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

        2021-05-24 09:06:42李晶晶趙尚卓
        高原山地氣象研究 2021年3期
        關(guān)鍵詞:云量日照時數(shù)日數(shù)

        李晶晶,張 卉,王 艷,趙尚卓,裴 育

        (山西省長治市氣象局,長治 046000)

        引言

        日照時數(shù)表示一天中日照時間的長短,是太陽輻射最直觀的表現(xiàn),也是表征一個地方光照條件優(yōu)劣和熱量大小的重要指標,是氣候形成的重要因子,它與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人類活動和動植物的生長發(fā)育密切相關(guān)。因此,研究日照時數(shù)的氣候特征、變化趨勢以及與其他氣象因子的相關(guān)性,對于指導(dǎo)當?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)乃至社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展等都具有重要意義[1]。

        近年來,不少學(xué)者對各地日照時數(shù)的變化特征進行了研究[2?17]。王文川等[18]通過分析秦嶺-淮河區(qū)域1960~2016年104個氣象站的日照時數(shù)年、月時空變化特征與影響因素,發(fā)現(xiàn)20世紀90年代之前,相對濕度是影響日照時數(shù)的重要因素,20世紀90年代之后影響日照時數(shù)的主要因素由相對濕度變?yōu)榻邓驓鉁?,在秦嶺-淮河區(qū)域內(nèi)的4個省份的任何時段,降水和相對濕度都是影響日照時數(shù)的重要因素。郝智文等[19]對山西省1959~2008年108個地面氣象觀測站的年日照時數(shù)次數(shù)進行分析,發(fā)現(xiàn)92.6%的站年日照時數(shù)呈下降趨勢,7.4%的站年日照時數(shù)呈上升趨勢。付建新等[20]對祁連山東段、中段與西段1960~2014年期間的日照時數(shù)時空特征以及影響因素進行了分析,發(fā)現(xiàn)多年平均日照時數(shù)整體上表現(xiàn)出下降態(tài)勢,其中東段下降最快;日照時數(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)日照時數(shù)的主要影響因素為水汽壓、云量、年降水量以及相對濕度。陳小敏等[21]不僅分析了海南島1961~2010年日照時數(shù)的時空分布特征,還對日照時數(shù)有影響的總云量、低云量、相對濕度和降雨量進行了相關(guān)分析,發(fā)現(xiàn)年、季和月日照時數(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大陸性季風(fēng)氣候,全年冬無嚴寒,夏無酷暑,雨熱同季、四季分明。近年來,由于自然和人類活動的共同作用,使得大氣污染加劇,從而加劇了氣候變化,生存環(huán)境的變化對人類健康也產(chǎn)生了一定影響。目前,對山西東南部溫度、降水等的變化特征,很多學(xué)者已從不同的時空尺度進行了大量的分析[22?25],但對反映氣候狀況的另一個重要因子?日照時數(shù)的研究較少。因此深入研究山西東南部日照時數(shù)的變化趨勢和影響因素,不僅對認識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 資料來源和研究方法

        1.1 資料來源

        本文所用資料為山西東南部11個地面氣象觀測站1976~2018年日照時數(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)過質(zhì)量控制,數(shù)據(jù)合理且真實可靠。

        1.2 研究方法

        本文運用氣候傾向率、Mann-Kendall突變檢驗、R/S分析、顯著性檢驗、相關(guān)分析等方法,對日照時數(shù)和對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)等氣象因子資料進行統(tǒng)計分析。

        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為時間;a0為常數(shù)項;a1為線性趨勢項,將a1擴大10倍定義為氣象要素每10a的氣候傾向率(或變化率)。a1的正負表示氣象要素的趨勢變化,當a1為正,則表示呈上升趨勢,反之為下降趨勢。對日照時數(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間演變特征。

        1.2.2 Mann-Kendall突變檢驗

        Mann-Kendall檢驗法是一種非參數(shù)檢驗方法,用于研究氣候序列中氣候因子的突變特征。在時間序列隨機獨立的假設(shè)下,構(gòu)建統(tǒng)計量UFk,公式如下:

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

        1.2.3 R/S分析

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

        當H=0.5,表示氣候指標完全獨立,是隨機性的;當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 日照時數(shù)的空間分布特征

        圖1為山西東南部11個區(qū)(縣)近43a平均年日照時數(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數(shù)最少為2222.9h,南部壺關(guān)日照時數(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%,說明日照時數(shù)空間差異顯著。

        圖1 山西東南部近43a平均年日照時數(shù)空間分布

        2.2 日照時數(shù)的時間變化特征

        2.2.1 年日照時數(shù)變化趨勢

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

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

        2.2.2 年日照時數(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數(shù)Mann-Kendall突變檢驗。如圖所示,20世紀80年代中期以后山西東南部年日照時數(shù)呈明顯減少趨勢,2009年以后減少趨勢通過了0.05水平的顯著性檢驗,表明山西東南部年日照時數(shù)的減少趨勢十分顯著。UF和UB兩條曲線相交于2005年,且交點在±1.96臨界線之間,山西東南部年日照時數(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數(shù)Mann-Kendall突變檢驗

        2.2.3 年日照時數(shù)R/S分析

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

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

        2.2.4 四季日照時數(shù)及其變化趨勢

        圖4是1976~2018年山西東南部四季日照時數(shù)及其變化趨勢。從圖中可以看出:(1)山西東南部日照時數(shù)變化存在季節(jié)差異。經(jīng)統(tǒng)計,山西東南部近43a平均日照時數(shù)為2379.8 h。四季日照時數(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四季日照時數(shù)的變化趨勢來看,均表現(xiàn)為一致的減少趨勢。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0.01水平的顯著性檢驗,其中秋季對山西東南部年日照時數(shù)的減少貢獻最大。

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

        2.2.5 月日照時數(shù)及其變化趨勢

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

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

        2.3 影響日照時數(shù)的主要氣象要素

        影響日照時數(shù)的氣象因子有很多。大氣透明度是表征大氣對太陽輻射透明度的一個參數(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造成空氣污染,還會吸收、散射太陽輻射,減少到達地面的太陽輻射,造成日照時數(shù)減少。由于未收集到大氣氣溶膠資料,故本文將重點分析總云量、低云量、水汽壓、降水量、霧日數(shù)和霾日數(shù)對日照時數(shù)的影響。大氣氣溶膠對日照時數(shù)的影響,則有待今后進一步研究。

        2.3.1 影響因子的變化趨勢

        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,其余各氣象因子均呈增加趨勢;秋季、冬季、年總云量和四季、年霧日數(shù)、霾日數(shù)均通過顯著性檢驗,表現(xiàn)為顯著的增加趨勢,但低云量、水汽壓、降水量的四季和年變化情況沒有通過顯著性檢驗。

        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 影響因子與日照時數(shù)的相關(guān)性

        利用相關(guān)分析法分別對總云量、低云量、水汽壓、降水量、霧日數(shù)、霾日數(shù)與年日照時數(shù)、四季日照時數(shù)進行相關(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α=0.05顯著性水平檢驗,與總云量、水汽壓、降水量、霧日數(shù)的相關(guān)性均通過0.01水平的顯著性檢驗,其中霧日數(shù)增加對春季日照時數(shù)的影響最為顯著。(2)夏季日照時數(shù)與低云量、水汽壓、霾日數(shù)呈不顯著負相關(guān),與總云量、降水量、霧日數(shù)的相關(guān)性均通過0.01水平的顯著性檢驗,其中總云量增加、降水量增加對夏季日照時數(shù)影響最為顯著。(3)秋季日照時數(shù)與霾日數(shù)呈不顯著負相關(guān),與低云量的相關(guān)性通過0.05水平的顯著性檢驗,與總云量、水汽壓、降水量、霧日數(shù)的相關(guān)性均通過0.01水平的顯著性檢驗,其中總云量增加、霧日數(shù)增加對秋季日照時數(shù)影響最為顯著。(4)冬季日照時數(shù)與低云量呈不顯著負相關(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0.01水平的顯著性檢驗,其中總云量增加、霧日數(shù)增加對冬季日照時數(shù)影響最為顯著。(5)年日照時數(shù)與低云量呈不顯著負相關(guān),與水汽壓的相關(guān)性通過0.05水平的顯著性檢驗,與總云量、降水量、霧日數(shù)、霾日數(shù)的相關(guān)性均通過0.01水平的顯著性檢驗,其中總云量增加、霧日數(shù)增加對年日照時數(shù)影響最為顯著。

        通過上述分析可知,霧日數(shù)增加,大氣透明度降低,太陽輻射減弱,是導(dǎo)致春季、秋季、冬季和年日照時數(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數(shù)的長短有密切的關(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,降水量增加對夏季日照時數(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個地面氣象觀測站的逐月觀測資料,分析了該地區(qū)日照時數(shù)的時空變化特征,以及多個氣象因子對日照時數(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數(shù)最少為2222.9h,南部壺關(guān)日照時數(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數(shù)在2005年發(fā)生突變。近43a年日照時數(shù)呈顯著減少趨勢,年日照時數(shù)平均每10a減少71.9h。最多年份與最少年份日照時數(shù)相差651.8h,日照時數(shù)的年際變化比較大。山西東南部及其各區(qū)(縣)年日照時數(shù)未來總體趨勢仍然繼續(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日照時數(shù)變化存在季節(jié)差異,四季日照時數(shù)由多到少依次為春季>夏季>秋季>冬季。四季日照時數(shù)均呈一致的減少趨勢,春季減速最小?5.5h/10a,秋季減速最大?25.1h/10a。秋季對山西東南部年日照時數(shù)的減少貢獻最大。

        (4)山西東南部近43a各月日照時數(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月日照時數(shù)呈增加趨勢外,其余各月均呈一致的減少趨勢,其中6月和9月對山西東南部年日照時數(shù)的減少貢獻最大。

        (5)對日照時數(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,低云量、水汽壓、降水量變化趨勢不顯著。

        (6)從四季和年日照時數(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、冬季和年日照時數(shù)減少的重要因子之一。另外,降水量增加對夏季日照時數(shù)減少也有一定影響。

        秦明凱[28]和李潤春等[29]分析了日照時數(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)不易擴散,是導(dǎo)致霾日數(shù)增加、大氣透明度下降、日照時數(shù)減少的重要原因??梢娪绊懭照諘r數(shù)的因子較為復(fù)雜,本文僅對近43a山西東南部日照時數(shù)時空變化特征與氣象因素的關(guān)系進行了初步探討,其具體物理機制還需進一步研究。

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