1. 引言
IPCC第5次评估报告显示，1880~2012年全球平均气温升高了0.85℃ [1]。在气候变化的大背景下气温年际波动变化必然会导致四季开始日期及时长发生变化，这种变化与农业生产和生态环境等均存在密切关系[2]-[5]。在全球气温变暖背景下，欧洲春季、秋季延长，植物的生长季相应延长[6] [7]；我国二十四节气整个季节循环趋于整体抬升[8]，四季的平均温度升高、霜期缩短[9] [10]、河流解冻提前[11]；郁珍艳等[12]对近47 a年我国四季长度进行分析，研究表明中国四季春、冬季变短，夏季变长，秋季基本变短；王雷等[13]研究发现近50 a东北地区春、夏季开始日明显提前，秋、冬季开始日明显推迟，春季的提前和秋季的推迟，使农作物适宜发育期延长；环海军等[14]分析了近50 a山东中部地区四季开始日期及长度变化特征，研究表明山东中部地区春夏季的开始时间存在提前趋势，秋冬季的开始时间存在推迟趋势。柳文光等[15]分析发现乌鲁木齐米东区、城区、达坂城镇区全年四季分明，而南山中山带仅有春、冬季，没有夏、秋季；哈密近54 a冬季逐渐缩短，春、秋季有延长趋势，夏季变化不大[16]。尽管诸多学者对中国四季变化特征进行了分析研究，由于中国幅员辽阔，地理环境差异大，不同地区对气候变化存在不同的响应机制，四季变化在时间、空间上存在较大的区域性差异[17]。本文根据新疆四季划分标准[18] [19]，选取塔里木盆地作为研究区，利用库尔勒、若羌、且末、阿克苏、拜城、库车、轮台、喀什、巴楚、莎车、塔什库尔干、和田、皮山、阿拉尔、阿合奇等15个气象站1971~2020年逐日平均气温观测数据，对塔里木盆地四季开始日期及长度的变化特征进行分析及突变检验，为塔里木盆地的农业生产提供一定的科学依据。
2. 数据区域与研究方法
2.1. 研究区概况
塔里木盆地位于中国新疆西部，三面环山，北有天山，南有昆仑山脉，西有帕米尔高原。行政区域包括巴州、克州、阿克苏地区、喀什地区以及和田地区等五地州，属典型温带大陆性气候，夏季炎热干燥，降水量少。图1为研究区气象站空间分布。
Figure 1. Distribution of the study area and meteorological stations
图1. 研究区域及气象站点分布
2.2. 数据来源
本文采用库尔勒、若羌、且末、阿克苏、拜城、库车、轮台、喀什、巴楚、莎车、塔什库尔干、和田、皮山、阿拉尔、阿合奇等15个气象站1971~2020年逐日平均气温观测数据。
2.3. 研究方法
四季划分常用的方法主要有气温划分法、天文划分法(春分、夏至、秋分、冬至)、节气划分法(立春、立夏、立秋、立冬)等。通常，3~5月为春季，6~8月为夏季，9~11月为秋季，12~次年2月为冬季。近代气候学家张宝堃最早提出中国气候季节划分标准[20]，但中国幅员辽阔，四季变化在不同区域有较大的差异性。新疆气象学者根据新疆气候特点制定了新疆四季划分标准。根据新疆划分四季标准(DB65/T 4749-2023)，采用趋势分析法、5 d滑动平均气温分析塔里木盆地四季开始日期及长度变化趋势，为减少单一突变方法检验的不准确性，采用Mann-Kendall突变检验法，结合Pettitt突变检验法对突变点进行综合判断。
新疆气候季节划分指标春季/秋季：大于或等于0℃且小于20℃；夏季：大于或等于20℃；冬季：小于0℃。
5 d滑动平均法5 d滑动平均气温稳定 ≥ 0℃时，5 d滑动平均首日记为春季开始；5 d滑动平均气温稳定 ≥ 20℃时，5 d滑动平均首日记为夏季开始；5 d滑动平均气温稳定 < 20℃时，5 d滑动平均首日记为秋季开始；5 d滑动平均气温稳定 < 0℃时，5 d滑动平均首日记为冬季开始；无夏区秋季起始日为春季起始日后常年日平均气温最高值出现的首次日期。
Mann-Kendall突变检验法Mann-Kendall是一种非参数检验法，气候序列随机、独立，人为干扰少、检测范围宽、定量化程度高，在水文和气象领域得到了广泛的应用[21]-[23]。
Pettitt突变检验分析法Pettitt也是一种非参数检验法，基于时间序列中极值出现的位置来确定突变点，该方法计算步骤简洁，对突变点的识别效果较好，当P ≤ 0.05时，数据存在均值突变点[21] [24]。
3. 结果与分析
3.1. 四季开始日期的时间变化特征
图2为1971~2020年塔里木盆地春季、夏季、秋季、冬季的起始日变化趋势，由图2(a)可知，1971~2020年塔里木盆地平均开春日期在2月21日，呈波动提前趋势，倾向率为−1.617 d/10 a，且通过了α = 0.05的显著性水平检验，50 a共计提前8.1 d。其中开春最早出现在2009年2月4日，最晚出现在1989年3月9日，两者相差33 d。在3月出现6次，仅占12 %，其余44次均出现在2月，塔里木盆地在2月普遍进入春季。
近50 a塔里木盆地平均入夏日期出现在5月24日，呈提前趋势，倾向率为−1.562 d/10 a，未通过α = 0.05的显著性水平检验，表明入夏提前趋势并不显著，50 a共计提前7.8 d (图2(b))。其中入夏最早出现在1980年4月29日，最晚出现在2013年6月20日，两者相差53 d。入夏日期有1次出现在4月，仅占2%，出现在1980年；有13次出现在6月份，占26%，其余均出现在5月。因此，塔里木盆地在5月普遍进入夏季。
塔里木盆地平均入秋日期出现在9月15日，呈缓慢推迟趋势，倾向率为1.067 d/10 a，未通过α = 0.05的显著性检验，表明推迟趋势并不显著，50 a共计推迟5.3 d (图2(c))。近50 a最早入秋日期出现在1986年9月3日，最晚入冬日期出现在2019年10月1日，两者极差为29 d。在近50 a中，入秋日期有49次出现在9月，由此表明塔里木盆地在9月正式进入秋季。
塔里木盆地平均入冬日期出现在11月25日，呈推迟趋势，并以0.757 a/10 d速率推迟，未通过α = 0.05的显著性检验，表明推迟趋势并不显著，50 a推迟共计3.8 d (图2(d))。其中最早入冬出现在1976年11月11日，最晚进入冬季出现在1994年12月10日，两者之差为30 d。近50 a，入冬日期有42次出现在11月，占84 %。由此可知，塔里木盆地在11月普遍进入冬季。
Figure 2. Variation of beginning days of spring, summer, autumn and winter in Tarim Basin from 1971 to 2020
图2. 1971~2020年塔里木盆地春季、夏季、秋季、冬季的起始日变化
3.2. 四季开始日期的空间变化特征
表1为塔里木盆地1971~2020年四季开始日期空间分布。由表1可知，塔里木盆地南部的和田率先开春，偏西部的莎车、喀什、巴楚略偏晚，东南、北部区域偏晚，拜城最晚；进入夏季最早的是拜城，其次是位于东南部的若羌，最后进入夏季的是北部阿克苏和库车；位于偏北的拜城最早入秋，南部的和田最晚；拜城最早进入冬季，最后一个进入冬季的是位于南部的和田。因海拔高度综合影响，阿合奇和塔什库尔干全年无夏季，春、秋两季相连。
Table 1. Beginning days of spring, summer, autumn and winter at meteorological stations in Tarim Basin from 1971 to 2020
表1. 1971~2020年塔里木盆地气象站春季、夏季、秋季、冬季的起始日
站名 |
入春日期 |
入夏日期 |
入秋日期 |
入冬日期 |
喀什 |
2月19日 |
5月28日 |
9月19日 |
12月2日 |
巴楚 |
2月19日 |
5月22日 |
9月21日 |
11月27日 |
莎车 |
2月18日 |
5月28日 |
9月16日 |
11月29日 |
阿克苏 |
2月22日 |
6月4日 |
9月10日 |
11月24日 |
库车 |
2月21日 |
6月3日 |
9月15日 |
11月25日 |
阿拉尔 |
2月22日 |
5月28日 |
9月13日 |
11月21日 |
库尔勒 |
2月20日 |
5月25日 |
9月20日 |
11月24日 |
若羌 |
2月22日 |
5月18日 |
9月18日 |
11月23日 |
且末 |
2月23日 |
5月28日 |
9月13日 |
11月22日 |
和田 |
2月15日 |
5月25日 |
9月23日 |
12月4日 |
轮台 |
2月21日 |
5月27日 |
9月17日 |
11月22日 |
皮山 |
2月17日 |
5月26日 |
9月19日 |
12月3日 |
拜城 |
3月1日 |
5月6日 |
8月30日 |
11月16日 |
塔县 |
3月18日 |
无 |
6月24日 |
11月10日 |
阿合奇 |
3月15日 |
无 |
6月3日 |
11月15日 |
3.3. 塔里木盆地四季长度变化趋势
由图3可知，1971~2020年塔里木盆地春季、夏季长度均呈增加趋势，其变化倾向率分别为0.117 d/10 a、2.629 d/10 a，其中夏季长度增加趋势显著(通过α = 0.05的显著性水平检验)。秋季、冬季长度均呈减少趋势，变化倾向率分别为−0.31 d/10 a、−2.745 d/10 a，其中冬季长度减少趋势达到极显著(通过α = 0.01的显著性水平检验)。
1971~2020年塔里木盆地春季平均为92.7 d，其中最长出现在2013年为118 d，1980年的春天仅有71 d (图3(a))。夏季平均为113.8 d，2000年的夏季长达143 d，2013年的夏季最短为87 d (图3(b))。冬季、秋季平均分别为87.5 d、70.8 d，其中最长为94 d，出现在1994、2015年，2019年的秋季最短仅有54 d。冬季最长为106 d，出现在1975、1976年，最短出现在2006年，为71 d (图3(c)、图3(d))。塔里木盆地四季平均长度依次是夏季 > 春季 > 冬季 > 秋季，夏季长达近4个月之久，占全年的31%。
Figure 3. Changes in the length, summer, autumn and winter in Tarim Basin from 1971 to 2020
图3. 1971~2020年塔里木盆地春季、夏季、秋季、冬季的长度变化趋势
3.4. 塔里木盆地四季长度突变检验分析
Mann-Kendal显著水平取α = 0.05，临界值为±1.96。由图4(a)可知，1971~2020年塔里木盆地春季平均长度呈增加趋势，uf和ub两条曲线分别在于1976年、2019~2020年出现2次曲线交叉，但uf曲线并未超出α = 0.05临界值，说明增加趋势并不显著，因此不存在显著的突变点(图4(a))。结合Pettitt突变检验计算P = 1.2257 > 0.05，综合判断1971~2020年塔里木盆地春季平均长度未发生突变。
夏季平均长度呈增加趋势，uf和ub两条曲线出现3个交点，uf曲线在2009~2010年超出α = 0.05的临界值，表明夏季平均长度自1999年起有明显增加且在2009~2010年增加显著(图4(b))。1971~1999年夏季平均长度呈减少趋势，2000年后呈增加趋势。结合Pettitt突变检验计算P = 0.0172 < 0.05，综合判断夏季平均长度在1999年左右开始发生突变，1971~1999年突变前为109 d，突变后2000~2020年为120 d，较突变前增加了11 d。
由图4(c)可知，秋季平均长度呈弱增加趋势。uf和ub曲线出现多个交点，但uf曲线并未超出α = 0.05临界值，不存在显著的突变点。结合Pettitt突变检验法进一步检验，计算P = 1.4687 > 0.05，表明秋季平均长度未发生突变。
1971~2020年冬季平均长度呈减少趋势(图4(d))，uf和ub曲线出现3个交点，分别在1992年、1994年、1995~1996年，在1996年后uf曲线超出α = 0.05的临界值，表明冬季平均长度在1996年发生了突变(图4(d))。结合Pettitt突变检验法计算P = 0.0081 < 0.05，在1996年冬季平均长度出现突变。突变前1971~1996年冬季平均长度为92 d，突变后1997~2020年冬季平均长度为83 d，减少了9 d。
由以上分析可知，塔里木盆地1971~2020年春季、秋季平均长度均未发生突变，而夏季平均长度于1999年发生了由减少到增加的突变，冬季平均长度则与夏季相反，是由增加到减少的突变，突变年是1996年。
Figure 4. Mann-Kendall mutation test for spring, summer, autumn and winter lengths in Tarim Basin from 1971 to 2020
图4. 1971~2020年塔里木盆地春季、夏季、秋季、冬季长度Mann-Kendall突变检验
4. 结论与讨论
(1) 1971~2020年塔里木盆地春、夏季提前，秋、冬季推迟，其中春季提前明显。近50 a进入春季、夏季、秋季、冬季的平均日期分别为2月22日、5月22日、9月17日、11月27日。
(2) 塔里木盆地1971~2020年四季平均长度依次是夏季 > 春季 > 冬季 > 秋季，分别为113.8 d、92.7 d、87.5 d、70.8 d。春季平均长度呈波动增加趋势，但增加趋势并不明显；夏季平均长度呈先减后增趋势，且增加趋势显著(通过α = 0.05的显著性水平检验)，1999年是夏季平均长度由减少到增加的突变年；秋季平均长度呈不显著缩短趋势；冬季平均长度呈显著减少趋势(通过α = 0.01的显著性水平检验)，1996年是由增加到减少的突变年。
(3) 塔里木盆地是我国西部重要的农牧业、特色林果生产基地，也是我国重要的棉花产区，春季提前有利于春播作物的早播、出苗及生长，同时夏季变长有利于热量条件的增加，促进作物生育进程加快，冬季变短则减少了特色林果冻害的几率，给冬季农业生产带来有利影响。
基金项目
新疆喀什地区科技计划项目(KS2022066)。
NOTES
*通讯作者。