近50年連山縣日照時數(shù)變化特征分析

楊鑑斌 彭窈 阮楚雯

摘要利用連山縣1966—2015年日照時數(shù)資料，采用線性趨勢分析、小波變換和Mann-Kendall突變檢驗等方法對近50年連山縣日照變化進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，近50年連山縣年日照時數(shù)總體呈減少趨勢，變化率為-5.05 h/a，減少趨勢非常顯著;春、夏、秋、冬各季日照時數(shù)變化總體都呈減少趨勢，氣候傾向率分別為-0.74、-2.20、-1.44、-0.59 h/a。連山縣年日照時數(shù)存在明顯的多時間尺度變化，準(zhǔn)16年特征時間尺度的周期振蕩為主周期，25～28年尺度為第2周期。年日照時數(shù)在20世紀(jì)90年代初發(fā)生突變，具體是從1990年開始的。

關(guān)鍵詞日照時數(shù);趨勢分析;小波變換;Mann-Kendall突變檢驗;多時間尺度;連山縣

中圖分類號S161.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611（2019）03-0212-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.03.066

日照是重要的氣候因子，也是人類可以開發(fā)利用的可再生能源，對農(nóng)業(yè)、林業(yè)生產(chǎn)乃至人類日常生活生產(chǎn)都有著重要意義。深入開展日照時數(shù)變化特征的研究，不僅可以更好地了解該地區(qū)的氣候背景和氣候資源，而且對該地區(qū)的農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)、太陽能開發(fā)利用、旅游資源開發(fā)等具有重要的現(xiàn)實意義。近年來有不少專家、學(xué)者對全國以及地區(qū)的日照時數(shù)變化特征進(jìn)行了研究，如任國玉等[1]研究認(rèn)為，1956—2002年我國年平均日照時數(shù)呈現(xiàn)出明顯的減少趨勢;趙東等[2]分析指出，1961—2007年我國日照時數(shù)總體呈現(xiàn)出下降的趨勢，且具有明顯的季節(jié)差異，夏季下降趨勢最為明顯;葉瑜等[3]對廣西89個氣象臺站1961—2010年的日照資料進(jìn)行分析，結(jié)果表明，近50年廣西區(qū)域年日照時數(shù)總體呈下降趨勢;史建橋等[4]分析了甘肅省26個氣象臺站1961—2010年日照時數(shù)的時空變化和突變特征，結(jié)果表明，近50年來甘肅省年日照時數(shù)表現(xiàn)為緩慢的下降趨勢，四季日照時數(shù)未發(fā)生顯著突變;楊玲珠等[5]分析表明，1955—2013年邯鄲市年日照時數(shù)總體呈減少趨勢，Mann-Kendall突變檢驗表明年日照時數(shù)在1982年發(fā)生了明顯的突變;其他一些相關(guān)的研究也表明了我國大部分地區(qū)的日照時數(shù)呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢[6-10]。筆者利用連山縣1966—2015年逐年、逐月的日照時數(shù)資料，采用線性趨勢分析和小波變換等方法，對該縣的日照時數(shù)變化特征進(jìn)行分析，并采用Mann-Kendall突變檢驗法對其進(jìn)行突變檢驗，旨在于找出連山縣日照時數(shù)的變化特征和規(guī)律，提高對連山縣氣候變化特征和規(guī)律的認(rèn)識，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)林業(yè)生產(chǎn)、太陽能開發(fā)利用以及旅游資源開發(fā)等提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1資料來源所用資料為連山縣氣象局提供的連山縣1966—2015年逐年、逐月日照時數(shù)資料。

1.2研究方法

1.2.1線性趨勢分析。采用的是一元線性回歸分析，即y=ax+b，其中b為常數(shù)項，a是氣候變化傾向率（回歸系數(shù)）。當(dāng)a>0時，表示氣候變化呈上升趨勢;當(dāng)a<0時，表示呈下降趨勢。并采用t檢驗法來檢驗線性傾向趨勢的顯著性，公式為：

t=n-2×r/1-r2（1）

其中，r為線性趨勢系數(shù)（相關(guān)系數(shù)）。顯著水平α取0.05，查t分布表，當(dāng)|t|>tα，則說明線性變化趨勢是顯著的。

1.2.2小波變換方法。它是研究大氣多時間尺度變化的有力工具，它能清晰地揭示出隱藏在時間序列中的多種變化周期，充分反映要素值在不同時間尺度中的變化趨勢，并能對其未來發(fā)展趨勢進(jìn)行定性估計。該研究選擇Morlet小波作為基小波，其表達(dá)式為：

Ψ（t）=ejω0te-t2/2（2）

1.2.3Mann-Kendall法[11]。它是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，其優(yōu)點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，更適用于類型變量和順序變量，計算也比較簡單。通過分析統(tǒng)計序列UF和UB可以進(jìn)一步分析序列x的趨勢變化，而且可以明確突變的時間，指出突變的區(qū)域。若UF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;當(dāng)它們超過臨界直線（一般給定顯著性水平α=0.05，那么臨界值U0.05=±1.96）時，表明上升或下降趨勢顯著。如果UF和UB這2條曲線出現(xiàn)交點，且交點在臨界直線之間，那么交點對應(yīng)的時刻就是突變開始的時刻[11]。

2結(jié)果與分析

2.1日照時數(shù)的年際和季節(jié)變化

從圖1可以看出，20世紀(jì)60年代中期—70年代中期，連山縣年日照時數(shù)緩慢減少;70年代中期—80年代中期緩慢增加;80年代中期—90年代中后期大幅減少;90年代中后期—2005年變?yōu)榇蠓黾?2005年以后開始轉(zhuǎn)為減少趨勢，并持續(xù)至今。近50年來連山縣年平均日照時數(shù)為1 372.8 h，年日照時數(shù)最大值出現(xiàn)在1986年（1 754.1 h），最小值出現(xiàn)在1997年（971.3 h），最大值和最小值相差達(dá)782.8 h，說明日照時數(shù)年際變化幅度很大。近50年來連山縣年日照時數(shù)總體呈振蕩減少趨勢，變化率為-5.05 h/a，近50年減少了約252.5 h，對年日照時數(shù)變化趨勢進(jìn)行顯著性t檢驗，取顯著性水平α=0.05時，查t分布表可得tα=2.011 0，由公式（1）計算得到t=3.339 5，t值大于tα值，說明年日照時數(shù)減少的趨勢非常顯著。

從1966—2015年連山縣春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月—次年2月）日照時數(shù)逐年變化（圖2）可以看出，夏秋兩季的日照時數(shù)明顯多于春冬兩季，春、夏、秋、冬四季年平均日照時數(shù)分別為222.6、459.5、438.6和252.5 h，其中夏季年平均日照時數(shù)最多，春季最少，夏季年平均日照時數(shù)是春季的2倍以上，說明連山縣日照時數(shù)的季節(jié)變化特征較明顯。從變化趨勢上看，近50年連山縣四季日照時數(shù)變化趨勢與年日照時數(shù)變化趨勢相同，都呈減少趨勢，但各季的減少速率有所不同，春季、夏季、秋季、冬季的氣候傾向率分別為-0.74、-2.20、-1.44、-0.59 h/a，由此看出夏季的日照時數(shù)減少趨勢最明顯，秋季和春季次之，冬季的減少趨勢最不明顯。各季日照時數(shù)的變化幅度也有所不同，其中夏季、秋季、冬季的變化幅度較大，分別為355.0、310.6、314.1 h，春季的變化幅度最小，僅為201.9 h。分別對春、夏、秋、冬各季日照時數(shù)變化趨勢進(jìn)行顯著性t檢驗，由公式（1）算得t值分別為1.624 6、2.996 8、1.973 9、0.921 8，夏季的變化趨勢通過了顯著性水平α=0.05的檢驗，說明夏季的日照時數(shù)減少趨勢非常顯著;秋季的變化趨勢通過了顯著性水平α=0.05的檢驗，說明秋季的日照時數(shù)減少趨勢也較為顯著;春季和冬季的變化趨勢沒有通過顯著性水平α=0.05的檢驗，說明春季和冬季的日照時數(shù)減少趨勢不顯著。

2.2日照時數(shù)的小波分析

由圖3可見，近50年來連山縣年日照時數(shù)變化存在2個明顯的特征時間尺度周期振蕩，分別為25～28年和準(zhǔn)16年周期振蕩。這2個時間尺度的周期振蕩強(qiáng)度都非常強(qiáng)，而且振蕩基本貫穿了整個時段，在整個分析時段表現(xiàn)非常穩(wěn)定，具有全域性。在25～28年周期振蕩中，連山縣年日照時數(shù)大致經(jīng)歷了4個交替變化時期：20世紀(jì)70年代中期之前的偏少期、70年代中期—90年代初的偏多期、90年代初—2008年的偏少期、2009—2015年的偏多期;而在準(zhǔn)16年周期振蕩中，連山縣年日照時數(shù)大致經(jīng)歷了6個交替變化時期：20世紀(jì)70年代初之前的偏多期、70年代初—80年代初的偏少期、80年代初—90年代初的偏多期、90年代初—2001年的偏少期、2002—2010年的偏多期、2011—2015年的偏少期。

從1966—2015年連山縣年日照時數(shù)的小波方差圖（圖4）可以看出，近50年內(nèi)小波方差存在2個較為明顯的峰值，它們分別對應(yīng)著25～28年和準(zhǔn)16年的特征時間尺度，其中，最大峰值對應(yīng)著準(zhǔn)16年的特征時間尺度，說明準(zhǔn)16年的周期振蕩最強(qiáng)烈，為年日照時數(shù)變化的主周期;25～28年特征時間尺度對應(yīng)著第2峰值，為年日照時數(shù)變化的第2周期。

2.3日照時數(shù)的突變分析

氣候突變是指氣候從一種穩(wěn)定態(tài)或穩(wěn)定持續(xù)的變化趨勢跳躍式地轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定態(tài)或穩(wěn)定持續(xù)的變化趨勢的現(xiàn)象，它表現(xiàn)為氣候在時空上從一個統(tǒng)計特性到另一個統(tǒng)計特性的急劇變化[11]。從圖5可以看出，20世紀(jì)60年代中期—70年代末，連山縣年日照時數(shù)呈減少趨勢;70年代末—90年代初，年日照時數(shù)呈增多趨勢;90年代初以后，年日照時數(shù)呈減少趨勢，其中1997年以后減少趨勢超過了α=0.05臨界線，表明這段時間內(nèi)減少趨勢十分顯著，且這種減少趨勢很大可能會延續(xù)到2015年以后。UF和UB曲線的交點在臨界直線之間，說明交點對應(yīng)的時刻就是突變開始的時刻，根據(jù)交點的位置，確定連山縣年日照時數(shù)在20世紀(jì)90年代的減少是一突變現(xiàn)象，具體是從1990年開始的。

3結(jié)論

（1）近50年來連山縣年平均日照時數(shù)為1 372.8 h，最大值出現(xiàn)在1986年（1 754.1 h），最小值出現(xiàn)在1997年（971.3 h），兩者相差達(dá)782.8 h，日照時數(shù)的年際變化幅度很大。連山縣年日照時數(shù)總體呈減少趨勢，氣候變化率為-5.05 h/a，通過了顯著性t檢驗，說明下降趨勢非常顯著。

（2）近50年來連山縣春夏秋冬四季年平均日照時數(shù)分別為222.6、459.5、438.6和252.5 h，其中夏季年平均日照時數(shù)最多，春季最少，夏秋兩季的日照時數(shù)明顯多于春冬兩季，

日照時數(shù)的季節(jié)變化特征較明顯。四季的日照時數(shù)變化趨

勢與年日照時數(shù)變化趨勢相同，都為下降趨勢，但是變化率各有不同，夏季和秋季的日照時數(shù)減少趨勢最明顯，氣候變化率分別為-2.20和-1.44 h/a，且都通過了顯著性t檢驗，說明減少趨勢較顯著;春季和冬季的日照時數(shù)減少趨勢較不明顯，氣候變化率分別僅有-0.74和-0.59 h/a，且無法通過顯著性水平α=0.05的檢驗，說明春季和冬季的日照時數(shù)減少趨勢不顯著。

（3）近50年來連山縣年日照時數(shù)存在2個較明顯的特征時間尺度周期振蕩，分別為25～28年和準(zhǔn)16年，2個時間尺度的周期振蕩強(qiáng)度都非常強(qiáng)，而且振蕩基本貫穿了整個時段，在整個分析時段表現(xiàn)非常穩(wěn)定，具有全域性。由小波方差圖可知，準(zhǔn)16年特征時間尺度的周期振蕩為主周期，25～28年特征時間尺度的周期振蕩為第2周期。

（4）經(jīng)Mann-Kendall檢驗表明，20世紀(jì)60年代中期—70年代末，連山縣年日照時數(shù)呈減少趨勢;70年代末—90年代初，年日照時數(shù)呈增多趨勢;90年代初以后，年日照時數(shù)呈減少趨勢，且這種減少趨勢很大可能會延續(xù)到2015年以后。連山縣年日照時數(shù)在20世紀(jì)90年代的減少是一突變現(xiàn)象，具體是從1990年開始的。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2019年

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