1971—2015年無棣縣日照時數(shù)變化及影響因素分析

徐青文　路淑文　劉樹棣

摘要：根據(jù)無棣國家一般氣象站1971-2015年近45年的日照數(shù)據(jù)資料，利用線性擬合、相關(guān)系數(shù)、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗等方法分析了日照時數(shù)的年、季、月變化規(guī)律，并探討了日照時數(shù)變化與霧日數(shù)、相對濕度、云量的關(guān)系。結(jié)果表明，①無棣縣年日照時數(shù)呈下降趨勢，傾向率為-12.528 h/年。自2001年開始，年日照時數(shù)低于近30年平均值。②日照時數(shù)的季節(jié)變化規(guī)律與年變化規(guī)律一致。其中，春季日照時數(shù)最多，冬季日照時數(shù)最少，秋季日照時數(shù)的減少最顯著。③日照時數(shù)的各月數(shù)值呈減少趨勢，9月日照時數(shù)減少最明顯。④年日照時數(shù)的突變時間為2000年。⑤總云量、霧日數(shù)與年日照時數(shù)、季日照時數(shù)的變化相關(guān)性較強。而相對濕度、低云量的相關(guān)性較弱。⑥無棣縣日照時數(shù)的減少與城市化進程的推進、高樓建筑增多、熱島效應(yīng)增強、汽車、化工廠污染物排放量增加、大氣氣溶膠增加有密切關(guān)系。

關(guān)鍵詞：日照時數(shù)；霧日數(shù)；變化特征

中圖分類號：P468.0+27 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）20-3845-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.20.014

Abstract： According to the sunshine data of the 45 years from 1971 to 2015 provided by National Meteorological Station of Wudi county， linear fitting， correlation coefficient， and Mann-Kendall non-parametric test were adopted to explore the change law of sunshine duration monthly， quarterly and annually， and the relation between the changes of sunshine duration and fog days， relative humidity and cloud cover was discussed. The results showed that， ①The annual sunshine duration of Wudi county showed a downward trend， and the inclination rate was -12.528 h/a. Since 2001， the annual sunshine duration had been lower than the average value of the recent 30 years. ②The quarterly change law of sunshine duration was consistent with the annual change law. The sunshine duration in spring was the longest throughout the year while it was the shortest in winter. The sunshine duration in autumn reduced significantly. ③The monthly sunshine duration showed a decreasing trend， and it decreased most significantly in September. ④The jump time of annual sunshine duration was in 2000. ⑤Total cloud cover and fog days had a strong dependency with annual sunshine duration. While relative humidity and low cloud cover had a weak dependency with annual sunshine duration. ⑥The reduction of sunshine duration in Wudi county was mainly caused by the advancement of urbanization， the increase of high-rise buildings， the enhancement of heat island effect， the aggravation of pollutants emission of vehicles and chemical plants， and the increase of atmospheric aerosol.

Key words： sunshine duration； fog days； change characteristics

日照時數(shù)也稱日照時間，是指太陽每天在垂直于其光線的平面上的輻射強度超過或等于120 W/m2的時間長度。日照是重要的氣象因子，也是可供人類開發(fā)利用的可再生能源。日照的變化對生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟發(fā)展、人類生產(chǎn)活動和動植物生長發(fā)育有重要影響。

國內(nèi)外對日照時數(shù)變化特征及其影響因素的分析已取得了一定的成效。研究表明，近50年來中國日照時數(shù)逐年減少，各地季節(jié)性減幅差異性較大，冬、夏兩季遞減幅明顯大于春、秋兩季，日照時數(shù)減少主要與大氣清潔度有關(guān)[1-3]；曾昭美等[4]研究發(fā)現(xiàn)云是影響中國東南部溫度變化的可能因子，云與日照時數(shù)變化的關(guān)系較為復(fù)雜，日照與氣溫、日較差有極好的線性關(guān)系；石慧蘭等[5]對魯西北52年日照時數(shù)變化趨勢進行分析發(fā)現(xiàn)，日照時數(shù)總體呈減少趨勢，主要是由低云量增加和人類活動特別是工業(yè)污染物排放量增加導(dǎo)致大氣氣溶膠增多所致；覃崢嶸[6]對南寧日照時數(shù)減少的原因進行分析，發(fā)現(xiàn)夏季日照時數(shù)的減少與降水量、廢氣排放總量的關(guān)系。endprint

本研究對山東省無棣縣近45年的日照時數(shù)變化規(guī)律及其與云量、相對濕度、霧日數(shù)的關(guān)系進行分析。

1 數(shù)據(jù)來源與數(shù)據(jù)處理方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

選取無棣國家一般氣象站1971-2015年日照時數(shù)、云量、霧日數(shù)、相對濕度等資料作為研究對象，其中，由于臺站觀測項目的調(diào)整，云量觀測于2014年停止，故云量統(tǒng)計選取1971-2013年的數(shù)值。對日照時數(shù)的年、季、月數(shù)值進行統(tǒng)計分析，并結(jié)合云量、霧日數(shù)、相對濕度的變化規(guī)律，探討影響日照時數(shù)變化的有關(guān)因素。考慮到清晨多霧、邊界層多逆溫及人類活動的影響，本研究的云量數(shù)據(jù)選取每日14：00的總云量。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

1.2.1 線性擬合 利用線性回歸擬合對日照時數(shù)、云量、霧日數(shù)、相對濕度等氣象要素進行趨勢分析[7-9]。利用最小二乘法對資料數(shù)據(jù)進行線性擬合，得出線性回歸方程，從而得出描述數(shù)據(jù)變化的一元線性方程。

計算過程中，以時間年份為自變量，以所研究的氣象要素為因變量，建立線性回歸方程y（t）=ax+b，其中，a為氣象要素的變化趨勢，即傾向率，若a>0，則表示氣象要素呈上升趨勢；若a<0，則表示氣象要素呈下降趨勢。|a|的數(shù)值代表了上升或下降趨勢變化的速率。

1.2.2 相關(guān)系數(shù) 相關(guān)系數(shù)由卡爾·皮爾森（Karl Pearson）在19世紀80年代提出，又稱線性相關(guān)系數(shù)、皮氏積距相關(guān)系數(shù)，用于衡量隨機變量之間的線性相關(guān)程度，通常用r來表示[10-12]。當|r|≥0.8時，可認為變量之間高度相關(guān)；當0.5≤|r|<0.8時，可認為變量之間中度相關(guān)；當0.3≤|r|<0.5時，可認為變量之間低度相關(guān)；當|r|<0.3時，說明兩個變量之間的相關(guān)程度極弱。

1.2.3 Mann-Kendall非參數(shù)檢驗 使用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗來檢測氣象要素的突變性。突變指的是相對穩(wěn)定態(tài)下的不連續(xù)跳躍，氣象學(xué)范疇內(nèi)，在天氣不斷變化的過程中存在的不連續(xù)性即為突變。造成突變的原因有兩種，一種是天氣系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)的沒有外界影響的狀態(tài)下的突變，這種突變通常會有周期性的變化；另一種是由于外力作用影響下的突變，如人為遷站而導(dǎo)致的氣象數(shù)據(jù)突變。Mann-Kendall非參數(shù)檢驗方法可以用于檢測氣象因子的變化趨勢，也可以對氣象因子的突變點進行分析檢驗[13-17]。

通過分析UFk、UBk序列可以得出氣象要素的變化趨勢，確定突變的時間點與突變區(qū)域。若UFk數(shù)值大于0，則表明氣象要素為上升趨勢，反之則為下降趨勢，當二者都超過臨界直線時，表明上升或下降的趨勢較為明顯。若二者的曲線存在交點，且交點在臨界直線之間，那么交點所對應(yīng)的時間就是突變開始的時間。

2 日照時數(shù)變化特征

2.1 年變化特征

由圖1日照時數(shù)年變化曲線可知，無棣縣年日照時數(shù)呈波動性變化，極高值2 936.6 h出現(xiàn)在1995年。年日照時數(shù)總體呈下降趨勢，傾向率為-12.528 h/年，通過了0.01顯著性水平檢驗。從2001年開始，日照時數(shù)明顯少于無棣縣近30年平均值2 633.1 h，極低值2 176.5 h，就出現(xiàn)在這一時期。

2.2 季節(jié)變化特征

無棣縣各季節(jié)日照時數(shù)的逐年變化見圖2。從圖2中可以看出，1971-2015年45年里無棣縣日照時數(shù)的季節(jié)變化趨勢與年日照時數(shù)變化一致，呈減少趨勢。其中，秋季減少最為明顯，傾向率為-4.41 h/年；春季減少程度最弱，傾向率為-1.68 h/年。日照時數(shù)的季節(jié)分布也并不均勻，春季日照時數(shù)最多，冬季日照時數(shù)最少。其中，春季平均日照755.02 h，夏季平均日照707.38 h，秋季平均日照625.62 h，冬季平均日照535.94 h。冬季白晝時間最短，是冬季平均日照時數(shù)在四季中最少的主要原因之一。

2.3 月變化特征

從表1中可以看出，1971-2015年無棣縣45年各月平均日照時數(shù)中，5月日照時數(shù)最多，為280.27 h。進入6月以后，日照時數(shù)減少，8月以后，日照時數(shù)增加。9月日照時數(shù)減少最為明顯，傾向率為 -2.01 h/年，符合無棣縣日照時數(shù)的季節(jié)分布規(guī)律。且每年各月的日照時數(shù)也都呈減少趨勢，與日照時數(shù)的年變化規(guī)律一致。

由此可以看出，日照時數(shù)的月變化規(guī)律與太陽高度角各月的變化規(guī)律有密切關(guān)系[18，19]。

2.4 年日照時數(shù)的突變性分析

利用非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，對無棣縣1971-2015年45年的年日照時數(shù)進行突變檢驗，給定顯著性水平α=0.05，即μ0.05=±1.96。由圖3中曲線變化趨勢可以看出，自1971年開始，年日照時數(shù)呈下降趨勢，且UF與UB曲線在臨界值之間有一個交點，對應(yīng)的時間為2000年，即年日照時數(shù)的突變發(fā)生在2000年。根據(jù)統(tǒng)計資料，以突變時間點2000年為界限，1971-2000年，平均日照時數(shù)為2 760.66 h，高于近30年平均日照時數(shù)2 633.1 h，2001-2015年，平均日照時數(shù)為2 350.76 h，減少了409.9 h。

3 日照時數(shù)變化的影響因子分析

3.1 云量、霧、相對濕度對年日照時數(shù)變化的影響

日照時數(shù)的變化受多種氣象因子的影響，云量、霧、相對濕度等都對日照的長短有所影響。由圖4可知，1971-2010年，無棣縣的霧日數(shù)與總云量呈增長趨勢。其中，霧日數(shù)的增長為0.336 d/年，總云量的增長為0.047 8成/年。

經(jīng)計算，總云量的變化與日照時數(shù)呈顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.86，通過了0.01顯著性水平檢驗。由于自動氣象站建立在縣城內(nèi)，隨著城市化進程的推進，縣城內(nèi)的高層建筑變多，熱島效應(yīng)導(dǎo)致對流云增加，且由于人類活動對大氣的影響，總云量在不斷增加，使得到達地面的陽光被削弱，從而降低了日照時數(shù)。endprint

近幾年，隨著無棣縣城市發(fā)展進程的加速，空氣污染比以前更為嚴重，霧日數(shù)也隨之不斷增加。霧日數(shù)的變化與日照時數(shù)變化的相關(guān)系數(shù)為-0.43，也呈負相關(guān)關(guān)系，通過0.01顯著性水平檢驗。出現(xiàn)霧時，空氣中的水分含量增加，大氣透明度降低，陽光的穿透力也隨之下降，日照時數(shù)減少，霧日數(shù)的增多是日照時數(shù)減少的主要因素之一。

其中，低云量以及相對濕度的變化與日照時數(shù)變化的相關(guān)系數(shù)分別為0.26、0.24，相關(guān)性較弱，在文中暫不做分析。

3.2 云量、霧、相對濕度對季節(jié)日照時數(shù)變化的影響

對總云量的季變化值進行線性擬合發(fā)現(xiàn)，45年中，總云量的季節(jié)變化呈增長趨勢，秋季增長最快，傾向率為0.167 4成/年。且日照時數(shù)的季節(jié)變化與總云量呈顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.70左右，均通過了0.01顯著性水平檢驗，其中夏秋兩季相關(guān)系數(shù)高達0.85。由此可知，總云量是影響無棣縣日照時數(shù)季節(jié)變化的主要因素。

通過對霧日數(shù)進行線性擬合可知，霧日數(shù)呈逐年增長趨勢，45年中，秋季增長最為明顯，傾向率為0.167 9 d/年；春季傾向率最小，為0.047 8 d/年，且冬季霧日數(shù)最多，為368 d，春季霧日數(shù)最少，為62 d。這與日照時數(shù)的季節(jié)變化規(guī)律一致。霧日數(shù)的季節(jié)變化也是影響日照時數(shù)季節(jié)變化的氣象因素之一，二者呈負相關(guān)。其中，春、秋兩季相關(guān)系數(shù)為0.50，通過了0.01顯著性水平檢驗，夏、冬兩季相關(guān)系數(shù)為0.40，通過了0.05顯著性水平檢驗。

其中，低云量、相對濕度的季節(jié)變化與日照時數(shù)季節(jié)變化的相關(guān)性較弱，暫不做分析。相對濕度的大小影響著霧日數(shù)的多少，進而會影響日照時數(shù)的變化，但相關(guān)性并不明顯。

綜上所述，春季風(fēng)大，相對濕度較低，為55.84%，為四季最低值，不利于霧的形成，且降水較少，晴天多，云層少且薄，大氣對太陽輻射的削弱程度較弱，到達地面的太陽輻射就相對較強，因此，春季無棣縣的日照時數(shù)最長。

夏季，陰雨天氣較多，云層厚且多，總云量、低云量數(shù)值比其他三季都多，分別為20.50、8.76成/年，云對太陽輻射的削弱作用強，到達地面的太陽輻射就弱，因而夏季日照較春季少。但是，夏季霧日數(shù)較少，只有106 d，比秋季、冬季霧日數(shù)的一半還要少。再者，夏季白晝較秋、冬季時間長，日照時數(shù)也就比較長。

秋季，霧日數(shù)、總云量的增加程度是四季之最。20世紀70年代，秋季霧日數(shù)平均為4 d/年，而2006-2015年，霧日數(shù)平均為9.7 d/年，霧日數(shù)的增長較為迅速，共有291 d。

冬季，受全球氣候變暖的影響，降雪日數(shù)變少。再加上大風(fēng)天氣較少，不利于大氣污染物擴散，霧日數(shù)增多，導(dǎo)致冬季日照時數(shù)減少。

可見，秋冬季節(jié)，隨著無棣縣城市化進程的推進，建筑物的增多，城市熱島效應(yīng)增強，且汽車數(shù)量的增加，多個化工廠的建立，導(dǎo)致污染物排放較多，且污染物擴散不利、大氣氣溶膠增加，使得秋冬季節(jié)霧、霾日數(shù)增多，從而導(dǎo)致日照時數(shù)不斷減少。

3 小結(jié)

1）年日照時數(shù)呈下降趨勢，傾向率為-12.528 h/年，極高值為2 936.6 h，出現(xiàn)在1995年。自2001年開始，年日照時數(shù)低于30年平均值，極低值 2 176.5 h出現(xiàn)在這一時期。

2）日照時數(shù)的季節(jié)變化規(guī)律與年變化規(guī)律一致。其中，春季日照時數(shù)最多，冬季日照時數(shù)最少。且秋季日照時數(shù)的減少最顯著。

3）日照時數(shù)的各月數(shù)值呈減少趨勢，9月日照時數(shù)減少最明顯，傾向率為-2.01 h/年。日照時數(shù)的月變化值與太陽高度角的變化規(guī)律有密切關(guān)系。

4）年日照時數(shù)的突變時間為2000年，2000年以前，平均日照時數(shù)為2 760.66 h，2000年以后，平均日照時數(shù)減少了409.9 h，變?yōu)? 350.76 h。

5）總云量、霧日數(shù)與年日照時數(shù)、季日照時數(shù)的變化相關(guān)性較強。而與相對濕度、低云量的相關(guān)性較弱。

6）春季，風(fēng)力較大，相對濕度為55.84%，為四季最低值，不利于霧形成，且降水較少，晴天較多，大氣對太陽輻射削弱程度低，因此，春季日照時數(shù)最長。

7）夏季，陰雨天較多，云層厚，大氣對太陽輻射的削弱程度大，導(dǎo)致日照較少，但由于夏季霧日數(shù)較少且白晝時間長，日照時數(shù)也就比較多。

8）45年中，秋、冬季節(jié)，霧日數(shù)較多，分別為291、368 d，是夏季霧日數(shù)的一倍多。秋、冬季節(jié)降雨、降雪天氣較少，大風(fēng)天氣也相對較少，不利于大氣污染物的擴散，導(dǎo)致日照時數(shù)較少。

9）無棣縣日照時數(shù)的減少與城市化進程的推進、高樓建筑增多、熱島效應(yīng)增強、汽車、化工廠污染物排放量增加、大氣氣溶膠增加有密切關(guān)系。

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