臨邑縣近50年來日照時數(shù)變化特征

王 艷

（臨邑縣氣象局，山東臨邑 251500）

1 前言

日照是指太陽在一地實際照射的時數(shù)，也稱實照時數(shù)。在一給定時間，日照時數(shù)定義為太陽直接輻照度達到或超過120W·m-2（W·m-2）的那段時間總和，以小時（h）為單位，取1位小數(shù)?？烧諘r數(shù)（天文可照時數(shù)），是指在無任何遮蔽條件下，太陽中心從某地東方地平線到進入西方地平線，其光線照射到地面所經(jīng)歷的時間[1]，是表征氣候變化的氣象要素之一。氣候變暖已經(jīng)成為全球氣候變化研究的重點內(nèi)容。氣候變化易導(dǎo)致大氣物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生一系列的復(fù)雜變化，進而會對達到地面的太陽短波輻射產(chǎn)生重要影響。日照時數(shù)是表征氣候變化的重要氣候要素，也是能反映太陽短波輻射強弱變化的重要指標。因此日照時數(shù)的時空變化越來越多地被氣候研究工作者所重視。

近些年來，有很多研究者對日照時數(shù)氣候變化趨勢進行了大量的研究，楊睿敏等[2]（2010）對漢中近50年日照時數(shù)的變化特征和影響因素進行了分析研究。結(jié)果表明，漢中近50年日照時數(shù)總體呈顯著減少趨勢。任國玉等[3]（2005）通過對1956～2002年間中國地區(qū)日照時數(shù)的變化研究，發(fā)現(xiàn)日照時數(shù)易受低云量和大氣氣溶膠增多的影響，總體上呈現(xiàn)了顯著的下降趨勢，并且這種變化有明顯的區(qū)域性和季節(jié)性差異。杜軍等[4]（2007）通過對西藏各地1971～2005年間日照時數(shù)的變化趨勢進行分析得出，受水汽壓增大影響，日照時數(shù)呈現(xiàn)了明顯的減少趨勢?；羧A麗等[4]（2011）和郝智文等[5-6]（2009）的研究都指出，在近50年，寧夏自治區(qū)和山西省各地的日照時數(shù)均呈現(xiàn)顯著的下降趨勢，表現(xiàn)出了明顯的空間和季節(jié)性差異。徐宗學(xué)等（2005）和買苗等[7-8]（2006）的研究也證明了在黃河流域，日照時數(shù)也表現(xiàn)了減少的趨勢。不同于以上研究，劉衛(wèi)平等（2008）、楊霞等（2011）和辛宏等[9-11]（2011）在對新疆地區(qū)日照時數(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)春夏兩季日照時數(shù)明顯增多，而秋季和冬季呈減少趨勢，年日照時數(shù)呈現(xiàn)不明顯的增多趨勢。

深入研究日照時數(shù)的分布規(guī)律和變化趨勢，不僅對認識地區(qū)氣候背景狀況和氣候資源變化有重要作用，而且對利用清潔能源、合理農(nóng)業(yè)布局生產(chǎn)、調(diào)整種植結(jié)構(gòu)、旅游資源開發(fā)乃至社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展等也具有重要意義。

本文對山東省臨邑縣1966～2015年的日照時數(shù)資料，采用線性傾向估計法分析了近50年臨邑縣日照時數(shù)的氣候變化特征。臨邑縣隸屬于山東省德州市，東與濟南市商河縣毗連，西與禹城市、平原縣、陵縣為鄰，南隔陡駭河與齊河縣相望，北以馬頰河與樂陵市為界，西距德州50km，南距濟南60km，北距北京300km、天津200m，東距濱州碼頭100km、青島碼頭300km，地處環(huán)渤海經(jīng)濟圈、黃河三角洲和“京九”經(jīng)濟開發(fā)帶。農(nóng)業(yè)作為臨邑縣的支柱產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)總值約為70億。日照時間作為影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要氣候因子，對臨邑縣的社會經(jīng)濟發(fā)展，生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要影響。因此對臨邑縣日照時數(shù)的詳細研究是必要的。

2 資料和方法

2.1 觀測資料

本文的研究領(lǐng)域如圖1所示。臨邑縣位于東經(jīng)116°41′46″至117°03′16″，北緯36°59′45″至37°31′34″，地處山東省西北部，東與濟南市商河縣毗連，西與禹城市、平原縣、陵縣為鄰，南隔陡駭河與齊河縣相望，北以馬頰河與樂陵市為界。2012年，臨邑縣總面積1016km2。臨邑縣屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，具有四季分明的特點。春季（3～5月），干早少雨，天氣多變；夏季（6～8月）炎熱多雨，濕度大；秋季（9～11月），秋高氣爽；冬季（12～翌年2月），寒冷干燥。年平均氣溫12.6℃。1月平均氣溫-3.2℃，極端最低氣溫-24.0℃（1959年12月21日）；7月平均氣溫26.6℃，極端最高氣溫41.5℃（1968年6月11日）。

本文所選資料來源于臨邑國家一般氣象站（海拔18.5m），該站位于北緯37°12′，東經(jīng)116°49′。所選數(shù)據(jù)為臨邑縣氣象局1966～2015年逐月、逐年日照時數(shù)，按冬季（12月～次年2月）、春季（3～5月）、夏季（6～8月）、秋季（9～11月）劃分四季。利用線性傾向估計法分析了近50年臨邑縣日照時數(shù)的年及季節(jié)變化規(guī)律。

圖1 觀測地點示意圖

2.2 研究方法

2.2.1 氣候傾斜率

氣候要素的趨勢變化一般采用一元線性回歸模型描述，即：

式中，y為氣候要素序列，x為時間序列（本文中為1961-2005年），b為線性趨勢項，10b即為氣候要素每10a的氣候傾向率（符淙斌等，1992），用于定量分析氣候要素變化的線性趨勢。

2.2.2 累積距平分析

氣候突變是存在于氣候系統(tǒng)中的常見的重要現(xiàn)象，其均值可以較好地反應(yīng)氣候狀況的變化，其變化常用累積距平來確定。累積距平是一種由曲線直觀判斷氣候變化趨勢的方法。對于氣候要素序列，其某一時刻t的累積距平表示為：

將 n 個時刻的累積距平值全部算出，繪出累積距平曲線進行趨勢分析。

3 日照時數(shù)變化趨勢

3.1 年日照時數(shù)的變化

從圖2年日照時數(shù)變化曲線及其線性趨勢線可以看出，近50年來，臨邑縣日照時數(shù)呈現(xiàn)峰谷波動，但總趨勢為顯著下降趨勢、日照時數(shù)最大值出現(xiàn)在1997年，為3026.6h；日照時數(shù)最小值出現(xiàn)在2006年，為1837.5h。根據(jù)近50年資料計算，年日照時數(shù)擬合方程傾向率為-58.3h/10a，并通過了0.001的顯著性水平檢驗，說明臨邑縣年日照時數(shù)減少趨勢明顯。

根據(jù)臨邑縣1966～2015年日照時數(shù)變化也可以看出：1966～1997年日照時數(shù)明顯偏高，在32年間有27年的日照時數(shù)不小于均值，歷史最大值和次大值均在此段出現(xiàn)，分別為1997年和1968年，均高出歷史平均值300.0h以上；只有5年（1973，1975，1976，1984，1985）在均值以下。1998～2015年日照時數(shù)明顯偏低，在28年間，只有6年的日照時數(shù)不低于平均值，歷史最小值和次小值均出現(xiàn)在此段時間內(nèi)，分別為2006和2003年。

圖2 臨邑縣年日照時數(shù)變化及其線性趨勢（單位：h）

3.2 季日照時數(shù)的變化

圖3給出了臨邑縣四季日照時數(shù)逐年變化情況，從春季日照時數(shù)變化情況（圖3a）可見，春季日照時數(shù)變化傾向率為1.2h/10a，日照時數(shù)增加趨勢顯著，對比夏季、冬季，秋季，春季的日照時數(shù)是唯一呈增多趨勢的。最大值出現(xiàn)在2001年（360.0h），最小值出現(xiàn)在1998年（185.4h）。從夏季日照時數(shù)變化（圖3b）可見，日照時數(shù)減少趨勢，夏季日照時數(shù)變化傾向率為-9.8h/10a。減少趨勢很明顯，說明夏季是影響年日照時數(shù)減少的主要時期。將逐年數(shù)據(jù)與多年平均值對比發(fā)現(xiàn)，1994年以前，日照時數(shù)減少不明顯，1994年以后減少趨勢很明顯，從圖中可以看出，夏季日照時數(shù)最大值出現(xiàn)在1997年（305.0h），最小值出現(xiàn)在2006年（148.8h）。從秋季日照時數(shù)變化（圖3c）可見，日照時數(shù)呈減少趨勢，秋季日照時數(shù)傾向率為-8.5h/10a。近50a來的最大值出現(xiàn)在1979年（244.0h），最小值出現(xiàn)在2015年（141.0h）。從冬季日照時數(shù)變化（圖3d）可見，日照時數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢，冬季日照時數(shù)傾向率為-2.3h/10a。最大值出現(xiàn)在1999年（212.7h），最小值出現(xiàn)在2006年（131.1h）。近50年間，累計春季日照總時數(shù)為最大，達到了12045h，夏季次之，為11827h，秋季日照總時數(shù)僅僅大于冬季，秋冬兩季分別為 10288h和8656h。夏季雖然受太陽照射時間較長，但由于臨邑地區(qū)的氣候特征影響，在夏季云量增多，水汽壓增大，降水增多，致使日照時數(shù)受到影響，因此春季的日照時數(shù)要略高于夏季。

圖3 臨邑四季（a：春季；b：夏季；c：秋季；d：冬季）日照時數(shù)變化及線性趨勢（單位：h）

3.3 月日照時數(shù)的變化

臨邑縣1～12月份日照時數(shù)的氣候變化傾向率分別為-0.194、-0.214、0.473、0.259、-0.366、-1.076、-0.957、-0.920、-1.060、-0.727、-0.776、-0.270h/a，50年中各月日照時數(shù)除3月份、4月份外，其他均呈減少趨勢，其中減少最多的是6月份，其次是9月份。

3.4 日照時數(shù)突變分析

圖4 觀測期間日照時數(shù)累積距平曲線

利用日照時數(shù)累積距平方法分析年日照時數(shù)的突變。由圖4可見，觀測期間日照時數(shù)呈現(xiàn)倒“V”型，臨邑縣日照時數(shù)在2000年左右發(fā)生突變。2000年以前，日照時數(shù)在1972年、1976年、1984年、1999年和2004年發(fā)生轉(zhuǎn)折，臨邑縣日照時數(shù)的累積距平總體上呈現(xiàn)上升趨勢，這說明以正距平為多，呈現(xiàn)正負距平交替的形式，年日照時數(shù)多高于均值。在2003年之后，日照時數(shù)的累積距平總體上呈現(xiàn)下滑趨勢，這說明以負距平為主，日照時數(shù)多小于均值。因此可以將觀測時期的日照時數(shù)分為兩個階段：1966年～2000年為日照時數(shù)偏多期，臨邑縣日照時數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢，2000年～2015年為日照時數(shù)偏少期，增加趨勢終止，日照時數(shù)進入明顯減少階段。與董旭光等[12]（2013）人的研究結(jié)果相似，該研究中發(fā)現(xiàn)山東省年日照時數(shù)在1983年、1997年前后發(fā)生了突變，1983年增加趨勢終止，1997年開始明顯減少。

4 影響日照時數(shù)減少的原因

日照時數(shù)主要受太陽輻射、水汽等因素的影響，但隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，大氣中的氣溶膠顆粒物、氮氧化合物、碳氧化合物、碳氫化合物、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水平視程、減小水平能見距離，且能吸收和散射太陽輻射，減少到達地面的太陽輻射[13-14]。

臨邑縣日照時數(shù)從2006年開始明顯減少，這與其工業(yè)發(fā)展是分不開的，臨邑縣是以石油化工、新型建材、碳素制品、生物制藥、機械裝備、畜牧養(yǎng)殖、蔬菜加工等為重點的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系。2005年，臨邑縣的三次產(chǎn)業(yè)比例由2000年的28：43：29演進成為11：57：32，二三產(chǎn)業(yè)增加值占GDP的比重提高到8.6%。工業(yè)的增加使大氣中的氣溶膠數(shù)量增多，空氣污染嚴重。

5 小結(jié)

通過對德州臨邑地區(qū)1966～2015年日照時數(shù)和總、低云量的變化特征分析，主要結(jié)論如下：

（1）近50年來，臨邑縣日照時數(shù)呈現(xiàn)峰谷波動，但總趨勢為顯著下降趨勢，年日照時數(shù)擬合方程傾向率為-58.3h/10a，說明臨邑縣年日照時數(shù)減少趨勢明顯。1966～1997年日照時數(shù)明顯偏高，在32年間有27年的日照時數(shù)不小于均值，歷史最大值和次大值均在此段出現(xiàn)。1998～2015年日照時數(shù)明顯偏低，在28年間，只有6年的日照時數(shù)不低于平均值，歷史最小值和次小值均出現(xiàn)在此段時間內(nèi)。

（2）在各季中，春季日照時數(shù)呈增加趨勢，夏季日照時數(shù)減少最多，其次是秋季，冬季減少最緩；各月日照時數(shù)除3月份、4月份外，其他均呈減少趨勢，其中減少最多的是6月份，其次是9月份。

（3）觀測期間日照時數(shù)呈現(xiàn)倒“V”型，臨邑縣日照時數(shù)在2000年左右發(fā)生突變。將觀測時期的日照時數(shù)分為兩個階段：1966年-2000年為日照時數(shù)偏多期，臨邑縣日照時數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢，2000年～2015年為日照時數(shù)偏少期，增加趨勢終止，日照時數(shù)進入明顯減少階段。

（4）隨著時間的變化，日照時數(shù)與總云量呈負相關(guān)關(guān)系，說明隨著總云量的減少，日照時數(shù)增加；隨著總云量的增加，日照時數(shù)減少；日照時數(shù)與低云量相關(guān)性不大，無明顯相關(guān)關(guān)系。

（5）臨邑縣日照時數(shù)的急劇減少是從2006年以后，而臨邑縣的三次產(chǎn)業(yè)比例增加是從2005年以后，工業(yè)化的發(fā)展使大氣中的氣溶膠數(shù)量增多，不但影響了水平能見度，同樣也影響了垂直能見度，從而造成了日照時數(shù)的減少。