南極喬治王島地區(qū)太陽(yáng)光照氣候特征及影響分析

陳傳振，張秀娟，李莉，董明

(1.山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250031；2.濟(jì)南市人工影響天氣中心，山東 濟(jì)南 250102；3.濟(jì)南市氣象局，山東 濟(jì)南 250102)

引言

太陽(yáng)光照是地球輻射能量的來源，是地球生物生長(zhǎng)之能量源，對(duì)人類生活、社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響甚廣，也是可再生資源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要要素之一[1-2]，因此研究太陽(yáng)光照分布及其變化趨勢(shì)十分重要。近年來，很多學(xué)者通過多個(gè)角度研究了不同區(qū)域太陽(yáng)光照的變化。美洲、歐洲和亞洲的印度等全球大多數(shù)地區(qū)的日照時(shí)數(shù)都呈現(xiàn)出不同程度的減少[3-6]；中國(guó)近50 a大部分地區(qū)的日照時(shí)數(shù)都是比較一致的減少趨勢(shì)，且東南部的日照時(shí)間在20世紀(jì)80年代出現(xiàn)顯著的突變[7-9]。南極洲位于地球的最南端，在西南極喬治王島地區(qū)氣象條件復(fù)雜多變，有效日照時(shí)間少[1,10-11]，現(xiàn)階段也開展了關(guān)于南極日照氣候特征的研究，但時(shí)間序列短，且與相關(guān)氣象要素間的變化關(guān)系研究較少[12-16]，尤其是還沒有關(guān)于南極地區(qū)日照時(shí)間變化的研究。中國(guó)南極長(zhǎng)城站自1985年建站以來已連續(xù)開展了30多年的氣象監(jiān)測(cè)，為研究分析該地區(qū)日照氣象條件積累了長(zhǎng)期連續(xù)的氣象數(shù)據(jù)，提供了可靠的理論研究依據(jù)，研究分析該地區(qū)日照等氣象因素，發(fā)現(xiàn)其變化規(guī)律和要素間的相互關(guān)系，對(duì)于人類科學(xué)合理地利用南極、探索和保護(hù)南極有非常重要的意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 日照氣象要素量

在氣象學(xué)上用來表征日照量值的氣象要素有日照時(shí)間、可照時(shí)間和日照百分率等。日照時(shí)間用來記錄太陽(yáng)在一地實(shí)際照射的時(shí)間長(zhǎng)短。世界氣象組織(World Meteorological Organization, WMO)把日照時(shí)間定義為在一給定時(shí)間，太陽(yáng)直接輻照度達(dá)到或超過120 W·m-2的那段時(shí)間總和，也稱實(shí)照時(shí)間?？烧諘r(shí)間，是指在無任何遮蔽條件下，太陽(yáng)中心從某地東方地平線到進(jìn)入西方地平線，其光線照射到地面所經(jīng)歷的時(shí)間。日照百分率=(日照時(shí)間/可照時(shí)間)×100%，說明一地的有效日照率，也稱天文日照百分率[11,17-18]。

1.2 西南極地區(qū)太陽(yáng)活動(dòng)規(guī)律

中國(guó)南極長(zhǎng)城站，位于西南極喬治王島的菲爾德斯半島南端(62°12′59″S， 58°57′52″W)，1985年建站，自1988年1月1日開始日照觀測(cè)，至2017年連續(xù)積累了30 a的長(zhǎng)時(shí)間日照觀測(cè)數(shù)據(jù)。該站太陽(yáng)日出日落變化規(guī)律如圖1所示，6月21日是南極的仲冬節(jié)，自此以后黑夜減短，白天增長(zhǎng)。長(zhǎng)城站在圖中A點(diǎn)(方位角31.4°)日出，B點(diǎn)(方位角328.6°)日落，AB間夾角僅62.8°，為一年內(nèi)最小，白天時(shí)間最短；自仲冬節(jié)后，日出方位從A點(diǎn)向C點(diǎn)(方位角148.6°)偏移，日落方位從B點(diǎn)向D點(diǎn)(方位角211.4°)偏移，白天時(shí)間增加。12月21—23日，日出方位到達(dá)C點(diǎn)，日落方位到達(dá)D點(diǎn)，CD間夾角為297.2°，為一年內(nèi)最大，白天時(shí)間最長(zhǎng)。12月23日后日出、日落方位再按反方向偏移回A、B點(diǎn)。

圖1 長(zhǎng)城站日出和日落方位簡(jiǎn)圖Fig.1 Orientation diagram of sunrise and sunset in the Antarctic Great Wall Station of China

2 日照時(shí)間氣候變化特征

2.1 日照時(shí)間逐月分布

長(zhǎng)城站可照時(shí)間、日照時(shí)間、日照百分率逐月分布見圖2，年平均日照時(shí)間為534.3 h，年日照百分率只有12.1%，明顯低于中低緯度地區(qū)[1,19]，太陽(yáng)光照能量很弱，不適合開展光伏能源利用，極不利于植物生長(zhǎng)。由圖2可以看出，日照時(shí)間、日照百分率、可照時(shí)間年變化明顯，均呈典型的“V”形變化，1—6月逐月減少，6月達(dá)最小值(最小值分別是5.6 h、3.7%、153.2 h)，6—12月逐月增加，12月出現(xiàn)最大值(最大值分別是94.7 h、15.7%、603.3 h)。3—9月日照百分率低于全年平均，其中又以6月最低。另外，6、7月分別有6年(1992年、2003—2007年)、3年(1992年、2006—2007年)無日照，日照時(shí)間月合計(jì)為0.0 h。年平均可照時(shí)間為4 418.3 h，日最長(zhǎng)日照時(shí)間為19.7 h，出現(xiàn)在12月23日，日最短日照時(shí)間為4.9 h，出現(xiàn)在6月20—23日，最大與最小值相差14.8 h。

圖2 長(zhǎng)城站可照時(shí)間(a；單位：h)、日照時(shí)間(b；單位：h)、日照百分率(c；單位：%)逐月分布Fig.2 Monthly changes of duration of possible sunshine (a; units: h), duration of sunshine (b; units: h) and percentage of sunshine duration(c; units: %) at Antarctic Great Wall Station of China

2.2 量別日數(shù)及相關(guān)要素逐月分布

長(zhǎng)城站1988—2017年平均各月日照百分率在60%以上和20%以下的日數(shù)統(tǒng)計(jì)如圖3所示，每月平均有24.4 d在20%以下，平均只有1 d在60%以上，說明該地區(qū)日照時(shí)間總量值低。同時(shí)，6月日照≤20%的日數(shù)和≥60%的日數(shù)差距最大。

圖3 長(zhǎng)城站日照量別日數(shù)年變化Fig.3 Annual changes of the proportion of sunshine duration compared to duration of possible sunshine in the Antarctic Great Wall Station of China

2.3 年際變化特征

長(zhǎng)城站年日照時(shí)間總量值的年際變化特征和趨勢(shì)如圖4a所示，最小值為348.6 h(1992年)，最大值為686.8 h(2000年)，1988—2017年總體呈增多趨勢(shì)，增多速率為34.2 h·(10 a)-1。對(duì)長(zhǎng)城站日照時(shí)間進(jìn)行M-K檢驗(yàn)，如圖4b所示，在±2之間有兩個(gè)交點(diǎn)，即日照時(shí)間發(fā)生了年代際的突變?？紤]到突變過后經(jīng)過一段時(shí)間的穩(wěn)定，下文分析中取2000年之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。2000年之前，大部分年份的日照時(shí)間低于平均值，2000年及其之后的年份日照時(shí)間大多高于平均值(圖4a)，這也進(jìn)一步說明，日照時(shí)間發(fā)生了年代際的突變。

圖4 1988—2017年長(zhǎng)城站日照時(shí)間年際變化及線性趨勢(shì)(a)和M-K檢驗(yàn)(b)Fig.4 Interannual variation and trend of sunshine duration (a) and its M-K test (b) from 1988 to 2017 in Antarctic Great Wall Station of China

3 影響因子分析

3.1 相關(guān)氣象要素統(tǒng)計(jì)

長(zhǎng)城站處在南極高緯度地區(qū)，氣候環(huán)境惡劣，氣象要素變化劇烈[20]，對(duì)可能影響日照的云量、天氣現(xiàn)象、氣溫和相對(duì)濕度等要素進(jìn)行分析，以期發(fā)現(xiàn)它們與日照變化規(guī)律的關(guān)系。日照時(shí)間的變化與許多因子有關(guān)：云量、霧、雪、降水等都可能對(duì)日照時(shí)間產(chǎn)生影響。2001—2017年各要素的年際變化及趨勢(shì)如圖5所示，結(jié)果顯示，2001—2017年日照百分率(圖5a)和日照時(shí)間(圖5b)是下降的，下降速率分別為1%·(10 a)-1和42.7 h·(10 a)-1，最低氣溫≥0 ℃的日數(shù)減少(圖5c)，減少速率為1 d·(10 a)-1，相對(duì)濕度(圖5d)、平均總云量(圖5e)和平均低云量(圖5f)均呈增加趨勢(shì)，雨日比率減少(圖5g)，減少速率為0.9%·(10 a)-1，雪日比率增加(圖5h)，增加速率為2.3%·(10 a)-1，吹雪日比率(圖5i)和霧日比率(圖5j)增加，增加速率分別為6.7%·(10 a)-1和4%·(10 a)-1。日照時(shí)間與相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)為-0.49，通過95%的顯著性檢驗(yàn)，日照時(shí)間與平均總云量的相關(guān)系數(shù)為-0.61，通過99%的顯著性檢驗(yàn)。日照時(shí)間與雨日比率、雪日比率和霧日比率等其他要素的相關(guān)分析沒有通過顯著性檢驗(yàn)。這說明南極地區(qū)的日照時(shí)間主要受總云量影響，因?yàn)榭傇屏渴菦Q定日照時(shí)間變化的重要因子，云的遮擋也是影響日照時(shí)間最直接的因素。2000年以后，相對(duì)濕度增加，有利于總云量增加，與日照時(shí)間減少是對(duì)應(yīng)的。值得注意的是，南極地區(qū)的日照時(shí)間與低云量的變化并沒有明顯的關(guān)系。

圖5 2001—2017年長(zhǎng)城站各要素年際變化及趨勢(shì)(a.日照百分率，單位：%；b.日照時(shí)間，單位：h；c.最低氣溫≥0 ℃的日數(shù)比率，單位：%；d.相對(duì)濕度，單位：%；e.平均總云量，單位：成；f.平均低云量，單位：成；g.雨日比率，單位：%；h.雪日比率，單位：%；i.吹雪日比率，單位：%；j.霧日比率，單位：%)Fig.5 Interannual variation and trend of meteorological elements at the Great Wall Station of China from 2001 to 2017 (a. percentage of sunshine, units: %; b. duration of sunshine, units: h; c. proportion of days when the lowest temperature is greater than or equal to 0 ℃, units: %; d. relative humidity, units: %; e. averaged total cloud cover, units: 10%; f. averaged low cloud cover, units: 10%; g. ratio of rainy day, units: %; h. ratio of snow day, units: %; i. ratio of blowing snow day, units: %; j. ratio of fog day, units: %)

3.2 氣象要素影響

表1統(tǒng)計(jì)了1988—2017年30 a平均各月雨、雪、霧和輕霧、最低氣溫≥0 ℃出現(xiàn)的日數(shù)，以及月平均日照百分率、相對(duì)濕度、日平均總云量、日平均低云量，逐項(xiàng)分析說明它們與日照百分率的關(guān)系。

表1 天氣現(xiàn)象、氣溫、相對(duì)濕度、云量和日照百分率統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of weather phenomena, temperature, relative humidity, cloud cover and percentage of sunshine duration

3.2.1 天氣現(xiàn)象

雨、霧和輕霧在空中均以液態(tài)為主，本文統(tǒng)稱為液態(tài)現(xiàn)象；雪和吹雪在空中以固態(tài)為主，本文統(tǒng)稱為固態(tài)現(xiàn)象。逐月的液態(tài)和固態(tài)現(xiàn)象月平均出現(xiàn)的日數(shù)如表1所示：

1)液態(tài)降水(雨)月平均出現(xiàn)次數(shù)與日照百分率年變化一致，日照百分率高的月份，液態(tài)降水(雨)多，日照百分率低的月份，液態(tài)降水(雨)少。

2)固態(tài)降水(雪)月平均出現(xiàn)次數(shù)與日照百分率年變化相反，日照百分率低的月份，固態(tài)降水(雪)多，日照百分率高的月份，固態(tài)降水(雪)少。

3)霧和輕霧說明空中浮游大量微小水滴，日照百分率低的月份，霧和輕霧較少，日照百分率高的月份，霧和輕霧較多。吹雪說明空中有大量雪和冰晶，吹雪月平均出現(xiàn)次數(shù)與日照百分率年變化相反，日照百分率低的時(shí)候，吹雪出現(xiàn)次數(shù)多，日照百分率高的時(shí)候，吹雪出現(xiàn)次數(shù)少。

液態(tài)和固態(tài)現(xiàn)象月平均出現(xiàn)日數(shù)與日照百分率的年變化如圖6所示，液態(tài)現(xiàn)象月平均出現(xiàn)日數(shù)與日照百分率年變化一致，固態(tài)現(xiàn)象月平均出現(xiàn)日數(shù)與日照百分率的年變化相反，出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是因?yàn)?1月—次年2月，日照百分率高，太陽(yáng)高度角高，氣溫高(圖7)，故多出現(xiàn)液態(tài)現(xiàn)象。6—8月，日照百分率低，太陽(yáng)高度角低，氣溫低，易出現(xiàn)固態(tài)現(xiàn)象。

圖6 液、固態(tài)現(xiàn)象月出現(xiàn)天數(shù)與日照百分率逐月變化Fig.6 Monthly occurrence days of liquid phenomena and solid phenomena, and monthly changes of percentage sunshine duration

圖7 1988—2017年長(zhǎng)城站氣溫(單位：℃)逐月變化Fig.7 Monthly changes of temperature at Antarctic Great Wall Station of China from 1988 to 2017(units: ℃)

3.2.2 氣溫和相對(duì)濕度

表1顯示，長(zhǎng)城站各月平均相對(duì)濕度均接近90%，全年平均相對(duì)濕度高。最低氣溫≥0 ℃的月平均出現(xiàn)日數(shù)與日照百分率年變化一致，兩者為正相關(guān)，即日照百分率低的時(shí)候，氣溫低于0 ℃的天數(shù)更多，這就意味著，近地面將有大量的冰晶形成。而近地表空氣中冰晶對(duì)太陽(yáng)光線的反射、折射等作用會(huì)減少到達(dá)地面的太陽(yáng)直接輻射，導(dǎo)致近地面溫度更低，形成更多的冰晶。這種正反饋?zhàn)饔?，?huì)顯著降低南極冬季的日照百分率和氣溫。

3.2.3 云量

由表1數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可發(fā)現(xiàn)，日平均總云量各月均在9成左右，日平均低云量各月均在7成左右，雖然總云量和低云量在6、7月比較少，但是各月份的總云量和低云量并沒有太明顯的差異。對(duì)各月各時(shí)次總、低云量在8～10成(陰云)的出現(xiàn)次數(shù)進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)，為保證日照和云量要素?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)間的一致性，根據(jù)各月日出日落的時(shí)間，1、11、12月統(tǒng)計(jì)08、14、20時(shí)云量數(shù)據(jù)，2—4月和9—10月統(tǒng)計(jì)08、14時(shí)云量數(shù)據(jù)，5—8月統(tǒng)計(jì)14時(shí)云量數(shù)據(jù)。同樣可發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)城站各月總云量8～10成的出現(xiàn)比率在80%以上，低云量8～10成的出現(xiàn)比率在50%以上。由云量平均值統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)城站全年以陰云天氣為主。厚的云層對(duì)太陽(yáng)光線的遮擋，直接減少了有效到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射總量。

4 小結(jié)

通過對(duì)長(zhǎng)城站30 a的氣象數(shù)據(jù)分析研究，主要得出以下有關(guān)南極太陽(yáng)光照的結(jié)論：

1)由于地理位置的原因，南極可照時(shí)間年變化大，日最大日照時(shí)間為19.7 h，最小日照時(shí)間為4.9 h。

2)年日照時(shí)間總量少，年變化明顯，日照百分率低，年平均只有12.1%，太陽(yáng)光照能量很弱，不適合開展光伏能源利用，極不利于植物生長(zhǎng)。

3)該地區(qū)常年以陰云天氣為主，云層對(duì)太陽(yáng)光的遮擋降低了日照時(shí)間的總量值。2000年以來南極地區(qū)的日照時(shí)間主要是受總云量和相對(duì)濕度的影響，該時(shí)段總云量和相對(duì)濕度增加，日照時(shí)間減少。

4)雨、霧、輕霧等液態(tài)現(xiàn)象與日照百分率的年變化一致，雪、吹雪等固態(tài)現(xiàn)象與日照百分率的年變化正好相反。這說明日照百分率低的時(shí)候，固態(tài)現(xiàn)象多，液態(tài)現(xiàn)象少；日照百分率高的時(shí)候，固態(tài)現(xiàn)象少，液態(tài)現(xiàn)象多。