近38a肃北县日照气候资源的变化特征分析

郭海瑛

摘 要：利用肃北国家一般气象站1973-2010年日照观测资料，通过Excell、Spss对肃北县城区的年代、年际、季节以及月变化特征进行统计，运用线性倾向估计法、小波分析法进行分析和研究，并利用Mann-Kendall法对日照时数进行突变检测。结果表明：日照时数逐年变化波动性较大，其中1996-2004年日照时数偏多，气候趋势率为41.2h/10a，通过了0.05的显著性检验，说明年日照时数呈现出比较明显的上升的趋势；四季当中夏季日照时数占全年的比例最多，达到了28.1%，其次是春季、秋季，分别为26.7%、24.9%，最少的是冬季，为20.3%；春季和冬季气候倾向率分别为19.5h/10a、14.2h/10a，均通过了0.05的显著性检验，这说明四季中只有春季和冬季日照时数增加幅度比较明显。

关键词：日照时数；变化特征；线性倾向估计法；滑动平均值法；小波分析法；肃北县

中图分类号 P463.1 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2015）17-138-03

近年来，随着全球气候变暖，以及异常灾害性天气的不断增多，气候变化已经成为人们关注的热点之一[1-2]。太阳辐射是地球能量的主要来源，随着地球资源的不断减少，人们已经认识到太阳能是可供人类开发利用的可再生资源，更是农作物生长不可或缺的气象条件[3-5]。日照时数是衡量太阳能多少的物理量，也是重要的气象要素之一，其周期性变化对本地的气候变化起到至关重要的作用。所谓日照时数是指在一天内太阳直射光照照射地面的时数。在一给定时间内，日照时数定义为太阳直接辐照度达到或超过120W·m-2的那段时间总和，以小时（h）为单位，取一位小数，日照时数也称实照时数[6]。据统计，我国2/3土地年日照时数为2 200h，年辐射总量达5 900MJ/m2，我国开发利用太阳能资源居世界第一位[7]。

目前，分析研究酒泉地区气温、降水量、干旱变化特征的较多[9-10]，而对日照的研究则相对较少。天气的变化不仅具有全球性，而且具有局地特征[11]，因此，分析研究本地日照变化趋势，将有利于找到其变化特征，从而对当地的农业生产及新能源利用开发提供气象依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源 肃北蒙古族自治县（南半部）地处河西走廊西部，祁连山西端，大部分位于高山地带，属西北干旱气候区，高寒半干旱气候带，具有独特的气候特征。本文选取位于城区的肃北县国家一般气象站观测资料作为研究对象，资料包括：1973-2010年逐年日照时数、逐月日照时数、四季日照时数等。

1.2 统计方法

1.2.1 采用线性倾向估计法[12] 利用Spss.11得到日照气候倾向率以及气候趋势系数，并对其进行显著性检验，从而得到本地日照时数在不同时间段内的变化趋势。建立日照与时间的一元回归方程，根据最小二乘法计算得到[a0]、[a1]，从而通过一元线性回归方程描述日照时数的变化趋势：[y]（t）=[a0+a1t]（1）。其中，t为时间（t=1，2，3…n），单位为年，[a0]为常数，[a1]为回归系数，当[a1]为正（负）时，表示相应的气象要素在该时段内线性增加（减弱），[a1]×10称为气候倾向率，其单位为气象要素单位/10[a][13]。趋势是否显著，通过显著性检验来确定，本文认为通过0.05的显著性检验即认为趋势显著。

1.2.2 采用小波分析法 利用Matlab对日照时数进行小波分析，通过绘制小波变换系数图对日照进行分析研究，能够获得日照时数在不同时间尺度上的变化特征，从而总结出日照时数的变化周期，以及对未来的趋势进行预测。

1.2.3 采用Mann-Kendall法[14] 气候突变性检测利用Mann Kendall方法，Mann Kendall方法是一种非参数统计检验方法，其优点是不需要检验样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，更适用于类型变量和顺序变量，计算也比较简单[15]。

2 日照时数变化特征

2.1 年代变化特征 从表1可以看出，20世纪70、80年代肃北县日照时数的年平均值小于多年平均，20世纪80年代年平均日照时数比20世纪70年代少112.7h，说明20世纪70～80年代日照呈现出减少的趋势；20世纪90年代、21世纪前10a日照时数的年平均值大于历年平均值，21世纪前10a日照时数的年平均值比多年平均高出60.9h，日照时数年最大值出现在2004年达到为3 397.6h，年最小值出现在2002年为2 931.3h，年最大、最小值均出现在21世纪前10a，这说明日照在这段时间变化的幅度较大。总体来说，肃北县日照时数在年代变化里表现为先减少后增长的变化特征。

表1 各年代日照时数（h）

[时段＼&20世纪

70年代＼&20世纪

80年代＼&20世纪

90年代＼&21世纪

前10a＼&多年

平均＼&年＼&3128.3＼&3016.1＼&3170.3＼&3194.3＼&3133.4＼&春季＼&834.7＼&785.7＼&853.1＼&867.0＼&835.1＼&夏季＼&885.8＼&875.4＼&865.5＼&896.3＼&880.5＼&秋季＼&783.1＼&766.7＼&796.5＼&776.3＼&780.5＼&冬季＼&626.0＼&610.9＼&655.9＼&654.7＼&637.3＼&]

2.2 逐年变化特征 从图1可以看到，肃北县日照时数逐年变化波动性较大，但总体上呈现出不断上升的趋势，1976-1989年日照时数偏少，其中低于年平均值的年份占到79%，而1996-2004年之间日照时数偏多，其中大于年平均值的年份占78%。日照气候趋势率为41.2h/10a，其趋势系数为0.3，经检验通过了0.05的显著性检验，说明其变化是显著的。分析5a滑动平均曲线可以发现，逐年日照时数变化经历了2次明显的下降阶段，分别是1982-1985年、1999-2003年；同时，也经历了2次上升阶段，分别是1986-1992年、2003-2008年。

[3500.0

3400.0

3300.0

3200.0

3100.0

3000.0

2900.0

2800.0

2700.0

2600.0][年日照时数（h）][1973 1977 1981 1985 1989 1993 1997 2001 2005 2009][年份]

图1 逐年日照时数

图2为1973-2010年日照时数的小波变换的系数图，其意义在于表现出了日照时数在不同时间尺度上的周期震荡，图中虚线代表日照时数偏多，图中信号的强弱通过小波系数的大小表示，其中等值线为（虚线）负值表示日照时数偏少，等值线为（实线）正值表示日照时数偏多[15]。从图2可以看到，日照时数周期性变化的很明显，11a、20a的周期震荡存在于整个38a，对于11a的尺度，可以看到日照时数表现为“偏多（1973-1982年）-偏少（1983-1990年）-偏多（1991-1996年）-偏少（1997-2005年）-偏多（2006-2010年）”的周期规律；在20a尺度上，日照时数表现为“偏多-偏少-偏多”，其中1986年以前、2000年以后均表现为偏多，1987-1999年表现为偏少。从这2个尺度上看，等值线已趋于闭合，说明未来肃北县日照时数的变化趋势将有可能转变为偏少的阶段。

[35

30

25

20

15

10

5][尺度（a）][1978 1983 1988 1993 1998 2003 2008][年份]

图2 年日照时数的小波变换的系数

2.3 四季变化特征 四季当中，春季倾向率最大，其后依次是冬季、夏季、秋季，经过显著性检验通过0.05的只有春季和冬季，这说明四季中只有春季和冬季日照时数增加幅度比较明显。从图3可以看出，肃北县各季5a滑动平均曲线[16]，春季1981-1985年日照时数呈现出下降的趋势，1988年以后逐渐表现为上升的趋势，最大值、最小值分别是2008年的939.1、1987年的730.6；冬季在1989年之后曲线出现较明显的上升趋势，最大值出现在2007年为720.8，最小值出现在1984年为553.0；夏季于秋季日照变化曲线虽然存在小的波动，但是趋势线总体趋于平缓，因此，虽然有上升的趋势，但不明显。

3 日照时数突变性检验

利用Mann Kendall方法，对肃北县日照时数的突变性进行检测。从图4可以看出，肃北近38a的日照时数具有显著的增加趋势，但是从UB曲线看20世纪70～80年代初期，日照时数减少的比较明显；根据UB与UF曲线的变化特征来看，2个曲线相交于1998年，说明在这一年日照时数发生了一次突变，并且超出了显著性水平线。

[3

2

1

0

-1

-2

-3][统计值][1973][年份][1975][1977][1979][1981][1983][1985][1987][1989][1991][1993][1995][1997][1999][2001][2003][2005][2007][2009][UF

UB

1.96

-1.96]

图4 Mann-Kendall日照时数检验曲线

4 结论

（1）通过对肃北县城区日照时数的年际变化分析来看，21世纪70～80年代日照时数呈现出不断减少的趋势；20世纪90年代至21世纪前10a日照时数的年平均值大于历年平均值，并且呈现出上升的变化特征。年最大、最小值均出现在21世纪前10a，表明日照在（下转142页）（上接139页）这段时间变化的幅度较大。

（2）肃北县日照时数逐年变化波动性较大，其中1996-2004年日照时数偏多，气候趋势率为41.2h/10a，通过了0.05的显著性检验，说明年日照时数呈现出比较明显的上升的趋势。通过分析年日照时数的小波变换的系数图，发现等值线已闭合，预计未来日照时数将转为偏少的阶段。

（3）四季当中，夏季日照时数占全年的比例最多，达到了28.1%，其次是春季、秋季分别为26.7%、24.9%，最少的是冬季，为20.3%；春季倾向率最大，其后依次是冬季、夏季、秋季，其中只有春季和冬季通过0.05的显著性检验，说明四季中只有春季和冬季日照时数增加幅度比较明显。

（4）通过对日照时数的Mann Kendall的突变检验发现，肃北近38a的日照时数具有显著的增加趋势，并且在1998年发生了一次突变，超出了显著性水平。

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