1961—2020 年青海高原日照时数时空变化特征

周 丹， 保广裕， 苏献锋， 王 力， 李宝华

（1.青海省防灾减灾重点实验室，青海 西宁 810001；2.青海省气象服务中心，青海 西宁 810001；3.青海省气象干部培训学院，青海 西宁 810001）

近百年来，全球气候经历了显著的变暖趋势。气候系统的多种指标和观测表明，全球变暖趋势仍在持续。IPCC第五次评估报告显示，1880—2012年全球地表平均温度升高了约0.85 ℃［1-2］。全球变暖导致气候因素发生变化，太阳辐射是地球系统的主要能源，与人类的生活密切相关，是重要的气候因素之一［3-5］。日照时数是表征太阳辐射的特征量，它不仅与地理参数有关，还受太阳常数、云量、水汽和大气气溶胶等多种因素的影响［6-8］。在全球变暖背景下，探索和研究日照时数的时空变异性和影响因素对人类的工农业活动具有重要意义，并可为地球系统科学研究提供参考。

Stanhill 等［9］对全球1951—2000 年太阳辐射变化进行了分析，研究发现到达地球表面的太阳辐射显著减少，全球每年平均减少0.46～0.56 W·m-2，导致太阳辐射减少的最有可能因素是气溶胶和空气污染的影响。中国学者就不同区域日照时数变化特征及其影响因子也进行了大量的研究。中国气象局气候变化中心［10］分析发现，1961—2019 年中国平均年日照时数呈显著减少趋势，平均减少变化率为32.8 h·(10a)-1。肖风劲等［11］基于中国2089个气象站1961—2017年观测数据，分析了中国不同区域日照时数时空变化特征及影响因素，结果表明中国日照时数呈显著减少趋势，西南地区在1989年发生突变，西北地区在1983 年发生突变，东北地区在1985年发生突变，其他地区未发生突变。周晓宇等［12］根据1961—2009 年东北地区104 个气象站点观测数据，研究了东北地区日照时数月、季、年的时空变化特征，研究结果表明日照时数呈显著减少趋势，平均减少变化率为40.5 h·(10a)-1。戴声佩等［13］利用华南地区1960—2011 年101 个时间序列较长的气象台站地面观测资料，分析了华南地区光能、热量和水分等农业气候资源的时空变化特征，结果表明1961—2011年华南地区年总辐射量呈现“U”字型变化趋势，日照时数呈减少趋势，平均减少变化率为40.2 h·(10a)-1。陈少勇等［14］利用中国西北地区135个测站1961—2007 年1—12 月日照时数资料，分析了47 a来西北地区日照时数的时空分布特征及其变化规律，结果发现1961—2007年西北地区大部分地方日照时数显著减少，区域平均减少变化率为19.92 h·(10a)-1，相对湿度增加，云量增多，是造成日照减少的主要原因。

青海高原位于青藏高原东北部，是“国家公园省”和“中华水塔”。境内地形复杂多样，海拔高度在1500～6000 m 之间，纬度跨越7 个纬度带。青海高原日照时间长，太阳能资源丰富，是国家重要的清洁能源产业基地。2021 年3 月，习近平总书记参加十三届人大四次会议青海代表团审议时强调，要结合青海优势和资源，打造国家清洁能源产业高地。同年7月，省政府和国家能源局联合印发《青海打造国家清洁能源产业高地行动方案》［15］，旨在为如期实现碳达峰、碳中和目标做出青海贡献。因此，青海高原日照时数变化引起众多学者的关注。付建新等［16］分析了祁连山地区1960—2014 年日照时数变化特征，结果表明多年平均日照时数整体上表现出下降态势。而何小武等［17］分析了1961—2016 年黄河源头地区日照时数变化特征，结果表明近56 a 黄河源头地区日照时数以26.0 h·(10a)-1的速率增加。学者们的研究结果表明，青海高原不同特征区域日照时数变化特征不尽相同。

基于此，本文通过选取青海高原50个气象观测站点1961—2020 年逐月日照时数数据及相关气象要素资料，分析了青海高原整体、不同纬度地区、不同海拔高度地区日照时数时空变化特征，旨在为认识青海高原气候资源变化提供科学依据，为合理农牧业生产布局、清洁能源开发等提供科学参考。

1 研究区概况

青海高原（89°35′～103°04′E，31°09′～39°19′N）位于青藏高原东北部，东西长约1200 km，南北宽约800 km，是黄河、长江和澜沧江的发源地，也是“国家公园省”和“中华水塔”（图1）。境内地形复杂多样，海拔高度在1500～6000 m 之间，全境87%以上的土地海拔在3000 m 以上。按照地理单元，青海高原可分为柴达木地区、环湖地区、东部农业区和青南牧区。青海高原远离海洋，降水量地区差异大，年平均降水量在100～550 mm之间，年平均气温在-5.0～9.0 ℃之间，是典型的高原大陆性气候［18］。青海高原地处中纬度地带，日照时数长，辐射能力强，年总辐射量可达690.8～753.6 kJ·cm-2，直接辐射量占辐射量的60%以上。

图1 青海高原气象站点分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in Qinghai Province

2 数据与方法

日照时数是指太阳每天在垂直于其光线的平面上辐射强度超过或等于120 W·m-2的时间长度。日照时数的变化除了受大范围气候变化的影响外，还受到局地大气环境和人为因素的影响［19］。

选取青海高原50 个气象观测站点1961—2020年逐月日照时数数据。数据来源于中国气象科学数据共享服务网。由于各种人为因素，数据资料存在非均一性现象，因此对50个气象观测站点数据资料中的明显断点选用SNHT 气候资料检验和订正方法进行了排查，并根据排查结果进行了订正。数据序列的断点不仅与气候资料的非均一性有关，也可能是气候突变信号的反映。通过计算待检序列和距离较近、相关较大的参考序列的比值或差值序列不仅可以检验序列中的断点，还提供了对资料的订正方法。数据序列的检验主要包括差值法和比值法，非均一数据序列的订正主要采用相关系数订正［20］。经过订正处理后的50 个气象观测站点的要素资料具有较好的连续性。

依据研究所需，青海高原50个气象观测站点按照纬度划分为7 个纬度带，按照海拔高度划分为7个海拔高度带，50个站点划分详情见表1。

表1 青海高原气象站点纬度带和海拔高度带划分Tab.1 Division of latitude and elevation bands of meteorological stations in Qinghai Plateau

Mann-Kendall 检验方法是一种广泛应用于径流、气候、水文序列等趋势分析和显著性检验的非参数统计检验方法［21-23］，其优点是既不需要时序遵循特定分布，也不受少数异常值的干扰，而且可以明确突变开始的时间和突变区域［24］，本研究主要基于Mann-Kendall方法进行突变检验。

3 结果与分析

3.1 青海高原日照时数整体变化特征

采用气候倾向率方法对1961—2020 年青海高原日照时数变化趋势（图2）分析看出，青海高原日照时数呈显著降低趋势，变化率为-30.1 h·(10a)-1，通过0.01 显著性检验。从年代际变化来看，1961—1970年、1971—1980年、1981—1990年、1990—2000年青海高原日照时数基本保持在2765.0～2805.0 h·a-1之间，年代变化率分别为0.9%、-0.9%、-0.4%，年代际变化较小。从2000—2010 年开始青海高原日照时数快速降低，2000—2010 年平均日照时数为2713.8 h·a-1，2011—2020 年降低为2621.9 h·a-1，年代变化率分别为-1.9%、3.4%，年代际变化显著（图2）。

图2 1961—2020年青海高原日照时数变化趋势Fig.2 Variation trend of sunshine hours in Qinghai Plateau from 1961 to 2020

由1961—2020 年青海高原日照时数变化率分布（图3）可见，1961—2020 年青海高原除南部个别站点日照时数持平或略微增加外，其余地区日照时数均呈显著降低趋势，其中柴达木地区和东部农业区降低趋势最显著。东部农业区的西宁降低趋势最显著，变化率为-65.0 h·(10a)-1，此外东部农业区的民和、乐都、柴达木盆地的诺木洪、小灶火、茫崖、德令哈、冷湖、都兰的变化率均达到-50.0 h·(10a)-1以上。

图3 1961—2020年青海高原日照时数变化率空间分布Fig.3 Spatial distribution of the change rate of sunshine hours in Qinghai Plateau from 1961 to 2020

由Mann-Kendall 突变检验对1961—2020 年青海高原日照时数进行的突变分析（图4）可见，UF 和UB 曲线相交于2004 年（r=0.05），结合滑动T检验分析发现，青海高原1961—2020 年日照时数在2004年通过检验，表明青海高原日照时数在2004年发生突变降低。突变前的1961—2004 年青海高原日照时数平均为2778.7 h·a-1，突变后的2005—2020年青海高原日照时数平均为2646.6 h·a-1，变化率达到了-4.6%。

图4 1961—2020年青海高原日照时数Mann-Kendall突变检验Fig.4 Mann-Kendall mutation test of sunshine hours in Qinghai Plateau from 1961 to 2020

华维等［25］研究发现，1973—2007 年除青海南部部分地区日照时数呈增加趋势外，其余地区均呈显著减少趋势。杜军等［26］研究发现，1971—2019 年羌塘国家级自然保护区年日照时数显著减少，平均每10 a 减少22.8 h，以夏季减少最为明显。自20 世纪90 年代以来，四季日照时数均呈明显减少趋势，仍以夏季减幅最大。这些研究结论均与本文研究结果高度一致。

3.2 青海高原不同纬度地区日照时数变化特征

3.2.1 不同纬度地区日照时数年际变化特征青海高原50 个气象观测站点按照纬度划分为7 个纬度带，每个纬度带间隔1°（表2）。采用气候倾向率方法对1961—2020 年青海高原不同纬度地区日照时数变化趋势分析（图2）可见，高纬度地区日照时数降低趋势显著大于低纬度地区。7 个纬度带日照时数变化率分别为-2.72 h·a-1、-0.52 h·a-1、-1.13 h·a-1、-2.16 h·a-1、-3.84 h·a-1、-3.81 h·a-1和-3.28 h·a-1，除33°～34°N、34°～35°N 2 个纬度带变化率未通过显著性检验外，其余纬度带变化率均通过0.01 显著性检验。

表2 1961—2020年青海高原不同纬度地区日照时数变化倾向Tab.2 Variation trend of sunshine hours in different latitudes of Qinghai Plateau from 1961 to 2020

由Mann-Kendall 突变检验对1961—2020 年青海高原不同纬度带日照时数进行的突变分析（图5）可见，32°～33°N、35°～36°N、36°～37°N、37°～38°N、38°～39°N纬度带的Mann-Kendall突变检验UF和UB曲线分别相交于1986、2016、1999、2000、1990 年（r=0.05）。结合滑动T检验分析发现，35°～36°N 纬度带未在2016 年通过检验，故表明其未发生突变。32～33°N、36～37°N、37°～38°N、38°～39°N 纬度带分别在1986、1999、2000、1990 年通过滑动T检验，表明32～33°N、36°～37°N、37°～38°N、38°～39°N 纬度带日照时数分别在1986、1999、2000、1990 年发生突变降低。32°～33°N 纬度带突变前的1961—1986 年青海高原日照时数平均为2496.2 h·a-1，突变后的1987—2020年青海高原日照时数平均为2399.2 h·a-1，变化率达到了-3.9%。36°～37°N纬度带突变前的1961—1999年青海高原日照时数平均为2843.4 h·a-1，突变后的1999—2020年青海高原日照时数平均为2718.6 h·a-1，变化率达到了-4.4%。37°～38°N 纬度带突变前的1961—2000 年青海高原日照时数平均为2997.4 h·a-1，突变后的2000—2020 年青海高原日照时数平均为2855.2 h·a-1，变化率达到了-4.7%。38°～39°N 纬度带突变前的1961—1990 年青海高原日照时数平均为3088.1 h·a-1，突变后的1991—2020年青海高原日照时数平均为2964.1 h·a-1，变化率达到了-4.0%。

图5 1961—2020年青海高原不同纬度地区日照时数Mann-Kendall突变检验Fig.5 Mann-Kendall mutation test of sunshine hours in different latitudes of Qinghai Plateau from 1961 to 2020

3.2.2 不同纬度地区日照时数季节变化特征采用气候倾向率方法对1961—2020 年青海高原不同纬度地区日照时数季节变化趋势分析（表3）可见，春季不同纬度地区日照时数变化趋势均较小，除32°～33°N、37°～38°N 纬度带日照时数呈显著减少趋势外，其余纬度带日照时数基本持平或略微减少。夏季纬度相对较高地区日照时数减少趋势显著大于纬度较低地区，35°N 以上4 个纬度带夏季日照时数变化率分别为-0.38 h·a-1、-0.59 h·a-1、-0.64 h·a-1和-0.59 h·a-1，且均通过了0.01显著性检验，而35°N以下3个纬度带夏季日照时数变化率分别为-0.21 h·a-1、-0.06 h·a-1和-0.21 h·a-1，均未通过显著性检验。秋季不同纬度带日照时数均呈减少趋势，但是减少趋势显著性状况差异较大，纬度较低和纬度较高地区日照时数减少趋势显著大于中纬度地区，34°N 以下纬度带减少变化率均通过了0.05显著性检验，36°N以上纬度带带减少变化率均通过了0.01 显著性检验，其余纬度带减少变化率均未通过显著性检验。冬季不同纬度地区日照时数变化趋势与夏季基本一致，纬度相对较高地区日照时数减少趋势显著大于纬度较低地区，36°～37°N、37°～38°N纬度带冬季日照时数变化率分别为-0.33 h·a-1、-0.22 h·a-1，且均通过了0.01 显著性检验，35°～36°N 纬度带减少变化率通过了0.05 显著性检验，35°N 以下纬度带呈略微减少或增加趋势，且均未通过显著性检验。杜军等［26］研究发现，1971—2019 年羌塘国家级自然保护区年日照时数显著减少，平均每10 a 减少22.8 h，以夏季减少最为明显。自20 世纪90 年代以来，四季日照时数均呈明显减少趋势，仍以夏季减幅最大，该研究结论与本文研究结果高度一致。

表3 1961—2020年青海高原不同纬度地区日照时数季节变化倾向Tab.3 Seasonal variation trend of sunshine hours in different latitudes of Qinghai Plateau from 1961 to 2020

3.3 青海高原不同海拔高度地区日照时数变化特征

3.3.1 不同海拔高度地区日照时数年际变化特征青海高原50个气象观测站点按照海拔高度划分为7个海拔高度带，每个海拔高度间隔500 m（表4）。采用气候倾向率方法对1961—2020 年青海高原海拔高度地区日照时数变化趋势分析看出（图6），海拔相对较低地区日照时数降低趋势显著大于海拔相对较高地区。7 个海拔高度带日照时数变化率分别为-4.60 h·a-1、-3.28 h·a-1、-4.19 h·a-1、-2.43 h·a-1、-1.70 h·a-1、-2.23 h·a-1和-2.23 h·a-1，除4500 m 以上海拔高度带变化率未通过显著性检验外，其余海拔高度带变化率均通过0.05显著性检验，其中2000 m以下、2000～2500 m、2500～3000 m、3000～3500 m 均通过了0.01显著性检验。

表4 1961—2020年青海高原不同海拔高度地区日照时数变化倾向Tab.4 Variation trend of sunshine hours in different altitude areas of Qinghai Plateau from 1961 to 2020

由Mann-Kendall 突变检验对1961—2020 年青海高原不同海拔高度带日照时数进行的突变分析（图6）可见，2000 m 以下、2500～3000 m、3000～3500 m、3500～4000 m、4000～4500 m、4500 m 以上海拔高度带的Mann-Kendall突变检验UF和UB曲线分别相交 于1999、2004、2017、2018、2017、2018 年（r=0.05）。结合滑动T检验分析发现，3000～3500 m、3500～4000 m、4000～4500 m、4500 m 以上海拔高度带均未在2017 年和2018 年通过检验，故表明其未发生突变。2000 m 以下、2500～3000 m 海拔高度带分别在1999 年和2004 年通过滑动T检验，表明2000 m 以下、2500～3000 m 海拔高度带日照时数分别在1999 年和2004 年发生突变降低。2000 m 以下突变前的1961—1999 年青海高原日照时数平均为2595.5 h·a-1，突变后的2000—2020 年青海高原日照时数平均为2461.0 h·a-1，变化率达到了-5.2%。2500～3000 m突变前的1961—2004年青海高原日照时数平均为2976.8 h·a-1，突变后的2005—2020年青海高原日照时数平均为2817.8 h·a-1，变化率达到了-5.3%。

图6 1961—2020年青海高原不同海拔高度地区日照时数Mann-Kendall突变检验Fig.6 Mann-Kendall mutation test of sunshine hours in different altitude areas of Qinghai Plateau from 1961 to 2020

3.3.2 不同海拔高度地区日照时数季节变化特征采用气候倾向率方法对1961—2020 年青海高原不同海拔高度地区日照时数季节变化趋势分析（表5）可见，春季不同海拔高度地区日照时数变化趋势均较小，基本持平或略微减少，除2500～3000 m 海拔高度减少趋势通过0.05 显著性检验外，其余海拔高度带变化趋势均未通过显著性检验。夏季海拔相对较低地区日照时数减少趋势显著大于海拔较高地区，3500 m 以下4 个海拔高度带夏季日照时数变化率分别为-0.53 h·a-1、-0.45 h·a-1、-0.69 h·a-1和-0.40 h·a-1，且均通过了0.01显著性检验，而3500 m以上3 个海拔高度带夏季日照时数变化率分别为-0.18 h·a-1、-0.25 h·a-1和-0.33 h·a-1，但均未通过显著性检验。秋季不同海拔高度带日照时数均呈减少趋势，但是减少趋势显著性状况差异较大，2000 m以下、2500～3000 m、3500～4000 m、4000～4500 m 4个海拔高度带减少变化率均通过了0.01 显著性检验，2000～2500 m 海拔高度带减少变化率通过了0.05 显著性检验，其余海拔高度带减少变化率未通过显著性检验。冬季不同海拔高度地区日照时数变化趋势与夏季基本一致，海拔相对较低地区日照时数减少趋势显著大于海拔较高地区，3000 m 以下3 个海拔高度带夏季日照时数变化率分别为-0.64 h·a-1、-0.39 h·a-1和-0.27 h·a-1，且均通过了0.01 显著性检验，3000～3500 m 海拔高度带减少变化率通过了0.05 显著性检验，3500 m 以上海拔高度带呈略微减少或增加趋势，且均未通过显著性检验。杜军等［26］研究发现，1971—2019 年羌塘国家级自然保护区年日照时数显著减少，平均每10 a 减少22.8 h，以夏季减少最为明显。自20 世纪90 年代以来，四季日照时数均呈明显减少趋势，仍以夏季减幅最大，该研究结论与本文研究结果高度一致。

表5 1961—2020年青海高原不同海拔高度地区日照时数季节变化倾向Tab.5 Seasonal variation trend of sunshine hours in different altitude areas of Qinghai Plateau from 1961 to 2020

4 结论

本文通过选取青海高原50 个气象观测站点1961—2020 年逐月日照时数数据及相关气象要素资料，分析了青海高原整体、不同纬度地区、不同海拔高度地区日照时数时空变化特征，主要得到以下结论：

（1）1961—2020年青海高原年日照时数呈显著降低趋势，变化率为-30.1 h·(10a)-1，且在2004 年发生突变降低。突变前青海高原年日照时数平均为2778.7 h·a-1，突变后平均为2646.6 h·a-1，变化率达到了-4.6%。从空间分布来看，除南部个别站点日照时数持平或略微增加外，其余地区年日照时数均呈显著降低趋势，其中柴达木地区和东部农业区降低趋势最显著。

（2）青海高原高纬度地区年日照时数降低趋势显著大于低纬度地区。32°～33°N、36°～37°N、37°～38°N、38°～39°N 纬度带年日照时数分别在1986、1999、2000、1990 年发生突变降低。从日照时数季节变化来看，春季不同纬度地区日照时数变化趋势均较小；夏季纬度相对较高地区日照时数减少趋势显著大于纬度较低地区；秋季不同纬度带日照时数均呈减少趋势，但是减少趋势显著性状况差异较大，纬度较低和纬度较高地区日照时数减少趋势显著大于中纬度地区；冬季不同纬度地区日照时数变化趋势与夏季基本一致，纬度相对较高地区日照时数减少趋势显著大于纬度较低地区。

（3）青海高原海拔相对较低地区年日照时数降低趋势显著大于海拔相对较高地区。2000 m 以下、2500～3000 m海拔高度带年日照时数分别在1999年和2004 年发生突变降低。从日照时数季节变化来看，春季不同海拔高度地区日照时数变化趋势均较小，基本持平或略微减少；夏季海拔相对较低地区日照时数减少趋势显著大于海拔较高地区；秋季不同海拔高度带日照时数均呈减少趋势，但是减少趋势显著性状况差异较大；冬季不同海拔高度地区日照时数变化趋势与夏季基本一致，海拔相对较低地区日照时数减少趋势显著大于海拔较高地区。