1954—2017年磴口县日照时数变化特征及突变分析
2019-10-21陆占东
陆占东
摘要 为了解磴口县日照时数的变化规律,利用磴口县1954—2017年逐月日照时数资料,运用线性拟合、气候倾向率、Mann?鄄Kendall检测法、Mann?鄄Kendall突变分析、滑动t检验等方法,对磴口县四季和年日照时数的变化趋势和突变特征等进行了分析。结果表明,磴口县1954—2017年年平均日照时数呈现上升趋势,变化倾向率为14.2 h/10年,远高于全国平均值-36.9 h/10年。变化趋势通过了95%显著性检验。年日照时数在1974、1994年存在明显的突变,突变点通过0.05检验。磴口县春、夏、秋、冬四季的日照时数变化倾向率分别为11.58、4.06、-2.83、0.914 h/10年,除秋季外,其他3季均呈现上升趋势,且春季变化趋势通过了99%显著性检验,说明春季日照时数增幅非常显著。磴口县四季的突变检验存在较大差异,春季日照时数的突变发生在2010年,该突变点通过了0.01显著性检验;夏季日照时数的突变发生在1975和1997年,该突变点通过了0.05显著性检验;秋季日照时数的突变发生在1994和2006年,该突变点通过了0.05显著性检验;冬季日照时数的突变发生在1993和2003年,该突变点通过了0.05显著性检验。磴口县1954—2017年各月日照时数变化呈现一峰一谷,其中5月份最多,2月份最少,年平均日照百分率为73%。磴口县各月日照时数变化与降水呈较强的负相关,相关系数为-0.858。
关键词磴口县;日照时数;变化特征;突变分析
中图分类号:P412.14文献标识码:A文章编号:2095-3305(2019)03-031-05
DOI: 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.03.013
日照是指太阳在一地实际照射的时数。在给定时间,日照时数定义为太阳直接辐照度达到或超过120 W/m2的那段时间总和,以小时(h)为单位,取1位小数,日照时数也称实照时数[1]。
磴口县位于内蒙古巴彦淖尔市西南部,农牧业是磴口县的主要经济产业,日照时数是制约农作物生产的重要因素,日照时数的改变对作物的生长和产量具有重大的影响,因此,深入研究日照时数的变化规律,对合理布局农牧业产业,调整农牧业结构具有重要的意义。虞海燕等的研究表明,我国绝大部分地区1951—2009年日照时数总量呈减少趋势,尤其夏季的日照时数变化最为显著[2-3]。高蓓等对陕西省日照时数的研究表明,陕西省日照时数在春、秋季为上升趋势,夏、冬季为下降趋势,且夏季日照时数下降最显著[4];李全平等对祁连山地区日照时数的研究表明,祁连山地区日照时数呈减少趋势,且日照时数的长短受海拔、维度和太阳高度角的影响最大[5];李颜颜等对河南省日照时数的研究表明,河南省年、四季日照时数均呈现较少趋势[6];杨丽桃等对内蒙古生长季日照时数的研究表明,内蒙古生长季(4—9月)日照时数呈现减少趋势[7]。在全国、各地区日照时数均减少的大环境下,结合前人的研究方法,笔者对磴口县1954—2017年日照时数进行研究分析,阐明磴口县日照时数年、四季和月的变化规律,对当地种植模式和种植结构的调整具有重要的指导意义。
1资料与方法
1.1资料来源
利用磴口县气象观测站1954—2017年的日照时数观测资料,计算出月、季、年平均日照时数,按照春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12月至次年2月)的季节划分。
1.2研究方法
1.2.1气候倾向率采用线性倾向估计方法[8-10]。用xi表示序列长度为n的某一气候变量,用ti表示xi所对应的时间,建立xi与ti间的一元线性回归方程:
1.2.3Mann?鄄Kendall趨势检验原假设H0为时间序列数据(x,x2,…,xn),是n个独立的、随机变量同分布的样本;备择假设H1是双边检验[13-15]。对于所有的i,j≤n,且i≠j,xi和xj的分布是不相同的。定义检验统计量S:
在双边趋势检验中,对于给定的置信水平α,若|Z|≥Z1-α/2,则原假设H0是不可接受的,即在置信水平α上,时间序列数据存在明显的上升或下降趋势。Z为正值表示增加趋势,负值表示减少趋势。Z的绝对值在大于等于1.28、 1.64、 2.32时表示分别通过了信度90%、95%、 99%显著性检验。
给定显著性水平,如α=0.05或0.01,那么临界值U0.05=±1.96或U0.01=±2.56。将UFk和UBk 2个统计量序列曲线和U0.05=±1.96,U0.01=±2.56直线均绘在同一张图上。若UFk或UBk的值大于0,则表明序列呈上升趋势,小于 0 则表明呈下降趋势。当它们超过临界直线时,表明上升或下降趋势显著。超过临界线的范围确定为出现突变的时间区域。如果UFk和UBk 2条曲线出现交点,且交点在临界线之间,那么交点对应的时刻便是突变开始的时间。
1.2.5滑动t检验滑动t检验是通过序列中2段子序列的均值有无显著差异来验证突变。如果子序列的均值差异超过一定的显著性水平,则认为该随机变量发生突变。将随机变量X分为x1和x2 2个子序列,用ni表示第i个子序列的样本个数,xi表示第i个子序列的平均值,si表示第i个子序列的方差,统计量t用以下公式计算求得[20-21]:
从图1可以看出,磴口县1954—2017年平均日照时数为3 211.5 h,其中最多出现在1995年,为3 475.3 h,最少出现在1985年,为2 662.9 h,与最多年相差812.4 h;1954—2017年磴口日照时数呈上升趋势,变化倾向率为14.2 h/10年,远高于全国日照时数变化率-36.9 h/10年[3]。通过Mann?鄄Kendall趋势检验得到Z=2.03>1.64>0(表1),通过了95%显著性检验,说明磴口县日照时数增长趋势十分明显。
从5年滑动平均可以看出,1954—1974年日照时数波动增加,1975—1993年有明显的下降,1994年之后又有明显上升。结合M-K突变分析(图2)可以看出,磴口县年日照时数正序列UF(k)和逆序列UB(k)在1954—1974年为上升趋势,1975—1994年为下降趋势,1995年之后又开始上升,在1973—1974年、1993—1994年相交,突变点通过了0.05检验,说明年日照时数在1974、1994年存在明显的突变。1954—1974年、1975—1994年、1995—2007年平均日照时数分别为3 216.5、3 117.5、3 288.7 h,变化量分别为-99.0和171.2 h。
磴口县日照时数年代变化经历了增-减-增-减阶段(见图1a中5年滑动、表2),20世纪60年代有较大的增长,20世纪70年代到80年代初变化平稳,20世纪80年代后期到90年代初减幅明显,1984—1992年年平均日照时数为3 029.5 h,较历年平均偏少182 h;20世纪90年代中后期到21世纪前10年有大幅增加,21世纪20年代又有较明显的减少。
2.2季日照时数变化特征分析
2.2.1春季日照时数变化特征分析磴口县1954—2017年春季平均日照时数为861.9 h(图1b),最多年为970.7 h,出现在2005年,最少年为647.5 h,出现在1985年,相差323.3 h。春季日照时数呈现上升趋势,变化倾向率为11.58 h/10年,通过Mann?鄄Kendall检验(表1)得到春季Z=3.2>2.32>0,通过99%显著性检验,说明春季日照时数增长趋势十分明显。从表2可以看出,春季日照时数年代变化与年日照时数的变化大致相同,20世纪80年代日照时数下降明显,21世纪前10年又有较大的上升。
由图2b的M?鄄K突变检验可以看出,磴口县1954—2017年春季日照时数正序列的UF(k)和逆序列的UB(k)在1999—2000年有一个交点,21世纪20年代开始正序列UF(k)通过了0.05显著性检验(U0.05=1.96),甚至通过0.001显著性检验 (U0.001=2.56),这表明磴口县的春季日照时数上升趋势是十分显著的。磴口县春季平均日照时数突变后(903.9 h)较突变前(845.4 h)增加了58.5 h。
2.2.2夏季日照时数变化特征分析磴口县1954—2017年夏季平均日照时数为902.0 h(图1c),最多年为1 023.6 h,出现在2010年,最少年为684.4 h,出现在1985年,相差339.2 h。夏季日照时数呈现上升趋势,变化傾向率为4.06 h/10年,通过Mann?鄄Kendall检验(表1)得到夏季Z=1.09<1.28,未通过90%检验,说明春季日照时数增长趋势不明显。从表2可以看出,夏季年代变化中,20世纪80年代日照时数下降明显,21世纪前10年出现较大的上升,21世纪20年代减幅明显。
由图2c的M?鄄K突变检验可以看出,磴口县1954—2017年夏季日照时数正序列的UF(k)和逆序列的UB(k)有5个交点,分别为1962—1963年、1965—1966年、1970—1971年、1974—1975年和1996—1997年,1983年逆序列UB(k)通过了0.05显著性检验(U0.05=1.96),距离该点最近的交点为1974—1975年,且在1975年后正序列UF(k)具有显著的下降趋势;第2个突变点为1996—1997年,1997年后,正序列UF(k)又有明显的上升趋势。2个突变点前后平均日照时数分别为907.6、870.4和929.3 h,突变前后变化量为-37.2和58.9 h。
2.2.3秋季日照时数变化特征分析磴口县1954—2017年秋季平均日照时数为769.5 h(图1d),最多年为836.9 h,出现在1995年,最少年为684.0 h,出现在1984年,相差152.9 h。秋季日照时数呈现减少趋势,变化倾向率为-2.83 h/10年,通过Mann?鄄Kendall检验(表1)得到秋季Z=-0.88,|Z|<1.28,未通过90%显著性检验,说明秋季日照时数减少趋势不明显。从表2可以看出,秋季日照时数年代变化与年日照时数的变化大致相同,20世纪80年代日照时数下降明显,21世纪前10年又有较大的上升。
由图2d的M?鄄K突变检验可以看出,磴口县1954—2017年秋季日照时数正序列的UF(k)和逆序列的UB(k)在1960—1961、1964—1965、1968—1969、1977—1978、1983—1984、1985—1986、
2012—2013、2016年出现交点,对于突变年份分析比较困难。利用滑动t检验,对秋季日照时数进行进一步分析(图3a),子序列长度取10年,给定显著性水平α=0.05进行检验。t统计值在1994年出现负极大值,2006年出现正极大值,说明在1994年出现由减到增,2006年出现由增到减。2个突变点前后平均日照时数分别为766.6、806.7和740.0 h,突变前后变化量为40.1和-66.7 h。
2.2.4冬季日照时数变化特征分析磴口县1954—2017年冬季平均日照时数为678.5 h(图1e),最多年为749.2 h,出现在1995年,最少年为594.1 h,出现在1989年,相差155.1 h。冬季日照时数呈现增加趋势,变化倾向率为0.914 h/10年,通过Mann?鄄Kendall检验(表1)得到冬季Z=0.3<1.28,未通过90%显著性检验,说明冬季日照时数增加趋势不明显。从表2可以看出,冬季日照时数年代变化与年日照时数变化有较大差异,20世纪60年代日照时数呈上升趋势,20世纪70、80年代日照时数呈下降趋势,且在80年代下降明显, 90年代又有明显的上升。进入21世纪,日照时数整体呈现下降趋势。
由图2e的M?鄄K突变检验可以看出,磴口县1954—2017年冬季日照时数正序列的UF(k)和逆序列的UB(k)出现15个交点,且UF(k)和UB(k)均未突破95%显著性检验。为进一步研究冬季日照时数突变情况,利用滑动t检验进行分析(图3b),子序列长度取10年,给定显著性水平α=0.05进行检验。t统计值在1993年出现负极大值,2003年出现正极大值,说明在1993年出现由减到增,2003年出现由增到减。2个突变点前后平均日照时数分别为672.8、705.8和675.4 h,突变前后变化量为33.0和-30.4 h。
2.3月日照时数变化特征分析
从图4可以看出,1954—2017年磴口县各月日照时数变化呈现一峰一谷,其中5月份最多,为314.2 h,2月份最少,为227.6 h,两极值相差86.6 h。从日照百分率来看,夏季(6—8月)为最少3个月,日照百分率均在70%以下,主要原因是磴口县的降水量主要集中在6—8月份,降水量占全年的62.2%;其他月份日照百分率均在70%以上。通过计算,各月日照百分率和白天降水量(08:00—20:00)相关系数为-0.858,这说明日照百分率与白天降水量存在较强的负相关。
3小结
(1) 磴口县1954—2017年年平均日照时数呈现上升趋势,变化倾向率为14.2 h/10年,远高于全国平均值-36.9 h/10年。变化趋势通过了95%显著性检验,说明磴口县日照时数增长趋势十分明显。磴口县年日照时数经历了增-减-增-减的变化趋势,且在1974、1994年存在明显的突变,突变点通过0.05检验。
(2) 磴口县春、夏、秋、冬四季的日照时数变化倾向率分别为11.58、4.06、-2.83、0.914 h/10年,除秋季外,其他3季均呈现上升趋势,且春季变化趋势通过了99%显著性检验,说明春季日照时数增幅非常显著。磴口县四季的突变检验存在较大差异,春季的突变发生在2010年,该突变点通过了0.01显著性检验,春季日照时数呈现减-增的变化趋势;夏季日照时数的突变发生在1975和1997年,该突变点通过了0.05显著性检验,夏季日照时数呈现增-减-增的变化趋势;秋季日照时数的突变发生在1994和2006年,该突变点通过了0.05显著性检验,秋季日照时数呈现减-增-减的变化趋势;冬季日照时数的突变发生在1993和2003年,该突变点通过了0.05显著性检验,冬季日照时数呈现减-增-减的变化趋势。
(3) 磴口县1954—2017年各月日照时数变化呈现一峰一谷,其中5月份最多,2月份最少。年平均日照百分率为73%,其中夏季(6—8月)各月日照百分率均在70%以下,其他月份日照百分率均在70%以上。磴口县月日照时数变化与降水有较强的负相关,相关系数为-0.858。
参考文献
[1] 中国气象局,地面气象观测规范[M].北京:气象出版社,2003:81.
[2] 李慧群,付遵涛,闻新宇,等.中国地区日照时数近50年来的变化特征[J].气候与环境研究,2013,18(2):203-209.
[3] 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):289-298.
[4] 高蓓,卫海燕,郭彦龙,等.陕西省日照时数季节变化特征分析[J].水土保持通报,2013,33(1):178-181.
[5] 李全平,高君元,朱宝文.祁连山地区日照时数气候变化特征[J].安徽农业科学,2017,45(1):178-180.
[6] 李颜颜,康国华,张鹏岩,等.1951—2014年河南省不同季节日照时数时空变化特征及突变分析[J].河南大学学报,2018,48(1):33-44.
[7] 杨丽桃,江像评.内蒙古近50年生长季日照时数变化特征[J].气象科技,2012,40(5):854-857.
[8] 张卉,程永明,杨梅红.五台山站气候资料均一性检验及气候变化趋势分析[J].中国农学通报,2016,32(7):168-173.
[9] 陈时东,陈丹彤,李惠清.1981—2015年阳春市日照时数变化特征[J].安徽农业科学,2017,45(16):170-172,178.
[10] 王春娟.陕西关中西部近50年无霜期气候特征分析[J].中国农学通报,2016,32(35):166-170.
[11] 高西宁,蒋姗姗,王耸,等.东北地区1961—2014年降水量变化分区及其区域特征[J].生态学杂志,2016,35(5):1301-1307.
[12] 徐盼盼,张奇莹,钱会,等.宝鸡地区降水特征分析及降水量预测[J].南水北调与水利科技,2017,15(5) : 63-69.
[13] 张盛霖,邓高燕,黄勇奇.Mann-Kendall检验法在Excel中的实现与应用[EB/OL]. 北京:中国科技论文在线.[2014-06-27]. http://www.paper.edu.cn/release paper/con?鄄tent/201406-448.
[14] 魏凤英.现代气候统计诊断与预测技術[M].北京:气象出版社,2007:63-34.
[15] 王秀丽,窦坤,高学芹.1966-2015年山东省曹县日照变化特征分析[J].安徽农业科学,2016,44(10):212-213,253.
[16] 胡安霞,孙秀邦,李龙.宣城市1966—2015年气候变化趋势及突变分析[J].中国农学通报,2018,34(4):113-117.
[17] 孔锋,郭君,王一飞,等.近56年来中国雷暴日数的时空分异特征[J].灾害学,2018,33(3):87-95.
[18] 钟晨晨,崔宁博,谭畅,等.近53年长江流域气温的时空变化特征分析[J].灌溉排水学报,2019,35(12):88-96.
[19] 何佳,薛亚永,周旗,等.关中-天水经济区气候变化特征分析[J].中国农学通报,2016,32(18):151-159.
[20] 阎凌云.农业气象[M].北京:中国农业出版社,2001:l57-162.
[21] 陈立华,刘为福,张利娜. 西江下游年月径流变化特征研究[J].水力发电,2018,44(6):38-43.
责任编辑:郑丹丹