1970—2014年山東濟寧日照時數(shù)時空變化特征及氣象因子影響分析

蔡 鵬，張翠翠，王政權(quán)，王 文，李 芳

（1．山東省濟寧市氣象局，山東 濟寧 272137；2．江蘇省泰州市姜堰區(qū)氣象局，江蘇 泰州 225500；3．南京信息工程大學大氣科學學院，江蘇 南京 210044）

1970—2014年山東濟寧日照時數(shù)時空變化特征及氣象因子影響分析

蔡 鵬1，張翠翠1，王政權(quán)2，王 文3，李 芳1

（1．山東省濟寧市氣象局，山東 濟寧 272137；2．江蘇省泰州市姜堰區(qū)氣象局，江蘇 泰州 225500；3．南京信息工程大學大氣科學學院，江蘇 南京 210044）

利用1970—2014年山東省濟寧市11個國家級氣象觀測站逐月日照時數(shù)、總云量、低云量、相對濕度、降水和霧霾等資料，采用氣候傾向率、滑動t檢驗、Mann－Kendall檢驗及小波分析等方法分析了濟寧市日照時數(shù)變化特征及其與各氣象要素的相關性。結(jié)果表明：山東濟寧市年日照時數(shù)呈“中間高，四周低”的地域分布特征。近45 a，全區(qū)年日照時數(shù)變化均呈減少趨勢，最大降幅位于以嘉祥和微山為中心的西部平原和南部湖區(qū)；夏、秋季日照時數(shù)減少趨勢極為顯著，冬、春季變化趨勢不明顯，其中8月日照時數(shù)減少速率最大?？梢姡募竞统跚锶照諘r數(shù)的顯著減少對年日照時數(shù)減少的貢獻較大。1989年日照時數(shù)發(fā)生了明顯減少的突變，且以8 a和20 a振蕩周期最為顯著。在氣象因子共同作用下，總云量、低云量和輕霧日數(shù)的顯著增多對濟寧地區(qū)年、夏季日照時數(shù)的顯著減少貢獻最大，而秋季主要是輕霧日數(shù)的極顯著增加。

日照時數(shù)；時空變化；氣候傾向率；突變檢驗；小波分析

蔡 鵬，張翠翠，王政權(quán)，等．1970—2014年山東濟寧日照時數(shù)時空變化特征及氣象因子影響分析［J］．干旱氣象，2016，34（6）：983－988，［CAI Peng，ZHANG Cuicui，WANG Zhengquan，et al．Spatial and Temporal Variation Characteristics of Sunshine Hoursand Influence of Meteorological Factors in Jining of Shandong Province During 1970－2014［J］．Journal of Arid Meteorology，2016，34（6）：983－988］，DOI：10．11755／j．issn．1006－7639（2016）－06－0983

引 言

日照時數(shù)是太陽輻射能最直接的反映，探討氣候與環(huán)境變化對日照時數(shù)的影響具有重要意義［1－3］。日照是指太陽在某地實際照射的時數(shù)，日照時數(shù)也稱實照時數(shù)［4］。近年來，學者們對日照時數(shù)的變化展開了相關研究，發(fā)現(xiàn)河北省日照時數(shù)分布存在明顯的地域特征［5］，長江流域［6］、上海［7］、東北［8］等地區(qū)的日照時數(shù)下降趨勢非常明顯。與之相反，石羊河流域［9］、喀什地區(qū)［10］、青藏高原［11］等部分地區(qū)日照時數(shù)則呈上升趨勢，福建?。?2］春、秋季日照時數(shù)顯著增加。然而，中國黑戈壁地區(qū)［13］近52 a來日照時數(shù)變化不明顯。針對日照時數(shù)的變化原因，也有學者從不同角度進行了分析，董旭光等［14］得出，山東省年日照時數(shù)呈極顯著減少趨勢，夏季日照時數(shù)下降最明顯，春季下降速率最小，水汽壓的顯著增大對日照時數(shù)減少的貢獻最大；影響山東菏澤地區(qū)［15］日照時數(shù)變化的主要因子有總云量、相對濕度、降水和霧；中國西南地區(qū)［16］日照時數(shù)降低在低海拔區(qū)更為顯著，風速是影響日照時數(shù)變化的主要原因。葉瑜等［17］提出在全球變暖的大背景下，由于地理位置、地形地貌等因素的影響，日照時數(shù)及其變化呈現(xiàn)明顯的地域性差異。因此，日照時數(shù)在我國不同地區(qū)、不同時段呈現(xiàn)出不同的氣候特征，影響因素復雜，多角度分析其變化特征尤為必要。

山東省濟寧市位于魯西南腹地，地處黃淮海平原與魯中南山地的過渡地帶，地勢東高西低，自東向西依次為低山丘陵、山前沖積扇平原、湖泊洼地、河流沖積平原，地貌類型復雜。該區(qū)是全國重要的糧食、煤炭生產(chǎn)基地，內(nèi)河航運發(fā)達，因此，深入了解該區(qū)的日照變化特征對當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著重要指導意義。

1 資料與方法

選取山東濟寧市11個國家級氣象觀測站1970—2014年逐月日照時數(shù)、總云量、低云量、相對濕度、降水和霧霾等資料，這些資料均通過了質(zhì)量控制處理，數(shù)據(jù)真實可靠。季節(jié)劃分：春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季9—11月，冬季為12月至翌年2月。取11個臺站研究期內(nèi)日照時數(shù)多年平均值作為濟寧地區(qū)歷年值。

采用氣候傾向率方法進行日照時數(shù)和其它氣象因子的變化趨勢分析。滑動t檢驗和Mann－Kendall（M－K）非參數(shù)統(tǒng)計檢驗法進行日照時數(shù)時間序列的突變檢驗。利用小波分析診斷研究期內(nèi)振蕩分布的局地奇異特征［18］，并通過紅噪聲或白噪聲標準譜對其進行顯著性檢驗［19］。其中，假定小波功率譜遵從χ2分布特征，首先計算小波功率譜分布的有效自由度（ν），給出 χ2分布的顯著性水平95%的置信度；然后計算紅噪聲或白噪聲的理論功率譜P，當總體小波功率譜（Ea）大于理論譜（P）時，說明總體小波功率譜對應的周期顯著。檢驗公式如下：

式中，a為尺度因子（與周期和頻率有關），b為平移因子（時間位置），Wf（a，b）為小波系數(shù)；χ2ν是自由度為ν的χ2值，σ2為原序列的方差；Pa為紅噪聲或白噪聲譜，α為原序列滯后1的自相關系數(shù)；δt為資料序列時間間隔。

2 結(jié)果分析

2．1 山東濟寧市日照時數(shù)及變化空間分布

圖1給出1970—2014年山東省濟寧市年平均日照時數(shù)及其氣候傾向率的空間分布。由圖1a可見，濟寧市年日照時數(shù)呈“中間高，四周低”的地域分布特征，高值區(qū)分布在以兗州為中心的中北部，多年平均日照時數(shù)為2 398．2 h；最低值位于以嘉祥為中心的西部平原，年平均日照時數(shù)為2 225．2 h。由圖1b可見，近45 a濟寧市日照時數(shù)年變化表現(xiàn)為全區(qū)一致減少趨勢，變化幅度由中間向東西兩端逐漸增大，且梁山、金鄉(xiāng)、兗州、鄒城、泗水等地區(qū)下降顯著（通過α＝0．05及以上的信度檢驗），最大降幅位于以嘉祥和微山為中心的西部平原和南部湖區(qū)，傾向率分別為－127．4 h·（10 a）－1和－112．2 h·（10 a）－1（通過α＝0．001及以上的信度檢驗）；下降最不明顯的地區(qū)為以魚臺為中心的中部平原，傾向率為－1．4 h·（10 a）－1（未通過顯著性檢驗）。

圖1 1970—2014年山東省濟寧市年平均日照時數(shù)（a，單位：h）及其氣候傾向率（b，單位：h·（10 a）－1）分布Fig．1 The spatial distribution of annual sunshine hours（a，Unit：h）and linear trend rate of annual sunshine hours（b，Unit：h·（10 a）－1）in Jining of Shandong Province during 1970－2014

2．2 山東濟寧市日照時數(shù)時間分布

2．2．1 日照時數(shù)年變化特征

圖2為濟寧市1970—2014年日照時數(shù)的年際變化?？梢钥闯觯?5 a濟寧市年平均日照時數(shù)為2 297．3 h，低于山東省歷年平均值2 442．0 h，年日照時數(shù)最大值出現(xiàn)在1978年（2 569 h），最小值出現(xiàn)在2003年（1 869．2 h）；1970—1990年代年日照時數(shù)較高，尤其是1980年代中期以前普遍高于平均水平，2000年以后年日照時數(shù)低于平均水平，年日照時數(shù)整體呈階段性的減少趨勢，降幅為60．8 h·（10 a）－1（通過α＝0．01的信度檢驗），小于全省平均降幅91．3 h·（10 a）－1。

圖2 1970—2014年山東省濟寧市日照時數(shù)年際變化Fig．2 The annual variation of sunshine hours in Jining of Shandong Province during 1970－2014

利用滑動t檢驗對濟寧市1970—2014年日照時數(shù)進行突變分析，給定顯著性水平t0．01＝±3．20（圖3a）?？煽闯?，自1970年以來，t統(tǒng)計量有2處超過α＝0．01顯著性水平臨界線，一處是正值（出現(xiàn)在1987—1989年），另一處是負值（出現(xiàn)在1985年），說明近45 a來濟寧市年日照時數(shù)發(fā)生了突變。為減少滑動t檢驗中選擇子序列長度而產(chǎn)生的突變點漂移誤差，采用M－K檢驗進行進一步驗證（圖3b），給定顯著性水平U0．01＝±2．58?？梢钥闯?，1970年以來UF一直呈波動減少趨勢，2003年后超出α＝0．01的顯著性水平臨界線，曲線UF和UB在信度范圍內(nèi)有1984、1986和1989年3個交點。結(jié)合2種檢驗結(jié)果，得出近45 a濟寧市年日照時數(shù)突變點為1989年。

圖3 1970—2014年山東省濟寧市年日照時數(shù)滑動t檢驗（a）和M－K檢驗（b）Fig．3 The sliding t test（a）and Mann－Kendall test（b）of annual sunshine hours in Jining of Shandong Province during 1970－2014

由濟寧市1970—2014年日照時數(shù)Morlet小波分析（圖4）可知，在年代際尺度上，1970年以來，一直存在20 a的長周期；1970—1990年代中期，以8 a的周期最明顯（通過α＝0．05的信度檢驗）。此外，在年際尺度上，1990年代中期、2000—2005年間存在功率大值，對應的周期分別為2 a、3 a，但未通過顯著性檢驗。

圖4 1970—2014年山東省濟寧市年日照時數(shù)的Morlet小波變換Fig．4 Morletwavelet transformation of annual sunshine hours in Jining of Shandong Province during 1970－2014

2．2．2 日照時數(shù)季節(jié)變化特征

表1給出濟寧市近45 a四季日照時數(shù)變化特征?？梢?，濟寧市日照時數(shù)自春、夏、秋、冬季依次減少，分別為663．8 h、622．8 h、549．7 h、461．1 h；各季節(jié)日照日數(shù)的變化趨勢不盡相同，春季以0．4 h· （10 a）－1的速率呈微弱增加趨勢，其它季節(jié)均呈減少趨勢，且夏季和秋季減少趨勢顯著。

2．2．3 日照時數(shù)的月變化特征

由表2可得：1970—2014年，濟寧市日照時數(shù)的月分布呈明顯的單峰型，峰值出現(xiàn)在5月，為246．4 h，谷值出現(xiàn)在2月，為 150．4 h；除3—4月外，其余月份日照時數(shù)的變化趨勢均呈減少趨勢，其中6—9月減少趨勢顯著，且8月減少率最大為－12．39 h·（10 a）－1，9月次之為－11．2 h·（10 a）－1。可見，夏季和初秋日照時數(shù)的顯著減少對年日照時數(shù)減少的貢獻較大。

表1 1970—2014年山東省濟寧市日照時數(shù)的季節(jié)分布及變化趨勢Tab．1 The seasonal average value of sunshine hours and variation trend in four seasons in Jining of Shandong Province during 1970－2014

表2 1970—2014年濟寧市月平均日照時數(shù)（單位：h）及其變化趨勢（單位：h·（10 a）－1）Tab．2 Themonthly average sunshine hours（Unit：h）and variation trend（Unit：h·（10 a）－1）in Jining of Shandong Province during 1970－2014

3 氣象因子影響分析

表3給出1970—2014年濟寧地區(qū)日照時數(shù)顯著減少時段內(nèi)各氣象因子的變化趨勢及其與日照時數(shù)的相關系數(shù)。就變化趨勢來看，近45 a濟寧地區(qū)日照時數(shù)顯著減少時段內(nèi)總云量、低云量和輕霧日數(shù)均呈一致的增加趨勢，其中除秋季總云量、8月和秋季低云量外，其余變化趨勢均顯著；各時段內(nèi)相對濕度均呈現(xiàn)減少趨勢，僅年平均相對濕度通過了α＝0．05的信度檢驗；各時段霧霾日數(shù)的變化趨勢均不顯著，除年霧霾日數(shù)增加外，其余時段霧霾日數(shù)均呈減少趨勢；各時段降水日數(shù)的變化趨勢與降水量相反，且變化趨勢都不顯著。

表3 1970—2014年山東濟寧市日照時數(shù)顯著減少時段內(nèi)主要氣象因子的變化趨勢及與日照時數(shù)的相關系數(shù)Tab．3 The variation trends ofmainmeteorological factors and their correlation coefficientswith sunshine hours during the significant decreasing periods of sunshine hours in Jining of Shandong Province during 1970－2014

就相關系數(shù)而言，年日照時數(shù)與總云量、低云量、降水日數(shù)、霧霾日數(shù)及輕霧日數(shù)均呈現(xiàn)極顯著負相關關系（均通過α＝0．001的信度檢驗），相關系數(shù)分別為－0．684、－0．699、－0．605、－0．482、－0．462，而與降水量呈顯著負相關關系（通過α＝0．01的信度檢驗），相關系數(shù)為－0．411；夏季，日照時數(shù)與各氣象因子間也呈現(xiàn)顯著負相關，其中與總云量、低云量、輕霧日數(shù)及降水日數(shù)的相關系數(shù)分別為－0．833、－0．583、－0．606、－0．472，呈極顯著負相關（通過α＝0．001的信度檢驗）；秋季，日照時數(shù)與各氣象因子間的相關系數(shù)均通過α＝0．01的顯著性檢驗，其中與總云量、低云量、降水日數(shù)、相對濕度及降水量的相關系數(shù)分別為－0．888、－0．765、－0．783、－0．620、－0．522，呈極顯著負相關（通過α＝0．001的信度檢驗）；8月，除霧霾日數(shù)外，日照時數(shù)與其余氣象因子間的負相關關系均通過了顯著性檢驗，其中與總云量、低云量、相對濕度、降水日數(shù)及降水量的相關系數(shù)分別為－0．921、－0．701、－0．603、－0．687、－0．622，呈極顯著負相關（通過 α＝0．001的信度檢驗）。可見，除年平均相對濕度和8月霧霾日數(shù)外，各時段日照時數(shù)與同期氣象因子間的相關關系均顯著。

上述氣象因子對日照時數(shù)減少的影響表現(xiàn)為明顯的季節(jié)性，而夏季日照時數(shù)極顯著減少幅度最大，這與大氣環(huán)流變化密切相關。在全球變暖的氣候背景下，夏季副熱帶高壓面積增大［20］，且位置偏北，其西北側(cè)西南氣流北伸，致使?jié)鷮幧峡账渑妫?1］，導致總、低云量和輕霧日數(shù)顯著增多。綜上所述，在氣象因子共同作用的基礎上，總云量、低云量和輕霧日數(shù)的增多對濟寧地區(qū)年、夏季日照時數(shù)的變化貢獻最大，而秋季主要是輕霧日數(shù)的極顯著增加。

4 結(jié) 論

（1）濟寧地區(qū)年日照時數(shù)呈現(xiàn)“中間高，四周低”的地域分布特征，高值區(qū)位于中北部，多年平均日照時數(shù)為2 398．2 h；最低值分布在西部平原，年平均日照時數(shù)為2 225．2 h；近45 a來，濟寧市各地區(qū)年日照時數(shù)均呈減少趨勢，最大降幅位于以嘉祥和微山為中心的西部平原和南部湖區(qū)。

（2）濟寧地區(qū)日照時數(shù)最多出現(xiàn)在春季（663．8 h），以5月日照時數(shù)（246．4 h）最多，2月日照時數(shù)（150．4 h）最少；近45 a來，日照時數(shù)夏、秋季減少趨勢顯著，其中8月日照時數(shù)減少速率最大，可見，全區(qū)年日照時數(shù)的減少夏、秋季貢獻較大。

（3）1970—2014年，濟寧地區(qū)日照時數(shù)減少突變的時間是1989年；研究期內(nèi)日照時數(shù)以20 a振蕩周期最為明顯，而1970—1995年則以8 a振蕩周期表現(xiàn)最為顯著。

（4）濟寧地區(qū)日照時數(shù)在氣象因子共同作用的基礎上，總云量、低云量和輕霧日數(shù)的顯著增多對全年、夏季日照時數(shù)的減少貢獻最大，而秋季主要是輕霧日數(shù)的顯著增加導致了日照時數(shù)的顯著減少。

［1］張立波，肖薇．1961－2010年新疆日照時數(shù)的時空變化特征及其影響因素［J］．中國農(nóng)業(yè)氣象，2013，34（2）：130－137．

［2］陳建新，閆瑛，周鑫，等．南陽市1960—2013年高溫日數(shù)變化特征及原因分析［J］．氣象與環(huán)境科學，2015，38（2）：87－91．

［3］司福意．焦作市太陽輻射資源分析評估［J］．氣象與環(huán)境科學，2013，36（2）：87－91．

［4］中國氣象局．地面氣象觀測規(guī)范［M］．北京：氣象出版社，2003．

［5］郭艷嶺，邱新法，張素云．1965～2005年河北日照時數(shù)時空分布特征及影響因子［J］．干旱氣象，2010，28（3）：297－303．

［6］韓世剛，唐琳．長江流域日照變化趨勢分析［J］．安徽農(nóng)業(yè)科學，2012，40（23）：11769－11771．

［7］靳利梅．近50年上海地區(qū)日照時數(shù)的變化特征及影響因素［J］．氣象科技，2012，40（2）：293－298．

［8］周曉宇，張新宜，崔妍，等．1961－2009年東北地區(qū)日照時數(shù)變化特征［J］．氣象與環(huán)境學報，2013，29（5）：112－120．

［9］康淑媛，張勃，郭玉剛，等．1959年至2008年石羊河流域日照時數(shù)時空變化特征［J］．資源科學，2011，33（3）：483－488．

［10］楊霞，蔡梅，趙逸舟，等．近39年喀什日照時數(shù)變化分析［J］．干旱區(qū)研究，2011，28（1）：158－162．

［11］華維，董一平，范廣洲．青藏高原年日照時數(shù)變化的時空特征［J］．山地學報，2010，28（1）：21－30．

［12］彭云峰，王瓊．近50年福建省日照時數(shù)的變化特征及其影響因素［J］．中國農(nóng)業(yè)氣象，2011，32（3）：350－355．

［13］李雪，鄭新江，咸迪，等．中國黑戈壁地區(qū)日照時數(shù)時空變化及影響因素［J］．干旱氣象，2013，31（3）：471－475．

［14］董旭光，邱粲，劉煥彬，等．山東省日照時數(shù)的氣候變化特征及其影響因素［J］．中國農(nóng)業(yè)氣象，2013，34（2）：138－145．

［15］孫翠鳳，竇坤，徐國棟，等．近46 a山東菏澤日照變化特征及影響因子［J］．干旱氣象，2013，31（4）：744－749．

［16］楊小梅，安文玲，張薇，等．中國西南地區(qū)日照時數(shù)變化及影響因素［J］．蘭州大學學報（自然科學版），2012，48（5）：52－60．

［17］葉瑜，蘇永秀，李政，等．近50年廣西日照時數(shù)時空變化特征分析［J］．中國農(nóng)學通報，2013，29（14）：196－201．

［18］魏鳳英．現(xiàn)代氣候統(tǒng)計診斷與預測技術(shù)（第2版）［M］．北京：氣象出版社，2007：37－38，58－59，63－64，99－103．

［19］尹繼堯，朱元清，宋治平，等．Morlet小波顯著性檢驗和精度分析在地磁場和地震活動性周期分析中的應用［J］．地震學報，33（5）：663－671．

［20］錢代麗，管兆勇，王黎娟．近57 a夏季西太平洋副高面積的年代際振蕩及其與中國降水的聯(lián)系［J］．大氣科學學報，2009，32 （5）：677－685．

［21］高理，胡桂芳，孫莎莎．山東夏季強降水的時空演變特征及成因［J］．干旱氣象，2013，31（4）：690－694．

Spatial and Tem poral Variation Characteristics of Sunshine Hours and Influence of M eteorological Factors in Jining of Shandong Province During 1970－2014

CAIPeng1，ZHANG Cuicui1，WANG Zhengquan2，WANGWen3，LIFang1

（1．Jining Meteorological Bureau of Shandong Province，Jining 272137，China；2．Jiangyan Meteorological Station of Jiangsu Province，Taizhou 225500，China；3．College of Atmospheric Science，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China）

Based themonthly sunshine duration，total cloud cover，low cloud cover，fog and haze days，relative humidity and precipitation at11meteorological observation stations in Jining of Shandong Province from 1970 to2014，the temporal and spatial variation characteristics of sunshine duration and their correlation withmeteorological factorswere studied by using the climate tendency rate，Morlet wavelet analysis，sliding t test and Mann－Kendall testmethods．The results indicated that the annual sunshine duration was high in themiddle and low on the edge in Jining．The change ofannual sunshine duration showed a decreasing tendency in whole area in Jining during 1970－2014，and themaximum of climatic tendency rate occurred in western plain with Jiaxiang as the center and southern lake area with Weishan as the center．The sunshine duration in summer and autumn decreased significantly in the past45 years，while that in spring and winter hadn't obviously changed，and the decreasing rate was themaximum in August．Therefore，the significant decrease of sunshine duration in summer and the early autumn had greatly contributed to the decrease of annual sunshine duration．The mutation of sunshine duration with the obvious decrease occurred in 1989，and the oscillation periods of 8－year and 20－year were significant during 1970－2014．The decrease of sunshine duration was closely related with the change of total cloud cover，low cloud cover，relatively humidity，mist days，fog and haze days，precipitation and rainfall days．The total cloud cover，low cloud cover and mist days in Jining increased significantly during 1970－2014，which had greatly contribute to the decrease of sunshine duration in all year and summer．Moreover，the remarkable increase ofmist days was conductive to the decrease of sunshine duration in autumn．

sunshine duration；temporal and spatial variation；climatic tendency rate；abrupt change test；wavelet analysis

1006－7639（2016）－06－0983－06

10．11755／j．issn．1006－7639（2016）－06－0983

P468．0+27

A

2016－06－30；改回日期：2016－08－26

山東省氣象局2015年青年科研基金項目（2015SDQN08）資助

蔡鵬（1977－），女，山東微山人，碩士，工程師，主要從事氣候變化及氣象服務方面的研究．E－mail：caipeng92006＠126．com