京西生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)日照時(shí)數(shù)變化特征及影響因素

吳輝,曹久才,繆明榕,李超

(1北京市門頭溝區(qū)氣象局,北京 102300;2江蘇省南通市氣象局,江蘇 南通 226000)

0 引 言

近年來,氣候變化受到越來越多的關(guān)注。日照時(shí)數(shù)是指太陽在某地實(shí)際照射的時(shí)數(shù)[1],是影響氣候變化的重要?dú)庀笠刂籟2]。日照時(shí)數(shù)的變化對(duì)農(nóng)業(yè)、太陽能的利用等有著較大的影響。日照時(shí)數(shù)受多方面因素影響,其變化特征在不同地區(qū)具有明顯差異。虞海燕等[3]研究發(fā)現(xiàn)全國年日照時(shí)數(shù)呈顯著減少的趨勢(shì);武鵬飛[4]發(fā)現(xiàn)天山的年及季節(jié)日照時(shí)數(shù)均呈減少趨勢(shì),且各區(qū)域變化差異顯著,山區(qū)及天山北坡變化趨勢(shì)明顯大于南坡;賀莉微和夏青[5]發(fā)現(xiàn)近57年湖北省咸寧市日照時(shí)數(shù)呈減少趨勢(shì),且中部少、南北部多;張嘉雪和楊慧楠[6]發(fā)現(xiàn)吉林省白城市日照時(shí)數(shù)呈顯著減少趨勢(shì),5月日照時(shí)數(shù)最多,12月最少;安彬和肖薇薇[7]指出陜西省年日照時(shí)數(shù)出現(xiàn)了“全球變暗”效應(yīng);李顏顏等[8]指出河南省日照時(shí)數(shù)空間分布呈現(xiàn)“北部多、南部少、平原多、山地少”的特點(diǎn);華維等[9]發(fā)現(xiàn)西藏中東部和青海南部、青藏高原西部地區(qū)日照時(shí)數(shù)呈顯著增加趨勢(shì);賀俊杰等[10]指出內(nèi)蒙古錫林浩特市近年的日照時(shí)數(shù)呈顯著增加趨勢(shì)。

門頭溝區(qū)是首都北京西部的市轄區(qū),地處華北平原向蒙古高原過渡地帶,地勢(shì)西北高、東南低。為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境,門頭溝區(qū)被列為北京市五個(gè)生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)之一。門頭溝國家一般氣象站位于東部平原區(qū),屬于平原站。齋堂國家一般氣象站位于西部山區(qū),屬于高山站。近年來,學(xué)者對(duì)門頭溝區(qū)降水[11-13]、日照[14,15]等方面有一定研究,但在日照方面研究不夠詳細(xì)深入。因此,本文詳細(xì)分析了1975–2019年門頭溝區(qū)日照時(shí)數(shù)的時(shí)空變化特征及其影響因素,對(duì)門頭溝站和齋堂站的年、季節(jié)、月、日日照時(shí)數(shù)的變化趨勢(shì)及其與總云量、低云量、平均濕度、降水量、分鐘風(fēng)速、能見度的相關(guān)關(guān)系做了具體分析,研究結(jié)果對(duì)首都京西生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)建設(shè)和氣候評(píng)價(jià)有重要參考價(jià)值。

1 資料與方法

1.1 資料選取

選取北京市門頭溝、齋堂兩個(gè)國家氣象站1975–2019年逐日總云量、低云量、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù),降水等多年觀測(cè)資料進(jìn)行研究。四季劃分方法:春季(3–5月)、夏季(6–8月)、秋季(9–11月)、冬季(12月–翌年 2月)。

1.2 計(jì)算方法

用線性關(guān)系Y=at+b分析估算氣候變化趨勢(shì),一階系數(shù)a乘以10稱為該要素變化傾向率(或變化率)。用最小二乘法通過實(shí)際資料計(jì)算得出a、b。日照時(shí)數(shù)是上升趨勢(shì)或下降趨勢(shì)取決于a的符號(hào),“+”為上升,“-”為下降。趨勢(shì)是否顯著,用t和Y之間的相關(guān)性來判斷,p值超過0.05顯著性水平則認(rèn)為趨勢(shì)顯著。

利用t檢驗(yàn)法對(duì)日照時(shí)數(shù)及相關(guān)氣象影響因子的關(guān)系進(jìn)行分析,利用Mann-Kendall(M-K)方法對(duì)序列突變檢驗(yàn),明確突變開始時(shí)間和突變區(qū)域。

2 日照時(shí)數(shù)的時(shí)空變化特征

2.1 日照時(shí)數(shù)空間分布的相關(guān)性

對(duì)門頭溝站(東南平原區(qū),下同)與齋堂站(西部山區(qū),下同)1975–2019年的逐日日照時(shí)數(shù)利用差值公式Xi=Ai-Ui(Ai為門頭溝第i天日照時(shí)數(shù)值,Ui為齋堂第i天日照時(shí)數(shù)值)進(jìn)行差值分析,并用線性回歸方法進(jìn)行線性模擬和顯著性檢驗(yàn)。表1和圖1分別給出了門頭溝站和齋堂站逐日日照時(shí)數(shù)差值分布情況和相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明,門頭溝站與齋堂站逐日日照時(shí)數(shù)存在顯著相關(guān)性(p=0.01),二者的差值約60%在-1～1 h范圍內(nèi),約80%在-2～2 h范圍內(nèi)。表明京西生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)東西部日照時(shí)數(shù)變化趨勢(shì)具有一致性且存在線性關(guān)系。觀測(cè)員可通過對(duì)比兩站日照時(shí)數(shù)判斷氣象站日照計(jì)是否發(fā)生故障,并對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正。

圖1 1975–2019年門頭溝站與齋堂站逐日日照時(shí)數(shù)的相關(guān)關(guān)系Fig.1 Correlation between daily sunshine duration of Mentougou Station and Zhaitang Station from 1975 to 2019

表1 1975–2019年門頭溝站與齋堂站逐日日照時(shí)數(shù)差值分布情況Table 1 Distribution of daily sunshine duration difference between Mentougou Station and Zhaitang Station from 1975 to 2019

2.2 日照時(shí)數(shù)月變化趨勢(shì)

圖2為門頭溝站和齋堂站月平均日照時(shí)數(shù)分布情況。由圖可以看出,1975–2019年齋堂站所有月份平均日照時(shí)數(shù)均多于門頭溝站,形成西部山區(qū)多、東南平原少的特征,且兩站月均日照時(shí)數(shù)峰值均出現(xiàn)在4–5月,谷值出現(xiàn)在11–12月。郭軍和任國玉[16]、胡德奎等[17]、付建新等[18]研究也發(fā)現(xiàn)5月份是中國北部大多數(shù)地區(qū)全年日照時(shí)數(shù)最多月。出現(xiàn)上述變化特征的主要原因是:4–5月白天時(shí)長開始漸長于夜間,日照時(shí)間長,且陣性降水少、白天云量少;6–7月多陣性降水;9–10月后,秋季白天雖逐漸變短,但降水較少,日照時(shí)數(shù)有所回升;11月–翌年2月霧霾天氣增多,日照時(shí)數(shù)變少[17]。

圖2 1975–2019年門頭溝站與齋堂站月平均日照時(shí)數(shù)Fig.2 Average monthly sunshine duration at Mentougou Station and Zhaitang Station from 1975 to 2019

從氣候傾向率可以看出(表2),門頭溝區(qū)日照時(shí)數(shù)在6月、9月、10月減少趨勢(shì)最明顯。其中,門頭溝站除3月、12月外,其他月份均呈減少趨勢(shì),減少率最大的是6月[-12.0 h·(10a)-1]和9月[-10.4 h·(10a)-1],其次是10月[-9.2 h·(10a)-1]和7月[-8.7 h·(10a)-1],均通過了顯著性檢驗(yàn);齋堂站除3–5月外,其他月份均呈減少趨勢(shì),減少率最大的是6月[-10.7 h·(10a)-1]和10月[-7.7 h·(10a)-1],其次是9月[-7.1 h·(10a)-1]和1月[-5.0 h·(10a)-1],也均通過了顯著性檢驗(yàn)。

表2 1975–2019年門頭溝站與齋堂站月平均日照時(shí)數(shù)氣候傾向率Table 2 Climate tendency rate of average monthly sunshine duration at Mentougou Station and Zhaitang Station from 1975 to 2019

2.3 日照時(shí)數(shù)年際和季節(jié)變化趨勢(shì)

圖3為門頭溝站和齋堂站年日照時(shí)數(shù)變化情況。研究結(jié)果表明,1975–2019年門頭溝站平均年日照時(shí)數(shù)為2295.3 h,最多日照時(shí)數(shù)為2646.4 h(1983年),最少日照時(shí)數(shù)為1860.8 h(2006年),表現(xiàn)為-51.6 h·(10a)-1的顯著下降趨勢(shì),通過了顯著性檢驗(yàn)。近一半的年份(22年)日照時(shí)數(shù)低于平均值(2294.1 h),其中,2001–2010年連續(xù)10年低于平均值;齋堂站平均年日照時(shí)數(shù)為2551.1 h,最多日照時(shí)數(shù)為2802.3 h(1982年),最少日照時(shí)數(shù)為2042.9 h(2006年),表現(xiàn)為-39.5 h·(10a)-1的下降趨勢(shì),但未通過顯著性檢驗(yàn)。近一半的年份(20年)日照時(shí)數(shù)低于平均值(2551.7 h),其中2002–2012年連續(xù)11年低于平均值?？梢?2002–2010年門頭溝區(qū)年日照時(shí)數(shù)均連續(xù)低于平均值,東南平原區(qū)日照時(shí)數(shù)減少趨勢(shì)大于西部山區(qū)。近30年(1990–2019年)門頭溝區(qū)年日照時(shí)數(shù)均有上升趨勢(shì),但未通過顯著性檢驗(yàn)。

圖3 1975–2019年門頭溝站和齋堂站日照年際變化趨勢(shì)Fig.3 Interannual variations of sunshine duration at Mentougou Station and Zhaitang Station from 1975 to 2019

圖4為門頭溝站和齋堂站日照時(shí)數(shù)季節(jié)變化趨勢(shì)。由圖可以看出,門頭溝站日照時(shí)數(shù)四季分布較為均勻,但仍呈現(xiàn)春季最多、冬季最少的特征。春季為681.3 h,約占全年29.7%;夏季為557.1 h,約占全年24.3%;秋季為547.1 h,約占全年23.8%;冬季為509.5 h,約占全年22.2%。齋堂站日照時(shí)數(shù)春季為720.2 h,約占全年28.2%;夏季為637.5 h,約占全年25.0%;秋季為615.1 h,約占全年24.1%;冬季為578.3 h,約占全年22.7%。

圖4 1975–2019年門頭溝站和齋堂站日照時(shí)數(shù)季節(jié)變化趨勢(shì)Fig.4 Seasonal variations of sunshine duration at Mentougou Station and Zhaitang Station from 1975 to 2019

從空間分布來看,齋堂站年、季節(jié)日照時(shí)數(shù)較門頭溝站均偏多,京西生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)呈現(xiàn)西部山區(qū)多、東南平原少的空間分布特征。

通過對(duì)門頭溝站和齋堂站年、四季日照時(shí)數(shù)氣候傾向率分析表明(見表3),1975–2019年門頭溝站四季日照時(shí)數(shù)均呈減小趨勢(shì),尤以秋季減少最多[-23.7 h·(10a)-1],夏季次之[-22.5 h·(10a)-1],且通過了顯著性檢驗(yàn),春季和冬季也呈減少趨勢(shì),但未通過顯著性檢驗(yàn);齋堂站四季日照時(shí)數(shù)也以秋季減少最多[-18.1 h·(10a)-1],且通過了顯著性檢驗(yàn),而夏季和冬季呈減少趨勢(shì)、春季呈增加趨勢(shì),均未通過顯著性檢驗(yàn)。

表3 門頭溝站和齋堂站年、季日照時(shí)數(shù)氣候傾向率Table 3 Climate trend rate of annual and seasonal sunshine duration at Mentougou Station and Zhaitang Station

從1990–2019年近30年門頭溝站和齋堂站年、四季日照時(shí)數(shù)氣候傾向率來看,門頭溝站日照時(shí)數(shù)除秋季呈減少趨勢(shì)外,其他季節(jié)均呈增加趨勢(shì),但均未通過顯著性檢驗(yàn);齋堂站日照時(shí)數(shù)春季呈增加趨勢(shì)明顯[36.9 h·(10a)-1],通過了顯著性檢驗(yàn),夏季呈增加趨勢(shì),秋季、冬季呈減少趨勢(shì),均未通過顯著性檢驗(yàn)。門頭溝站年日照時(shí)數(shù)呈增多趨勢(shì),雖沒有通過顯著性檢驗(yàn),與近45年對(duì)比日照時(shí)數(shù)減少趨勢(shì)有所減緩。

2.4 日照時(shí)數(shù)的階段性變化特征

2.4.1 日照時(shí)數(shù)的異常年分析

世界氣象組織對(duì)氣候異常提出兩種判別標(biāo)準(zhǔn),一是其出現(xiàn)的幾率為25年以上一次,二是距平超過標(biāo)準(zhǔn)差的2倍以上。因研究年限較短,采用方法二分析門頭溝區(qū)日照時(shí)數(shù)的異常特征,即距平大于標(biāo)準(zhǔn)差的2倍視為異常數(shù)據(jù),標(biāo)準(zhǔn)差的1.5～2.0倍視為接近異常數(shù)據(jù)。

表4和表5分別為門頭溝站和齋堂站年、季日照時(shí)數(shù)異常情況(“—”表示沒有出現(xiàn)此類情況),圖5為年日照時(shí)數(shù)距平情況。結(jié)果顯示,門頭溝站和齋堂站的年、季日照時(shí)數(shù)均出現(xiàn)較多異常偏少年份,2000年以后異常偏少年份較集中,而接近異常偏多年份在20世紀(jì)80–90年代較集中。門頭溝站春、夏、冬季日照時(shí)數(shù)均以異常或(接近異常)偏少年份為主,分別出現(xiàn)5次、3次、4次,秋季異常偏多和偏少年份均出現(xiàn)4次。其中,春季2003年異常偏少180.6 h,1989年偏多120.0 h;夏季2008年異常偏少183.7 h,1983年異常偏多153.6 h;秋季2016年異常偏少121.6 h,1986年異常偏多88.5 h;冬季2013年異常偏少164.5 h,1988年異常偏多106.1 h。年日照時(shí)數(shù)異常偏多偏少年份均出現(xiàn)3次,其中1983年偏多351.1 h,2006年偏少434.5 h。

表4 1975–2019年門頭溝站年、季日照時(shí)數(shù)的異常年份Table 4 Abnormal years of annual and seasonal sunshine duration at Mentougou station from 1975 to 2019

表5 1975–2019年齋堂站年、季日照時(shí)數(shù)的異常年份Table 5 Abnormal years of annual and seasonal sunshine duration at Zhaitang station from 1975 to 2019

圖5 1975–2019年門頭溝站(a)和齋堂站(b)年日照時(shí)數(shù)距平情況Fig.5 Anomaly of annual sunshine duration at Mentougou Station(a)and Zhaitang Station(b)from 1975 to 2019

齋堂站春、夏、秋、冬季日照時(shí)數(shù)均以異?；?接近異常)偏少為主,分別出現(xiàn)3次、3次、6次、4次。齋堂站年日照時(shí)數(shù)只出現(xiàn)4次異常偏少年份,其中,2006年偏少508.2 h。

2.4.2 年日照時(shí)數(shù)突變特征

用M-K方法檢測(cè)1975–2019年門頭溝區(qū)年日照時(shí)數(shù)序列的突變,顯著性水平α=0.05,查標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表,雙側(cè)臨界值U0.05=1.96。統(tǒng)計(jì)變量UF為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布,用來描述序列的增長趨勢(shì),UF>0為增長趨勢(shì),UF<0為減少趨勢(shì)。統(tǒng)計(jì)變量UB為UF的負(fù)值,UB時(shí)間序列為UF的逆序列。通過分析統(tǒng)計(jì)變量UF和UB可以進(jìn)一步分析序列的趨勢(shì)變化,兩曲線的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的年份即為突變年份。結(jié)果如圖6所示,1982–1990年門頭溝站年日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢(shì),1975–1981年和1991–2019年呈現(xiàn)減少趨勢(shì);齋堂站年日照時(shí)數(shù)1975–1979年時(shí)增時(shí)減,1980–1990年呈現(xiàn)增加趨勢(shì),1991–2019年呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。根據(jù)曲線交點(diǎn)位置,門頭溝站和齋堂站年日照時(shí)數(shù)的這種突變均是從1991年開始的。

圖6 1975–2019年門頭溝站(a)和齋堂站(b)年日照時(shí)數(shù)M-K檢驗(yàn)Fig.6 M-K inspection of annual sunshine duration at Mentougou Station(a)and Zhaitang Station(b)from 1975 to 2019

3 氣象因子影響分析

相關(guān)研究表明,云量、降水、相對(duì)濕度等氣候因子對(duì)日照時(shí)數(shù)變化有著重要影響。氣象要素之間又存在著密切的相關(guān)性,為此計(jì)算了1997年(代表少雨年)、1983年(代表平均年)和1998年(代表多雨年)3年逐日日照時(shí)數(shù)和各相關(guān)氣象要素的相關(guān)系數(shù),結(jié)果如表6所示。由表可看出,門頭溝、齋堂國家站在少雨年、平均年、多雨年的日照時(shí)數(shù)與各氣象要素均具有相關(guān)關(guān)系。其中,日照時(shí)數(shù)與總云量、低云量、降水量、平均濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,而與分鐘風(fēng)速、能見度呈正相關(guān)關(guān)系。統(tǒng)計(jì)資料結(jié)果表明,那些對(duì)太陽光線有較強(qiáng)阻擋和吸收作用的云層[17]、水汽和氣溶膠[19-21],能有效減小太陽光線的透過率,對(duì)地面日照時(shí)數(shù)減小的作用較強(qiáng)。因此,在云量多、降水量大、平均濕度大、能見度低、分鐘風(fēng)速小的情況下,太陽光線的透過率較低,地面日照時(shí)數(shù)較少。

表6 氣象要素與日照時(shí)數(shù)的相關(guān)關(guān)系Table 6 Correlation between meteorological elements and sunshine duration

4 結(jié) 論

1)門頭溝站與齋堂站日照時(shí)數(shù)存在顯著相關(guān)性,二者的差值約80%在(-2～2 h)范圍。通過對(duì)比兩站日照時(shí)數(shù),為觀測(cè)員判斷氣象站日照儀是否發(fā)生故障以及異常數(shù)據(jù)訂正提供參考。

2)齋堂站所有月份平均日照時(shí)數(shù)均多于門頭溝站,總體呈現(xiàn)西部山區(qū)多、東南平原少的特征,峰值均出現(xiàn)在4–5月,谷值出現(xiàn)在11–12月。6月、9月和10月日照時(shí)數(shù)減少趨勢(shì)最為明顯,其中,門頭溝站減少率最大的是6月[-12.0 h·(10a)-1]和9月[-10.4 h·(10a)-1];齋堂站減少率最大的是6月[-10.7 h·(10a)-1]和10月 [-7.7 h·(10a)-1]。

3)門頭溝站、齋堂站平均年日照時(shí)數(shù)分別為2295.3 h、2551.1 h。在1975–2019年間,門頭溝站出現(xiàn)-51.6 h·(10a)-1的顯著下降趨勢(shì),通過顯著性檢驗(yàn);而齋堂站出現(xiàn)-39.5 h·(10a)-1的下降趨勢(shì),未通過顯著性檢驗(yàn)。2002–2010年門頭溝區(qū)年日照時(shí)數(shù)均連續(xù)低于均值,東南平原區(qū)減少趨勢(shì)大于西部山區(qū)。

4)齋堂國家站年、季節(jié)日照時(shí)數(shù)較門頭溝國家站均偏多,表明了西部山區(qū)多、東南平原少的空間分布特征。門頭溝區(qū)日照時(shí)數(shù)四季分布較均勻,各占20%以上,但仍呈現(xiàn)春季最多、冬季最少的特征。秋季日照時(shí)數(shù)減少最明顯,其中,門頭溝國家站以-23.7 h·(10a)-1顯著減少,齋堂國家站以-18.1 h·(10a)-1顯著減少。

5)年、四季日照時(shí)數(shù)均出現(xiàn)較多異常偏少年份,且異常偏少年份主要集中在2000年以后,而接近異常偏多年份在20世紀(jì)80–90年代較集中。

6)年日照時(shí)數(shù)在1982–1990年期間呈現(xiàn)明顯增加趨勢(shì),而在1991–2019年間呈現(xiàn)明顯減少趨勢(shì),突變開始于1991。

7)日照時(shí)數(shù)與各氣象要素均具有相關(guān)關(guān)系。其中,日照時(shí)數(shù)與總云量、低云量、平均濕度、降水量呈負(fù)相關(guān),與分鐘風(fēng)速、能見度呈正相關(guān)。