1971—2015年无棣县日照时数变化及影响因素分析

2017-11-17徐青文路淑文刘树棣

湖北农业科学 2017年20期

徐青文　路淑文　刘树棣

摘要：根据无棣国家一般气象站1971-2015年近45年的日照数据资料，利用线性拟合、相关系数、Mann-Kendall非参数检验等方法分析了日照时数的年、季、月变化规律，并探讨了日照时数变化与雾日数、相对湿度、云量的关系。结果表明，①无棣县年日照时数呈下降趋势，倾向率为-12.528 h/年。自2001年开始，年日照时数低于近30年平均值。②日照时数的季节变化规律与年变化规律一致。其中，春季日照时数最多，冬季日照时数最少，秋季日照时数的减少最显著。③日照时数的各月数值呈减少趋势，9月日照时数减少最明显。④年日照时数的突变时间为2000年。⑤总云量、雾日数与年日照时数、季日照时数的变化相关性较强。而相对湿度、低云量的相关性较弱。⑥无棣县日照时数的减少与城市化进程的推进、高楼建筑增多、热岛效应增强、汽车、化工厂污染物排放量增加、大气气溶胶增加有密切关系。

关键词：日照时数；雾日数；变化特征

中图分类号：P468.0+27 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）20-3845-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.20.014

Abstract： According to the sunshine data of the 45 years from 1971 to 2015 provided by National Meteorological Station of Wudi county， linear fitting， correlation coefficient， and Mann-Kendall non-parametric test were adopted to explore the change law of sunshine duration monthly， quarterly and annually， and the relation between the changes of sunshine duration and fog days， relative humidity and cloud cover was discussed. The results showed that， ①The annual sunshine duration of Wudi county showed a downward trend， and the inclination rate was -12.528 h/a. Since 2001， the annual sunshine duration had been lower than the average value of the recent 30 years. ②The quarterly change law of sunshine duration was consistent with the annual change law. The sunshine duration in spring was the longest throughout the year while it was the shortest in winter. The sunshine duration in autumn reduced significantly. ③The monthly sunshine duration showed a decreasing trend， and it decreased most significantly in September. ④The jump time of annual sunshine duration was in 2000. ⑤Total cloud cover and fog days had a strong dependency with annual sunshine duration. While relative humidity and low cloud cover had a weak dependency with annual sunshine duration. ⑥The reduction of sunshine duration in Wudi county was mainly caused by the advancement of urbanization， the increase of high-rise buildings， the enhancement of heat island effect， the aggravation of pollutants emission of vehicles and chemical plants， and the increase of atmospheric aerosol.

Key words： sunshine duration； fog days； change characteristics

日照時数也称日照时间，是指太阳每天在垂直于其光线的平面上的辐射强度超过或等于120 W/m2的时间长度。日照是重要的气象因子，也是可供人类开发利用的可再生能源。日照的变化对生态环境、社会经济发展、人类生产活动和动植物生长发育有重要影响。

国内外对日照时数变化特征及其影响因素的分析已取得了一定的成效。研究表明，近50年来中国日照时数逐年减少，各地季节性减幅差异性较大，冬、夏两季递减幅明显大于春、秋两季，日照时数减少主要与大气清洁度有关[1-3]；曾昭美等[4]研究发现云是影响中国东南部温度变化的可能因子，云与日照时数变化的关系较为复杂，日照与气温、日较差有极好的线性关系；石慧兰等[5]对鲁西北52年日照时数变化趋势进行分析发现，日照时数总体呈减少趋势，主要是由低云量增加和人类活动特别是工业污染物排放量增加导致大气气溶胶增多所致；覃峥嵘[6]对南宁日照时数减少的原因进行分析，发现夏季日照时数的减少与降水量、废气排放总量的关系。endprint

本研究对山东省无棣县近45年的日照时数变化规律及其与云量、相对湿度、雾日数的关系进行分析。

1 数据来源与数据处理方法

1.1 数据来源

选取无棣国家一般气象站1971-2015年日照时数、云量、雾日数、相对湿度等资料作为研究对象，其中，由于台站观测项目的调整，云量观测于2014年停止，故云量统计选取1971-2013年的数值。对日照时数的年、季、月数值进行统计分析，并结合云量、雾日数、相对湿度的变化规律，探讨影响日照时数变化的有关因素。考虑到清晨多雾、边界层多逆温及人类活动的影响，本研究的云量数据选取每日14：00的总云量。

1.2 数据处理方法

1.2.1 线性拟合利用线性回归拟合对日照时数、云量、雾日数、相对湿度等气象要素进行趋势分析[7-9]。利用最小二乘法对资料数据进行线性拟合，得出线性回归方程，从而得出描述数据变化的一元线性方程。

计算过程中，以时间年份为自变量，以所研究的气象要素为因变量，建立线性回归方程y（t）=ax+b，其中，a为气象要素的变化趋势，即倾向率，若a>0，则表示气象要素呈上升趋势；若a<0，则表示气象要素呈下降趋势。|a|的数值代表了上升或下降趋势变化的速率。

1.2.2 相关系数相关系数由卡尔·皮尔森（Karl Pearson）在19世纪80年代提出，又称线性相关系数、皮氏积距相关系数，用于衡量随机变量之间的线性相关程度，通常用r来表示[10-12]。当|r|≥0.8时，可认为变量之间高度相关；当0.5≤|r|<0.8时，可认为变量之间中度相关；当0.3≤|r|<0.5时，可认为变量之间低度相关；当|r|<0.3时，说明两个变量之间的相关程度极弱。

1.2.3 Mann-Kendall非参数检验使用Mann-Kendall非参数检验来检测气象要素的突变性。突变指的是相对稳定态下的不连续跳跃，气象学范畴内，在天气不断变化的过程中存在的不连续性即为突变。造成突变的原因有两种，一种是天气系统内部出现的没有外界影响的状态下的突变，这种突变通常会有周期性的变化；另一种是由于外力作用影响下的突变，如人为迁站而导致的气象数据突变。Mann-Kendall非参数检验方法可以用于检测气象因子的变化趋势，也可以对气象因子的突变点进行分析检验[13-17]。

通过分析UFk、UBk序列可以得出气象要素的变化趋势，确定突变的时间点与突变区域。若UFk数值大于0，则表明气象要素为上升趋势，反之则为下降趋势，当二者都超过临界直线时，表明上升或下降的趋势较为明显。若二者的曲线存在交点，且交点在临界直线之间，那么交点所对应的时间就是突变开始的时间。

2 日照时数变化特征

2.1 年变化特征

由图1日照时数年变化曲线可知，无棣县年日照时数呈波动性变化，极高值2 936.6 h出现在1995年。年日照时数总体呈下降趋势，倾向率为-12.528 h/年，通过了0.01显著性水平检验。从2001年开始，日照时数明显少于无棣县近30年平均值2 633.1 h，极低值2 176.5 h，就出现在这一时期。

2.2 季节变化特征

无棣县各季节日照时数的逐年变化见图2。从图2中可以看出，1971-2015年45年里无棣县日照时数的季节变化趋势与年日照时数变化一致，呈减少趋势。其中，秋季减少最为明显，倾向率为-4.41 h/年；春季减少程度最弱，倾向率为-1.68 h/年。日照时数的季节分布也并不均匀，春季日照时数最多，冬季日照时数最少。其中，春季平均日照755.02 h，夏季平均日照707.38 h，秋季平均日照625.62 h，冬季平均日照535.94 h。冬季白昼时间最短，是冬季平均日照时数在四季中最少的主要原因之一。

2.3 月变化特征

从表1中可以看出，1971-2015年无棣县45年各月平均日照时数中，5月日照时数最多，为280.27 h。进入6月以后，日照时数减少，8月以后，日照时数增加。9月日照时数减少最为明显，倾向率为 -2.01 h/年，符合无棣县日照时数的季节分布规律。且每年各月的日照时数也都呈减少趋势，与日照时数的年变化规律一致。

由此可以看出，日照时数的月变化规律与太阳高度角各月的变化规律有密切关系[18，19]。

2.4 年日照时数的突变性分析

利用非参数统计检验方法，对无棣县1971-2015年45年的年日照时数进行突变检验，给定显著性水平α=0.05，即μ0.05=±1.96。由图3中曲线变化趋势可以看出，自1971年开始，年日照时数呈下降趋势，且UF与UB曲线在临界值之间有一个交点，对应的时间为2000年，即年日照时数的突变发生在2000年。根据统计资料，以突变时间点2000年为界限，1971-2000年，平均日照时数为2 760.66 h，高于近30年平均日照时数2 633.1 h，2001-2015年，平均日照时数为2 350.76 h，减少了409.9 h。

3 日照时数变化的影响因子分析

3.1 云量、雾、相对湿度对年日照时数变化的影响

日照时数的变化受多种气象因子的影响，云量、雾、相对湿度等都对日照的长短有所影响。由图4可知，1971-2010年，无棣县的雾日数与总云量呈增长趋势。其中，雾日数的增长为0.336 d/年，總云量的增长为0.047 8成/年。

经计算，总云量的变化与日照时数呈显著负相关，相关系数为-0.86，通过了0.01显著性水平检验。由于自动气象站建立在县城内，随着城市化进程的推进，县城内的高层建筑变多，热岛效应导致对流云增加，且由于人类活动对大气的影响，总云量在不断增加，使得到达地面的阳光被削弱，从而降低了日照时数。endprint

近几年，随着无棣县城市发展进程的加速，空气污染比以前更为严重，雾日数也随之不断增加。雾日数的变化与日照时数变化的相关系数为-0.43，也呈负相关关系，通过0.01显著性水平检验。出现雾时，空气中的水分含量增加，大气透明度降低，阳光的穿透力也随之下降，日照时数减少，雾日数的增多是日照时数减少的主要因素之一。

其中，低云量以及相对湿度的变化与日照时数变化的相关系数分别为0.26、0.24，相关性较弱，在文中暂不做分析。

3.2 云量、雾、相对湿度对季节日照时数变化的影响

对总云量的季变化值进行线性拟合发现，45年中，总云量的季节变化呈增长趋势，秋季增长最快，倾向率为0.167 4成/年。且日照时数的季节变化与总云量呈显著负相关，相关系数在0.70左右，均通过了0.01显著性水平检验，其中夏秋两季相关系数高达0.85。由此可知，总云量是影响无棣县日照时数季节变化的主要因素。

通过对雾日数进行线性拟合可知，雾日数呈逐年增长趋势，45年中，秋季增长最为明显，倾向率为0.167 9 d/年；春季倾向率最小，为0.047 8 d/年，且冬季雾日数最多，为368 d，春季雾日数最少，为62 d。这与日照时数的季节变化规律一致。雾日数的季节变化也是影响日照时数季节变化的气象因素之一，二者呈负相关。其中，春、秋两季相关系数为0.50，通过了0.01显著性水平检验，夏、冬两季相关系数为0.40，通过了0.05显著性水平检验。

其中，低云量、相对湿度的季节变化与日照时数季节变化的相关性较弱，暂不做分析。相对湿度的大小影响着雾日数的多少，进而会影响日照时数的变化，但相关性并不明显。

综上所述，春季风大，相对湿度较低，为55.84%，为四季最低值，不利于雾的形成，且降水较少，晴天多，云层少且薄，大气对太阳辐射的削弱程度较弱，到达地面的太阳辐射就相对较强，因此，春季无棣县的日照时数最长。

夏季，阴雨天气较多，云层厚且多，总云量、低云量数值比其他三季都多，分别为20.50、8.76成/年，云对太阳辐射的削弱作用强，到达地面的太阳辐射就弱，因而夏季日照较春季少。但是，夏季雾日数较少，只有106 d，比秋季、冬季雾日数的一半还要少。再者，夏季白昼较秋、冬季时间长，日照时数也就比较长。

秋季，雾日数、总云量的增加程度是四季之最。20世纪70年代，秋季雾日数平均为4 d/年，而2006-2015年，雾日数平均为9.7 d/年，雾日数的增长较为迅速，共有291 d。

冬季，受全球气候变暖的影响，降雪日数变少。再加上大风天气较少，不利于大气污染物扩散，雾日数增多，导致冬季日照时数减少。

可见，秋冬季节，随着无棣县城市化进程的推进，建筑物的增多，城市热岛效应增强，且汽车数量的增加，多个化工厂的建立，导致污染物排放较多，且污染物扩散不利、大气气溶胶增加，使得秋冬季节雾、霾日数增多，从而导致日照时数不断减少。

3 小结

1）年日照时数呈下降趋势，倾向率为-12.528 h/年，极高值为2 936.6 h，出现在1995年。自2001年开始，年日照时数低于30年平均值，极低值 2 176.5 h出现在这一时期。

2）日照时数的季节变化规律与年变化规律一致。其中，春季日照时数最多，冬季日照时数最少。且秋季日照时数的减少最显著。

3）日照时数的各月数值呈减少趋势，9月日照时数减少最明显，倾向率为-2.01 h/年。日照时数的月变化值与太阳高度角的变化规律有密切关系。

4）年日照时数的突变时间为2000年，2000年以前，平均日照时数为2 760.66 h，2000年以后，平均日照时数减少了409.9 h，变为2 350.76 h。

5）总云量、雾日数与年日照时数、季日照时数的变化相关性较强。而与相对湿度、低云量的相关性较弱。

6）春季，风力较大，相对湿度为55.84%，为四季最低值，不利于雾形成，且降水较少，晴天较多，大气对太阳辐射削弱程度低，因此，春季日照时数最长。

7）夏季，阴雨天较多，云层厚，大气对太阳辐射的削弱程度大，导致日照较少，但由于夏季雾日数较少且白昼时间长，日照时数也就比较多。

8）45年中，秋、冬季节，雾日数较多，分别为291、368 d，是夏季雾日数的一倍多。秋、冬季节降雨、降雪天气较少，大风天气也相對较少，不利于大气污染物的扩散，导致日照时数较少。

9）无棣县日照时数的减少与城市化进程的推进、高楼建筑增多、热岛效应增强、汽车、化工厂污染物排放量增加、大气气溶胶增加有密切关系。

参考文献：

[1] 任国玉，郭军，徐铭志，等.近50年中国地面气候变化基本特征[J].气象学报，2005，63（6）：942-956.

[2] 陈少勇，张康林，邢晓宾，等.中国西北地区近47a日照时数的气候变化特征[J].自然资源学报，2010，25（7）：1142-1152.

[3] YANG Y H，ZHAO N，HAO X H，et al. Decreasing trend of sunshine hours and related driving forces in north China[J].Theoretical and Applied Climatology，2009，97（1/2）：91-98.

[4] 曾昭美，严中伟，章名立.近40年我国云、日照、温度及日较差的统计[J].科学通报，1993，38（5）：440-443.

[5] 石慧兰，王新堂，邵志勇，等.鲁西北52年日照变化特征及原因[J].气象，2007，33（2）：93-97.endprint

[6] 覃峥嵘.南宁日照时数减少的气候特征及成因分析[J].广西气象，1999，20（2）：38-40.

[7] 谢仁波，李小龙，吕昌涛.思南县近55a日照变化特征[J].贵州气象，2010，34（6）：27-28.

[8] 張秀红，桂翰林，王春华，等.近40年漠河日照变化特征分析[J].现代化农业，2009（5）：23-25.

[9] 龙昭芪，张万东，文成.天柱县近52a日照时数变化特征分析[A].贵州省气象学会.贵州省气象学会2013年学术年会论文集[C].2013.272-275.

[10] 虞海燕，刘树华，赵娜，等.我国近59年日照时数变化特征及其与温度、风速、降水的关系[J].气候与环境研究，2011，16（3）：389-398.

[11] 安娟，吴福杰，杨丹宁，等.1953-2010年熊岳日照时数变化特征及其影响因素[J].中国农学通报，2013，29（32）：355-360.

[12] 蔡冬梅.近60年大连市日照时数变化规律及气象影响因子分析[J].安徽农业科学，2011，39（11）：6602-6604.

[13] 王华，牛清明.阿克苏市日照时数的突变检测分析[J].新疆气象，2002，25（3）：14-15.

[14] 史建桥，白淑英，周寅，等.近50年甘肃日照时数时空变化特征及突变分析[J].南京信息工程大学学报（自然科学版），2016， 8（1）：64-70.

[15] 蒋冲，刘晓磊，程楠楠，等.秦岭南北日照时数时空变化及突变特征[J].干旱区地理，2013，36（3）：416-424.