近54年羅城日照變化特征及其影響因子分析

黃肖寒,楊 睿,賀春江

(1.河池市氣象局,廣西河池 547000;2.西安市氣象局,西安 710016)

近54年羅城日照變化特征及其影響因子分析

黃肖寒1,楊 睿2,賀春江1

(1.河池市氣象局,廣西河池 547000;2.西安市氣象局,西安 710016)

基于廣西羅城氣象站1958—2011年的觀測資料,采用累積距平、Manna-Kendall檢驗法、Morlet小波分析等方法,分析了羅城日照時數(shù)年際和四季變化、突變分析以及周期性變化特征,并對影響日照的氣象、非氣象因子進行了分析。結(jié)果表明:廣西羅城年日照時數(shù)有下降趨勢,下降傾向率為31.98h/10a,變化幅度較大,峰值和谷值相差786.4h;日照時數(shù)還存在著明顯的季節(jié)差異,春、夏季變化較明顯,秋、冬季次之;年日照時數(shù)在1991年發(fā)生了由多到少的突變;54a日照時數(shù)存在多個時間尺度變化規(guī)律,在25a、15a尺度上,顯示出強周期位相結(jié)構(gòu);同時,羅城全年、四季的日照時數(shù)與氣象因子的相關(guān)性存在差異。

日照變化特征;線性趨勢;Manna-Kendall法;小波分析;廣西羅城

日照是氣候變化的重要因素之一,日照時數(shù)的變化特征與當(dāng)?shù)氐臍夂蜃兓闆r、能源的開發(fā)與利用、農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)以及人類活動密切相關(guān)。深入開展日照時數(shù)分布規(guī)律和變化趨勢研究,對當(dāng)?shù)氐馁Y源利用、城鎮(zhèn)規(guī)劃建設(shè)、合理布局農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等具有較大的參考價值和現(xiàn)實意義。近年,隨著全球氣候變化研究的深入開展,廣西各地區(qū)的日照時數(shù)的變化趨勢已引起很多學(xué)者的關(guān)注。覃崢嶸[1]分析了南寧日照時數(shù)減少的氣候變化特征,找出了夏季日照時數(shù)與降水量、廢氣排放總量的關(guān)系。梁瓊芳[2]分析了百色市近58年日照時數(shù)的氣候變化特征,發(fā)現(xiàn)百色市各季中夏季日照時數(shù)減少最多,冬季減少最緩,年日照時數(shù)在1980年發(fā)生了明顯的突變現(xiàn)象。這些分析結(jié)果與廣西平均的日照時數(shù)變化特征是一致的[3]。

羅城縣位于廣西地區(qū)北部、河池市東部,地處低緯,屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。在全球氣候變暖的大背景下,羅城縣日照時數(shù)也發(fā)生了相應(yīng)的變化。雖然已有學(xué)者[4]對羅城縣日照時數(shù)年際變化、季節(jié)特征進行線性趨勢分析,但是缺少對日照時數(shù)的周期性、突變時間等進行更深入的分析。鑒于此,本文在研究羅城縣日照時數(shù)年際變化、季節(jié)變化的基礎(chǔ)上,運用Manna-Kendall法找出年日照時數(shù)突變的時間點,采用Morlet小波分析方法找出年日照時數(shù)的周期變化特征,并找出影響羅城日照時數(shù)的氣象因子,對可能的影響因素進行了相關(guān)性分析,找出日照時數(shù)變化的可能原因,以期為合理布局農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、開發(fā)旅游資源、城鎮(zhèn)規(guī)劃建設(shè)等提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料選取與方法介紹

以羅城縣氣象觀測資料為基礎(chǔ),選取1958—2011年日照時數(shù)、降水、相對濕度、氣溫和水汽壓資料序列作為研究對象,對該地區(qū)的年日照時數(shù)變化特點進行分析。對春、夏、秋、冬進行氣象學(xué)劃分,即3—5月為春季,6—8月為夏季,9—11月為秋季,12月—次年2月為冬季[]。

日照時數(shù)的變化趨勢采用線性趨勢分析[7];年日照時數(shù)的周期性分析采用小波分析法,該方法可以有效地從信號序列中提取有用信息,然后可以對信號進行多尺度細化分析。本文選用非正交的Morlet小波作為基函數(shù)進行小波變換[8],它的實頻兩域都具有很好的局部性。

利用累積距平檢驗方法[8]判斷年日照時數(shù)階段性變化,它是一種由曲線直觀判斷變化趨勢的方法,由曲線明顯的上下起伏,可以診斷出發(fā)生突變的大致時間。年日照時數(shù)的突變檢測方法采用Manna-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計檢驗法[8],即通過繪制UF和UB曲線,找出突變的開始時間,并指出突變區(qū)域。該方法計算簡單,可以明確突變開始的時間和區(qū)域,不易受異常值的干擾。

2 日照時數(shù)變化特征

2.1 年際變化

圖1數(shù)據(jù)分析表明,1958—2011年期間,羅城年日照時數(shù)有下降趨勢,下降傾向率為31.98h/10a,相關(guān)系數(shù)為-0.2853。日照時數(shù)多年平均值1324.97h,年日照時數(shù)最多的1979年(1634.6h)和最少的1997年(848.2h)兩者相差786.4h,為多年平均值的59.35%。1977—1990年,羅城年日照時數(shù)偏多,年日照時數(shù)均大于多年平均值。20世紀90年代以來,日照時數(shù)明顯減少,僅2004、2009、2010、2011年年日照時數(shù)偏多,其他年份均偏少。

圖1 1958—2011年廣西羅城年日照時數(shù)曲線圖(粗直線為趨勢線,虛線為54a平均值)

2.2 季節(jié)變化

羅城各季日照時數(shù)的年際變化存在著明顯差異,近54a來,各季節(jié)日照時數(shù)總量均呈下降趨勢(圖2),以春、夏較為明顯,秋、冬季次之,各季節(jié)日照時數(shù)下降時段存在一定的差異。春季日照時數(shù)下降時段為1988—2007年,夏季日照時數(shù)下降時段為1991—2010年,秋季日照時數(shù)下降時段為1993—2008年,冬季日照時數(shù)波動性強,下降時段不明顯。1988—1990年間日照時數(shù)年總量減少的主要貢獻者是春季, 1991—1992年間日照時數(shù)年總量減少的主要貢獻者是春季、夏季,1992—2007年間日照時數(shù)年總量減少的主要貢獻者是春季、夏季、秋季。各季節(jié)日照時數(shù)最低值、最高值出現(xiàn)的年份不同。春季最低值、最高值分別出現(xiàn)在2005年和1963年;夏季最低值、最高值分別出現(xiàn)在1959年和1988年;秋季最低值、最高值分別出現(xiàn)在1997年和1978年;冬季最低值、最高值分別出現(xiàn)在1997年和1979年。

2.3 突變分析

年日照時數(shù)累積距平(圖3)1958—1990年為正距平,呈增加趨勢,而1991—2011年累積距平為負距平,呈減少趨勢。分析表明年日照時數(shù)歷經(jīng)了1958—1990年的偏多期、1991—2011年的偏少期。

圖2 1958—2011年廣西羅城各季節(jié)日照時數(shù)距平變化特征(實線為5a滑動平均值)

圖3 1958—2011年廣西羅城年日照時數(shù)累積距平值

為了分析年日照時數(shù)突變,利用Manna-Kendall檢驗法對1958—2011年廣西羅城年日照時數(shù)序列進行突變分析 (圖4),給定顯著性水平0.05臨界線值為1.96。由UF曲線可見, 1988年以來,年日照時數(shù)有明顯下降的趨勢。圖中在顯著性水平0.05的臨界線之間,UF和UB曲線在1991年出現(xiàn)一個交點,表明年日照時數(shù)在1991年發(fā)生了由多到少的突變。雖然年日照時數(shù)總的趨勢是下降的(圖1),但1991年以前是在平均值以上的范圍內(nèi)下降,而1991年以后是在平均值以下的范圍內(nèi)下降。基于年日照時數(shù)序列數(shù)據(jù),計算得到:日照時數(shù)54a平均值為1324.97h。1958—1990年間,年平均時數(shù)為1404.17h,比平均值偏多約6%;1992—2011年,年平均時數(shù)為1205.26h,比平均值偏少約9%。

圖4 1958—2011年廣西羅城年日照時數(shù)突變判別曲線

2.4 周期分析

Morlet小波系數(shù)的實部時頻變化圖中,在較長時間尺度上,等值線稀疏;較短時間尺度上,等值線密集。正值區(qū)域表示日照時數(shù)偏多,負值區(qū)域表示日照時數(shù)偏少[9]。

圖5中,54a日照時數(shù)存在多個時間尺度變化規(guī)律。在25a尺度上,顯示出強周期位相結(jié)構(gòu),主要存在3個時間段的變化,正負位相以12a左右的周期震蕩;1958—1973年和1991—2003年為正位相,表示這段時間年日照時數(shù)較多;而1974—1988年為負位相,表示這段時間年日照時數(shù)較少。且等值線稀疏變化不大,說明日照時數(shù)的變化相對平穩(wěn)。而在15a左右的時間尺度上,20世紀60年代到90年代有4個周期最明顯,日照時數(shù)2次增加,2次減少。從圖中還可以看出,在6a左右時間尺度上,明顯存在1次日照時數(shù)減少。

圖5 1958—2011年廣西羅城年日照時數(shù)小波變換分布圖

3 成因分析

3.1 影響日照時數(shù)的主要氣象因子

影響日照時數(shù)的氣象因子很多,云量是影響日照時數(shù)變化的重要因子。相關(guān)的云量分析的研究已很多,龍紅、Stanhilal等的研究中已進行詳細闡述[10-11]。本文分析水汽壓、降水量和相對濕度對日照時數(shù)的影響,其中水汽壓為14:00觀測值。分析顯示:年、季日照時數(shù)均與水汽壓、降水量、相對濕度呈負相關(guān)(表1)。

一年四季,羅城夏長冬短,冬無嚴寒,夏少酷暑,雨量多,光照足。1958—2011年,水汽壓以0.017mm/10a的速率下降,相對濕度以0.275%/10a的速率下降,降水量以2.315mm/10a的速率增多。全年日照時數(shù)的變化趨勢與水汽壓、降水量、相對濕度均有關(guān)。

春季,羅城常有陰雨、暴雨、強對流、寒潮等天氣,雨日較多,濕度較大。春季年日照時數(shù)和濕度的相關(guān)系數(shù)值為-0.5697,呈顯著相關(guān)關(guān)系。1958—2011年,相對濕度以0.179%/ 10a的速率增加,與降水量、水汽壓的上升趨勢相比,變化顯著。因此,春季的日照時數(shù)的變化趨勢主要與相對濕度有關(guān)。

夏季,受鋒面低槽、熱帶氣旋、季風(fēng)云團等天氣系統(tǒng)的影響,羅城常有高溫、暴雨、雷暴等天氣。高溫酷暑天氣的日照時數(shù)較多,暴雨、雷暴天氣的降水量大,相對濕度較大,日照時數(shù)相對較少。相對濕度對夏季日照時數(shù)的影響較顯著,水汽壓和降水量與日照時數(shù)的負相關(guān)系數(shù)也在0.3以上。1958—2011年,降水量以9.678 mm/10a的速率增加,水汽壓以0.012hPa/10a的速率上升,與降水量的上升趨勢相比,變化不顯著。因此,夏季的日照時數(shù)主要與濕度、水汽壓的變化有關(guān)。

表1 1958—2011年廣西羅城年/季日照時數(shù)與氣象因子的相關(guān)系數(shù)

表2 1958—2011年廣西羅城年/季氣象因子趨勢系數(shù)

秋季,羅城易發(fā)生干旱,降水量的多少,在很大程度上影響日照時數(shù)的多寡。秋季日照時數(shù)和相對濕度、降水呈較明顯負相關(guān)關(guān)系。1958—2011年,降水量以5.893mm/10a的速率增多,相對濕度以0.365%/10a的速率下降。秋季的日照時數(shù)主要與相對濕度、降水量的變化有關(guān),與降水量的大幅變化趨勢關(guān)系較密切。

冬季,羅城常有冷空氣帶來大風(fēng)、寒潮、低溫、霜凍等災(zāi)害性天氣,降水日數(shù)較少,空氣干燥。冬季日照時數(shù)和水汽壓、降水量、相對濕度呈負相關(guān)關(guān)系。1958—2011年,水汽壓以0.058 mm/10a的速率增多,相對濕度以0.804%/ 10a的速率下降,降水量以4.532mm/10a的速率增多。因此,冬季的日照時數(shù)主要與水汽壓、相對濕度的變化有關(guān)。

3.2 影響日照時數(shù)的非氣候因素

20世紀90年代之前,廣西羅城縣的氣象探測環(huán)境較好。90年代之后,隨著地方區(qū)域的規(guī)劃發(fā)展需要,觀測場所在地由城郊變?yōu)榭h中心地帶,周圍的樓房也逐年增高增多,氣象探測環(huán)境也隨之惡化。由于觀測場周圍的高大建筑擋住了部分陽光,致使觀測場的日照儀器記錄到的實際日照時數(shù)減少。在一定程度上,非氣候因素致使觀測到的日照時數(shù)減少,這與圖1的年日照時數(shù)變化趨勢分析結(jié)果吻合。

4 結(jié)論

(1)1958—2011年,羅城日照時數(shù)呈下降趨勢,其中變化傾向率為31.98h/10a。日照時數(shù)54a平均值1324.97h,年日照時數(shù)最多的1979年(1634.6h)和最少的1997年(848.2 h)兩者相差786.4h,為多年平均值的59.35%。1991年是日照時數(shù)發(fā)生由多到少突變的時間點。

(2)1958—2011年,羅城各季節(jié)日照時數(shù)總量均呈下降趨勢,以春、夏較為明顯,秋、冬季次之。同時,54年日照時數(shù)存在多個時間尺度變化規(guī)律,在25a、15a尺度上,顯示出強周期位相結(jié)構(gòu)。

(3)年、季日照時數(shù)與水汽壓、降水量、相對濕度均呈負相關(guān),但存在差異。全年日照時數(shù)的變化趨勢與水汽壓、降水量、相對濕度均有關(guān);春季主要與相對濕度有關(guān);夏季主要與相對濕度、水汽壓有關(guān);秋季主要與相對濕度、降水量有關(guān),與降水量的大幅變化趨勢關(guān)系較密切;冬季主要與相對濕度、水汽壓有關(guān)。

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1006-4354(2014)01-0013-05

2013-09-22

黃肖寒(1987—),女,壯族,廣西都安人,碩士,助理工程師,從事業(yè)務(wù)管理以及氣候變化研究。