淮河上中游流域日照时数时空分布特征

甄自强+王景才+徐蛟+汪雨+郭佳香

摘要：为揭示淮河上中游流域日照时数时空变化特征及突变情况，基于1960-2014年日照时数资料，采用气候倾向率、MannKendall趋势与突变检验、滑动t检验、克里金插值等方法，对流域日照时数的时空变化特征进行剖析。结果表明，淮河上中游流域近55年来日照时数以20世纪80年代为界由多变寡，其中年日照时数大约每10 a减少1022 h，四季日照时数的气候倾向率排序为夏[-488 h（10a）]、冬[-293 h（10a）]、秋[-197 h（10a）]、春[-54 h（10a）]。流域日照時数的减小趋势除春季不显著外，年与夏、秋、冬三季的日照时数均呈现出显著的减少趋势。空间上，流域北部的中间地带（商丘站附近）与西北部（宝丰、郑州站附近）的日照时数减小趋势较明显（Z<-2），减少幅度较大，而东部（盱眙站除外）减少幅度则偏小。年与夏季日照时数的极显著突变年份为1980年，年日照时数的弱显著突变年为1984年。秋季、冬季的突变年份分别为1999年、1983年，春季的突变年份在20世纪70年代内。研究成果可为淮河上中游流域的气候研究、农业生产等提供科学的依据。

关键词：日照时数；趋势分析；突变检验；特征分析；淮河上中游流域

中图分类号：P466文献标识码：A文章编号：

16721683（2017）06003306

Abstract：In order to reveal the spatialtemporal variation characteristics of sunshine duration in the upper and middle reaches of Huaihe River Basin and determine the year of mutation，we adopted such methods as the climate tendency rate，MannKendall trend and mutation test，sliding ttest，and Kriging interpolation，and analyzed the spatialtemporal variation characteristics of sunshine duration based on the data of sunshine duration from 1960 to 2014The results indicated that the sunshine duration in the past 55 years decreased to a lower level in the 1980s；the annual sunshine duration decreased by about 1022 h every 10 years；and the climate tendency rates of sunshine duration in the four seasons were as follows：summer （-488 h（10a）），winter （-293 h（10a）），autumn （-197 h（10a）），and spring（-54 h（10a））The sunshine duration in a year and in all three seasons except spring showed a significant decreasing trendSpatially，the decreasing trend of sunshine duration was more obvious and sharp in the middle of the northern basin （near Shangqiu station） and in the northwest （near Zhengzhou and Baofeng stations） （Z<-2），but the decrease was small in the east （except for Xuyi station）The highly significant mutation year of annual and summer sunshine durations was 1980，and the weakly significant mutation year of annual sunshine duration was 1984The mutation years of autumn and winter were 1999 and 1983 respectively，and the mutation year of spring was in the 1970sThe research results are expected to provide scientific basis for the climate studies and agricultural production in the upper and middle reaches of Huaihe River Basin

Key words：sunshine duration；trend analysis；test of mutation；characteristic analysis；upper and middle reaches of Huaihe River Basin

[HJ19mm]日照时数的变化情况对气候研究具有重要意义，其数量大小能够合理地表征太阳能源的丰富程度[1]。具体来讲，日照对水文要素具有间接影响；日照时数影响植物的光合作用，其直接决定着植物的生长发育尤其是农作物的产量与质量；日照还与异常气候现象的发生有关，如近年来出现的厄尔尼诺现象等[2]。对气候因子时间序列的变化情况进行分析，借助统计学方法进行研究更加有效[3]。近年来，国内很多学者运用各种统计学方法对日照时数时间序列进行了趋势及突变情况的分析。吴昊旻等[4]通过Morlet连续小波变化、功率谱检验及MannKendall检验方法，得出浙江省近39年日照时数的时间变化趋势、周期演变规律和突变点。赵娜等[5]由线性趋势法与累计距平曲线方法分析出城市化影响下的北京地区日照时数变化趋势。王钊等[6]利用日照时数距平与5年滑动平均曲线得到西安地区近60年的日照时数变化趋势，并计算出该城市内部各地区间的日照时数下降百分率的相关系数。张山清等[7]通过线性倾向率与MannKendall突变检测方法对新疆近50年101个站点的日照时数进行了突变年的讨论。王珂清[8]通过线性倾向估计法对近48年淮河流域日照时数进行了研究，得出流域日照时数呈下降趋势且气溶胶为其减小的主要影响因素。第15卷 总第93期·南水北调与水利科技·2017年12月endprint

甄自强等·淮河上中游流域日照时数时空分布特征

淮河上中游流域跨越了秦岭淮河南北分界线，近年来流域的区域性极端气候现象频发，日照时数作为流域的关键气候因子，对流域的气候变化情况具有重要的影响[911]。此外，日照时数对光合作用至关重要，决定着植物的产出效益，直接影响当地农业经济的发展状况[1213]。本文利用趋势与突变检验方法对日照时数的时间变化情况进行分析，再通过ArcGis100软件对研究区内各个站点进行空间插值分析，实现对淮河上中游流域近55年来日照时数的时空变异性比较，以期了解淮河上中游流域日照时数的时间变化特征及空间差异性，从而为研究区内季节及区域性的农业规划、极端气候分析等相关研究提供科学的参考。

1材料及方法

11研究区概况

淮河流域位于中国东部地区，流经湖北、河南、安徽、江苏、山东五大省份。气候上属于湿润气候与半湿润气候的过渡区域，日照充足，农业较为发达，作物主要包含稻作与旱作两类。研究区选取为淮河上中游流域，其中淮河上游以洪河口为界，淮河中游以洪泽湖出口处的三河闸为界[1415]。研究区多年平均日照时数约为2 080 h，地形西高东低，高程多位于20～140 m之间[16]。本文基于淮河上中游流域内的19个气象站点（图1） 1960-2014年的日照时数资料作为计算的基础数据（图2）。

12研究方法

121气候倾向率

利用气候倾向率对日照时数进行变化趋势的分[HJ18mm]析，确定趋势变化的方向及变化幅度的大小[1719]。

[AKx^]t=a1·t+a0（1）

式中：[AKx^]t为日照时数的拟合值（h）；a1×10为日照时数气候倾向率大小[h（10a）]；a0为回归常数；t为时间因子。

122MannKendall趋势检验

对日照时数时间变化趋势的检验选用MannKendall趋势检验方法，此法已经被证明为气象因子时间序列趋势检验中一种比较有效的检验途径。MannKendall趋势检验方法通过计算统计量Z，并得到显著性水平α下的统计值大小，进而可确定出日照时数的时间变化趋势。Z值为正代表增加趋势，Z值为负代表减少趋势。|Z|的大小表征了变化趋势的显著性程度：当|Z|>Z1-α2，认为在显著性水平为α的条件下拒绝原假设，日照时数有显著的变化趋势，否则认为变化趋势不显著。经与气候倾向率进行结合，二者互相验证，可实现对日照时数变化趋势情况的综合性分析[2022]。

123突變检验

对气象因子的时间序列进行突变检验，一般可应用累计距平曲线、滑动t检验、MannKendall突变检验或信噪比方法等。为避免检验过程中人为干扰性的存在，研究优先采用MannKendall突变检验法。MannKendall突变检验方法不受主观因素的影响，得到正逆统计量两条曲线，只需曲线交点处的统计量达到一定的显著度水平即可认为突变结果可信，研究中选取α=005的显著性水平作为突变点的界限进行判断[3，5]。通过MannKendall突变检验的年份可以确定为突变年，而未通过信度线检验的交点年份仅能考虑为可能突变点，此时仍需借助其他方法进行验证。为此本研究采用滑动t检验、累计距平曲线法结合MannKendall方法进行日照时数突变年份的检验，即利用滑动t检验法验证MannKendall突变检验未通过信度线的交点及累计距平曲线出现拐点处的可能突变点[2324]。

2日照时数变化特征分析

21年际变化特征

近55年淮河上中游流域的日照时数在时间上总体呈下降趋势。年日照时数最大值发生在1966年，最小值发生在2003年，峰谷差值8392 h，占近55年日照时数的年均值的比例高达404%。由表1可知，近55年研究区年日照时数的气候倾向率为-1022 h（10a），说明每10 a日照时数减少量大约为1022 h。四季内夏季日照时数的减少幅度较大[-488 h（10a）]，其次为冬季与秋季[-293、[HJ]-197 h（10a）]，春季较小[-54 h（10a）]。说明四季中夏季对年日照时数减少的贡献量较大，其次为冬季与秋季，而春季对年日照时数减少的贡献量较小。年、夏季与冬季的Z值均通过了0001显著性水平检验，说明三者的日照时数减小趋势均表现为极显著的状态。秋季Z值通过001显著性水平检验，说明此季节的日照时数减小趋势为显著，而春季未通过005显著性水平检验，说明此季的日照时数变化趋势并不明显。这与王珂清[8]对近50年来淮河流域日照时数的变化趋势分析结果基本一致。信度，极显著。22年代际变化特征

如图3所示，从近55年内的日照时数年代际变化来看，近55年中，20世纪60年代（年均值）达到最大值，为2 3353 h；20世纪80年代之前的年日照时数为偏多阶段（距平为正），20世纪80年代之后一般表现为距平为负的偏少阶段；21世纪初出现最小值，为1 8674 h。从20世纪60年代以来，时间上随着年代的更替，日照时数年代均值表现为依次递减的趋势。以近55年内各年代每10 a的年均日照时数变化量作为年代日照时数的变化幅度，各个相邻年代间的变化幅度存在一定的差异，最大变幅发生于20世纪70年代到80年代的交替期，日照时数明显减少（减小量为1912 h）；最小变幅为20世纪80年代到90年代的交替期，日照时数几乎未变动（减小量仅42 h）。总体来看，近55年内淮河上中游流域日照时数年代（年均值）峰谷点的差值高达4679 h，约占年代均值的222%。

23空间变化特征

根据淮河上中游流域各个站点计算得到的日照时数气候倾向率与MannKendall趋势检验的Z值，通过ArcGis软件中的空间克里金插值功能可以实现研究区内的日照时数变化趋势的空间分析（图4）。endprint

如图4所示，从MannKendall趋势检验结果来看，流域内19个站点的年日照时数均存在减小趋势，除蚌埠站（Z=-182）减小趋势不明显外，其余站点（Z=-7～-413）均有极显著的减小趋势。从气候倾向率来看，年日照时数气候倾向率的空间变化范围为-1717～-282 h（10a），时间上年日照时数减小量在蚌埠、宿州两站出现较小值[-282、-487 h（10a）]；减小量较大的为商丘站[-1717 h（10a）]，其次为宝丰、阜阳、郑州、亳州站附近[范围在-1450～-1255 h（10a）]。

四季中，春季日照时数仅在4个站点（商丘、郑州、宝丰、亳州站）具有显著的减小趋势（Z=-32～-22），其余各站点的变化趋势均不显著（Z=-2～2）。其中有6个站点表现为不显著的增加趋势，增幅较大的为蚌埠站[-124 h（10a）；另外5站增幅偏小，大约每10 a仅增加0～35 h；其它9个站点出现不显著的减小趋势且减小量也偏小（大约每10 a仅增加2～25 h）。夏、秋、冬三季所有站点的日照时数在时间上均为减小趋势。其中，夏季所有站点日照时数的减小趋势均为极显著（Z=-670～-331），减小量大约每10 a减小270～693 h：夏季期间，蚌埠站的减小量较小[-270 h（10a）]，其次为徐州、宿州站[-305、-346 h（10a）]；减小量较大的站为商丘站[-693 h（10a）]，其次为阜阳、郑州、宝丰、亳州站，这与年日照时数变化趋势的空间分布情况较为类似。研究区内冬季日照时数的气候倾向率的变化范围为-470～-114 h（10a），秋季日照时数的气候倾向率的变化范围为-356～-22 h（10a）。冬季与秋季的减小趋势在宿州、蚌埠站附近不明顯，两个季节的日照时数每10 a减小量在这两站附近也较小，而两个季节的日照时数每10 a减小量的较大值则出现在商丘、郑州，西华、宝丰站附近。

总体来看，年与四季日照时数的气候倾向率与Z值的空间大小分布情况较为一致。对日照时数空间变化特征的分析也再次验证了各个站点对年日照时数的变化贡献较大的季节为夏季，较小的为春季。研究区内西部区域日照时数一般比东部区域日照时数递减的趋势更为明显。其中东部的蚌埠、宿州等站点附近对研究区日照时数的减小趋势贡献程度较小，甚至这些站点春季的日照时数的变化对年日照时数的减少具有削弱作用，但春季日照时数的增加趋势并不显著，对年日照时数减小情况的削弱效果也不明显；贡献程度较大的位置集中于研究区北部中间地区的商丘、亳州等站附近，其次为西部的郑州、宝丰站附近。

3突变检验

MannKendall突变检验结果如图5所示。对MannKendall突变检验结果曲线未通过信度线的交点年份，再利用滑动t检验进行验证，并选择累计距平曲线拐点进行滑动t检验的突变计算，计算结果如表2所示。近55年研究区的年日照时数突变检验中，1986年未通过滑动t检验，1987年仅通过了显著性水平为005的滑动t检验，说明可将1987年作为研究区年日照时数的弱显著突变年份。由年日照时数累计距平曲线查到1980年可能为突变年，而此年又通过了显著性水平为0001的滑动t检验，可以确定此年为年日照时数的极显著突变年份。春季日照时数的UFUB曲线在信度线内存在若干交点，可以认为20世纪70年代期间春季日照时数存在突变。夏季UFUB曲线交点未通过α=005的MannKendall突变检验，但根据曲线交点处的滑动t检验结果仍能够确定夏季日照时数的突变年份为1980年，且与年日照时数突变相同，夏季在此年的突变结果也通过了0001信度检验。比较t检验值绝对值的大小可以得到1980年研究区夏季日照时数较年日照时数相比突然减小的情况更为明显。进一步说明1980年附近可作为近55年研究区内年与夏季日照时数由偏多期明显转变为偏少期的分界点，这与何斌方[25]对近50年来安徽省日照时数的分析结果基本相同。秋季UFUB曲线交点位于信度线以内，其统计量的值为-0650（>-1960），确定突变年份为1999年。冬季UFUB曲线交点统计量的值为-1956（>-1960），故冬季突变年份可确定为1983年。

4结论

通过近55年淮河上中游流域日照时数的变化趋势及突变年份检测的计算结果，分析研究区日照时数的时空分布特征，得到的具体结论如下。

（1）1960-2014年内淮河上中游流域日照时数

在20世纪60年代（年均值）较大，并向之后各个年代依次减小。全年、夏季、冬季的日照时数均有极显著的减小趋势，减小量分别为每10 a减少1022 h、488 h、2934 h。四季中夏季日照时数对年日照时数减小的贡献较大，其次为冬季、秋季，春季日照时数对年日照时数减小的贡献较小。

（2）淮河上中游流域的东部（除盱眙站）对整个研究区日照时数减小的贡献程度较小，而北部的中间地带（商丘站附近）与西北部（宝丰、郑州站附近）对整个淮河上中游流域的日照时数减小的贡献程度较大。

（3）研究区内全年与夏季的日照时数的时空变化情况不仅具有较好的一致性，突变年份也有类似之处。由累计距平曲线结合滑动t检验方法，得到年与夏季日照时数的极显著突变年份均为1980年；根据MannKendall突变检验，可以得到年日照时数的另一个弱显著突变年份为1984年。秋季、冬季的突变年份为1999年、1983年，而春季的突变年份确定为20世纪70年代。

研究成果期待为淮河上中游流域的气候研究及农业发展等提供科学的参考。

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