天水市日照時(shí)數(shù)的氣候變化特征

強(qiáng)玉柱　姚延鋒　朱恩超　謝蕊

摘要：選取天水市7個(gè)氣象站1965—2011年日照時(shí)數(shù)資料，采用累積距平、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法和Morlet小波等方法，分析天水市日照時(shí)數(shù)的氣候變化規(guī)律。結(jié)果表明，天水市年平均日照時(shí)數(shù)總體呈減少趨勢(shì)。1965—1980年，日照時(shí)數(shù)呈增加趨勢(shì)；1981—1992年呈減少趨勢(shì)；1993—2008年呈增加趨勢(shì)；2009年以后又趨于減少。日照時(shí)數(shù)的變幅最大的季節(jié)為夏季，春季的日照時(shí)數(shù)變化呈上升趨勢(shì)，其余各季都呈下降趨勢(shì)。小波分析得出天水市的全年和各季的日照時(shí)數(shù)大部都存在小尺度的準(zhǔn)周期變化，冬季存在中尺度的周期變化，夏季在年代際的變化上存在準(zhǔn)27年的周期變化。對(duì)日照時(shí)數(shù)氣候變化的空間分析表明，天水市整體平均日照時(shí)數(shù)呈下降趨勢(shì)，有局部地方和整體趨于的氣候變化趨勢(shì)不完全相同，天水北部的變化趨勢(shì)更加顯著。

關(guān)鍵字：日照時(shí)數(shù)；時(shí)空分布特征；累積距平；Mann-Kendall；小波分析；天水

中圖分類(lèi)號(hào)：S162.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 論文編號(hào)：2014-0786

0 引言

研究表明，自1861年來(lái)全球的平均地表溫度呈增加的趨勢(shì)。由于氣候變化能夠使大氣物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，太陽(yáng)輻射能也因此發(fā)生了變化。日照是重要的氣候因子，也是農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育不可缺少的條件，并且是氣候資源的重要組成部分之一。所以，研究日照的變化趨勢(shì)，對(duì)合理布局農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整有著很重要的作用。近些年來(lái)，有很多研究者對(duì)日照時(shí)數(shù)變化趨勢(shì)以及影響因素做了大量的分析。任國(guó)玉等發(fā)現(xiàn)中國(guó)近50年的日照時(shí)數(shù)呈明顯減少趨勢(shì)，主要特點(diǎn)為平原大于山區(qū)、東部大于西部。陳少勇等研究得出，在西北地區(qū)大多數(shù)的日照時(shí)數(shù)顯著減少，而且冬季日照最少，夏季最多。目前也有很多地區(qū)都對(duì)當(dāng)?shù)厝照諘r(shí)數(shù)的變化作了很多的研究。天水的果林業(yè)是當(dāng)?shù)刂饕еa(chǎn)業(yè)之一，其中蘋(píng)果、桃子、葡萄、核桃和大櫻桃是當(dāng)?shù)氐奶厣止摰氐纳鷳B(tài)氣候特性以及氣候因素直接關(guān)系到特色林果的產(chǎn)量，特別是日照時(shí)數(shù)也對(duì)其品質(zhì)有著直接的作用，因此針對(duì)該地區(qū)研究日照時(shí)數(shù)的變化是很有必要的。天水市地處副熱帶北緣和青藏高原東部邊坡地帶，地形復(fù)雜，深居內(nèi)陸，遠(yuǎn)離海洋，大陸性季風(fēng)氣候特征明顯，屬溫帶半濕潤(rùn)半干旱區(qū)。文中針對(duì)天水市日照時(shí)數(shù)的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，了解其氣候變化特征，這為當(dāng)?shù)氐牧止麡I(yè)生產(chǎn)提供了依據(jù)。

1 資料與方法

選取資料為1965—2011年天水市7個(gè)氣象站（秦州、麥積、清水、張家川、秦安、甘谷、武山）的逐月、逐年日照時(shí)數(shù)。按12月—2月為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，形成季序列以及年序列。

利用累積距平的方法分析近47年天水市日照時(shí)數(shù)的逐年變化趨勢(shì)；應(yīng)用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)方法，對(duì)全年和各季的日照時(shí)數(shù)進(jìn)行突變點(diǎn)檢驗(yàn)；采用Morlet小波分析方法，分析年和各季平均日照時(shí)數(shù)變化周期。

2 日照時(shí)數(shù)氣候變化趨勢(shì)

2.1 日照時(shí)數(shù)的年代際變化

圖1是天水市年日照時(shí)數(shù)的逐年變化和累積距平變化，其中圖1a中粗實(shí)線是日照時(shí)數(shù)和年時(shí)間序列的六階擬合趨勢(shì)線，相關(guān)系數(shù)為0.5243，通過(guò)了95%的置信度檢驗(yàn)，可見(jiàn)天水市日照時(shí)數(shù)有明顯的年際波動(dòng)，并在21世紀(jì)初出現(xiàn)了日照時(shí)數(shù)峰值，80年代出現(xiàn)了低谷，21世紀(jì)初的峰值小于20世紀(jì)60年代初的水平；細(xì)實(shí)線為日照時(shí)數(shù)與時(shí)間序列的線性擬合，相關(guān)系數(shù)為0.2161，沒(méi)有通過(guò)95%的信度檢驗(yàn)，天水市平均日照時(shí)數(shù)總體呈減少趨勢(shì)，平均遞減率為-24.19h/10a（見(jiàn)表1）。

從逐年累積距平變化曲線（見(jiàn)圖1b）可以看出，天水市近47年來(lái)年日照時(shí)數(shù)有4個(gè)變化：1965—1980年，日照時(shí)數(shù)呈增加趨勢(shì)；1981—1992年呈減少趨勢(shì)；1993—2008年呈增加趨勢(shì)；2009年以后又趨于減少。

2.2 日照時(shí)數(shù)的季節(jié)變化

從天水市全年、各季節(jié)不同年代的日照時(shí)數(shù)距平值（見(jiàn)表1）可以看出，年日照時(shí)數(shù)20世紀(jì)60年代最多，70年代次之，80年代最少，90年代有所增加，但21世紀(jì)初又開(kāi)始減少。

春季的日照時(shí)數(shù)則是在21世紀(jì)初最多，20世紀(jì)80年代最少，90年代在逐漸增加，并在21世紀(jì)初又呈正距平，增加幅度較大，春季日照時(shí)數(shù)的氣候傾向率為3.007h/10a。夏季、秋季和冬季日照時(shí)數(shù)的變化趨勢(shì)一致，日照時(shí)數(shù)的氣候傾向率分別是-5.443h/10a、-4.233h/10a、-2.944h/10a，都呈減少趨勢(shì)，從距平百分比來(lái)看，都成雙谷型，均在20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)初出現(xiàn)低谷，其中夏季的年際變幅最大，在20世紀(jì)80年代到了-9.3%，在60年代達(dá)到了10.1%。

2.3 日照時(shí)數(shù)周期變化特征

為了分析日照時(shí)數(shù)的多時(shí)間尺度特征，對(duì)年、季的日照時(shí)數(shù)進(jìn)行了小波分析，從小波方差和小波系數(shù)的變化過(guò)程可以判斷日照時(shí)數(shù)序列周期及未來(lái)變化趨勢(shì)特征。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，天水市的年、季日照時(shí)數(shù)都存在多個(gè)比較明顯的周期（見(jiàn)圖2），年日照時(shí)數(shù)存在4年、8年的準(zhǔn)周期變化，春季存在3年、6年的準(zhǔn)周期變化，夏季主要體現(xiàn)在年代際的變化上，存在準(zhǔn)27年的周期變化，秋季存在2年、4年和7年的準(zhǔn)周期變化，冬季存在2年、4年、7年和16年的準(zhǔn)周期變化。

通過(guò)Mann-Kendall突變檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，天水市的年、季日照時(shí)數(shù)雖然UF和UB都存在交點(diǎn)，但均未通過(guò)a=0.05的檢驗(yàn)，因此沒(méi)有顯著地突變年份。

2.4 日照時(shí)數(shù)氣候變化趨勢(shì)的時(shí)空分析

分別計(jì)算天水市7個(gè)站點(diǎn)全年以及各季日照時(shí)數(shù)的線性變化趨勢(shì)，得出氣候傾向率，最后繪制出氣候傾向率的空間分布圖（見(jiàn)圖3）。從圖3可以看出，天水市整體平均日照時(shí)數(shù)呈下降趨勢(shì)，整個(gè)區(qū)域的氣候變化趨勢(shì)基本一致。全年日照時(shí)數(shù)變化（圖3a）除天水西部外，其他各站均呈下降趨勢(shì)，其中北部的秦州、秦安、張家川變化趨勢(shì)明顯，相關(guān)系數(shù)都通過(guò)了0.05的顯著性水平。春季的日照時(shí)數(shù)變化除秦安外均呈上升趨勢(shì)。夏季、秋季和冬季的日照時(shí)數(shù)變化趨勢(shì)一致，除了天水東南部外，均呈下降趨勢(shì)，并且除武山外，其余各站相關(guān)系數(shù)都達(dá)到了0.05的顯著性水平，其中夏季的日照時(shí)數(shù)變化下降趨勢(shì)更為顯著。由此見(jiàn)，近47年來(lái)，天水市各站全年和各季節(jié)的日照時(shí)數(shù)變化大部呈下降趨勢(shì)，春季呈上升趨勢(shì)，夏季、秋季和冬季的日照時(shí)數(shù)表現(xiàn)為較一致的下降趨勢(shì)。

3 討論

導(dǎo)致日照時(shí)數(shù)減少的主要原因是大氣透明度、水汽壓和太陽(yáng)輻射。隨著氣候變暖，工業(yè)污染導(dǎo)致大氣的能見(jiàn)度減小，大氣氣溶膠增多，也是影響日照時(shí)數(shù)減少的因素之一。同時(shí)日照時(shí)數(shù)也與經(jīng)緯度、海拔高度等有關(guān)。大氣環(huán)流以及天氣系統(tǒng)的影響也直接關(guān)系著該地的日照時(shí)數(shù)的變化。文中分析結(jié)果表明，天水市的日照時(shí)數(shù)總體減少，這是對(duì)氣候變暖的響應(yīng)；從季節(jié)變化來(lái)看，只有春季的日照時(shí)數(shù)是上升趨勢(shì)，春季恰恰是林果生長(zhǎng)發(fā)育階段，充分的日照使得林果更好的生長(zhǎng)，這也為該地林果種植提供了一定的科學(xué)依據(jù)；從空間分布來(lái)看，天水北部的日照時(shí)數(shù)變化最為顯著，從氣候背景分析，這里不宜種植林果。

4 結(jié)論

（1）天水市年平均日照時(shí)數(shù)有明顯的年際波動(dòng)，總體呈減少趨勢(shì)，平均遞減率為-24.19h/10a，在21世紀(jì)初出現(xiàn)了峰值，20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了低谷。日照時(shí)數(shù)的變幅最大的季節(jié)為夏季，其次是春季，秋季和冬季變化不明顯。各季中唯獨(dú)春季的日照時(shí)數(shù)變化呈上升趨勢(shì)，其余各季都呈下降趨勢(shì)。

（2）通過(guò)突變檢驗(yàn)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)天水市年、季有顯著的突變點(diǎn)出現(xiàn)。利用小波分析得出天水市的全年日照時(shí)數(shù)存在4年、8年的準(zhǔn)周期變化，春季存在3年、6年的準(zhǔn)周期變化，夏季在年代際的變化上存在準(zhǔn)27年的周期變化，秋季和冬季都存在2年、4年和7年的準(zhǔn)周期變化，冬季同時(shí)還存在16年的準(zhǔn)周期變化。

（3）對(duì)日照時(shí)數(shù)氣候變化的空間分析表明，天水的日照時(shí)數(shù)變化對(duì)氣候變化的響應(yīng)十分明顯。天水市整體平均日照時(shí)數(shù)呈下降趨勢(shì)，局部地方氣候變化趨勢(shì)和整體不完全相同。尤其是天水北部，日照時(shí)數(shù)的下降趨勢(shì)最為顯著，可見(jiàn)該地不易種植林果；春季的日照時(shí)數(shù)除天水北部外，均呈增加趨勢(shì)，對(duì)于林果的生長(zhǎng)發(fā)育十分有利。