區(qū)、常春區(qū)、無冬區(qū)和無夏區(qū))(如昆明)，始終是節(jié)氣劃分法占優(yōu)，廣州則是節(jié)氣劃分法轉(zhuǎn)而占優(yōu)。

(三)氣候變化背景下節(jié)氣劃分法的優(yōu)勢

從氣候意義上的四季開始時間分析可知，節(jié)氣劃分法逐漸占優(yōu)的原因是氣候變化，氣候入春、入夏提前(圖11)，氣候入秋、入冬延后(圖12)。但入春、入夏日期提前幅度較大，入秋、入冬日期延后幅度較小(圖13)。

圖11 1981—2010年相比于1951—1980年春季和夏季提前的區(qū)域

圖12 1981—2010年相比于1951—1980年秋季和冬季延后的區(qū)域

圖13 2011—2020年相比于1951—1980年全國平均換季時間變化

從全國平均的季節(jié)變化幅度來看，與1951—1980年相比，2011—2020年春季提前幅度最大，春季平均提前7天，88.4%的地區(qū)春季提前，10.5%的地區(qū)春季延后，1.1%的地區(qū)無明顯變化，還有0.8%的地區(qū)出現(xiàn)了由有冬到無冬、春秋相連到有夏、常冬到有春秋的氣候類型變化。夏季平均提前6.48天，76%的地區(qū)夏季提前，8.4%的地區(qū)夏季延后，15.6%的地區(qū)無明顯變化，還有5.9%的地區(qū)產(chǎn)生由無夏到有夏的氣候類型變化。秋季平均延后5.18天，83.8%的地區(qū)秋季延后，9.6%的地區(qū)秋季提前，6.6%的地區(qū)無明顯變化，還有0.9%的地區(qū)產(chǎn)生由有冬到無冬、春秋相連到有夏、常冬到有春秋的氣候類型變化。冬季延后幅度最小，冬季平均延后3.81天，78.9%的地區(qū)冬季延后，7.4%的地區(qū)冬季提前，13.7%的地區(qū)無變化，還有2.4%的地區(qū)產(chǎn)生由有冬到無冬、常冬到有春秋等氣候類型變化。

總而言之，在氣候變化背景下，春夏提前的幅度相對較大，秋冬延后的幅度較小，這使得多數(shù)地區(qū)的入春、入夏日期與立春日、立夏日的偏差顯著縮小，盡管多數(shù)地區(qū)入秋日期與立秋日的偏差增大，但入冬日期與立冬日的偏差變化較小。因此，總體上可以得出，隨著氣候的變化，節(jié)氣劃分法逐漸優(yōu)于天文劃分法。

四、結(jié) 論

本文將1951—1980年氣候期和1981—2010年氣候期作為兩種氣候比對情境，并以2011—2020年作為1981—2010年氣候期的延伸情境，以氣象標(biāo)準(zhǔn)劃分的氣候意義上的四季劃分方法作為參照，采用自定義的四季吻合度和均衡度測度指標(biāo)，探討了天文劃分法、節(jié)氣劃分法兩種四季劃分方法在中國氣候變化背景下的優(yōu)劣變化。研究結(jié)論表明：在1951—1980年氣候期，天文劃分法更契合氣候意義上的四季更迭，但隨著氣候的變化，在1981—2010年氣候期，節(jié)氣劃分法轉(zhuǎn)而優(yōu)于天文劃分法，延伸至2011—2020年，其優(yōu)勢更為明顯。