近57年川東區(qū)域日照變化特征分析

周示凱，張涵斌，李 靖

(1.中國民用航空日喀則站，西藏日喀則 857000；2.中國氣象局北京城市氣象研究所，北京 100089；3.中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰 214431)

氣候變化已經成為全球科學家普遍關注的一個熱點問題。氣候變化涉及到多個方面的氣候要素，隨著研究的不斷深入，人們逐漸對太陽輻射產生了越來越多的關注。太陽輻射(主要指到達地面的太陽輻射)是地球表層上的物理、生物和化學過程的主要能源，也是生態(tài)系統(tǒng)過程模型、水文模擬模型和生物物理模型研究中必要參數(shù)[1]，對太陽輻射的研究意義也顯得越來越重要。

對太陽輻射能量的研究主要針對日照時數(shù)和日照百分率2個重要因子。日照時數(shù)反映了一地接受太陽輻射時間的長短，是太陽輻射最直接的表現(xiàn)，是氣候形成的重要因素，也是表征一地氣候變化的主要氣象要素之一。研究日照時數(shù)變化及時空分布規(guī)律，不僅有助于了解某地區(qū)氣候變化的規(guī)律，還可以通過日照時數(shù)的變化狀況，間接推斷該地區(qū)云的變化以及大氣成分的變化情況[2]。國內外很多學者針對日照變化規(guī)律及其原因進行了研究，任國玉等[3]研究發(fā)現(xiàn)，近50年全國平均日照時數(shù)呈下降趨勢，陳志軍等[4]在研究重慶日照時數(shù)變化中得出重慶市日照時數(shù)在40年間發(fā)生明顯減少，并且總結出其變化與云量有明顯的負相關關系。伍紅雨等[5]分析指出，近48 年華南大部分地區(qū)日照時數(shù)的顯著下降與總云量的明顯增加密切相關。川東地區(qū)地理位置較為獨特，在氣候變化的大背景下，該地區(qū)日照時數(shù)和日照百分率也發(fā)生了相應的變化。筆者選用近57年來川東達州、巴中、南充3站以及川中東部的綿陽站日照時數(shù)、日照百分率資料,采用線性傾向估計法、Mann-Kendall(M-K)檢驗法，分析了川東地區(qū)日照變化特征,為研究川東氣候變化提供參考。

1　資料與方法

1.1研究區(qū)概況四川盆地地勢西高東低,東部是川東盆地，典型的城市有巴中、達州、南充等。該地區(qū)群山環(huán)繞，氣候特征也比較鮮明，具有冬暖夏熱的特點，且多云霧多降水，空氣濕度較大，而日照較少。盆地是全國日照時數(shù)最少的區(qū)域，全年日照時數(shù)為900～1 600 h。

1.2資料選取選取的資料為達州、巴中、南充3個臺站57年來(1954—2010年)各月的日照時數(shù)與日照百分率，同時選取了四川中東部地區(qū)的綿陽站作為對比參考站，來突出川東地區(qū)氣候變化區(qū)別于其他地區(qū)的區(qū)域性特征。

1.3研究方法

1.3.1線性傾向估計。對于氣候時間序列的分析診斷，應首先關注它的趨勢特征，另外，該序列是否存在突變特征也值得研究。該研究采用的分析趨勢的方法是線性傾向估計法[6]。

用xi表示某一氣候變量序列，樣本量為n，用ti表示與樣本xi所對應的時間，建立xi與ti之間的一元線性回歸方程：

xi=a+bti(i=1,2,…,n)

(1)

其中，a是回歸常數(shù)，b是回歸系數(shù)。對于某一氣候變量x的變化趨勢，可以根據(jù)回歸系數(shù)b來判斷。當b>0時，說明x隨時間t增加而增加；反之，說明x隨時間t的增加而減少。一般將b稱作傾向值，其絕對值的大小反映了增加或減少的傾向程度，統(tǒng)計上將這種方法稱為線性傾向估計[6]。相關系數(shù)r表示變量x與時間t之間線性相關的密切程度。

為了確定回歸方程是否有統(tǒng)計意義，需要檢驗時間序列的顯著水平，該研究采取對回歸方程的F檢驗，因為對一元線性回歸來說，回歸方程的檢驗和相關系數(shù)的檢驗是一致的，所以統(tǒng)計量F的計算，可以由相關系數(shù)得到，即

(2)

給定了顯著性水平α，查自由度為(1，n-2)的F分布臨界值表，可得臨界值Fα，當F>Fα，則認為回歸方程是顯著的，否則不顯著。

1.3.2曼-肯德爾(Mann-Kendall)檢驗法。采用氣候統(tǒng)計中較為常用的Mann-Kendall (M-K)檢驗法[6]進行突變檢驗。該方法計算步驟為：首先計算順序時間序列的秩序列Sk，從而計算出統(tǒng)計量UFk；其次計算逆序時間序列的秩序列Sk，也計算出統(tǒng)計量UBk；確定給定顯著性水平的臨界值，如α=0.05，那么臨界值U=±1.96；最后將UFk和UBk2個統(tǒng)計量序列曲線和臨界值(±1.96)2條直線繪在同一張圖上。若UFk或UBk的值大于0，則表明序列呈上升趨勢，小于0則表明呈下降趨勢，若超過臨界線的范圍，表明該上升或下降趨勢是明顯的，確定為出現(xiàn)突變的時間區(qū)域。如果UFk和UBk2條曲線有交點，且交點位于臨界線(±1.96)之間，那么交點對應的時刻便是該時間序列的突變開始時間[6]。

2　結果與分析

2.1日照時數(shù)變化特征

2.1.1年際變化。從圖1a可以看出，近57年達州地區(qū)逐年日照時數(shù)變化總體呈下降趨勢，氣候傾向率為-8.147 h/a，1954—1980年為日照時數(shù)偏多期,多年在平均值以上，1977年達最大值，達1 394.00 h，而1980年以后年日照時數(shù)開始明顯減少，只有少數(shù)年份超過了平均值，年日照時數(shù)變化較大，最低值出現(xiàn)在1993年，為711.25 h。根據(jù)R2=0.459，帶入公式(2)得F=4.66，而根據(jù)F分布表可知，F(xiàn)α=4.03，則F>Fα，表明該序列是顯著的。

從圖1b～d可看出，近57年巴中、南充、綿陽地區(qū)日照時數(shù)也呈減少趨勢，1954—2010年的日照時數(shù)平均值分別為1 134.55、1 002.67和978.96 h，氣候傾向率分別為-3.088、-5.973和-5.385 h/a，其中巴中下降的趨勢不如達州、南充、綿陽。將逐年日照時數(shù)與多年平均值對比發(fā)現(xiàn)，近57年來巴中、南充和綿陽日照時數(shù)也可分為2個階段，20世紀70年代末之前為日照時數(shù)偏多期，多數(shù)年份位于平均值之下；70年代末后為日照時數(shù)偏少期，其各年日照時數(shù)均在平均值以下或在平均值附近波動，利用線性傾向估計，得到F值分別為10.09、27.40、24.20，而Fα=4.02，則F>Fα，表明這3個地區(qū)日照時數(shù)序列均通過了顯著性檢驗。

2.1.2季節(jié)變化。從表1可以看出，近57年來達州、巴中、南充和綿陽4個測站春、夏、秋、冬四季的日照時數(shù)均呈減少趨勢，且各季氣候傾向率的大小具有較大差異，其中夏季和冬季的氣候傾向率明顯小于春秋季，如達州地區(qū)，夏季和冬季傾向率分別為-10.830和-8.824 h/a，而春秋季氣候傾向率分別為-3.920和-3.960 h/a，夏季比春季的傾向率低了6.910 h/a;其他3個地區(qū)情況也類似，夏季和冬季的氣候傾向值明顯小于春季和秋季；對于綿陽地區(qū)，春季和夏季的氣候傾向率差異更大，夏季比春季的傾向率低9.463 h/a?？傮w上，4個地區(qū)冬夏兩季日照時數(shù)的下降趨勢更加明顯，對比各地區(qū)全年日照時數(shù)變化特征，說明夏季和冬季日照時數(shù)的減少在全年日照時數(shù)減少的趨勢中占主要部分。

圖1　1954—2010年達州(a)、巴中(b)、南充(c)和綿陽(d)日照時數(shù)年際變化Fig.1　Annual variation trend of sunshine hours for Dazhou(a),Bazhong(b),Nanchong(c) and Mianyang(d) from 1954 to 2010

綜上所述，川東的達州、巴中、南充3站日照時數(shù)的年際、季節(jié)變化趨勢與綿陽地區(qū)的變化較為一致，同時與陳志軍等[4]、陳碧輝等[7]對重慶、成都地區(qū)日照時數(shù)的變化趨勢所得的研究結果基本一致，年、季節(jié)日照時數(shù)均是減少的，且冬夏季的減少趨勢比春秋季更明顯。

表11954—2010年4個測站不同季節(jié)日照時數(shù)氣候傾向率

Table1Climatictendencyrateofsunshinehoursforfourregionsduringdifferentseasonsfrom1954to2010h/a

季節(jié)Season達州Dazhou巴中Bazhong南充Nanchong綿陽Mianyang春季Spring-3.920-1.196-4.581-1.737夏季Summer-10.830-3.484-8.368-11.200秋季Autumn-3.960-0.453-2.863-3.702冬季Winter-8.824-6.424-7.810-6.027

2.2日照百分率變化特征

2.2.1年際變化。從圖2可以看出，1954—2010年達州站年日照百分率總體呈下降趨勢，氣候傾向率為-0.191%/a,1980年之前總體高于平均值28.094%，而1980年后有很少年份高于平均值，僅1986年達28.17%，1995年為29.42%，1997年為28.08%，其他年份均低于平均值。用線性傾向估計對達州日照百分率序列進行顯著性檢驗，求得R2=0.387，F(xiàn)=34.70，F(xiàn)α=4.03，顯然F>Fα,回歸方程是顯著的。近57年來巴中、南充和綿陽地區(qū)日照百分率總體趨勢也是下降的，氣候傾向率分別是-0.070、-0.173和-0.153%/a，其中巴中地區(qū)與其他3個地區(qū)相比較，下降趨勢不明顯?？傮w上，近57年來巴中、南充和綿陽地區(qū)日照百分率趨勢變化也可以大致分為2個階段，1980年之前各年日照百分率較高，巴中最高值出現(xiàn)在1977年，達36.41%，南充最高值出現(xiàn)在1978年，達36.00%，綿陽最高值出現(xiàn)在1969年，達34.41%；到1980年之后日照百分率均較低，巴中1996年低至20.91%，南充1999年低至17.10%，綿陽1991年低至17.60%。分別對巴中、南充和綿陽日照百分率序列進行顯著性檢驗，得出巴中、南充和綿陽的F值分別為7.43、33.50、45.90，而Fα=4.03，表明這3個站的線性回歸方程也是顯著的。

圖2　1954—2010年達州(a)、巴中(b)、南充(c)和綿陽(d)日照百分率年際變化Fig.2　Annual variation trend of sunshine percentage for Dazhou(a),Bazhong(b),Nanchong(c) and Mianyang(d) from 1954 to 2010

2.2.2季節(jié)變化。從表2可以看出，近57年來達州、巴中、南充和綿陽春、夏、秋、冬四季的日照百分率多數(shù)也呈現(xiàn)出減少趨勢，而對于巴中站，春季日照百分率氣候傾向率為正值(0.001%/a)，說明巴中地區(qū)春季日照百分率存在略微上升趨勢。與日照時數(shù)各季氣候傾向率類似，夏季和冬季日照百分率的氣候傾向率也明顯小于春秋季，說明冬夏季日照時數(shù)的下降趨勢更加明顯。

表21954—2010年4個測站不同季節(jié)日照百分率氣候傾向率

Table2Climatictendencyrateofsunshinepercentageforfourregionsduringdifferentseasonsfrom1954to2010%/a

季節(jié)Season達州Dazhou巴中Bazhong南充Nanchong綿陽Mianyang春季Spring-0.1030.001-0.160-0.042夏季Summer-0.279-0.097-0.201-0.264秋季Autumn-0.155-0.030-0.087-0.095冬季Winter-0.270-0.182-0.252-0.190

綜合上述，近57年來達州、巴中、南充和綿陽地區(qū)日照百分率的年際、季節(jié)變化趨勢也是減少的，而年際日照百分率的減少特征主要歸因于冬夏兩季的顯著減少趨勢。

2.3氣候突變分析

2.3.1年日照時數(shù)突變檢驗。由圖3a可見，自20世紀80年代以來，達州日照時數(shù)有明顯的減少趨勢；90年代以后均超過了顯著性水平0.05的臨界線(U=±1.96)，同時也超過了顯著性水平0.001的臨界線(U=±2.56)，表明達州日照時數(shù)減少十分顯著；UF和UB曲線交點位于臨界線之間，從而可以確定達州年日照時數(shù)的突變年份為1980年。

由圖3b可見，自20世紀80年代以來，巴中日照時數(shù)的年際變化也有明顯的減少趨勢，與達州的檢驗結果類似，90年代以后均超過了顯著性水平0.05的臨界線，但只有部分年份超過了0.001顯著性水平的臨界線。綜合而言，巴中日照時數(shù)減少也十分顯著，但不如達州地區(qū)明顯。根據(jù)UF和UB曲線交點的位置，確定巴中年日照時數(shù)的突變年份也是1980年。

由圖3c可見，自20世紀80年代以來，南充日照時數(shù)亦有明顯的減少趨勢，與達州的檢驗結果類似，90年代以后均超過了顯著性水平0.05的臨界線，甚至超過了0.001顯著性水平的臨界線，表明南充日照時數(shù)減少十分顯著；根據(jù)UF和UB曲線交點的位置，確定達州年日照時數(shù)的突變年份是1980年。

由圖3d可見，與達州、巴中和南充的情況類似，自20世紀80年代以來，綿陽日照時數(shù)亦有明顯的減少趨勢，90年代以后均超過了顯著性水平0.05的臨界線，甚至超過了0.001顯著性水平的臨界線；根據(jù)UF和UB曲線交點的位置，確定綿陽年日照時數(shù)的突變年份是1982年，相對于達州、巴中和南充的突變年份略晚。

綜上所述，川東3個站年際日照時數(shù)存在很大的一致性，即20世紀80年代為突變期，具體的突變年份為1980年，而綿陽地區(qū)突變年份略晚。

2.3.2年日照百分率突變檢驗。由圖4a可看出，從20世紀80年代以來，達州年日照百分率表現(xiàn)出明顯的減少趨勢，與達州日照時數(shù)的檢驗結果類似，從80年代后期之后均超過了顯著性水平0.05的臨界線，表明達州日照百分率減少也十分顯著；根據(jù)UF和UB曲線交點的位置，確定達州年日照百分率的突變年份是1980年。

圖3　1954—2010年達州(a)、巴中(b)、南充(c)和綿陽(d)年日照時數(shù)M-K檢驗Fig.3　M-K test curve of annual sunshine hours for Dazhou(a),Bazhong(b),Nanchong(c) and Mianyang(d) from 1954 to 2010

由圖4b可看出，從20世紀80年代以來，巴中年日照百分率也表現(xiàn)出明顯的減少趨勢，從90年代初期之后也均超過了顯著性水平0.05的臨界線，表明巴中日照百分率減少也較為顯著，但巴中地區(qū)日照百分率的減少趨勢不如達州地區(qū)明顯。根據(jù)UF和UB曲線交點的位置，確定巴中年日照百分率的突變年份是1980年。

由圖4c可看出，南充年日照百分率也在20世紀80年代后表現(xiàn)出明顯的減少趨勢，從80年代中后期之后也均超過了顯著性水平0.05的臨界線，表明南充日照百分率減少也十分顯著；根據(jù)UF和UB曲線交點的位置，確定南充年日照百分率的突變年份是1980年。

由圖4d可看出，綿陽年日照百分率也在20世紀80年代后表現(xiàn)出明顯的減少趨勢，從80年代中后期之后也均超過了顯著性水平0.05的臨界線，表明綿陽日照百分率減少也十分顯著；根據(jù)UF和UB曲線交點的位置，確定綿陽年日照百分率的突變年份是1984年。

綜上所述，川東地區(qū)3個站點日照百分率的突變與日照時數(shù)的突變也類似，均是從20世紀80年代(具體為1980年)之后開始顯著減少的，而綿陽地區(qū)日照百分率的突變年份略晚，為1984年。

2.4影響日照時數(shù)變化的因素分析日照時數(shù)的變化與許多因子有關，云量、大氣透明度都會對某一地區(qū)日照特征產生重要影響。云量是決定日照時數(shù)變化的最重要因子之一，張云林等[8]研究指出，云量的增加會導致日照時數(shù)的減少，即兩者關系近似呈負相關。川東地區(qū)本來就多云霧，近些年來，隨著大氣中各種塵粒的增多，水汽更加容易凝結形成云、霧等天氣現(xiàn)象，導致太陽輻射被顯著削弱。大氣透明度對日照時數(shù)也具有很大的影響，大氣透明度表征了大氣對太陽輻射的透明度程度，它受大氣中的水汽含量和大氣氣溶膠含量等因子影響，隨著我國人口數(shù)量的增加和經濟的飛速發(fā)展，工業(yè)化進程也在逐漸加速，因此，工業(yè)排放的各種煙塵、廢氣不斷增多，極大地降低了大氣透明度，從而使得到達地表的太陽光線被嚴重削弱。另外，川東地區(qū)地理位置獨特，盆地的三面環(huán)山，并且該地區(qū)冬季往往出現(xiàn)貼地逆溫層現(xiàn)象，使得空氣污染物的囤積，難以消散，在減少了太陽輻射的同時，也形成了較嚴重的污染。因此，綜合以上因素，川東地區(qū)日照時數(shù)的減少是有根據(jù)的。

圖4　1954—2010年達州(a)、巴中(b)、南充(c)和綿陽(d)年日照百分率M-K檢驗Fig.4　M-K test curve of annual sunshine percentage for Dazhou(a),Bazhong(b),Nanchong(c) and Mianyang(d) from 1954 to 2010

3　結論

基于1954—2010年川東地區(qū)達州、巴中和南充站以及中東部地區(qū)綿陽的日照時數(shù)和日照百分率資料，采用線性傾向估計方法和M-K檢驗方法，對近57年來川東地區(qū)日照變化特征進行了趨勢分析和突變檢驗，得出以下結論。

(1)近57年來川東地區(qū)年日照時數(shù)總體呈減少趨勢，達州、巴中、南充和綿陽的氣候傾向率分別是-8.147、-3.088、-5.973和-5.385 h/a。57年來各地區(qū)的日照時數(shù)特征大致可分為2個階段，1980年之前為日照時數(shù)偏多期，1980年之后為日照時數(shù)偏少期；且通過線性傾向估計得出川東地區(qū)日照時數(shù)變化趨勢是顯著的。

(2)近57年來川東地區(qū)年日照百分率總體呈減少趨勢，達州、巴中、南充和綿陽的氣候傾向率分別是-0.191、-0.070、-0.173和-0.153%/a；57年來各地區(qū)的日照百分率特征大致可分為2個階段，1980年之前為日照百分率偏多期，1980年之后為日照百分率偏少期。通過線性傾向估計得出川東地區(qū)日照百分率變化趨勢也是顯著的。

(3)近57年來川東地區(qū)年際日照時數(shù)和日照百分率的減少趨勢主要體現(xiàn)在夏季和冬季，而春季和秋季的減少趨勢明顯小于夏季和冬季。

(4)M-K突變檢驗表明，近57年來川東地區(qū)日照在20世紀80年代左右發(fā)生了較為明顯的突變現(xiàn)象，具體突變年份為1980年，而西部的綿陽地區(qū)突變年份略晚于川東地區(qū)。

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