基于GIS 的西寧地區(qū)1970—2019年日照時空變化規(guī)律

李寶華，達海鈺，周 丹，雷春苗，馬守存，鄭 玲

(青海省氣象服務中心，青海 西寧 810001)

引言

日照時數是表征太陽輻射強弱的重要指標，對研究氣候變化趨勢和資源利用有重要的指示意義[1]。在我國年平均日照時數呈現(xiàn)東南少、西北多的形勢[2]，從東南向西北增加，青藏高原海拔高、空氣稀薄，晴朗天氣多，日照時數是全國最多的地區(qū)之一。近年來，氣候變化所引起的太陽輻射變化也備受研究者關注，黃耀賢[3]等人通過研究1960—2019年廣東省日照時數時空變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)區(qū)域內的年際日照時數具有明顯縮短的趨勢，夏季日照時數減少量最為顯著；譚大明[4]等人分析西藏60多年的日照時長變化趨勢，得出林芝、山南、日喀則日照時數呈下降趨勢的結論；張萬誠[5]等人發(fā)現(xiàn)云南地區(qū)日照時數變化具有差異性，大致呈北部減少，南部增多的趨勢，可見各地區(qū)日照時數變化的區(qū)域性差異明顯。

西寧地區(qū)處于青藏高原東部邊緣，其行政區(qū)劃包括湟中區(qū)、湟源縣、大通縣和西寧市，是青海省人口最為集中的地區(qū)之一，擁有豐富的太陽能資源[6]。近幾年，隨著生態(tài)能源的大力發(fā)展，太陽能發(fā)電成為廣泛推崇的清潔發(fā)電資源，在一定程度上能緩解環(huán)境壓力[7]，提高社會經濟效益，因此研究西寧地區(qū)日照時空變化規(guī)律對太陽能資源開發(fā)利用和氣候變化具有一定的參考意義。

1 資料與方法

1.1 資料來源

研究數據來源于西寧市、湟中區(qū)、湟源縣和大通縣4個國家氣象站日照時數、降水量、平均風速、相對濕度、水汽壓和總云量資料，由CIMISS氣象數據統(tǒng)一服務接口獲取，其中研究總云量的時間序列為1970—2013年，地理信息資料來源于中國氣象局國家氣象中心提供的基礎數據。

1.2 研究方法

線性趨勢分析法。氣象要素的氣候變化趨勢用公式(1)進行估計。

Yi=a0+aiti

(1)

式中：Yi為氣象要素，ti為時間；ai為線性趨勢，ai×10 得到每10年的趨勢系數，即氣候變化趨勢，其中 ai的最小二乘估計和 ti與 Yi之間的相關系數 r 分別用公式(2)～(3)計算。

(2)

(3)

ai表示氣象要素的氣候變化特征，正值表示上升趨勢，負值表示下降趨勢；趨勢顯著性以r來判斷，超過a=0.05 顯著性水平則認為趨勢顯著，超過a=0.01顯著性水平則認為極為顯著。

2 結果與分析

2.1 西寧地區(qū)日照時數的時間變化特征

2.1.1日照時數的年際變化

圖1是西寧地區(qū)1970—2019年日照時數的年際變化圖，西寧地區(qū)50年來的年平均日照時數為2 587.6 h，日照時數總體呈現(xiàn)減少趨勢，減少趨勢為-35.2 h/10a。由50年間年代際變化趨勢可見(如圖2)，20世紀70年代和90年代西寧地區(qū)年均日照時數偏多，80年代年均日照時數與多年平均相當，21世紀00年代和10年代，年均日照時數較多年均值偏少；年日照時數最多的年份為1980年，第二多的年份為1997年，日照時數分別為2 806.5 h和2 781.0 h，日照時數最少的年份為2019年，第二少的年份為2018年，日照時數分別為2 330.1 h和2 349.1 h。

圖1 西寧地區(qū)1970—2019年日照時數的年際變化

圖2 西寧地區(qū)1970—2019年日照時數的年代際變化

2.1.2日照時數的季節(jié)變化和月變化

以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，分析西寧地區(qū)日照時數的季節(jié)變化(如圖3)。夏、秋、冬三季日照時數均呈現(xiàn)不同程度的減少趨勢，春季日照時數變化趨勢總體上不明顯，夏季日照時數變化趨勢最大，為-16.1 h/10a，秋冬季日照時數減少趨勢相當，分別為-10.6 h/10a和-9.1 h/10a；夏、秋、冬三季日照時數下降趨勢均通過 α=0.01的顯著性檢驗，說明夏、秋、冬三季日照時數變化較為顯著。

圖3 西寧地區(qū)1970—2019年日照時數季節(jié)變化

2.1.3日照時數的突變分析

滑動t檢驗的基本思想是：把一氣候序列中兩段子序列均值有無顯著差異看為來自兩個總體均值有無顯著差異的問題來檢驗。如果兩段子序列的均值差異超過了一定的顯著性水平，可以認為均值發(fā)生了質變，有突變發(fā)生。根據距平有正有負的特點，當距平累計持續(xù)增大時，表明該時段內日照時數距平持續(xù)為正，當距平累計持續(xù)不變時，表明該時段距平持續(xù)為零即保持平均，當距平累積持續(xù)減小時，表明該時段內日照時數距平持續(xù)為負。滑動t檢驗結合累計距平方法較其他方法能更直觀準確地確定日照時數的年際變化階段和突變特點。通過對日照時數距平累積曲線(見圖 4)和年變化曲線(見圖 1)的判斷，西寧地區(qū)1970—2019年50年日照序列可分為以下三個階段：1975—1985年距平累計持續(xù)增大，2002—2007年距平累計持續(xù)減少，1970—1975年、1986—2001年、2008—2019累計距平連續(xù)性不穩(wěn)定，1985年增多趨勢終止，2002年以后呈現(xiàn)減少趨勢，年日照時數在1985年和2002年附近發(fā)生突變。選取時間1970—1985年和1986—2001年、2002—2019年3個時段，取n1=16，n2=16，n3=18計算T值，分別得到 T=4.63和T=6.36。當n1+n2-2=30時，在1985年通過了a=0.01的顯著性水平檢驗，當n2+ n3-2=32時，在2002年通過了a=0.01的顯著性水平檢驗，可見西寧地區(qū)日照時數在1985年和2002年附近發(fā)生了突變。

圖4 西寧地區(qū)1970—2019年日照時數距平累計曲線

2.2 日照時數的空間變化

2.2.1年日照時數空間變化

1970—2019年西寧地區(qū)多年平均日照時數的空間分布(如圖5)所示，日照時數呈現(xiàn)中間多、南北少的趨勢，即湟源縣的年均日照時數最多，年平均日照時數為2 644.2 h，西寧市次之，年平均日照時數為2 612.6 h，湟中和大通年均日照時數較少，年平均日照時數分別為2 547.9 h和2 541.6 h。

圖5 西寧地區(qū)1970—2019年多年平均日照空間分布圖

2.2.2季日照時數空間變化

由西寧地區(qū)1970—2019 年各季多年平均日照的空間分布(如圖6)來看，四季日照時數空間分布與年的空間分布類似，整體呈中部偏多的趨勢。春季湟源縣日照時數最多，大通縣日照時數最少，兩地日照時數相差43.9 h；夏季西寧市日照時數最多，日照時數最少的地區(qū)仍在大通縣，兩地日照時數相差37.8 h；秋季西寧市日照時數最多，日照時數最少的地區(qū)在湟中區(qū)，兩地日照時數相差32.7 h；冬季湟源縣日照時數最多，西寧市日照時數最少，兩地日照時數相差33.9 h。由此可見，春季西寧地區(qū)的日照時數空間分布相差最大，其次是夏季。

圖6 西寧地區(qū)1970—2019年各季平均日照空間分布圖

2.3 影響日照時數的主要氣象要素分析

2.3.1影響要素的變化趨勢

文中主要研究降水量、平均風速、相對濕度、水汽壓、總云量對日照時數的影響。計算西寧地區(qū)1970—2019年各氣象要素年與季節(jié)的氣候傾向率(見表1)，可以看出年均水汽壓呈顯著增加趨勢，通過0.05水平的顯著性檢驗，其中春季水汽壓呈顯著減少趨勢，夏、秋、冬三季呈不顯著增加趨勢，說明春季水汽壓的變化對全年整體趨勢有較大影響；年均相對濕度呈不顯著減少趨勢，四季相對濕度均呈減少趨勢；年均總云量呈顯著減少趨勢，其中春季總云量呈減少趨勢，夏、秋季呈顯著增加趨勢，冬季呈不顯著增加趨勢，說明對于總云量而言，夏季和秋季對全年整體趨勢影響較大；年均降水量及春、夏、秋三季季降水量呈增加趨勢，冬季呈現(xiàn)減少趨勢，其中秋季為顯著性增加，其余未通過顯著性檢驗，增加或減少趨勢不顯著；年平均風速呈顯著減少趨勢，且四季平均風速均呈現(xiàn)顯著減少趨勢，都通過了0.05的顯著性檢驗。

表1 西寧地區(qū)年、季氣象要素的氣候傾向率

2.3.2日照時數與氣象要素的相關性分析

從西寧地區(qū)50年的年、季日照時數與水汽壓、相對濕度、總云量、降水量、平均風速的相關系數來看(見表2)，年日照時數與總云量、水汽壓、呈極顯著負相關(P<0.01)，與降水量呈顯著負相關(P<0.05)，與平均風速呈極顯著正相關(P<0.01)，說明年日照時數的減少與降水量的增加關系密切，也與總云量平均風速的減少有關，與相對濕度年的變化無明顯相關性。

表2 各氣象要素和日照時數之間的相關系數

從各季節(jié)看，除平均風速外，春季日照時數的變化與其他各要素之間都存在極顯著負相關性；夏季日照時數的變化與相對濕度和總云亮有極顯著負相關性，與降水量呈顯著負相關，與平均風速呈顯著正相關；秋季日照時數的變化與總云量和降水量呈極顯著負相關，與水汽壓和相對濕度呈顯著負相關，與平均風速呈顯著正相關；冬季日照時數與水汽壓和總云量成極顯著負相關，與平均風速呈極顯著正相關，與相對濕度和降水量呈顯著相關。

總之，西寧地區(qū)50年來日照時數的變化受多種氣象因子的影響，其中水汽壓呈顯著增加趨勢，總云量和平均風速呈顯著減少趨勢，且這3個因子的變化趨勢對年日照時數的影響較為顯著。各季節(jié)影響日照時數的氣象因子略有不同，春季受水汽壓、相對濕度、總云量、降水量的影響極為顯著，夏季主要受相對濕度、總云量、降水量和平均風速的影響，秋、冬季5個氣象因子均影響日照時數的變化，且影響程度顯著性不盡相同。

3 結論

通過對西寧地區(qū)1970—2019年日照時數的時空變化特征及其影響因子的分析，得出以下結論：

(1)西寧地區(qū)50年來的年平均日照時數為2 587.6 h，日照時數總體呈現(xiàn)減少趨勢，減少趨勢為-35.2 h/10a。夏、秋、冬三季日照時數均呈現(xiàn)不同程度的減少趨勢，其中春季日照時數變化趨勢總體上不明顯，夏季日照時數變化趨勢最大，為16.1 h/10a，秋冬季日照時數減少趨勢相當。

(2)西寧地區(qū)日照時數在1985年和2002年附近發(fā)生了突變，1985年增多趨勢終止，2002年以后呈現(xiàn)減少趨勢。西寧地區(qū)1970—2019年年日照時數呈現(xiàn)中間多、南北少的趨勢，湟源縣的年日照時數最多，其次是西寧市，大通縣的年日照時數最少，湟中縣日照時數次少。

(3)西寧地區(qū)年日照時數的變化與多種氣象要素都有相關性，其中與水汽壓、總云量呈極顯著負相關，與平均風速呈極顯著正相關，與降水量呈顯著負相關，與相對濕度無顯著相關性。