中国各季节日照总量与平均日照量的长期变化

《Quaternary Science Reviews》：Long-term variations of total and mean insolation received over Chinese seasons

　　

# 基于中国传统的季节划分进行日照量研究

## 摘要要点

• 推导了基于中国传统季节划分的日照量公式。
• 中国传统季节的日照量在纬度和光谱特性方面表现出显著差异。
• 中国春秋季总日照量呈现出强烈的10万年和40万年偏心率周期。
• 季节平均日照量以前照为主，存在5千年相位偏移。
• 中国传统季节为轨道-气候研究提供了新的框架。

## 引言

季节和年份有多种定义方式。最常见的有两种：日历年（历法年）和气象季节，后者通常也被简称为"季节"。日历年共有365天，从1月1日到12月31日。这是地球公转周期（约365.25天）的近似值。因此每隔4年设置一个闰年（百年除外，但400年的倍数例外，例如1900年不是闰年，而2000年是闰年），以使日历年与回归年相吻合。气象季节的划分方式为：春季（3、4、5月）、夏季（6、7、8月）、秋季（9、10、11月）和冬季（12、1月、2月）。

本文所讨论的天文年为回归年，即太阳连续两次通过春分点之间的时间间隔，其长度为365.2422平太阳日。真实天体黄经（λ）用于衡量地球沿黄道从春分点开始的角度距离，取值范围为0°至360°。天文年由此被划分为四个天文季节：λ从0°（春分）至90°为天文春季，从90°（夏至）至180°为天文夏季，从180°（秋分）至270°为天文秋季，从270°（冬至）至360°为天文冬季。

与气象季节和天文季节相比，中国传统季节基于另一套体系——二十四节气。这一体系是古代中国人通过观测太阳的周年运动、气候和物候而发展起来的（Song, 2025）。它将黄道等分为24段，每个节气之间的天体黄经差为15度（图1）。在"春分"时，天体黄经（λ）为0°；在"清明"时，黄经为15°，依此类推（图1，附表S1）。24个节气共同构成了一个完整的太阳周期，将其划分为24段，每段约持续半个月，每个月包含两个节气。在过去约300年和未来约700年的时间范围内，各节气的日历日期基本固定，仅在一天至三天的范围内波动（附表S1）。中国春季（Spring_CN）始于节气"立春"，对应λ = 315°，在当代日历上对应2月3日至5日。中国夏季（Summer_CN）、秋季（Fall_CN）和冬季（Winter_CN）分别始于"立夏"（λ = 45°）、"立秋"（λ = 135°）和"立冬"（λ = 225°），在当代分别对应5月4日至6日、8月6日至8日和11月6日至8日。

二十四节气与自然现象的变化（如季节、气候和物候）密切相关，在近代气象学诞生之前很久就已作为"天气指南"服务于农民，指导农事和农业生产活动（Song, 2025）。它们基于天文观测确定了关键时间节点，在此基础上还加入了关键的气候特征，如季节转换期、冷热的极盛期、初霜、初雪、始冰融化以及水冻开始时点。这些特征都体现在节气的名称之中（附表S1）。四个"节气"中的"立春""立夏""立秋""立冬"反映了季节更替，标志着四季的边界。小暑、大暑、秋分、小寒和大寒反映了不同季节的温度变化。清明、谷雨、立夏、白露、寒露、霜降、大雪和冬至反映了降水、降雪和空气湿度的变化。此外，"小满"和"芒种"反映了作物的成熟和收获时间，"惊蛰"则反映了所观测到的昆虫活动。现代气象学研究表明，在过去几十年中，二十四节气与实测降水和温度之间存在强烈的相关性（Dong et al., 2017; Xu et al., 2024）。

根据各自的定义，气象季节、天文季节和中国传统季节之间的主要区别在于如何定义季节的"起始点"（表1）。气象季节将每三个完整的日历月编为一组，天文季节以精确的至点和分点时刻作为起点，每个季节跨越太阳真实黄经的90°；而中国传统季节则将至点和分点作为季节的中点，每个季节同样跨越真实黄经的90°（图1）。中国春季从315°（即-45°）至45°，中国夏季从45°至135°，中国秋季从135°至225°，中国冬季从225°至315°。因此，中国传统季节在真实黄经上比天文季节提前45°（约45天），比气象季节提前约25天。

中国传统季节与天文季节和气象季节之间的时间偏移导致接收到的太阳辐照量存在显著差异（图2）。由于在真实黄经上提前45°开始和结束，中国春季在例如北纬35°处平均比对应的天文春季少接收86 W·m?2的辐照量（图2b），中国冬季则少接收45 W·m?2。相反，中国夏季和秋季分别多接收33 W·m?2和98 W·m?2。值得注意的是，一年内最大和最小辐照量分别出现在天文夏季和冬季的起始点（即至点），而这些极值在中国传统夏季和冬季则出现在中点位置。气象季节介于天文季节和中国传统季节之间（图2a）。

这三种季节定义不仅在接收的太阳辐照量方面存在差异，在季节长度方面也有所不同（表1）。气象春季、夏季、秋季和冬季分别包含92、92、91和90天（闰年时分别为91天）。其优势在于长度固定，但并不能始终对应相同的天文配置。天文季节和中国传统季节的优势在于始终对应相同的天文配置，但天数长度并非固定不变。在当前年代，天文春季、夏季、秋季和冬季分别包含92.8、93.6、89.8和89.0天，而对应的中国传统季节分别包含90.7、94.0、91.9和88.7天（表1）。然而，这些长度会随进动而随时间变化（Berger et al., 2024；详见本文第4节）。

在古气候研究中，气象季节和天文季节（Berger et al., 2010, 2024）以及热量季节（Milankovitch, 1941）被广泛用于计算日照量的长期变化，以便与古气候记录进行对比或解释气候变化。然而，尽管中国传统季节具有强烈的天文和气候特征，却尚未被应用于古气候研究。本研究计算了中国传统季节期间的总日照量和平均日照量及其季节长度，并将其与天文季节和气象季节的对应值进行比较。第2节"非极区纬度中国传统季节接收的总辐照量"和第3节"极区纬度中国传统季节接收的总辐照量"分别给出了非极区和极区纬度下中国传统季节接收总辐照量的数学公式。第4节提供了计算中国传统季节长度的数学公式。第5节展示了不同纬度下总日照量和平均日照量的长期变化及其光谱特性。最后，第6节提供了讨论和结论。

## 章节摘要

### 非极区纬度中国传统季节接收的总辐照量

在给定纬度下，一年内任意时间间隔内接收的总辐照量已在之前的研究中利用椭圆积分进行了计算（Berger, 1975; Berger et al., 2010）。本研究基于这些先前研究提出的通用公式，计算了中国传统季节期间接收的总辐照量。

### 极区纬度两个太阳真实黄经之间的总辐照量

极区纬度是指北极圈以北和南极圈以南的区域，即|?| > π/2 ? ε。Berger等人（2010）已给出了极区纬度下一年内任意时间间隔内接收总辐照量的计算方法。第3.1节对此计算进行了简要概述，并突出了后续章节在计算极区纬度中国传统季节所需的若干关键公式。

如Berger等人（2010）所述，

### 中国传统季节的长度

天文季节的长度已在Berger（1975）、Berger和Loutre（1994）以及Berger等人（2024）中进行了计算。正如Berger等人（2024）所展示的，两个真实黄经之间的时间间隔可以通过真近点角或偏近点角来计算。后者方法更为复杂且更精确，但在一级近似下与前者给出相似的结果。因此，正文中仅展示了使用真近点角的计算方法。使用偏近点角的

### 总辐照量的纬度变化

图5a展示了当前年代下中国传统季节、天文季节和气象季节接收的总辐照量随纬度的变化情况。三种季节定义之间在辐照量的纬度分布和辐照量大小方面均存在显著差异。

如第2节"非极区纬度中国传统季节接收的总辐照量"和第3节"极区纬度中国传统季节接收的总辐照量"中的公式所示，总辐照量

### 总结与结论

基于二十四节气，中国传统季节将天文观测与气候特征相结合，在近代气象学诞生之前很久就已作为农业日历服务于中国农民，指导农业生产活动。由于其季节边界比天文季节和气象季节分别提前约45天和25天，其对应的太阳辐照量分布存在显著差异。在古气候研究中，天文季节和

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**CRediT作者贡献声明**

尹秋真（Qiuzhen Yin）：构思、方法学、形式化分析、调查、可视化、初稿撰写、审阅与编辑。安德烈·贝热（André Berger）：构思、方法学、形式化分析、调查、初稿撰写、审阅与编辑。

**利益冲突声明**

作者声明以下财务利益/个人关系，可能被视为潜在的利益冲突：尹秋真报告获得了比利时国家科学研究基金会（FNRS）提供的财务支持。鉴于其编辑身份，尹秋真未参与本文的同行评审，也未接触有关其同行评审的信息。本文编辑过程的全部责任已委托给另一位期刊编辑。

**致谢**

Q.Y.是比利时国家科学研究基金会（F.R.S.-FNRS）的高级研究人员，感谢F.R.S.-FNRS在第T.0246.23号和T.W019.23号资助项目下的支持。

尹秋真 | 安德烈·贝热