近55年黃岡市日照時數(shù)變化及其影響因子分析

郭黎　嚴(yán)凱琳　龔年祖

摘要：為了探究近55年來在全球氣候變化背景下湖北省黃岡市日照時數(shù)的變化規(guī)律及其變化原因，利用1961—2015年黃岡市所屬9個國家氣象觀測站的逐日日照資料，運(yùn)用線性傾向估計(jì)法、Mann-Kendall參數(shù)檢驗(yàn)、5年滑動平均趨勢分析法和小波分析法對黃岡市日照時數(shù)變化情況進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，近55年，黃岡市年日照時數(shù)呈明顯的減少趨勢，氣候傾向率為-41.576 h/10年，夏季日照時數(shù)減少最為顯著，且對年日照時數(shù)的減少作用最大;黃岡市月日照時數(shù)在8月最高，在2月最低，日照時數(shù)最高月份是最低月份的2.2倍。8月日照時數(shù)減少量最為顯著，其次是6月和7月;黃岡市年日照時數(shù)在1972年發(fā)生顯著突變。近55年黃岡市日照時數(shù)存在明顯的周期變化特征，主要受3個周期控制;在影響因子方面，降水量和水汽壓與日照時數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，是影響日照時數(shù)下降的原因之一;總云量和低云量雖對日照時數(shù)有一定影響，但不是導(dǎo)致日照時數(shù)減少的主要原因。

關(guān)鍵詞：日照時數(shù);趨勢特征;突變;周期;黃岡市

中圖分類號：P422.1+1 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）05-0037-07

Abstract： In order to explore the variation rule and the reason of sunshine duration in Huanggang city， Hubei province， under the background of global climate change in the past 55 years， based on the daily sunshine data of nine national meteorological stations in Huanggang city from 1961 to 2015， the sunshine duration variation characteristics in Huanggang city were analyzed by using the linear trend estimation， Mann-Kendall parametric test， 5 years moving ayerage method and wavelet analysis. The results showed that， in the past 55 years， the annual sunshine duration in Huanggang city showed an obvious reduction trend， and the climate tendency rate was -41.576 h/10 a. The decrease of sunshine duration in summer was the most significant and the decrease of sunshine duration was the largest. The monthly sunshine duration in Huanggang city was the highest in August， while the lowest was in February， and the highest sunshine duration was 2.2 times of the lowest one. In August， the decrease of the sunshine duration was the most significant， followed by June and July. The annual sunshine duration of Huanggang city was abruptly changed in 1972， and the mutation was significant. In the past 55 years， there were obvious interannual and interdecadal variations of sunshine duration in Huanggang city， the sunshine duration was mainly controlled by three cycles. In terms of impact factors， the precipitation and vapor pressure were negatively correlated with sunshine duration， which was one of the reasons for the decline of sunshine duration. Although， the amount of total cloud and low cloud had a certain effect on sunshine duration， but not the main cause of sunshine declined.

Key words： sunshine duration; trend characteristics; mutation; period; Huanggang city

近年來，氣候變化已經(jīng)成為全世界高度關(guān)注的熱點(diǎn)問題，全球氣溫升高，強(qiáng)對流天氣頻發(fā)，給人類生活帶來了巨大的災(zāi)難。IPCC第五次評估報告指出，全球正在經(jīng)歷一次明顯的氣候變暖，近百年來，全球地表平均溫度大約升高了0.85 ℃[1]。此外，20世紀(jì)中葉以來，極端天氣氣候事件的強(qiáng)度和頻率發(fā)生明顯變化。日照時數(shù)是太陽在一地實(shí)際照射地面的時間，是影響氣候變化的重要要素之一。日照時數(shù)可直接影響地表獲得太陽輻射能量的多少，進(jìn)而影響到其他氣象要素的變化[2]。近年來，眾多學(xué)者對各地區(qū)日照時數(shù)的變化進(jìn)行了分析研究。李慧群等[3]研究了中國近50年來日照時數(shù)的變化趨勢，結(jié)果表明中國絕大部分地區(qū)近50年來日照時數(shù)總量呈減少趨勢，在1980年前后大部分觀測站點(diǎn)顯示有突變。張立波等[4]研究表明近50年長江中下游地區(qū)年日照時數(shù)普遍顯著減少，四季日照時數(shù)均呈下降趨勢，研究結(jié)果與全國日照時數(shù)變化趨勢一致。對于中國北方地區(qū)，陳少勇等[5]分析了陜甘寧青新的135個站點(diǎn)、肖蓮桂等[6]研究了青海省柴達(dá)木盆地、賈成剛等[7]分析了河南省安陽市、張智等[8]研究了銀川市、華維等[9]研究了青藏高原地區(qū)、劉強(qiáng)吉等[10]分析了新疆巴州地區(qū)，結(jié)果顯示日照時數(shù)整體上均呈減少的趨勢;而對于成都、廣西、云南等西南地區(qū)日照時數(shù)的變化也有相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了研究分析[11-14]，大體上也表現(xiàn)為減少的變化趨勢。賀莉微等[15]對湖北省咸寧市的日照特征進(jìn)行了分析，結(jié)果表明咸寧市日照時數(shù)呈中部少、南北部多的空間分布特征，近57年咸寧市日照時數(shù)呈減少趨勢。

對于日照時數(shù)的影響因子，也有眾多學(xué)者進(jìn)行了大量的分析。虞海燕等[16]分析了日照時數(shù)和風(fēng)速、溫度、降水的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明日照時數(shù)與溫度和降水呈負(fù)相關(guān)，與風(fēng)速呈正相關(guān);何彬方等[2]則研究了能見度、水汽壓等因子對日照時數(shù)的影響，結(jié)果顯示日照時數(shù)與云量和水汽壓為負(fù)相關(guān)，與能見度為正相關(guān);慕臣英等[17]研究了低云量、總云量以及降雨日數(shù)和日照時數(shù)的關(guān)系;此外，還有大量研究表明日照時數(shù)還與相對濕度、霧和輕霧、揚(yáng)沙、浮塵、沙塵暴等相關(guān)影響因子也有一定關(guān)系[18-22]。

黃岡市屬亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候，江淮小氣候區(qū)，四季光熱界線分明，分析黃岡市日照時數(shù)的變化趨勢和規(guī)律以及影響日照時數(shù)變化的相關(guān)因子，對該地區(qū)利用太陽能資源、合理開發(fā)旅游資源以及人們的生產(chǎn)生活和農(nóng)作物的生長有著重要的意義。

1 ?資料來源與研究方法

1.1 ?資料來源

探測環(huán)境的好壞對觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有著非常重要的影響。研究發(fā)現(xiàn)日照時數(shù)和探測環(huán)境呈正相關(guān)，探測環(huán)境的破壞會導(dǎo)致日照時數(shù)的減少[23]，因此對黃岡市各氣象站探測環(huán)境進(jìn)行選擇，最終選用了探測環(huán)境沒有發(fā)生明顯變化且周邊環(huán)境對探測數(shù)據(jù)無較大影響的9個國家氣象觀測站（紅安、麻城、羅田、英山、黃岡、浠水、蘄春、黃梅、武穴）1961—2015年共55年的逐日日照時數(shù)、水汽壓、云量資料（其中除麻城、英山外，其他站點(diǎn)自2014年開始停止觀測云量數(shù)據(jù)，因此為了保持?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)一，云量數(shù)據(jù)為1961—2013年），以此來分析日照時數(shù)的相關(guān)變化，以及影響日照時數(shù)變化的相關(guān)因子。季節(jié)的劃分根據(jù)北半球典型的季節(jié)劃分方法，即3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至次年2月為冬季。

1.2 ?研究方法

運(yùn)用的研究方法主要有線性傾向估計(jì)法、5年滑動平均趨勢分析法、Mann-Kendall參數(shù)檢驗(yàn)、小波分析法[24]。

線性傾向估計(jì)法是基于最小二乘法建立的氣象因子之間的一元線性回歸方程：Y=a+bt，其中回歸系數(shù)b表征氣象因子的變化趨勢，b×10稱為氣候傾向率，單位為h/10年。

Mann-Kendall檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法，用于研究氣候序列中氣候因子的突變特征，若正序列和逆序列在置信區(qū)間內(nèi)有交點(diǎn)，該交點(diǎn)即為發(fā)生突變的突變點(diǎn)，且變化顯著。

小波分析法是利用一個小波函數(shù)簇去向某一信號逼近或者去表示某一個函數(shù)，它能清晰地揭示出隱藏在時間序列中的多種變化周期，從而充分地反映出系統(tǒng)在不同時間尺度中的變化趨勢。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?年日照時數(shù)變化特征

通過分析黃岡市9個觀測站近55年來的日照時數(shù)空間分布可以看出，黃岡市年日照時數(shù)分布整體呈北多南少的分布特點(diǎn)，其中年日照時數(shù)最多的是麻城站，達(dá)到2 065.3 h，其次是黃岡站，達(dá) ? ? 1 982.8 h;南部地區(qū)日照時數(shù)較少，其中武穴站最少，為1 861.1 h（圖1）。

統(tǒng)計(jì)黃岡市近55年來的平均年累計(jì)日照時數(shù)，分析其變化特征和趨勢，結(jié)果如圖2所示。分析表明，黃岡市年日照時數(shù)呈明顯的減少趨勢，氣候傾向率為-41.576 h/10年，通過了α=0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。日照時數(shù)年際間波動較大，年日照時數(shù)平均為1 925.9 h，最小出現(xiàn)在1989年，為1 618.3 h;最大出現(xiàn)在1963年，為2 310.9 h;有27年日照時數(shù)超過平均值，28年低于平均值;最大與最小年日照時數(shù)之差為351.1 h。

2.2 ?四季日照時數(shù)變化特征

黃岡市近55年來各季節(jié)的平均日照時數(shù)空間分布如圖3所示。從圖3可以看出，各個季節(jié)平均日照時數(shù)變化規(guī)律和年平均日照時數(shù)變化規(guī)律基本相似，整體上均為北多南少分布。通過分析可以看出，麻城站一年四季中日照時數(shù)均相對較多，除夏季略少于黃岡站外，其余季節(jié)均為最多;此外，各站點(diǎn)日照時數(shù)最大值和最小值之間春季相差最大為80.2 h，秋季相差最少為52.5 h，夏季和冬季分別相差65.4 h和55.2 h。

為進(jìn)一步探究黃岡市各季節(jié)的日照時數(shù)變化情況，對黃岡市1961—2015年各季節(jié)平均日照時數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果見圖4。由圖4可知，黃岡市各季節(jié)日照時數(shù)變化趨勢不同，除了春季表現(xiàn)為增加趨勢，夏、秋、冬3季均表現(xiàn)為減少趨勢。4個季節(jié)的氣候傾向率分別為6.070 h/10年（未通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn)）、-29.341 h/10年（通過了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)）、-3.485 h/10年（未通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn)）、-14.821 h/10年（通過了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)）。在過去55年時間內(nèi)，黃岡市夏季日照時數(shù)減少最為明顯，且對全年日照時數(shù)的減少作用最大，其次為冬季。

黃岡市各季節(jié)日照時數(shù)的年代際變化如表1所示。從表1可以看出，各季節(jié)日照時數(shù)表現(xiàn)為夏季最多，秋、春季次之，冬季最少。春季日照時數(shù)平均為448.4 h，在20世紀(jì)90年代達(dá)到最低，為423.2 h，在21世紀(jì)00年代達(dá)到最高，為482.0 h，20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)00年代春季日照時數(shù)增加了58.8 h，除了20世紀(jì)70—90年代均處于平均值以下外，其他年代均高于平均值;夏季日照時數(shù)平均為627.6 h，觀察夏季變化情況可以看出，20世紀(jì)60—90年代，日照時數(shù)幾乎逐年代下降，40年時間下降了132.9 h，在21世紀(jì)00年代略有回升，但是到10年代初又開始明顯減少，除了20世紀(jì)60年代和70年代高于平均值外，其余年代均低于平均值;秋季日照時數(shù)平均為491.6 h，年代變化上表現(xiàn)為兩次增加-減少的變化，在20世紀(jì)80年代達(dá)到最低值，為451.7 h，在70年代達(dá)到最高值，為511.9 h;冬季日照時數(shù)平均為358.3 h，在21世紀(jì)00年代達(dá)到最低值，為330.6 h，在20世紀(jì)60年代達(dá)到最高值，為407.2 h，變化趨勢表現(xiàn)為減少-增加-減少。

2.3 ?月日照時數(shù)變化特征

近55年來黃岡市各月平均日照時數(shù)如圖5所示。由圖5可知，黃岡市月平均日照時數(shù)在8月達(dá)到一年內(nèi)的最高值，為231.0 h，7月次之，在2月最低，為104.6 h，各月日照分布不均波動較大，日照時數(shù)最高月份是最低月份的2.2倍。

黃岡市1961—2015年各月日照時數(shù)變化情況如表2所示。從表2可以看出，12個月中只有3月、4月、10月呈增加趨勢，其余9個月均呈減少趨勢，其中4月增加趨勢最為顯著，達(dá)5.35 h/10年（通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)），3月次之，為1.05 h/10年。8月減少趨勢最為顯著，達(dá)-11.69 h/10年（通過了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)），其次為6月和7月，分別為-9.42 h/10年（通過了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)）和 -8.24 h/10年（通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)），增加趨勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于減少趨勢，這和前面分析的結(jié)果一致，年日照時數(shù)整體為減少趨勢。此外還可以發(fā)現(xiàn)，春季3個月中2個月增加1個月減少，增加趨勢大于減少趨勢，整體表現(xiàn)為增加;夏季3個月的日照時數(shù)均為減少趨勢，且減少趨勢表現(xiàn)顯著;秋季2個月減少1個月增加，減少趨勢大于增加趨勢，整體表現(xiàn)為減少;冬季3個月也均為減少，整體表現(xiàn)為減少趨勢。

從各月的增減總量來看，8月日照時數(shù)減少最為顯著，55年減少了64.3 h，其次是6月和7月，分別減少了51.8、45.3 h。從各月的增減幅度來看，雖然1月和6月日照減少量只有39.8和51.8 h，但減少幅度顯著，分別為34.35%和29.78%，8月減少量最多反而減少幅度只有27.83%，顯然這與各月的平均日照時數(shù)有關(guān)。

2.4 ?日照時數(shù)的突變檢驗(yàn)

為進(jìn)一步探究日照時數(shù)的突變特征，對年日照時數(shù)進(jìn)行Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，年日照時數(shù)存在明顯的突變。日照時數(shù)的UF值在1961—1969年大于0，其他年份均處于負(fù)值區(qū)，表明日照時數(shù)呈減少的變化趨勢，且在1982年之后UF曲線均位于臨界線-1.96（α=0.05）之外，表明在此階段內(nèi)，日照時數(shù)減少趨勢十分顯著。同時根據(jù)UF曲線和UB曲線的交點(diǎn)分析，在1972年日照時數(shù)發(fā)生突變，表現(xiàn)為減少的突變趨勢，且突變顯著。

2.5 ?日照時數(shù)的周期分析

為了分析日照時數(shù)的周期變化規(guī)律，對年日照時數(shù)進(jìn)行Morlet小波分析，得到小波時頻變換圖和小波方差圖，分析結(jié)果如圖7所示。小波系數(shù)正值對應(yīng)日照時數(shù)偏多，負(fù)值對應(yīng)日照時數(shù)偏少，系數(shù)絕對值越大則表示該時間尺度上的變化越明顯。通過分析可以看出，黃岡市近55年的日照時數(shù)存在明顯的周期變化特征，大體上表現(xiàn)有31～40年，12～22年，4～9年的3類尺度的周期變化規(guī)律，其中31～40年尺度上有正負(fù)交替的準(zhǔn)2次震蕩，12～22年尺度上存在準(zhǔn)3次震蕩，4～9年尺度上有9次震蕩。另外從小波方差圖上可以看到，存在3個較為明顯的峰值，分別是20、11、8年，其中8年的時間尺度為最大峰值，表明8年左右的周期震蕩最強(qiáng)，為黃岡市日照時數(shù)變化的第一主周期;20年時間尺度為第二峰值，即為黃岡市日照時數(shù)變化的第二主周期;11年的時間尺度為第三峰值，表示黃岡市日照時數(shù)變化的第三主周期。以上研究表明，黃岡市日照時數(shù)在近55年內(nèi)的變化特征主要受這3個周期控制。

2.6 ?日照時數(shù)影響因子的分析

通過分析日照時數(shù)和降水量、水汽壓、總云量和低云量之間的關(guān)系（圖8、表3）可知，日照時數(shù)與降水量的相關(guān)系數(shù)為-0.54，呈明顯的負(fù)相關(guān)，即年降水量偏大，則日照時數(shù)偏少，且近55年年降水量呈上升趨勢，說明降水量是影響日照時數(shù)的因素之一;此外日照時數(shù)與年平均水汽壓的相關(guān)系數(shù)為-0.16，也表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，水汽壓偏大，則日照時數(shù)偏小，而水汽壓也表現(xiàn)為上升趨勢，說明水汽壓也是影響日照時數(shù)的因素之一。

此外，云量的多少與日照時數(shù)的長短有密切的關(guān)系，而且不同高度的云對于日照時數(shù)的影響也不盡相同。黃岡市日照時數(shù)和總云量、低云量的相關(guān)系數(shù)分別為-0.47、-0.08，表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)（表3），說明云量對日照時數(shù)有一定影響。但是，也有研究表明，日照時數(shù)不僅和云量有關(guān)，還與云層高度以及云的種類形狀有關(guān)。因此，云量雖然對日照時數(shù)有一定影響，但不是導(dǎo)致日照時數(shù)減少的主要原因。

3 ?結(jié)論

通過對黃岡市1961—2015年日照時數(shù)的分析，得出以下結(jié)論。

1）黃岡市日照時數(shù)年際波動較大，且呈明顯的減少趨勢，氣候傾向率為-41.576 h/10年。各季節(jié)日照時數(shù)變化不一、波動較大，除了春季表現(xiàn)為增加趨勢，夏、秋、冬3季均表現(xiàn)為減少趨勢，其中夏季日照時數(shù)減少趨勢最為顯著，氣候傾向率達(dá)到了-29.341 h/10年，表明夏季日照時數(shù)減少最明顯，且對全年日照時數(shù)減少的作用最大。

2）黃岡市月平均日照時數(shù)在8月達(dá)到一年內(nèi)的最高值，為231.0 h，7月次之，在2月最低，為104.6 h，各月日照分布不均、波動較大，日照時數(shù)最高月份是最低月份的2.2倍。8月日照減少量最為顯著，其次是6月和7月，6月和1月減少幅度最為顯著，這與各月的平均日照時數(shù)有關(guān)。

3）黃岡市年日照時數(shù)整體表現(xiàn)為減少趨勢，在1972年發(fā)生顯著突變，且1982—2015年日照時數(shù)減少趨勢極為明顯。黃岡市近55年日照時數(shù)存在明顯的周期變化特征，有31～40年、12～22年、4～9年這3類尺度的周期變化規(guī)律，分別有準(zhǔn)2、3和9次震蕩。另外存在3個較為明顯的峰值，分別是20、11、8年，其中8年的時間尺度為最大峰值，表明8年左右的周期震蕩最強(qiáng)，為黃岡市日照時數(shù)變化的第一主周期;黃岡市日照時數(shù)在近55年內(nèi)的變化特征主要受這3個周期控制。

4）黃岡市近55年日照時數(shù)與降水量和水汽壓呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而且降水量和水汽壓的上升是導(dǎo)致日照時數(shù)減少的因素之一，而總云量和低云量雖然對日照時數(shù)有一定影響，但不是導(dǎo)致日照時數(shù)下降的主要原因。

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