銅仁市日照時數(shù)變化特征及其影響因素分析

田 海，茅海祥

(貴州省銅仁市氣象局，貴州銅仁 554300)

日照時數(shù)是表征太陽輻射強弱的重要氣象要素，也是表征氣候變化的主要氣象要素。日照對作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成有著重要作用，是影響作物光合作用的主要因子，也是研究區(qū)域作物參考蒸發(fā)量的主要氣象因子。王華等［1］運用氣候突變理論對新疆阿克蘇市日照時數(shù)進(jìn)行檢測分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)近50年阿克蘇市日照時數(shù)總體呈增加趨勢，期間存在2次突變;石慧蘭等［2］分析了魯西北52年日照時數(shù)發(fā)現(xiàn)總體呈減少的趨勢，并指出日照的減少主要是由于低云量的增加和人類活動特別是工業(yè)排放污染物快速增長導(dǎo)致大氣氣溶膠增多造成的。筆者在此通過對銅仁市近40年日照時數(shù)演變規(guī)律的分析，對深入研究銅仁市氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響、合理調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)、氣候資源的合理開發(fā)利用有著重要作用，研究結(jié)果也對估算銅仁地區(qū)作物耗水量和指導(dǎo)灌溉具有參考價值。

1 資料和方法

選取銅仁市1971～2010年逐月日照時數(shù)資料作為基礎(chǔ)研究資料，四季劃分為春季(3～5月)、夏季(6～8月)、秋季(9～11月)和冬季(12月～次年2月)。首先，利用最小二乘法估算氣候要素時間序列的線性傾向率，分析氣候要素的變化趨勢。利用小波分析的方法對氣候要素序列進(jìn)行周期變化分析。小波分析不僅能反映信號在時頻域上的總體特征，還能提供局部變化的信息，既可給出信號變化的時間尺度，也可以顯示出信號變化的時間位置，同時還具有對突變點進(jìn)行診斷的能力，因此廣泛應(yīng)用于氣候變化分析與預(yù)測［3－5］。在此利用Morlet復(fù)值小波分析日照時數(shù)的周期變化，再利用累積距平的方法和Pettitt法對氣候要素的時間序列進(jìn)行突變分析與檢驗。最后利用1971～2010年銅仁市總云量、輕霧日數(shù)、年平均風(fēng)速等參數(shù)分析了影響銅仁市日照時數(shù)的可能因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 日照時數(shù)變化特征分析

2.1.1 年代際和年際變化。統(tǒng)計銅仁市 1971～1980、1981～1990、1991～2000、2001～2010年4個時段的年和各季平均日照時數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)(表1)，銅仁市多年平均日照時數(shù)為1 131.4 h，20世紀(jì)70年代平均日照時數(shù)明顯高于平均值，屬于日照偏多期;80和90年代均明顯低于平均值，屬于日照偏少期;21世紀(jì)以來接近平均值。且日照時數(shù)年際變化振幅較大，最高值出現(xiàn)在1978年，為1 463.4 h，最低值出現(xiàn)在1989 年，為728.6 h，年日照時數(shù)極差達(dá) 734.8 h。各季中，春季平均日照時數(shù)在21世紀(jì)以來偏多，在90年代明顯偏少;夏季在20世紀(jì)70年代明顯偏多，在90年代偏少明顯;秋季在70年代屬于偏多期，在80年代偏少明顯;冬季平均日照時數(shù)年代變化幅度不大。

表1 1971～2010年銅仁市各年代的年、季平均日照時數(shù) h

近40年銅仁市年日照時數(shù)總體上呈現(xiàn)下降趨勢但不明顯(未通過α=0.05水平的顯著性檢驗)，其氣候傾向率為－22.1 h/10a，近40 年減少了88.4 h;且具有明顯的階段性特征，20世紀(jì)70年代和80年代中期有小幅波動，80年代后期～90年代中期逐漸減少趨勢，90年代后期呈增加趨勢，2000年后變化平緩，在90年代后期存在明顯的轉(zhuǎn)折。

2.1.2 年內(nèi)分布和季節(jié)變化。就年內(nèi)分布來看，銅仁市日照時數(shù)逐月變化呈單峰型分布，全年日照最多月份為8月(185.7 h)，其次為7月(181.0 h)，月日照時數(shù)最少是1和2月(39.1 h)，日照時數(shù)最多月份與最少月份相差了146.6 h。從季節(jié)分布來看，夏季日照時數(shù)最多(475.2 h)，其次是秋季(284.1 h)，冬季最少(139.8 h)。從各季變化趨勢上看，春季日照時數(shù)總體呈上升趨勢但不明顯(未通過α=0.05水平的顯著性檢驗)，夏季、秋冬和冬季日照時數(shù)總體均呈下降趨勢也不明顯，四季日照時數(shù)的趨勢變化率分別為11.4、－22.6、－3.6、－7.3 h/10a，40 年中日照時數(shù)減少最多的是夏季，共減少了90.4 h，減少最少的是秋季，共減少了14.4 h，而春季日照時數(shù)40年增加了45.6 h;各季日照時數(shù)年際變化中以夏季日照時數(shù)變化振幅最大，其日照時數(shù)最多年與最少年相差286.6 h。

2.1.3 周期變化。由圖1a可見，1971～2010年銅仁市日照時數(shù)年距平存在明顯的年際變化和年代際變化，存在準(zhǔn)2、5～8、10、16～20年的周期變化規(guī)律。從較大尺度16～20年分析，日照時數(shù)變化呈偏高－偏低－偏高交替振蕩，具體表現(xiàn)為1971～1983年偏高、1984～1996年偏低、1997～2010年偏高;在時間尺度10年上，日照時數(shù)變化呈偏高－偏低交替的準(zhǔn)3次振蕩，具體表現(xiàn)為1971～1979年偏高、1980～1984年偏低、1985～1991年偏高、1992～1996年偏低、1997～2003偏高、2004～2010年偏低。在5～8年以下較小尺度上的振蕩變化，由于振蕩比較頻繁，這里不做具體分析。

Morlet小波系數(shù)的模值表示能量密度。模值圖把各種時間尺度的周期變化在時間域中的分布情況展示出來，小波變換系數(shù)的模值越大，表明所反應(yīng)的時段和尺度的周期性振蕩越強。從圖1b可以看出，模值最大的是5～8年時間尺度，表明在這一時間尺度下日照時數(shù)的周期振蕩最強，其次是準(zhǔn)2年，2年以下時間尺度的模值最小，表明在2年以下時間尺度日照時數(shù)的周期振蕩最弱。

2.1.4 突變分析。從1971～2010年年日照時數(shù)累積距平曲線(圖2)可以看出，近40年銅仁市年日照時數(shù)呈波動式變化趨勢，20世紀(jì)70年代處于增加趨勢，1979年達(dá)到峰值，1980年開始略有下降，1985年以后有小幅回升，1988年達(dá)到第2峰值后持續(xù)下降，1997年處于最低值，之后呈上升趨勢后變化平緩，2000年以后振幅明顯減小。在1979和1997年的前后變化趨勢有明顯的轉(zhuǎn)折，初步判斷在1979年前后和1997年前后日照時數(shù)發(fā)生了突變。

利用Pettitt法進(jìn)一步驗證轉(zhuǎn)折是否達(dá)到突變的標(biāo)準(zhǔn)，從日照時數(shù)的突變檢測曲線來看，1997年為突變點，且P=0.27＜0.5，說明該突變點在統(tǒng)計意義上是顯著的。結(jié)合前面累積距平曲線，判斷銅仁市日照時數(shù)在1997年前后發(fā)生了突變。

2.2 日照時數(shù)變化原因及影響初步分析 日照時數(shù)的變化與許多因子有關(guān)，云量、輕霧或霧、風(fēng)速、浮塵等均是影響日照時數(shù)變化的重要因子。另外大氣透明度對日照時數(shù)也有很大影響，大氣透明度主要受大氣中的水汽含量以及大氣氣溶膠含量等因子影響。在此選取銅仁市1971～2010年總云量、輕霧日數(shù)、年平均風(fēng)速等參數(shù)來分析影響銅仁市日照時數(shù)的可能因子。

經(jīng)分析，近40年來銅仁市總云量呈略減少趨勢，40年僅減少了0.22成，并呈波動式變化。當(dāng)然日照時數(shù)不僅與云量有關(guān)，還受云高度和云狀等影響。總云量的總體變化趨勢與日照時數(shù)的相關(guān)性較強(相關(guān)系數(shù)為－0.61)，說明總云量變化與日照時數(shù)變化呈明顯的反相關(guān)關(guān)系;近40年來銅仁市輕霧日數(shù)總體呈明顯增加趨勢，40年增加了122.8 d，但輕霧日數(shù)的變化趨勢與日照時數(shù)相關(guān)性僅為－0.14，說明輕霧日數(shù)不是影響日照時數(shù)變化的重要因子;近40年平均風(fēng)速總體呈明顯下降趨勢，年平均風(fēng)速的趨勢變化與日照時數(shù)的相關(guān)性達(dá)0.23，說明年平均風(fēng)速對日照時數(shù)變化有一定影響。另外，近年來隨著銅仁市城市化的進(jìn)程和工業(yè)的發(fā)展，城市大氣中的氣溶膠顆粒物、氮氧化合物、碳氧化合物、碳?xì)浠衔?、光化學(xué)煙霧等空氣污染物明顯增多，這些污染物不僅影響大氣透明度，且影響水平視程，減小水平能見距離，能吸收和散射太陽輻射，減少到達(dá)地面的太陽輻射，造成日照時數(shù)減少。

日照時數(shù)的變化顯然對銅仁農(nóng)業(yè)產(chǎn)生影響。要合理調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，尤其對種植業(yè)來講，要合理密植，增加群體中光合作用面積，即增加吸收太陽光能的葉面積;大力推行立體種植，培育由株型、葉型造成的多層立體配置，把綠色葉面分成許多層，使進(jìn)行光合作用的綠色面大大增加;增加農(nóng)作物生長的日數(shù)，高效地利用全年太陽能進(jìn)行光合生產(chǎn);改善水、肥、熱、氣等外界條件，增加光合能力。

3 結(jié)論

(1)近40年銅仁市年日照時數(shù)總體呈下降趨勢，并出現(xiàn)階段性變化，20世紀(jì)70年代屬于日照偏多期，80和90年代屬于日照偏少期，90年代以后接近平均值;年日照時數(shù)變化幅度大，峰值點1 463.4 h(1978年)與谷值點728.6 h(1989年)相差達(dá) 734.8 h。

(2)四季中夏季日照時數(shù)最多，冬季最少，春季日照時數(shù)總體呈上升趨勢，夏季、秋冬和冬季日照時數(shù)總體均呈不同程度的下降趨勢;8月為全年日照最多月份，1和2月為全年日照時數(shù)最少月份。

(3)近40年銅仁市日照時數(shù)存在準(zhǔn)2、5～8、10、16～20年的周期變化規(guī)律，其中以5～8年時間尺度日照時數(shù)周期振蕩最強，在2年時間尺度以下日照時數(shù)周期振蕩最弱。

(4)根據(jù)累積距平的方法和Pettitt法進(jìn)行突變檢測顯示，1997年前后日照時數(shù)存在明顯的突變。

(5)總云量和風(fēng)速的變化，以及人類活動特別是工業(yè)排放污染物的增加導(dǎo)致大氣氣溶膠增加，是引起銅仁市日照時數(shù)變化的主要影響因素。

［1］王華，牛清明.阿克蘇市日照時數(shù)的突變檢測分析［J］.新疆氣象，2002，25(3):14－15.

［2］石慧蘭，王新堂，邵志勇，等.魯西北52年日照變化特征及原因［J］.氣象，2007，33(2):93 －97.

［3］謝莊，曹鴻興，李慧，等.近百余年北京氣候變化的小波分析［J］.氣象學(xué)報，2000，58(3):362 －369.

［4］魏鳳英.華北干旱不同時間尺度的變化特征［C］//華北農(nóng)業(yè)干旱研究進(jìn)展.北京:氣象出版社，1997:1 －10.

［5］袁玉江，魏文壽，何清.天山山區(qū)近40年冬季溫度變化特征［J］.氣象，2005，31(5):12－16.