近43a山西東南部日照時(shí)數(shù)時(shí)空變化特征及其影響因素

李晶晶,張 卉,王 艷,趙尚卓,裴 育

（山西省長(zhǎng)治市氣象局，長(zhǎng)治 046000）

引言

日照時(shí)數(shù)表示一天中日照時(shí)間的長(zhǎng)短，是太陽(yáng)輻射最直觀的表現(xiàn)，也是表征一個(gè)地方光照條件優(yōu)劣和熱量大小的重要指標(biāo)，是氣候形成的重要因子，它與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人類活動(dòng)和動(dòng)植物的生長(zhǎng)發(fā)育密切相關(guān)。因此，研究日照時(shí)數(shù)的氣候特征、變化趨勢(shì)以及與其他氣象因子的相關(guān)性，對(duì)于指導(dǎo)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)合理生產(chǎn)布局、調(diào)整種植結(jié)構(gòu)、清潔能源利用、旅游資源開發(fā)乃至社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展等都具有重要意義[1]。

近年來(lái)，不少學(xué)者對(duì)各地日照時(shí)數(shù)的變化特征進(jìn)行了研究[2?17]。王文川等[18]通過(guò)分析秦嶺-淮河區(qū)域1960～2016年104個(gè)氣象站的日照時(shí)數(shù)年、月時(shí)空變化特征與影響因素，發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)90年代之前，相對(duì)濕度是影響日照時(shí)數(shù)的重要因素，20世紀(jì)90年代之后影響日照時(shí)數(shù)的主要因素由相對(duì)濕度變?yōu)榻邓驓鉁?，在秦嶺-淮河區(qū)域內(nèi)的4個(gè)省份的任何時(shí)段，降水和相對(duì)濕度都是影響日照時(shí)數(shù)的重要因素。郝智文等[19]對(duì)山西省1959～2008年108個(gè)地面氣象觀測(cè)站的年日照時(shí)數(shù)次數(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)92.6%的站年日照時(shí)數(shù)呈下降趨勢(shì)，7.4%的站年日照時(shí)數(shù)呈上升趨勢(shì)。付建新等[20]對(duì)祁連山東段、中段與西段1960～2014年期間的日照時(shí)數(shù)時(shí)空特征以及影響因素進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)多年平均日照時(shí)數(shù)整體上表現(xiàn)出下降態(tài)勢(shì)，其中東段下降最快；日照時(shí)數(shù)年內(nèi)變化5月出現(xiàn)最大值，這與該月的天氣多晴天有關(guān)；祁連山區(qū)日照時(shí)數(shù)的主要影響因素為水汽壓、云量、年降水量以及相對(duì)濕度。陳小敏等[21]不僅分析了海南島1961～2010年日照時(shí)數(shù)的時(shí)空分布特征，還對(duì)日照時(shí)數(shù)有影響的總云量、低云量、相對(duì)濕度和降雨量進(jìn)行了相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)年、季和月日照時(shí)數(shù)減少與該地區(qū)低云量增加有密切關(guān)系。

山西東南部為太行山、太岳山所環(huán)繞，屬典型暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，全年冬無(wú)嚴(yán)寒，夏無(wú)酷暑，雨熱同季、四季分明。近年來(lái)，由于自然和人類活動(dòng)的共同作用，使得大氣污染加劇，從而加劇了氣候變化，生存環(huán)境的變化對(duì)人類健康也產(chǎn)生了一定影響。目前，對(duì)山西東南部溫度、降水等的變化特征，很多學(xué)者已從不同的時(shí)空尺度進(jìn)行了大量的分析[22?25]，但對(duì)反映氣候狀況的另一個(gè)重要因子?日照時(shí)數(shù)的研究較少。因此深入研究山西東南部日照時(shí)數(shù)的變化趨勢(shì)和影響因素，不僅對(duì)認(rèn)識(shí)本地氣候背景狀況和氣候資源變化有重要作用，而且可以為該區(qū)域加強(qiáng)作物的田間管理、合理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局、優(yōu)化調(diào)整種植結(jié)構(gòu)、環(huán)境污染防治、開發(fā)利用太陽(yáng)能資源及發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等提供重要的參考依據(jù)。

1 資料來(lái)源和研究方法

1.1 資料來(lái)源

本文所用資料為山西東南部11個(gè)地面氣象觀測(cè)站1976～2018年日照時(shí)數(shù)、總云量、低云量、水汽壓、降水量、霧日數(shù)和霾日數(shù)逐月整編資料，均經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制，數(shù)據(jù)合理且真實(shí)可靠。

1.2 研究方法

本文運(yùn)用氣候傾向率、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)、R/S分析、顯著性檢驗(yàn)、相關(guān)分析等方法，對(duì)日照時(shí)數(shù)和對(duì)日照有影響的總云量、低云量、水汽壓、降水量、霧日數(shù)、霾日數(shù)等氣象因子資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.2.1 氣候傾向率

氣候傾向率采用一元線性方程表示，公式如下：

式中：Y為氣象要素；t為時(shí)間；a0為常數(shù)項(xiàng)；a1為線性趨勢(shì)項(xiàng)，將a1擴(kuò)大10倍定義為氣象要素每10a的氣候傾向率（或變化率）。a1的正負(fù)表示氣象要素的趨勢(shì)變化，當(dāng)a1為正，則表示呈上升趨勢(shì)，反之為下降趨勢(shì)。對(duì)日照時(shí)數(shù)、總云量、低云量、水汽壓、降水量、霧日數(shù)、霾日數(shù)做氣候傾向率分析，可以得到各氣象要素的時(shí)間演變特征。

1.2.2 Mann-Kendall突變檢驗(yàn)

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。在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假設(shè)下，構(gòu)建統(tǒng)計(jì)量UFk，公式如下：

式中，UF1=0，E(Sk)、Var(Sk)分別是累計(jì)數(shù)Sk的均值和方差。UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，是按照時(shí)間序列計(jì)算的統(tǒng)計(jì)量序列。給定顯著性水平α，若|UFi|>Uα，則表明序列存在明顯的趨勢(shì)變化。把UF沿時(shí)間繪成曲線，再將序列反向計(jì)算UF，繪成曲線UB，若UF和UB交點(diǎn)位于置信區(qū)間內(nèi)，則此點(diǎn)為突變開始的時(shí)間。

1.2.3 R/S分析

R/S分析法一般用于分析時(shí)間序列的分形特征和長(zhǎng)期記憶過(guò)程?；赗/S分析計(jì)算的Hurst指數(shù)大小，可以判斷該時(shí)間序列未來(lái)的變化趨勢(shì)。

當(dāng)H=0.5，表示氣候指標(biāo)完全獨(dú)立，是隨機(jī)性的；當(dāng)0.5

1.2.4 季節(jié)劃分原則

春季3～5月，夏季6～8月，秋季9～11月，冬季12月～翌年2月。

2 結(jié)果與分析

2.1 日照時(shí)數(shù)的空間分布特征

圖1為山西東南部11個(gè)區(qū)（縣）近43a平均年日照時(shí)數(shù)空間分布，呈南北多、東西和中部少的分布特征，其中東部黎城日照時(shí)數(shù)最少為2222.9h，南部壺關(guān)日照時(shí)數(shù)最多為2658.7h，其他地區(qū)介于兩者之間，最大值比最小值偏多19.6%，說(shuō)明日照時(shí)數(shù)空間差異顯著。

圖1 山西東南部近43a平均年日照時(shí)數(shù)空間分布

2.2 日照時(shí)數(shù)的時(shí)間變化特征

2.2.1 年日照時(shí)數(shù)變化趨勢(shì)

1976～2018年山西東南部日照時(shí)數(shù)年際變化趨勢(shì)如圖2所示，可以看出：（1）日照時(shí)數(shù)總體呈減少趨勢(shì)，年平均值為2379.8h；（2）1976～1997年為日照時(shí)數(shù)偏多期，大多數(shù)年份（22a中有15a）在多年平均水平上，其中1979年日照時(shí)數(shù)最多，為2699.3h，比平均值偏高319.5h；1998～2018年為日照時(shí)數(shù)偏少期，大多數(shù)年份（21a中有15a）低于年平均值，其中2016年日照時(shí)數(shù)最少，為2047.5h，比平均值偏低332.3h。從日照時(shí)數(shù)的年際變化幅度分析，最多年份與最少年份日照時(shí)數(shù)相差651.8h，說(shuō)明日照時(shí)數(shù)的年際變化比較大。（3）年日照時(shí)數(shù)氣候變化傾向率為?7.19h/a，即每10a日照時(shí)數(shù)減少71.9h。年日照時(shí)數(shù)與時(shí)間的相關(guān)系數(shù)為?0.613，通過(guò)99%的信度檢驗(yàn)，表明山西東南部年日照時(shí)數(shù)減少趨勢(shì)顯著。

圖2 1976～2018年山西東南部日照時(shí)數(shù)年際變化趨勢(shì)

2.2.2 年日照時(shí)數(shù)突變分析

氣候突變是指氣候從一種穩(wěn)定狀態(tài)跳躍式地轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定狀態(tài)[26]。圖3是山西東南部年日照時(shí)數(shù)Mann-Kendall突變檢驗(yàn)。如圖所示，20世紀(jì)80年代中期以后山西東南部年日照時(shí)數(shù)呈明顯減少趨勢(shì)，2009年以后減少趨勢(shì)通過(guò)了0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，表明山西東南部年日照時(shí)數(shù)的減少趨勢(shì)十分顯著。UF和UB兩條曲線相交于2005年，且交點(diǎn)在±1.96臨界線之間，山西東南部年日照時(shí)數(shù)在2005年發(fā)生由多轉(zhuǎn)少的突變。

圖3 山西東南部年日照時(shí)數(shù)Mann-Kendall突變檢驗(yàn)

2.2.3 年日照時(shí)數(shù)R/S分析

從表1可以看出，山西東南部及其各區(qū)（縣）年日照時(shí)數(shù)序列長(zhǎng)期相關(guān)特征表現(xiàn)為持續(xù)性，即過(guò)去年日照時(shí)數(shù)總體減少的趨勢(shì)預(yù)示未來(lái)年日照時(shí)數(shù)仍可能繼續(xù)減少。其中沁縣和黎城的Hurst指數(shù)均超過(guò)0.65，說(shuō)明這兩個(gè)地區(qū)未來(lái)年日照時(shí)數(shù)減少幅度較為明顯。

表1 山西東南部各區(qū)（縣）年日照時(shí)數(shù)的Hurst指數(shù)

2.2.4 四季日照時(shí)數(shù)及其變化趨勢(shì)

圖4是1976～2018年山西東南部四季日照時(shí)數(shù)及其變化趨勢(shì)。從圖中可以看出：（1）山西東南部日照時(shí)數(shù)變化存在季節(jié)差異。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，山西東南部近43a平均日照時(shí)數(shù)為2379.8 h。四季日照時(shí)數(shù)由多到少依次為春季>夏季>秋季>冬季，四季多年平均日照時(shí)數(shù)分別為：春季為678.3h，約占全年28.5%；夏季為630.7h，約占全年26.5%；秋季為546.3h，約占全年22.9%；冬季為525.6h，約占全年22.1%。（2）從近43a四季日照時(shí)數(shù)的變化趨勢(shì)來(lái)看，均表現(xiàn)為一致的減少趨勢(shì)。秋季減少最明顯，為?25.1h/10a，其余季節(jié)依次為夏季（?21.7h/10a）、冬季（?19.4h/10a）和春季（?5.5h/10a）。除春季以外，夏季、秋季和冬季均通過(guò)0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，其中秋季對(duì)山西東南部年日照時(shí)數(shù)的減少貢獻(xiàn)最大。

圖4 1976～2018年山西東南部四季日照時(shí)數(shù)及其變化趨勢(shì)

2.2.5 月日照時(shí)數(shù)及其變化趨勢(shì)

從1976～2018年山西東南部各月日照時(shí)數(shù)及其變化趨勢(shì)（圖5）可以看出：（1）山西東南部2月的日照時(shí)數(shù)最少，為169.9h；5月的日照時(shí)數(shù)最多，為251.6h。各月日照時(shí)數(shù)分布不均勻，日照時(shí)數(shù)最多月份是最少月份的1.5倍。（2）除3月日照時(shí)數(shù)呈增加趨勢(shì)外，其余各月均呈一致的減少趨勢(shì)。1月、6月和9月減少最為明顯，均超過(guò)?10h/10a，通過(guò)了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，其中9月減少最為顯著（?11.5h/10a）；7月通過(guò)了0.05水平的顯著性檢驗(yàn)；2～5月、8月、10～12月均未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)；6月和9月對(duì)山西東南部年日照時(shí)數(shù)的減少貢獻(xiàn)最大。

圖5 1976～2018年山西東南部各月日照時(shí)數(shù)及其變化趨勢(shì)

2.3 影響日照時(shí)數(shù)的主要?dú)庀笠?/h3>

影響日照時(shí)數(shù)的氣象因子有很多。大氣透明度是表征大氣對(duì)太陽(yáng)輻射透明度的一個(gè)參數(shù)，它受大氣中的水汽含量以及大氣氣溶膠含量等因子影響[27]，大氣氣溶膠粒子不僅會(huì)造成空氣污染，還會(huì)吸收、散射太陽(yáng)輻射，減少到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射，造成日照時(shí)數(shù)減少。由于未收集到大氣氣溶膠資料，故本文將重點(diǎn)分析總云量、低云量、水汽壓、降水量、霧日數(shù)和霾日數(shù)對(duì)日照時(shí)數(shù)的影響。大氣氣溶膠對(duì)日照時(shí)數(shù)的影響，則有待今后進(jìn)一步研究。

2.3.1 影響因子的變化趨勢(shì)

從1976～2018年山西東南部總云量、低云量、水汽壓、降水量、霧日數(shù)、霾日數(shù)的四季和年氣候變化傾向率（表2）可以看出：除春季總云量、低云量和秋季、冬季、年低云量呈減少趨勢(shì)，其余各氣象因子均呈增加趨勢(shì)；秋季、冬季、年總云量和四季、年霧日數(shù)、霾日數(shù)均通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，表現(xiàn)為顯著的增加趨勢(shì)，但低云量、水汽壓、降水量的四季和年變化情況沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

表2 1976～2018年山西東南部總云量、低云量、水汽壓、降水量、霧日數(shù)和霾日數(shù)的氣候變化傾向率（/10a）

2.3.2 影響因子與日照時(shí)數(shù)的相關(guān)性

利用相關(guān)分析法分別對(duì)總云量、低云量、水汽壓、降水量、霧日數(shù)、霾日數(shù)與年日照時(shí)數(shù)、四季日照時(shí)數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析，其相關(guān)系數(shù)如表3所示。

表3 1976～2018年山西東南部日照時(shí)數(shù)與總云量、低云量、水汽壓、降水量、霧日數(shù)、霾日數(shù)的相關(guān)系數(shù)

從1976～2018年四季和年日照時(shí)數(shù)與同期總云量、低云量、水汽壓、降水量、霧日數(shù)、霾日數(shù)的相關(guān)分析（表3）可知：（1）春季日照時(shí)數(shù)與霾日數(shù)呈不顯著正相關(guān)，與低云量的相關(guān)性通過(guò)α=0.05顯著性水平檢驗(yàn)，與總云量、水汽壓、降水量、霧日數(shù)的相關(guān)性均通過(guò)0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，其中霧日數(shù)增加對(duì)春季日照時(shí)數(shù)的影響最為顯著。（2）夏季日照時(shí)數(shù)與低云量、水汽壓、霾日數(shù)呈不顯著負(fù)相關(guān)，與總云量、降水量、霧日數(shù)的相關(guān)性均通過(guò)0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，其中總云量增加、降水量增加對(duì)夏季日照時(shí)數(shù)影響最為顯著。（3）秋季日照時(shí)數(shù)與霾日數(shù)呈不顯著負(fù)相關(guān)，與低云量的相關(guān)性通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，與總云量、水汽壓、降水量、霧日數(shù)的相關(guān)性均通過(guò)0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，其中總云量增加、霧日數(shù)增加對(duì)秋季日照時(shí)數(shù)影響最為顯著。（4）冬季日照時(shí)數(shù)與低云量呈不顯著負(fù)相關(guān)，與總云量、水汽壓、降水量、霧日數(shù)、霾日數(shù)的相關(guān)性均通過(guò)0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，其中總云量增加、霧日數(shù)增加對(duì)冬季日照時(shí)數(shù)影響最為顯著。（5）年日照時(shí)數(shù)與低云量呈不顯著負(fù)相關(guān)，與水汽壓的相關(guān)性通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，與總云量、降水量、霧日數(shù)、霾日數(shù)的相關(guān)性均通過(guò)0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，其中總云量增加、霧日數(shù)增加對(duì)年日照時(shí)數(shù)影響最為顯著。

通過(guò)上述分析可知，霧日數(shù)增加，大氣透明度降低，太陽(yáng)輻射減弱，是導(dǎo)致春季、秋季、冬季和年日照時(shí)數(shù)減少的重要因子之一，尤其是秋季；總云量的多少與日照時(shí)數(shù)的長(zhǎng)短有密切的關(guān)系，總云量增加是導(dǎo)致夏季、秋季、冬季和年日照時(shí)數(shù)減少的重要因子之一。另外，夏季降水頻繁，降水量增加對(duì)夏季日照時(shí)數(shù)減少也有一定影響。

3 結(jié)論和討論

本文應(yīng)用1976～2018年山西東南部11個(gè)地面氣象觀測(cè)站的逐月觀測(cè)資料，分析了該地區(qū)日照時(shí)數(shù)的時(shí)空變化特征，以及多個(gè)氣象因子對(duì)日照時(shí)數(shù)的影響，主要結(jié)論如下：

(1)山西東南部近43a年平均日照時(shí)數(shù)空間差異顯著，呈南北多、東西和中部少的分布特征。其中東部黎城日照時(shí)數(shù)最少為2222.9h，南部壺關(guān)日照時(shí)數(shù)最多為2658.7h，其他地區(qū)介于兩者之間，最大值比最小值偏多19.6%。

(2)山西東南部年日照時(shí)數(shù)在2005年發(fā)生突變。近43a年日照時(shí)數(shù)呈顯著減少趨勢(shì)，年日照時(shí)數(shù)平均每10a減少71.9h。最多年份與最少年份日照時(shí)數(shù)相差651.8h，日照時(shí)數(shù)的年際變化比較大。山西東南部及其各區(qū)（縣）年日照時(shí)數(shù)未來(lái)總體趨勢(shì)仍然繼續(xù)減少，其中沁縣和黎城減少幅度較為明顯。

(3)山西東南部近43a日照時(shí)數(shù)變化存在季節(jié)差異，四季日照時(shí)數(shù)由多到少依次為春季>夏季>秋季>冬季。四季日照時(shí)數(shù)均呈一致的減少趨勢(shì)，春季減速最小?5.5h/10a，秋季減速最大?25.1h/10a。秋季對(duì)山西東南部年日照時(shí)數(shù)的減少貢獻(xiàn)最大。

(4)山西東南部近43a各月日照時(shí)數(shù)分布不均勻，最多的月份是5月，為251.6h；最少的月份是2月，為169.9h。除3月日照時(shí)數(shù)呈增加趨勢(shì)外，其余各月均呈一致的減少趨勢(shì)，其中6月和9月對(duì)山西東南部年日照時(shí)數(shù)的減少貢獻(xiàn)最大。

(5)對(duì)日照時(shí)數(shù)有影響的氣象因子?總云量、低云量、水汽壓、降水量、霧日數(shù)、霾日數(shù)中，總云量、霧日數(shù)、霾日數(shù)總體呈顯著增加趨勢(shì)，低云量、水汽壓、降水量變化趨勢(shì)不顯著。

(6)從四季和年日照時(shí)數(shù)與同期總云量、低云量、水汽壓、降水量、霧日數(shù)、霾日數(shù)的相關(guān)分析可知，霧日數(shù)增加是導(dǎo)致春季、秋季、冬季和年日照時(shí)數(shù)減少的重要因子之一，尤其是秋季；總云量增加是導(dǎo)致夏季、秋季、冬季和年日照時(shí)數(shù)減少的重要因子之一。另外，降水量增加對(duì)夏季日照時(shí)數(shù)減少也有一定影響。

秦明凱[28]和李潤(rùn)春等[29]分析了日照時(shí)數(shù)的變化與城市化發(fā)展的關(guān)聯(lián)性，以及與地形的關(guān)系，認(rèn)為隨著城市化的快速發(fā)展，空氣中煙、灰、粉塵、汽車尾氣等大氣污染物明顯增多，在海拔低、山間或盆地地區(qū)不易擴(kuò)散，是導(dǎo)致霾日數(shù)增加、大氣透明度下降、日照時(shí)數(shù)減少的重要原因。可見影響日照時(shí)數(shù)的因子較為復(fù)雜，本文僅對(duì)近43a山西東南部日照時(shí)數(shù)時(shí)空變化特征與氣象因素的關(guān)系進(jìn)行了初步探討，其具體物理機(jī)制還需進(jìn)一步研究。