近57年川東區域日照變化特征分析

周示凱，張涵斌，李 靖

(1.中國民用航空日喀則站，西藏日喀則 857000；2.中國氣象局北京城市氣象研究所，北京 100089；3.中國衛星海上測控部，江蘇江陰 214431)

氣候變化已經成為全球科學家普遍關注的一個熱點問題。氣候變化涉及到多個方面的氣候要素，隨著研究的不斷深入，人們逐漸對太陽輻射產生了越來越多的關注。太陽輻射(主要指到達地面的太陽輻射)是地球表層上的物理、生物和化學過程的主要能源，也是生態系統過程模型、水文模擬模型和生物物理模型研究中必要參數[1]，對太陽輻射的研究意義也顯得越來越重要。

對太陽輻射能量的研究主要針對日照時數和日照百分率2個重要因子。日照時數反映了一地接受太陽輻射時間的長短，是太陽輻射最直接的表現，是氣候形成的重要因素，也是表征一地氣候變化的主要氣象要素之一。研究日照時數變化及時空分布規律，不僅有助于了解某地區氣候變化的規律，還可以通過日照時數的變化狀況，間接推斷該地區云的變化以及大氣成分的變化情況[2]。國內外很多學者針對日照變化規律及其原因進行了研究，任國玉等[3]研究發現，近50年全國平均日照時數呈下降趨勢，陳志軍等[4]在研究重慶日照時數變化中得出重慶市日照時數在40年間發生明顯減少，并且總結出其變化與云量有明顯的負相關關系。伍紅雨等[5]分析指出，近48 年華南大部分地區日照時數的顯著下降與總云量的明顯增加密切相關。川東地區地理位置較為獨特，在氣候變化的大背景下，該地區日照時數和日照百分率也發生了相應的變化。筆者選用近57年來川東達州、巴中、南充3站以及川中東部的綿陽站日照時數、日照百分率資料,采用線性傾向估計法、Mann-Kendall(M-K)檢驗法，分析了川東地區日照變化特征,為研究川東氣候變化提供參考。

1　資料與方法

1.1研究區概況四川盆地地勢西高東低,東部是川東盆地，典型的城市有巴中、達州、南充等。該地區群山環繞，氣候特征也比較鮮明，具有冬暖夏熱的特點，且多云霧多降水，空氣濕度較大，而日照較少。盆地是全國日照時數最少的區域，全年日照時數為900～1 600 h。

1.2資料選取選取的資料為達州、巴中、南充3個臺站57年來(1954—2010年)各月的日照時數與日照百分率，同時選取了四川中東部地區的綿陽站作為對比參考站，來突出川東地區氣候變化區別于其他地區的區域性特征。

1.3研究方法

1.3.1線性傾向估計。對于氣候時間序列的分析診斷，應首先關注它的趨勢特征，另外，該序列是否存在突變特征也值得研究。該研究采用的分析趨勢的方法是線性傾向估計法[6]。

用xi表示某一氣候變量序列，樣本量為n，用ti表示與樣本xi所對應的時間，建立xi與ti之間的一元線性回歸方程：

xi=a+bti(i=1,2,…,n)

(1)

其中，a是回歸常數，b是回歸系數。對于某一氣候變量x的變化趨勢，可以根據回歸系數b來判斷。當b>0時，說明x隨時間t增加而增加；反之，說明x隨時間t的增加而減少。一般將b稱作傾向值，其絕對值的大小反映了增加或減少的傾向程度，統計上將這種方法稱為線性傾向估計[6]。相關系數r表示變量x與時間t之間線性相關的密切程度。

為了確定回歸方程是否有統計意義，需要檢驗時間序列的顯著水平，該研究采取對回歸方程的F檢驗，因為對一元線性回歸來說，回歸方程的檢驗和相關系數的檢驗是一致的，所以統計量F的計算，可以由相關系數得到，即

(2)

給定了顯著性水平α，查自由度為(1，n-2)的F分布臨界值表，可得臨界值Fα，當F>Fα，則認為回歸方程是顯著的，否則不顯著。

1.3.2曼-肯德爾(Mann-Kendall)檢驗法。采用氣候統計中較為常用的Mann-Kendall (M-K)檢驗法[6]進行突變檢驗。該方法計算步驟為：首先計算順序時間序列的秩序列Sk，從而計算出統計量UFk；其次計算逆序時間序列的秩序列Sk，也計算出統計量UBk；確定給定顯著性水平的臨界值，如α=0.05，那么臨界值U=±1.96；最后將UFk和UBk2個統計量序列曲線和臨界值(±1.96)2條直線繪在同一張圖上。若UFk或UBk的值大于0，則表明序列呈上升趨勢，小于0則表明呈下降趨勢，若超過臨界線的范圍，表明該上升或下降趨勢是明顯的，確定為出現突變的時間區域。如果UFk和UBk2條曲線有交點，且交點位于臨界線(±1.96)之間，那么交點對應的時刻便是該時間序列的突變開始時間[6]。

2　結果與分析

2.1日照時數變化特征

2.1.1年際變化。從圖1a可以看出，近57年達州地區逐年日照時數變化總體呈下降趨勢，氣候傾向率為-8.147 h/a，1954—1980年為日照時數偏多期,多年在平均值以上，1977年達最大值，達1 394.00 h，而1980年以后年日照時數開始明顯減少，只有少數年份超過了平均值，年日照時數變化較大，最低值出現在1993年，為711.25 h。根據R2=0.459，帶入公式(2)得F=4.66，而根據F分布表可知，Fα=4.03，則F>Fα，表明該序列是顯著的。

從圖1b～d可看出，近57年巴中、南充、綿陽地區日照時數也呈減少趨勢，1954—2010年的日照時數平均值分別為1 134.55、1 002.67和978.96 h，氣候傾向率分別為-3.088、-5.973和-5.385 h/a，其中巴中下降的趨勢不如達州、南充、綿陽。將逐年日照時數與多年平均值對比發現，近57年來巴中、南充和綿陽日照時數也可分為2個階段，20世紀70年代末之前為日照時數偏多期，多數年份位于平均值之下；70年代末后為日照時數偏少期，其各年日照時數均在平均值以下或在平均值附近波動，利用線性傾向估計，得到F值分別為10.09、27.40、24.20，而Fα=4.02，則F>Fα，表明這3個地區日照時數序列均通過了顯著性檢驗。

2.1.2季節變化。從表1可以看出，近57年來達州、巴中、南充和綿陽4個測站春、夏、秋、冬四季的日照時數均呈減少趨勢，且各季氣候傾向率的大小具有較大差異，其中夏季和冬季的氣候傾向率明顯小于春秋季，如達州地區，夏季和冬季傾向率分別為-10.830和-8.824 h/a，而春秋季氣候傾向率分別為-3.920和-3.960 h/a，夏季比春季的傾向率低了6.910 h/a;其他3個地區情況也類似，夏季和冬季的氣候傾向值明顯小于春季和秋季；對于綿陽地區，春季和夏季的氣候傾向率差異更大，夏季比春季的傾向率低9.463 h/a。總體上，4個地區冬夏兩季日照時數的下降趨勢更加明顯，對比各地區全年日照時數變化特征，說明夏季和冬季日照時數的減少在全年日照時數減少的趨勢中占主要部分。

圖1　1954—2010年達州(a)、巴中(b)、南充(c)和綿陽(d)日照時數年際變化Fig.1　Annual variation trend of sunshine hours for Dazhou(a),Bazhong(b),Nanchong(c) and Mianyang(d) from 1954 to 2010

綜上所述，川東的達州、巴中、南充3站日照時數的年際、季節變化趨勢與綿陽地區的變化較為一致，同時與陳志軍等[4]、陳碧輝等[7]對重慶、成都地區日照時數的變化趨勢所得的研究結果基本一致，年、季節日照時數均是減少的，且冬夏季的減少趨勢比春秋季更明顯。

表11954—2010年4個測站不同季節日照時數氣候傾向率

Table1Climatictendencyrateofsunshinehoursforfourregionsduringdifferentseasonsfrom1954to2010h/a

季節Season達州Dazhou巴中Bazhong南充Nanchong綿陽Mianyang春季Spring-3.920-1.196-4.581-1.737夏季Summer-10.830-3.484-8.368-11.200秋季Autumn-3.960-0.453-2.863-3.702冬季Winter-8.824-6.424-7.810-6.027

2.2日照百分率變化特征

2.2.1年際變化。從圖2可以看出，1954—2010年達州站年日照百分率總體呈下降趨勢，氣候傾向率為-0.191%/a,1980年之前總體高于平均值28.094%，而1980年后有很少年份高于平均值，僅1986年達28.17%，1995年為29.42%，1997年為28.08%，其他年份均低于平均值。用線性傾向估計對達州日照百分率序列進行顯著性檢驗，求得R2=0.387，F=34.70，Fα=4.03，顯然F>Fα,回歸方程是顯著的。近57年來巴中、南充和綿陽地區日照百分率總體趨勢也是下降的，氣候傾向率分別是-0.070、-0.173和-0.153%/a，其中巴中地區與其他3個地區相比較，下降趨勢不明顯。總體上，近57年來巴中、南充和綿陽地區日照百分率趨勢變化也可以大致分為2個階段，1980年之前各年日照百分率較高，巴中最高值出現在1977年，達36.41%，南充最高值出現在1978年，達36.00%，綿陽最高值出現在1969年，達34.41%；到1980年之后日照百分率均較低，巴中1996年低至20.91%，南充1999年低至17.10%，綿陽1991年低至17.60%。分別對巴中、南充和綿陽日照百分率序列進行顯著性檢驗，得出巴中、南充和綿陽的F值分別為7.43、33.50、45.90，而Fα=4.03，表明這3個站的線性回歸方程也是顯著的。

圖2　1954—2010年達州(a)、巴中(b)、南充(c)和綿陽(d)日照百分率年際變化Fig.2　Annual variation trend of sunshine percentage for Dazhou(a),Bazhong(b),Nanchong(c) and Mianyang(d) from 1954 to 2010

2.2.2季節變化。從表2可以看出，近57年來達州、巴中、南充和綿陽春、夏、秋、冬四季的日照百分率多數也呈現出減少趨勢，而對于巴中站，春季日照百分率氣候傾向率為正值(0.001%/a)，說明巴中地區春季日照百分率存在略微上升趨勢。與日照時數各季氣候傾向率類似，夏季和冬季日照百分率的氣候傾向率也明顯小于春秋季，說明冬夏季日照時數的下降趨勢更加明顯。

表21954—2010年4個測站不同季節日照百分率氣候傾向率

Table2Climatictendencyrateofsunshinepercentageforfourregionsduringdifferentseasonsfrom1954to2010%/a

季節Season達州Dazhou巴中Bazhong南充Nanchong綿陽Mianyang春季Spring-0.1030.001-0.160-0.042夏季Summer-0.279-0.097-0.201-0.264秋季Autumn-0.155-0.030-0.087-0.095冬季Winter-0.270-0.182-0.252-0.190

綜合上述，近57年來達州、巴中、南充和綿陽地區日照百分率的年際、季節變化趨勢也是減少的，而年際日照百分率的減少特征主要歸因于冬夏兩季的顯著減少趨勢。

2.3氣候突變分析

2.3.1年日照時數突變檢驗。由圖3a可見，自20世紀80年代以來，達州日照時數有明顯的減少趨勢；90年代以后均超過了顯著性水平0.05的臨界線(U=±1.96)，同時也超過了顯著性水平0.001的臨界線(U=±2.56)，表明達州日照時數減少十分顯著；UF和UB曲線交點位于臨界線之間，從而可以確定達州年日照時數的突變年份為1980年。

由圖3b可見，自20世紀80年代以來，巴中日照時數的年際變化也有明顯的減少趨勢，與達州的檢驗結果類似，90年代以后均超過了顯著性水平0.05的臨界線，但只有部分年份超過了0.001顯著性水平的臨界線。綜合而言，巴中日照時數減少也十分顯著，但不如達州地區明顯。根據UF和UB曲線交點的位置，確定巴中年日照時數的突變年份也是1980年。

由圖3c可見，自20世紀80年代以來，南充日照時數亦有明顯的減少趨勢，與達州的檢驗結果類似，90年代以后均超過了顯著性水平0.05的臨界線，甚至超過了0.001顯著性水平的臨界線，表明南充日照時數減少十分顯著；根據UF和UB曲線交點的位置，確定達州年日照時數的突變年份是1980年。

由圖3d可見，與達州、巴中和南充的情況類似，自20世紀80年代以來，綿陽日照時數亦有明顯的減少趨勢，90年代以后均超過了顯著性水平0.05的臨界線，甚至超過了0.001顯著性水平的臨界線；根據UF和UB曲線交點的位置，確定綿陽年日照時數的突變年份是1982年，相對于達州、巴中和南充的突變年份略晚。

綜上所述，川東3個站年際日照時數存在很大的一致性，即20世紀80年代為突變期，具體的突變年份為1980年，而綿陽地區突變年份略晚。

2.3.2年日照百分率突變檢驗。由圖4a可看出，從20世紀80年代以來，達州年日照百分率表現出明顯的減少趨勢，與達州日照時數的檢驗結果類似，從80年代后期之后均超過了顯著性水平0.05的臨界線，表明達州日照百分率減少也十分顯著；根據UF和UB曲線交點的位置，確定達州年日照百分率的突變年份是1980年。

圖3　1954—2010年達州(a)、巴中(b)、南充(c)和綿陽(d)年日照時數M-K檢驗Fig.3　M-K test curve of annual sunshine hours for Dazhou(a),Bazhong(b),Nanchong(c) and Mianyang(d) from 1954 to 2010

由圖4b可看出，從20世紀80年代以來，巴中年日照百分率也表現出明顯的減少趨勢，從90年代初期之后也均超過了顯著性水平0.05的臨界線，表明巴中日照百分率減少也較為顯著，但巴中地區日照百分率的減少趨勢不如達州地區明顯。根據UF和UB曲線交點的位置，確定巴中年日照百分率的突變年份是1980年。

由圖4c可看出，南充年日照百分率也在20世紀80年代后表現出明顯的減少趨勢，從80年代中后期之后也均超過了顯著性水平0.05的臨界線，表明南充日照百分率減少也十分顯著；根據UF和UB曲線交點的位置，確定南充年日照百分率的突變年份是1980年。

由圖4d可看出，綿陽年日照百分率也在20世紀80年代后表現出明顯的減少趨勢，從80年代中后期之后也均超過了顯著性水平0.05的臨界線，表明綿陽日照百分率減少也十分顯著；根據UF和UB曲線交點的位置，確定綿陽年日照百分率的突變年份是1984年。

綜上所述，川東地區3個站點日照百分率的突變與日照時數的突變也類似，均是從20世紀80年代(具體為1980年)之后開始顯著減少的，而綿陽地區日照百分率的突變年份略晚，為1984年。

2.4影響日照時數變化的因素分析日照時數的變化與許多因子有關，云量、大氣透明度都會對某一地區日照特征產生重要影響。云量是決定日照時數變化的最重要因子之一，張云林等[8]研究指出，云量的增加會導致日照時數的減少，即兩者關系近似呈負相關。川東地區本來就多云霧，近些年來，隨著大氣中各種塵粒的增多，水汽更加容易凝結形成云、霧等天氣現象，導致太陽輻射被顯著削弱。大氣透明度對日照時數也具有很大的影響，大氣透明度表征了大氣對太陽輻射的透明度程度，它受大氣中的水汽含量和大氣氣溶膠含量等因子影響，隨著我國人口數量的增加和經濟的飛速發展，工業化進程也在逐漸加速，因此，工業排放的各種煙塵、廢氣不斷增多，極大地降低了大氣透明度，從而使得到達地表的太陽光線被嚴重削弱。另外，川東地區地理位置獨特，盆地的三面環山，并且該地區冬季往往出現貼地逆溫層現象，使得空氣污染物的囤積，難以消散，在減少了太陽輻射的同時，也形成了較嚴重的污染。因此，綜合以上因素，川東地區日照時數的減少是有根據的。

圖4　1954—2010年達州(a)、巴中(b)、南充(c)和綿陽(d)年日照百分率M-K檢驗Fig.4　M-K test curve of annual sunshine percentage for Dazhou(a),Bazhong(b),Nanchong(c) and Mianyang(d) from 1954 to 2010

3　結論

基于1954—2010年川東地區達州、巴中和南充站以及中東部地區綿陽的日照時數和日照百分率資料，采用線性傾向估計方法和M-K檢驗方法，對近57年來川東地區日照變化特征進行了趨勢分析和突變檢驗，得出以下結論。

(1)近57年來川東地區年日照時數總體呈減少趨勢，達州、巴中、南充和綿陽的氣候傾向率分別是-8.147、-3.088、-5.973和-5.385 h/a。57年來各地區的日照時數特征大致可分為2個階段，1980年之前為日照時數偏多期，1980年之后為日照時數偏少期；且通過線性傾向估計得出川東地區日照時數變化趨勢是顯著的。

(2)近57年來川東地區年日照百分率總體呈減少趨勢，達州、巴中、南充和綿陽的氣候傾向率分別是-0.191、-0.070、-0.173和-0.153%/a；57年來各地區的日照百分率特征大致可分為2個階段，1980年之前為日照百分率偏多期，1980年之后為日照百分率偏少期。通過線性傾向估計得出川東地區日照百分率變化趨勢也是顯著的。

(3)近57年來川東地區年際日照時數和日照百分率的減少趨勢主要體現在夏季和冬季，而春季和秋季的減少趨勢明顯小于夏季和冬季。

(4)M-K突變檢驗表明，近57年來川東地區日照在20世紀80年代左右發生了較為明顯的突變現象，具體突變年份為1980年，而西部的綿陽地區突變年份略晚于川東地區。

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