近38a肅北縣日照氣候資源的變化特征分析

郭海瑛

摘 要：利用肅北國家一般氣象站1973-2010年日照觀測資料，通過Excell、Spss對肅北縣城區(qū)的年代、年際、季節(jié)以及月變化特征進行統(tǒng)計，運用線性傾向估計法、小波分析法進行分析和研究，并利用Mann-Kendall法對日照時數(shù)進行突變檢測。結(jié)果表明：日照時數(shù)逐年變化波動性較大，其中1996-2004年日照時數(shù)偏多，氣候趨勢率為41.2h/10a，通過了0.05的顯著性檢驗，說明年日照時數(shù)呈現(xiàn)出比較明顯的上升的趨勢；四季當中夏季日照時數(shù)占全年的比例最多，達到了28.1%，其次是春季、秋季，分別為26.7%、24.9%，最少的是冬季，為20.3%；春季和冬季氣候傾向率分別為19.5h/10a、14.2h/10a，均通過了0.05的顯著性檢驗，這說明四季中只有春季和冬季日照時數(shù)增加幅度比較明顯。

關(guān)鍵詞：日照時數(shù)；變化特征；線性傾向估計法；滑動平均值法；小波分析法；肅北縣

中圖分類號 P463.1 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2015）17-138-03

近年來，隨著全球氣候變暖，以及異常災(zāi)害性天氣的不斷增多，氣候變化已經(jīng)成為人們關(guān)注的熱點之一[1-2]。太陽輻射是地球能量的主要來源，隨著地球資源的不斷減少，人們已經(jīng)認識到太陽能是可供人類開發(fā)利用的可再生資源，更是農(nóng)作物生長不可或缺的氣象條件[3-5]。日照時數(shù)是衡量太陽能多少的物理量，也是重要的氣象要素之一，其周期性變化對本地的氣候變化起到至關(guān)重要的作用。所謂日照時數(shù)是指在一天內(nèi)太陽直射光照照射地面的時數(shù)。在一給定時間內(nèi)，日照時數(shù)定義為太陽直接輻照度達到或超過120W·m-2的那段時間總和，以小時（h）為單位，取一位小數(shù)，日照時數(shù)也稱實照時數(shù)[6]。據(jù)統(tǒng)計，我國2/3土地年日照時數(shù)為2 200h，年輻射總量達5 900MJ/m2，我國開發(fā)利用太陽能資源居世界第一位[7]。

目前，分析研究酒泉地區(qū)氣溫、降水量、干旱變化特征的較多[9-10]，而對日照的研究則相對較少。天氣的變化不僅具有全球性，而且具有局地特征[11]，因此，分析研究本地日照變化趨勢，將有利于找到其變化特征，從而對當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)及新能源利用開發(fā)提供氣象依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源 肅北蒙古族自治縣（南半部）地處河西走廊西部，祁連山西端，大部分位于高山地帶，屬西北干旱氣候區(qū)，高寒半干旱氣候帶，具有獨特的氣候特征。本文選取位于城區(qū)的肅北縣國家一般氣象站觀測資料作為研究對象，資料包括：1973-2010年逐年日照時數(shù)、逐月日照時數(shù)、四季日照時數(shù)等。

1.2 統(tǒng)計方法

1.2.1 采用線性傾向估計法[12] 利用Spss.11得到日照氣候傾向率以及氣候趨勢系數(shù)，并對其進行顯著性檢驗，從而得到本地日照時數(shù)在不同時間段內(nèi)的變化趨勢。建立日照與時間的一元回歸方程，根據(jù)最小二乘法計算得到[a0]、[a1]，從而通過一元線性回歸方程描述日照時數(shù)的變化趨勢：[y]（t）=[a0+a1t]（1）。其中，t為時間（t=1，2，3…n），單位為年，[a0]為常數(shù)，[a1]為回歸系數(shù)，當[a1]為正（負）時，表示相應(yīng)的氣象要素在該時段內(nèi)線性增加（減弱），[a1]×10稱為氣候傾向率，其單位為氣象要素單位/10[a][13]。趨勢是否顯著，通過顯著性檢驗來確定，本文認為通過0.05的顯著性檢驗即認為趨勢顯著。

1.2.2 采用小波分析法 利用Matlab對日照時數(shù)進行小波分析，通過繪制小波變換系數(shù)圖對日照進行分析研究，能夠獲得日照時數(shù)在不同時間尺度上的變化特征，從而總結(jié)出日照時數(shù)的變化周期，以及對未來的趨勢進行預(yù)測。

1.2.3 采用Mann-Kendall法[14] 氣候突變性檢測利用Mann Kendall方法，Mann Kendall方法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，其優(yōu)點是不需要檢驗樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，更適用于類型變量和順序變量，計算也比較簡單[15]。

2 日照時數(shù)變化特征

2.1 年代變化特征 從表1可以看出，20世紀70、80年代肅北縣日照時數(shù)的年平均值小于多年平均，20世紀80年代年平均日照時數(shù)比20世紀70年代少112.7h，說明20世紀70～80年代日照呈現(xiàn)出減少的趨勢；20世紀90年代、21世紀前10a日照時數(shù)的年平均值大于歷年平均值，21世紀前10a日照時數(shù)的年平均值比多年平均高出60.9h，日照時數(shù)年最大值出現(xiàn)在2004年達到為3 397.6h，年最小值出現(xiàn)在2002年為2 931.3h，年最大、最小值均出現(xiàn)在21世紀前10a，這說明日照在這段時間變化的幅度較大?？傮w來說，肅北縣日照時數(shù)在年代變化里表現(xiàn)為先減少后增長的變化特征。

表1 各年代日照時數(shù)（h）

[時段＼&20世紀

70年代＼&20世紀

80年代＼&20世紀

90年代＼&21世紀

前10a＼&多年

平均＼&年＼&3128.3＼&3016.1＼&3170.3＼&3194.3＼&3133.4＼&春季＼&834.7＼&785.7＼&853.1＼&867.0＼&835.1＼&夏季＼&885.8＼&875.4＼&865.5＼&896.3＼&880.5＼&秋季＼&783.1＼&766.7＼&796.5＼&776.3＼&780.5＼&冬季＼&626.0＼&610.9＼&655.9＼&654.7＼&637.3＼&]

2.2 逐年變化特征 從圖1可以看到，肅北縣日照時數(shù)逐年變化波動性較大，但總體上呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢，1976-1989年日照時數(shù)偏少，其中低于年平均值的年份占到79%，而1996-2004年之間日照時數(shù)偏多，其中大于年平均值的年份占78%。日照氣候趨勢率為41.2h/10a，其趨勢系數(shù)為0.3，經(jīng)檢驗通過了0.05的顯著性檢驗，說明其變化是顯著的。分析5a滑動平均曲線可以發(fā)現(xiàn)，逐年日照時數(shù)變化經(jīng)歷了2次明顯的下降階段，分別是1982-1985年、1999-2003年；同時，也經(jīng)歷了2次上升階段，分別是1986-1992年、2003-2008年。

[3500.0

3400.0

3300.0

3200.0

3100.0

3000.0

2900.0

2800.0

2700.0

2600.0][年日照時數(shù)（h）][1973 1977 1981 1985 1989 1993 1997 2001 2005 2009][年份]

圖1 逐年日照時數(shù)

圖2為1973-2010年日照時數(shù)的小波變換的系數(shù)圖，其意義在于表現(xiàn)出了日照時數(shù)在不同時間尺度上的周期震蕩，圖中虛線代表日照時數(shù)偏多，圖中信號的強弱通過小波系數(shù)的大小表示，其中等值線為（虛線）負值表示日照時數(shù)偏少，等值線為（實線）正值表示日照時數(shù)偏多[15]。從圖2可以看到，日照時數(shù)周期性變化的很明顯，11a、20a的周期震蕩存在于整個38a，對于11a的尺度，可以看到日照時數(shù)表現(xiàn)為“偏多（1973-1982年）-偏少（1983-1990年）-偏多（1991-1996年）-偏少（1997-2005年）-偏多（2006-2010年）”的周期規(guī)律；在20a尺度上，日照時數(shù)表現(xiàn)為“偏多-偏少-偏多”，其中1986年以前、2000年以后均表現(xiàn)為偏多，1987-1999年表現(xiàn)為偏少。從這2個尺度上看，等值線已趨于閉合，說明未來肅北縣日照時數(shù)的變化趨勢將有可能轉(zhuǎn)變?yōu)槠俚碾A段。

[35

30

25

20

15

10

5][尺度（a）][1978 1983 1988 1993 1998 2003 2008][年份]

圖2 年日照時數(shù)的小波變換的系數(shù)

2.3 四季變化特征 四季當中，春季傾向率最大，其后依次是冬季、夏季、秋季，經(jīng)過顯著性檢驗通過0.05的只有春季和冬季，這說明四季中只有春季和冬季日照時數(shù)增加幅度比較明顯。從圖3可以看出，肅北縣各季5a滑動平均曲線[16]，春季1981-1985年日照時數(shù)呈現(xiàn)出下降的趨勢，1988年以后逐漸表現(xiàn)為上升的趨勢，最大值、最小值分別是2008年的939.1、1987年的730.6；冬季在1989年之后曲線出現(xiàn)較明顯的上升趨勢，最大值出現(xiàn)在2007年為720.8，最小值出現(xiàn)在1984年為553.0；夏季于秋季日照變化曲線雖然存在小的波動，但是趨勢線總體趨于平緩，因此，雖然有上升的趨勢，但不明顯。

3 日照時數(shù)突變性檢驗

利用Mann Kendall方法，對肅北縣日照時數(shù)的突變性進行檢測。從圖4可以看出，肅北近38a的日照時數(shù)具有顯著的增加趨勢，但是從UB曲線看20世紀70～80年代初期，日照時數(shù)減少的比較明顯；根據(jù)UB與UF曲線的變化特征來看，2個曲線相交于1998年，說明在這一年日照時數(shù)發(fā)生了一次突變，并且超出了顯著性水平線。

[3

2

1

0

-1

-2

-3][統(tǒng)計值][1973][年份][1975][1977][1979][1981][1983][1985][1987][1989][1991][1993][1995][1997][1999][2001][2003][2005][2007][2009][UF

UB

1.96

-1.96]

圖4 Mann-Kendall日照時數(shù)檢驗曲線

4 結(jié)論

（1）通過對肅北縣城區(qū)日照時數(shù)的年際變化分析來看，21世紀70～80年代日照時數(shù)呈現(xiàn)出不斷減少的趨勢；20世紀90年代至21世紀前10a日照時數(shù)的年平均值大于歷年平均值，并且呈現(xiàn)出上升的變化特征。年最大、最小值均出現(xiàn)在21世紀前10a，表明日照在（下轉(zhuǎn)142頁）（上接139頁）這段時間變化的幅度較大。

（2）肅北縣日照時數(shù)逐年變化波動性較大，其中1996-2004年日照時數(shù)偏多，氣候趨勢率為41.2h/10a，通過了0.05的顯著性檢驗，說明年日照時數(shù)呈現(xiàn)出比較明顯的上升的趨勢。通過分析年日照時數(shù)的小波變換的系數(shù)圖，發(fā)現(xiàn)等值線已閉合，預(yù)計未來日照時數(shù)將轉(zhuǎn)為偏少的階段。

（3）四季當中，夏季日照時數(shù)占全年的比例最多，達到了28.1%，其次是春季、秋季分別為26.7%、24.9%，最少的是冬季，為20.3%；春季傾向率最大，其后依次是冬季、夏季、秋季，其中只有春季和冬季通過0.05的顯著性檢驗，說明四季中只有春季和冬季日照時數(shù)增加幅度比較明顯。

（4）通過對日照時數(shù)的Mann Kendall的突變檢驗發(fā)現(xiàn)，肅北近38a的日照時數(shù)具有顯著的增加趨勢，并且在1998年發(fā)生了一次突變，超出了顯著性水平。

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