近55年黄冈市日照时数变化及其影响因子分析

2020-07-14郭黎严凯琳龚年祖

湖北农业科学 2020年5期

郭黎　严凯琳　龚年祖

摘要：为了探究近55年来在全球气候变化背景下湖北省黄冈市日照时数的变化规律及其变化原因，利用1961—2015年黄冈市所属9个国家气象观测站的逐日日照资料，运用线性倾向估计法、Mann-Kendall参数检验、5年滑动平均趋势分析法和小波分析法对黄冈市日照时数变化情况进行了分析。结果表明，近55年，黄冈市年日照时数呈明显的减少趋势，气候倾向率为-41.576 h/10年，夏季日照时数减少最为显著，且对年日照时数的减少作用最大;黄冈市月日照时数在8月最高，在2月最低，日照时数最高月份是最低月份的2.2倍。8月日照时数减少量最为显著，其次是6月和7月;黄冈市年日照时数在1972年发生显著突变。近55年黄冈市日照时数存在明显的周期变化特征，主要受3个周期控制;在影响因子方面，降水量和水汽压与日照时数呈负相关关系，是影响日照时数下降的原因之一;总云量和低云量虽对日照时数有一定影响，但不是导致日照时数减少的主要原因。

关键词：日照时数;趋势特征;突变;周期;黄冈市

中图分类号：P422.1+1 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2020）05-0037-07

Abstract： In order to explore the variation rule and the reason of sunshine duration in Huanggang city， Hubei province， under the background of global climate change in the past 55 years， based on the daily sunshine data of nine national meteorological stations in Huanggang city from 1961 to 2015， the sunshine duration variation characteristics in Huanggang city were analyzed by using the linear trend estimation， Mann-Kendall parametric test， 5 years moving ayerage method and wavelet analysis. The results showed that， in the past 55 years， the annual sunshine duration in Huanggang city showed an obvious reduction trend， and the climate tendency rate was -41.576 h/10 a. The decrease of sunshine duration in summer was the most significant and the decrease of sunshine duration was the largest. The monthly sunshine duration in Huanggang city was the highest in August， while the lowest was in February， and the highest sunshine duration was 2.2 times of the lowest one. In August， the decrease of the sunshine duration was the most significant， followed by June and July. The annual sunshine duration of Huanggang city was abruptly changed in 1972， and the mutation was significant. In the past 55 years， there were obvious interannual and interdecadal variations of sunshine duration in Huanggang city， the sunshine duration was mainly controlled by three cycles. In terms of impact factors， the precipitation and vapor pressure were negatively correlated with sunshine duration， which was one of the reasons for the decline of sunshine duration. Although， the amount of total cloud and low cloud had a certain effect on sunshine duration， but not the main cause of sunshine declined.

Key words： sunshine duration; trend characteristics; mutation; period; Huanggang city

近年来，气候变化已经成为全世界高度关注的热点问题，全球气温升高，强对流天气频发，给人类生活带来了巨大的灾难。IPCC第五次评估报告指出，全球正在经历一次明显的气候变暖，近百年来，全球地表平均温度大约升高了0.85 ℃[1]。此外，20世纪中叶以来，极端天气气候事件的强度和频率发生明显变化。日照时数是太阳在一地实际照射地面的时间，是影响气候变化的重要要素之一。日照时数可直接影响地表获得太阳辐射能量的多少，进而影响到其他气象要素的变化[2]。近年来，众多学者对各地区日照时数的变化进行了分析研究。李慧群等[3]研究了中国近50年来日照时数的变化趋势，结果表明中国绝大部分地区近50年来日照时数总量呈减少趋势，在1980年前后大部分观测站点显示有突变。张立波等[4]研究表明近50年长江中下游地区年日照时数普遍显著减少，四季日照时数均呈下降趋势，研究结果与全国日照时数变化趋势一致。对于中国北方地区，陈少勇等[5]分析了陕甘宁青新的135个站点、肖莲桂等[6]研究了青海省柴达木盆地、贾成刚等[7]分析了河南省安阳市、张智等[8]研究了银川市、华维等[9]研究了青藏高原地区、刘强吉等[10]分析了新疆巴州地区，结果显示日照时数整体上均呈减少的趋势;而对于成都、广西、云南等西南地区日照时数的变化也有相关学者进行了研究分析[11-14]，大体上也表現为减少的变化趋势。贺莉微等[15]对湖北省咸宁市的日照特征进行了分析，结果表明咸宁市日照时数呈中部少、南北部多的空间分布特征，近57年咸宁市日照时数呈减少趋势。

对于日照时数的影响因子，也有众多学者进行了大量的分析。虞海燕等[16]分析了日照时数和风速、温度、降水的相关关系，结果表明日照时数与温度和降水呈负相关，与风速呈正相关;何彬方等[2]则研究了能见度、水汽压等因子对日照时数的影响，结果显示日照时数与云量和水汽压为负相关，与能见度为正相关;慕臣英等[17]研究了低云量、总云量以及降雨日数和日照时数的关系;此外，还有大量研究表明日照时数还与相对湿度、雾和轻雾、扬沙、浮尘、沙尘暴等相关影响因子也有一定关系[18-22]。

黄冈市属亚热带大陆性季风气候，江淮小气候区，四季光热界线分明，分析黄冈市日照时数的变化趋势和规律以及影响日照时数变化的相关因子，对该地区利用太阳能资源、合理开发旅游资源以及人们的生产生活和农作物的生长有着重要的意义。

1 资料来源与研究方法

1.1 资料来源

探测环境的好坏对观测数据的准确性有着非常重要的影响。研究发现日照时数和探测环境呈正相关，探测环境的破坏会导致日照时数的减少[23]，因此对黄冈市各气象站探测环境进行选择，最终选用了探测环境没有发生明显变化且周边环境对探测数据无较大影响的9个国家气象观测站（红安、麻城、罗田、英山、黄冈、浠水、蕲春、黄梅、武穴）1961—2015年共55年的逐日日照时数、水汽压、云量资料（其中除麻城、英山外，其他站点自2014年开始停止观测云量数据，因此为了保持数据统一，云量数据为1961—2013年），以此来分析日照时数的相关变化，以及影响日照时数变化的相关因子。季节的划分根据北半球典型的季节划分方法，即3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12月至次年2月为冬季。

1.2 研究方法

运用的研究方法主要有线性倾向估计法、5年滑动平均趋势分析法、Mann-Kendall参数检验、小波分析法[24]。

线性倾向估计法是基于最小二乘法建立的气象因子之间的一元线性回归方程：Y=a+bt，其中回归系数b表征气象因子的变化趋势，b×10称为气候倾向率，单位为h/10年。

Mann-Kendall检验法是一种非参数检验方法，用于研究气候序列中气候因子的突变特征，若正序列和逆序列在置信区间内有交点，该交点即为发生突变的突变点，且变化显著。

小波分析法是利用一个小波函数簇去向某一信号逼近或者去表示某一个函数，它能清晰地揭示出隐藏在时间序列中的多种变化周期，从而充分地反映出系统在不同时间尺度中的变化趋势。

2 结果与分析

2.1 年日照时数变化特征

通过分析黄冈市9个观测站近55年来的日照时数空间分布可以看出，黄冈市年日照时数分布整体呈北多南少的分布特点，其中年日照时数最多的是麻城站，达到2 065.3 h，其次是黄冈站，达 1 982.8 h;南部地区日照时数较少，其中武穴站最少，为1 861.1 h（图1）。

统计黄冈市近55年来的平均年累计日照时数，分析其变化特征和趋势，结果如图2所示。分析表明，黄冈市年日照时数呈明显的减少趋势，气候倾向率为-41.576 h/10年，通过了α=0.01水平的显著性检验。日照时数年际间波动较大，年日照时数平均为1 925.9 h，最小出现在1989年，为1 618.3 h;最大出现在1963年，为2 310.9 h;有27年日照时数超过平均值，28年低于平均值;最大与最小年日照时数之差为351.1 h。

2.2 四季日照时数变化特征

黄冈市近55年来各季节的平均日照时数空间分布如图3所示。从图3可以看出，各个季节平均日照时数变化规律和年平均日照时数变化规律基本相似，整体上均为北多南少分布。通过分析可以看出，麻城站一年四季中日照时数均相对较多，除夏季略少于黄冈站外，其余季节均为最多;此外，各站点日照时数最大值和最小值之间春季相差最大为80.2 h，秋季相差最少为52.5 h，夏季和冬季分别相差65.4 h和55.2 h。

為进一步探究黄冈市各季节的日照时数变化情况，对黄冈市1961—2015年各季节平均日照时数进行分析，结果见图4。由图4可知，黄冈市各季节日照时数变化趋势不同，除了春季表现为增加趋势，夏、秋、冬3季均表现为减少趋势。4个季节的气候倾向率分别为6.070 h/10年（未通过α=0.05的显著性检验）、-29.341 h/10年（通过了α=0.01的显著性检验）、-3.485 h/10年（未通过α=0.05的显著性检验）、-14.821 h/10年（通过了α=0.01的显著性检验）。在过去55年时间内，黄冈市夏季日照时数减少最为明显，且对全年日照时数的减少作用最大，其次为冬季。

黄冈市各季节日照时数的年代际变化如表1所示。从表1可以看出，各季节日照时数表现为夏季最多，秋、春季次之，冬季最少。春季日照时数平均为448.4 h，在20世纪90年代达到最低，为423.2 h，在21世纪00年代达到最高，为482.0 h，20世纪90年代至21世纪00年代春季日照时数增加了58.8 h，除了20世纪70—90年代均处于平均值以下外，其他年代均高于平均值;夏季日照时数平均为627.6 h，观察夏季变化情况可以看出，20世纪60—90年代，日照时数几乎逐年代下降，40年时间下降了132.9 h，在21世纪00年代略有回升，但是到10年代初又开始明显减少，除了20世纪60年代和70年代高于平均值外，其余年代均低于平均值;秋季日照时数平均为491.6 h，年代变化上表现为两次增加-减少的变化，在20世纪80年代达到最低值，为451.7 h，在70年代达到最高值，为511.9 h;冬季日照时数平均为358.3 h，在21世纪00年代达到最低值，为330.6 h，在20世纪60年代达到最高值，为407.2 h，变化趋势表现为减少-增加-减少。

2.3 月日照时数变化特征

近55年来黄冈市各月平均日照时数如图5所示。由图5可知，黄冈市月平均日照时数在8月达到一年内的最高值，为231.0 h，7月次之，在2月最低，为104.6 h，各月日照分布不均波动较大，日照时数最高月份是最低月份的2.2倍。

黄冈市1961—2015年各月日照时数变化情况如表2所示。从表2可以看出，12个月中只有3月、4月、10月呈增加趋势，其余9个月均呈减少趋势，其中4月增加趋势最为显著，达5.35 h/10年（通过了α=0.05的显著性检验），3月次之，为1.05 h/10年。8月减少趋势最为显著，达-11.69 h/10年（通过了α=0.01的显著性检验），其次为6月和7月，分别为-9.42 h/10年（通过了α=0.01的显著性检验）和 -8.24 h/10年（通过了α=0.05的显著性检验），增加趋势远远小于减少趋势，这和前面分析的结果一致，年日照时数整体为减少趋势。此外还可以发现，春季3个月中2个月增加1个月减少，增加趋势大于减少趋势，整体表现为增加;夏季3个月的日照时数均为减少趋势，且减少趋势表现显著;秋季2个月减少1个月增加，减少趋势大于增加趋势，整体表现为减少;冬季3个月也均为减少，整体表现为减少趋势。

从各月的增减总量来看，8月日照时数减少最为显著，55年减少了64.3 h，其次是6月和7月，分别减少了51.8、45.3 h。从各月的增减幅度来看，虽然1月和6月日照减少量只有39.8和51.8 h，但减少幅度显著，分别为34.35%和29.78%，8月减少量最多反而减少幅度只有27.83%，显然这与各月的平均日照时数有关。

2.4 日照时数的突变检验

为进一步探究日照时数的突变特征，对年日照时数进行Mann-Kendall非参数检验，结果如图6所示。由图6可知，年日照时数存在明显的突变。日照时数的UF值在1961—1969年大于0，其他年份均处于负值区，表明日照时数呈减少的变化趋势，且在1982年之后UF曲线均位于临界线-1.96（α=0.05）之外，表明在此阶段内，日照时数减少趋势十分显著。同时根据UF曲线和UB曲线的交点分析，在1972年日照时数发生突变，表现为减少的突变趋势，且突变显著。

2.5 日照时数的周期分析

为了分析日照时数的周期变化规律，对年日照时数进行Morlet小波分析，得到小波时频变换图和小波方差图，分析结果如图7所示。小波系数正值对应日照时数偏多，负值对应日照时数偏少，系数绝对值越大则表示该时间尺度上的变化越明显。通过分析可以看出，黄冈市近55年的日照时数存在明显的周期变化特征，大体上表现有31～40年，12～22年，4～9年的3类尺度的周期变化规律，其中31～40年尺度上有正负交替的准2次震荡，12～22年尺度上存在准3次震荡，4～9年尺度上有9次震荡。另外从小波方差图上可以看到，存在3个较为明显的峰值，分别是20、11、8年，其中8年的时间尺度为最大峰值，表明8年左右的周期震荡最强，为黄冈市日照时数变化的第一主周期;20年时间尺度为第二峰值，即為黄冈市日照时数变化的第二主周期;11年的时间尺度为第三峰值，表示黄冈市日照时数变化的第三主周期。以上研究表明，黄冈市日照时数在近55年内的变化特征主要受这3个周期控制。

2.6 日照时数影响因子的分析

通过分析日照时数和降水量、水汽压、总云量和低云量之间的关系（图8、表3）可知，日照时数与降水量的相关系数为-0.54，呈明显的负相关，即年降水量偏大，则日照时数偏少，且近55年年降水量呈上升趋势，说明降水量是影响日照时数的因素之一;此外日照时数与年平均水汽压的相关系数为-0.16，也表现为负相关，水汽压偏大，则日照时数偏小，而水汽压也表现为上升趋势，说明水汽压也是影响日照时数的因素之一。

此外，云量的多少与日照时数的长短有密切的关系，而且不同高度的云对于日照时数的影响也不尽相同。黄冈市日照时数和总云量、低云量的相关系数分别为-0.47、-0.08，表现为负相关（表3），说明云量对日照时数有一定影响。但是，也有研究表明，日照时数不仅和云量有关，还与云层高度以及云的种类形状有关。因此，云量虽然对日照时数有一定影响，但不是导致日照时数减少的主要原因。

3 结论

通过对黄冈市1961—2015年日照时数的分析，得出以下结论。

1）黄冈市日照时数年际波动较大，且呈明显的减少趋势，气候倾向率为-41.576 h/10年。各季节日照时数变化不一、波动较大，除了春季表现为增加趋势，夏、秋、冬3季均表现为减少趋势，其中夏季日照时数减少趋势最为显著，气候倾向率达到了-29.341 h/10年，表明夏季日照时数减少最明显，且对全年日照时数减少的作用最大。

2）黄冈市月平均日照时数在8月达到一年内的最高值，为231.0 h，7月次之，在2月最低，为104.6 h，各月日照分布不均、波动较大，日照时数最高月份是最低月份的2.2倍。8月日照减少量最为显著，其次是6月和7月，6月和1月减少幅度最为显著，这与各月的平均日照时数有关。

3）黄冈市年日照时数整体表现为减少趋势，在1972年发生显著突变，且1982—2015年日照时数减少趋势极为明显。黄冈市近55年日照时数存在明显的周期变化特征，有31～40年、12～22年、4～9年这3类尺度的周期变化规律，分别有准2、3和9次震荡。另外存在3个较为明显的峰值，分别是20、11、8年，其中8年的时间尺度为最大峰值，表明8年左右的周期震荡最强，为黄冈市日照时数变化的第一主周期;黄冈市日照时数在近55年内的变化特征主要受这3个周期控制。

4）黄冈市近55年日照时数与降水量和水汽压呈负相关关系，而且降水量和水汽压的上升是导致日照时数减少的因素之一，而总云量和低云量虽然对日照时数有一定影响，但不是导致日照时数下降的主要原因。

参考文献：

[1] IPCC. Climate change 2013：The physical science basis[M].Cambridge：Cambridge university press，2013.

[2] 何彬方，冯妍，荀尚培，等.安徽省50年日照时数的变化特征及影响因素[J].自然资源学报，2009，24（7）：1275-1285.

[3] 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.

[4] 张立波，娄伟平.近50年长江中下游地区日照时数的时空特征及其影响因素[J].长江流域资源与环境，2013，22（5）：595-601.

[5] 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.

[6] 肖莲桂，祁栋林，石明章.1961—2013年青海省柴达木盆地日照时数的变化特征及其影响因素[J].中国农学通报，2017，33（2）：106-114.

[7] 贾成刚，丁治英，张玉峰，等.近55 a来安阳日照时数变化趋势及未来变化趋势分析[J].气象与环境科学，2010，33（3）：59-62.

[8] 张智，林莉，孙银川，等.银川市日照时数气候变化特征分析[J].干旱区研究，2006，23（2）：344-348.

[9] 华维，范广洲，周定文，等.青藏高原四季日照时数年际、年代际变化趋势分析[J].自然资源学报，2009，24（10）：1810-1817.

[10] 刘强吉，武胜利，房靓，等.1961—2013年巴州地区日照时数变化特征分析[J].气象与环境学报，2016，32（2）：79-88.