陸占東
摘要 ?為了解磴口縣日照時數(shù)的變化規(guī)律,利用磴口縣1954—2017年逐月日照時數(shù)資料,運用線性擬合、氣候傾向率、Mann?鄄Kendall檢測法、Mann?鄄Kendall突變分析、滑動t檢驗等方法,對磴口縣四季和年日照時數(shù)的變化趨勢和突變特征等進行了分析。結果表明,磴口縣1954—2017年年平均日照時數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢,變化傾向率為14.2 h/10年,遠高于全國平均值-36.9 h/10年。變化趨勢通過了95%顯著性檢驗。年日照時數(shù)在1974、1994年存在明顯的突變,突變點通過0.05檢驗。磴口縣春、夏、秋、冬四季的日照時數(shù)變化傾向率分別為11.58、4.06、-2.83、0.914 h/10年,除秋季外,其他3季均呈現(xiàn)上升趨勢,且春季變化趨勢通過了99%顯著性檢驗,說明春季日照時數(shù)增幅非常顯著。磴口縣四季的突變檢驗存在較大差異,春季日照時數(shù)的突變發(fā)生在2010年,該突變點通過了0.01顯著性檢驗;夏季日照時數(shù)的突變發(fā)生在1975和1997年,該突變點通過了0.05顯著性檢驗;秋季日照時數(shù)的突變發(fā)生在1994和2006年,該突變點通過了0.05顯著性檢驗;冬季日照時數(shù)的突變發(fā)生在1993和2003年,該突變點通過了0.05顯著性檢驗。磴口縣1954—2017年各月日照時數(shù)變化呈現(xiàn)一峰一谷,其中5月份最多,2月份最少,年平均日照百分率為73%。磴口縣各月日照時數(shù)變化與降水呈較強的負相關,相關系數(shù)為-0.858。
關鍵詞磴口縣;日照時數(shù);變化特征;突變分析
中圖分類號:P412.14文獻標識碼:A文章編號:2095-3305(2019)03-031-05
DOI: 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.03.013
日照是指太陽在一地實際照射的時數(shù)。在給定時間,日照時數(shù)定義為太陽直接輻照度達到或超過120 W/m2的那段時間總和,以小時(h)為單位,取1位小數(shù),日照時數(shù)也稱實照時數(shù)[1]。
磴口縣位于內(nèi)蒙古巴彥淖爾市西南部,農(nóng)牧業(yè)是磴口縣的主要經(jīng)濟產(chǎn)業(yè),日照時數(shù)是制約農(nóng)作物生產(chǎn)的重要因素,日照時數(shù)的改變對作物的生長和產(chǎn)量具有重大的影響,因此,深入研究日照時數(shù)的變化規(guī)律,對合理布局農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)業(yè),調整農(nóng)牧業(yè)結構具有重要的意義。虞海燕等的研究表明,我國絕大部分地區(qū)1951—2009年日照時數(shù)總量呈減少趨勢,尤其夏季的日照時數(shù)變化最為顯著[2-3]。高蓓等對陜西省日照時數(shù)的研究表明,陜西省日照時數(shù)在春、秋季為上升趨勢,夏、冬季為下降趨勢,且夏季日照時數(shù)下降最顯著[4];李全平等對祁連山地區(qū)日照時數(shù)的研究表明,祁連山地區(qū)日照時數(shù)呈減少趨勢,且日照時數(shù)的長短受海拔、維度和太陽高度角的影響最大[5];李顏顏等對河南省日照時數(shù)的研究表明,河南省年、四季日照時數(shù)均呈現(xiàn)較少趨勢[6];楊麗桃等對內(nèi)蒙古生長季日照時數(shù)的研究表明,內(nèi)蒙古生長季(4—9月)日照時數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢[7]。在全國、各地區(qū)日照時數(shù)均減少的大環(huán)境下,結合前人的研究方法,筆者對磴口縣1954—2017年日照時數(shù)進行研究分析,闡明磴口縣日照時數(shù)年、四季和月的變化規(guī)律,對當?shù)胤N植模式和種植結構的調整具有重要的指導意義。
1資料與方法
1.1資料來源
利用磴口縣氣象觀測站1954—2017年的日照時數(shù)觀測資料,計算出月、季、年平均日照時數(shù),按照春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12月至次年2月)的季節(jié)劃分。
1.2研究方法
1.2.1氣候傾向率采用線性傾向估計方法[8-10]。用xi表示序列長度為n的某一氣候變量,用ti表示xi所對應的時間,建立xi與ti間的一元線性回歸方程:
1.2.3Mann?鄄Kendall趨勢檢驗原假設H0為時間序列數(shù)據(jù)(x,x2,…,xn),是n個獨立的、隨機變量同分布的樣本;備擇假設H1是雙邊檢驗[13-15]。對于所有的i,j≤n,且i≠j,xi和xj的分布是不相同的。定義檢驗統(tǒng)計量S:
在雙邊趨勢檢驗中,對于給定的置信水平α,若|Z|≥Z1-α/2,則原假設H0是不可接受的,即在置信水平α上,時間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢。Z為正值表示增加趨勢,負值表示減少趨勢。Z的絕對值在大于等于1.28、 1.64、 2.32時表示分別通過了信度90%、95%、 99%顯著性檢驗。
給定顯著性水平,如α=0.05或0.01,那么臨界值U0.05=±1.96或U0.01=±2.56。將UFk和UBk 2個統(tǒng)計量序列曲線和U0.05=±1.96,U0.01=±2.56直線均繪在同一張圖上。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。當它們超過臨界直線時,表明上升或下降趨勢顯著。超過臨界線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時間區(qū)域。如果UFk和UBk 2條曲線出現(xiàn)交點,且交點在臨界線之間,那么交點對應的時刻便是突變開始的時間。
1.2.5滑動t檢驗滑動t檢驗是通過序列中2段子序列的均值有無顯著差異來驗證突變。如果子序列的均值差異超過一定的顯著性水平,則認為該隨機變量發(fā)生突變。將隨機變量X分為x1和x2 2個子序列,用ni表示第i個子序列的樣本個數(shù),xi表示第i個子序列的平均值,si表示第i個子序列的方差,統(tǒng)計量t用以下公式計算求得[20-21]:
從圖1可以看出,磴口縣1954—2017年平均日照時數(shù)為3 211.5 h,其中最多出現(xiàn)在1995年,為3 475.3 h,最少出現(xiàn)在1985年,為2 662.9 h,與最多年相差812.4 h;1954—2017年磴口日照時數(shù)呈上升趨勢,變化傾向率為14.2 h/10年,遠高于全國日照時數(shù)變化率-36.9 h/10年[3]。通過Mann?鄄Kendall趨勢檢驗得到Z=2.03>1.64>0(表1),通過了95%顯著性檢驗,說明磴口縣日照時數(shù)增長趨勢十分明顯。
從5年滑動平均可以看出,1954—1974年日照時數(shù)波動增加,1975—1993年有明顯的下降,1994年之后又有明顯上升。結合M-K突變分析(圖2)可以看出,磴口縣年日照時數(shù)正序列UF(k)和逆序列UB(k)在1954—1974年為上升趨勢,1975—1994年為下降趨勢,1995年之后又開始上升,在1973—1974年、1993—1994年相交,突變點通過了0.05檢驗,說明年日照時數(shù)在1974、1994年存在明顯的突變。1954—1974年、1975—1994年、1995—2007年平均日照時數(shù)分別為3 216.5、3 117.5、3 288.7 h,變化量分別為-99.0和171.2 h。
磴口縣日照時數(shù)年代變化經(jīng)歷了增-減-增-減階段(見圖1a中5年滑動、表2),20世紀60年代有較大的增長,20世紀70年代到80年代初變化平穩(wěn),20世紀80年代后期到90年代初減幅明顯,1984—1992年年平均日照時數(shù)為3 029.5 h,較歷年平均偏少182 h;20世紀90年代中后期到21世紀前10年有大幅增加,21世紀20年代又有較明顯的減少。
2.2季日照時數(shù)變化特征分析
2.2.1春季日照時數(shù)變化特征分析磴口縣1954—2017年春季平均日照時數(shù)為861.9 h(圖1b),最多年為970.7 h,出現(xiàn)在2005年,最少年為647.5 h,出現(xiàn)在1985年,相差323.3 h。春季日照時數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢,變化傾向率為11.58 h/10年,通過Mann?鄄Kendall檢驗(表1)得到春季Z=3.2>2.32>0,通過99%顯著性檢驗,說明春季日照時數(shù)增長趨勢十分明顯。從表2可以看出,春季日照時數(shù)年代變化與年日照時數(shù)的變化大致相同,20世紀80年代日照時數(shù)下降明顯,21世紀前10年又有較大的上升。
由圖2b的M?鄄K突變檢驗可以看出,磴口縣1954—2017年春季日照時數(shù)正序列的UF(k)和逆序列的UB(k)在1999—2000年有一個交點,21世紀20年代開始正序列UF(k)通過了0.05顯著性檢驗(U0.05=1.96),甚至通過0.001顯著性檢驗 (U0.001=2.56),這表明磴口縣的春季日照時數(shù)上升趨勢是十分顯著的。磴口縣春季平均日照時數(shù)突變后(903.9 h)較突變前(845.4 h)增加了58.5 h。
2.2.2夏季日照時數(shù)變化特征分析磴口縣1954—2017年夏季平均日照時數(shù)為902.0 h(圖1c),最多年為1 023.6 h,出現(xiàn)在2010年,最少年為684.4 h,出現(xiàn)在1985年,相差339.2 h。夏季日照時數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢,變化傾向率為4.06 h/10年,通過Mann?鄄Kendall檢驗(表1)得到夏季Z=1.09<1.28,未通過90%檢驗,說明春季日照時數(shù)增長趨勢不明顯。從表2可以看出,夏季年代變化中,20世紀80年代日照時數(shù)下降明顯,21世紀前10年出現(xiàn)較大的上升,21世紀20年代減幅明顯。
由圖2c的M?鄄K突變檢驗可以看出,磴口縣1954—2017年夏季日照時數(shù)正序列的UF(k)和逆序列的UB(k)有5個交點,分別為1962—1963年、1965—1966年、1970—1971年、1974—1975年和1996—1997年,1983年逆序列UB(k)通過了0.05顯著性檢驗(U0.05=1.96),距離該點最近的交點為1974—1975年,且在1975年后正序列UF(k)具有顯著的下降趨勢;第2個突變點為1996—1997年,1997年后,正序列UF(k)又有明顯的上升趨勢。2個突變點前后平均日照時數(shù)分別為907.6、870.4和929.3 h,突變前后變化量為-37.2和58.9 h。
2.2.3秋季日照時數(shù)變化特征分析磴口縣1954—2017年秋季平均日照時數(shù)為769.5 h(圖1d),最多年為836.9 h,出現(xiàn)在1995年,最少年為684.0 h,出現(xiàn)在1984年,相差152.9 h。秋季日照時數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢,變化傾向率為-2.83 h/10年,通過Mann?鄄Kendall檢驗(表1)得到秋季Z=-0.88,|Z|<1.28,未通過90%顯著性檢驗,說明秋季日照時數(shù)減少趨勢不明顯。從表2可以看出,秋季日照時數(shù)年代變化與年日照時數(shù)的變化大致相同,20世紀80年代日照時數(shù)下降明顯,21世紀前10年又有較大的上升。
由圖2d的M?鄄K突變檢驗可以看出,磴口縣1954—2017年秋季日照時數(shù)正序列的UF(k)和逆序列的UB(k)在1960—1961、1964—1965、1968—1969、1977—1978、1983—1984、1985—1986、
2012—2013、2016年出現(xiàn)交點,對于突變年份分析比較困難。利用滑動t檢驗,對秋季日照時數(shù)進行進一步分析(圖3a),子序列長度取10年,給定顯著性水平α=0.05進行檢驗。t統(tǒng)計值在1994年出現(xiàn)負極大值,2006年出現(xiàn)正極大值,說明在1994年出現(xiàn)由減到增,2006年出現(xiàn)由增到減。2個突變點前后平均日照時數(shù)分別為766.6、806.7和740.0 h,突變前后變化量為40.1和-66.7 h。
2.2.4冬季日照時數(shù)變化特征分析磴口縣1954—2017年冬季平均日照時數(shù)為678.5 h(圖1e),最多年為749.2 h,出現(xiàn)在1995年,最少年為594.1 h,出現(xiàn)在1989年,相差155.1 h。冬季日照時數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢,變化傾向率為0.914 h/10年,通過Mann?鄄Kendall檢驗(表1)得到冬季Z=0.3<1.28,未通過90%顯著性檢驗,說明冬季日照時數(shù)增加趨勢不明顯。從表2可以看出,冬季日照時數(shù)年代變化與年日照時數(shù)變化有較大差異,20世紀60年代日照時數(shù)呈上升趨勢,20世紀70、80年代日照時數(shù)呈下降趨勢,且在80年代下降明顯, 90年代又有明顯的上升。進入21世紀,日照時數(shù)整體呈現(xiàn)下降趨勢。
由圖2e的M?鄄K突變檢驗可以看出,磴口縣1954—2017年冬季日照時數(shù)正序列的UF(k)和逆序列的UB(k)出現(xiàn)15個交點,且UF(k)和UB(k)均未突破95%顯著性檢驗。為進一步研究冬季日照時數(shù)突變情況,利用滑動t檢驗進行分析(圖3b),子序列長度取10年,給定顯著性水平α=0.05進行檢驗。t統(tǒng)計值在1993年出現(xiàn)負極大值,2003年出現(xiàn)正極大值,說明在1993年出現(xiàn)由減到增,2003年出現(xiàn)由增到減。2個突變點前后平均日照時數(shù)分別為672.8、705.8和675.4 h,突變前后變化量為33.0和-30.4 h。
2.3月日照時數(shù)變化特征分析
從圖4可以看出,1954—2017年磴口縣各月日照時數(shù)變化呈現(xiàn)一峰一谷,其中5月份最多,為314.2 h,2月份最少,為227.6 h,兩極值相差86.6 h。從日照百分率來看,夏季(6—8月)為最少3個月,日照百分率均在70%以下,主要原因是磴口縣的降水量主要集中在6—8月份,降水量占全年的62.2%;其他月份日照百分率均在70%以上。通過計算,各月日照百分率和白天降水量(08:00—20:00)相關系數(shù)為-0.858,這說明日照百分率與白天降水量存在較強的負相關。
3小結
(1) 磴口縣1954—2017年年平均日照時數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢,變化傾向率為14.2 h/10年,遠高于全國平均值-36.9 h/10年。變化趨勢通過了95%顯著性檢驗,說明磴口縣日照時數(shù)增長趨勢十分明顯。磴口縣年日照時數(shù)經(jīng)歷了增-減-增-減的變化趨勢,且在1974、1994年存在明顯的突變,突變點通過0.05檢驗。
(2) 磴口縣春、夏、秋、冬四季的日照時數(shù)變化傾向率分別為11.58、4.06、-2.83、0.914 h/10年,除秋季外,其他3季均呈現(xiàn)上升趨勢,且春季變化趨勢通過了99%顯著性檢驗,說明春季日照時數(shù)增幅非常顯著。磴口縣四季的突變檢驗存在較大差異,春季的突變發(fā)生在2010年,該突變點通過了0.01顯著性檢驗,春季日照時數(shù)呈現(xiàn)減-增的變化趨勢;夏季日照時數(shù)的突變發(fā)生在1975和1997年,該突變點通過了0.05顯著性檢驗,夏季日照時數(shù)呈現(xiàn)增-減-增的變化趨勢;秋季日照時數(shù)的突變發(fā)生在1994和2006年,該突變點通過了0.05顯著性檢驗,秋季日照時數(shù)呈現(xiàn)減-增-減的變化趨勢;冬季日照時數(shù)的突變發(fā)生在1993和2003年,該突變點通過了0.05顯著性檢驗,冬季日照時數(shù)呈現(xiàn)減-增-減的變化趨勢。
(3) 磴口縣1954—2017年各月日照時數(shù)變化呈現(xiàn)一峰一谷,其中5月份最多,2月份最少。年平均日照百分率為73%,其中夏季(6—8月)各月日照百分率均在70%以下,其他月份日照百分率均在70%以上。磴口縣月日照時數(shù)變化與降水有較強的負相關,相關系數(shù)為-0.858。
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責任編輯:鄭丹丹