1954—2017年磴口县日照时数变化特征及突变分析

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。

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责任编辑：郑丹丹