荊門市近60年日照時數變化特征及其影響因素

梁濤 何盛浩 王佳麗 王露 楊津

（湖北省荊門市氣象局，荊門 448000）

0 引言

關于氣候變化及其影響的研究，大部分學者主要從氣溫和降水兩方面來探討氣候變化趨勢以及全球氣候變化對農業生產和生態系統影響等方面的影響[1-4]。日照也是影響氣候變化的主要氣象要素之一。日照時數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，是表示太陽輻射強弱的氣象要素之一。

日照時間的長短不僅直接影響著農牧業生產，而且對人類的日常生活有重要的影響，因而也有部分學者對日照時數的時空分布特征及其主要影響因子開展了研究。靳利梅等[5]基于上海地區11個氣象站的氣象資料，對影響日照時數的氣候因子進行了分析，結果表明上海年日照時數與降水量和降水日數呈顯著負相關，年日照時數的減少與年降水量的增加有關。周曉宇等[6]根據1961—2009年東北地區104個氣象站日照時數、氣溫、降水、風速和相對濕度資料，研究了東北地區日照時數月、季、年的時空變化特征，結果表明東北地區年日照時數呈顯著減少趨勢，平均每10 a減少40.5 h。郭曉寧等[7]利用柴達木盆地格爾木站及周邊9個氣象站近60 a的資料，對格爾木日照時數的氣候變化特征進行了綜合分析，結果表明近60 a來格爾木日照時數變化呈下降趨勢，大氣環流、氣溫、總云量、低云量、相對濕度等因素是格爾木及周邊地區日照時數變化的主要影響因子。

荊門市地處江漢平原北部，屬北亞熱帶季風氣候，四季分明，日照時數年際差異大，年日照時數最大值與最小值相差560.6 h，近年來隨著經濟社會發展和人類活動的加劇，日照時數的減少趨勢非常明顯，對工農業生產和人民生活都產生了深遠的影響。研究日照時數的氣候特征、變化趨勢和影響因素，對于合理安排農業生產等有著非常重要的作用。

1 資料和方法

1.1 資料

采用荊門、鐘祥、京山三站逐月日照時數、總云量、低云量、水汽壓、相對濕度、地面能見度資料。日照時數采用暗筒式日照計進行觀測，總云量、低云量、能見度采用人工觀測，相對濕度采用毛發濕度計觀測。由于1980年地面氣象觀測規范變更對能見度資料有較大的影響，為保證資料連續性，能見度資料選取1980—2017年，其余要素為1961—2017年的資料。文中四季按照氣象學方法劃分，即前一年12月—當年2月為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季。多年平均值采用最近30年（即1981—2010年）平均值。

1.2 氣候傾向率和變異系數

采用線性趨勢分析來估算氣象要素的氣候變化趨勢。利用變異系數來分析荊門市不同站點年和四季日照時數的穩定性，變異系數CV=σ/μ（σ為標準差，μ為平均值）。

1.3 異常年份分析

世界氣象組織對天氣、氣候異常，提出了兩種定量的判斷標準[8]：一是距平值達到標準差（又稱均方差）2倍以上（不管近年是否出現過）；二是在最近完整的30年氣象資料中未出現過的情況（不一定距平值超過標準差的2倍），或稱30年以上一遇的罕見天氣現象。本文采用距平值大于標準差的2倍作為異常來分析荊門市日照異常特征。

2 日照時數變化特征

2.1 日照時數的基本特征

表1 給出荊門市各站四季和年日照時數的平均值。1961—2017年荊門市三站的年日照時數大致在1300～2300 h，從空間分布看，總體上呈東多西少分布規律，東部京山最多，年平均日照時數在1937.2 h，西部荊門最少，年平均日照時數為1793.1 h。三站平均年日照時數為1870.0 h，其中冬季為344.9 h，占全年的18.4%；春季為458.1 h，占全年的24.6%；夏季為612.5 h，占全年的32.8%；秋季為450.2 h，占全年的24.2%。夏季最多，冬季最少，兩季日照時數相差近一倍，從一個側面顯示出荊門市四季氣候差異明顯。

表1 荊門市各站四季和年平均日照時數（單位：h） Table 1 The interdecadal average of sunshine duration in spring, summer, autumn, winter and annual values of three station in Jingmen municipality (unit: h)

2.2 日照時數的年（代）際變化趨勢

分析荊門、鐘祥、京山年、季日照時數變化趨勢，圖1給出了荊門市各站日照時數的年際變化曲線，由圖1和表2可以看出：荊門、鐘祥兩站的年日照時數呈顯著下降趨勢（P＜0.01），其下降的氣候傾向率為104.3～108.0 h/10 a，20世紀60年代和70年代日照時數基本上都在平均值以上波動（正距平），其中60年代偏多趨勢最為明顯，80年代為過渡時期，90年代以后日照時數減少的趨勢非常明顯，基本上在平均值以下波動。京山日照時數呈不顯著的下降趨勢（P＞0.05），下降的氣候傾向率為35.0 h/10 a，下降幅度明顯小于荊門、鐘祥兩站。

從近60年四季日照時數的變化趨勢（表2）來看，春季荊門為顯著減少趨勢（P＜0.01），鐘祥為不顯著的減少趨勢（P＞0.05），京山為不顯著的增加趨勢（P＞0.05）；夏季日照時數各站均表現為顯著減少趨勢（P＜0.01）。在減少速率上，荊門與鐘祥基本相當，減少速率約為全年的一半，京山的減少速率明顯小于上述兩站，可見年日照時數的減少主要是由于夏季日照時數的減少；秋季日照時數荊門和鐘祥兩站表現為顯著的減少趨勢（P＜0.01），京山表現為不顯著的下降趨勢（P＞0.05）；冬季日照時數荊門和鐘祥為顯著的減少趨勢（P＜0.01），京山為不顯著的減少趨勢（P＞0.05）。

圖1 荊門市各站1961—2010年年日照時數及變化趨勢（紅線為近30年平均值） Fig. 1 Annual sunshine duration of three stations in Jingmen municipality from 1961 to 2010 (The red line was the average in recent 30 years)

表2 荊門市各站四季和年日照時數變化率（單位：h/10 a） Table 2 The changing rate in sunshine duration for spring, summer, autumn, winter and whole year at three stations in Jingmen municipality (unit: h/10 a)

綜上所述，近60年荊門、鐘祥兩站年和季日照時數均為顯著的減少趨勢，其中四季減少速率最大的是日照時數，夏季減少最多，秋、冬季次之，春季最小。京山站只有夏季減少趨勢顯著，減少速率明顯小于荊門、鐘祥兩站，秋冬兩季為不顯著的減少趨勢，春季為不顯著的增加趨勢。

2.3 日照時數的穩定性分析

表3給出了全市年季日照時數的變異系數，從地域分布來看，荊門站、鐘祥站的變異系數明顯大于京山站，說明京山站年、季日照時數的穩定性大于荊門、鐘祥兩站；從季節分布來看，冬季變異系數最大，夏季其次，秋季再次，春季最小，表明春季日照時數穩定性最大，秋季次之，冬、夏兩季穩定性最小。

表3 荊門站年/季日照時數的變異系數（單位：%） Table 3 The coefficient of variation of sunshine duration in spring, summer, autumn, winter and whole year at three stations in Jingmen municipality (unit：%)

2.4 日照時數的異常分析

就荊門市全市來看（表4），春季日照時數荊門站異常偏多出現過3次，異常偏少出現過1次，鐘祥站異常偏多和異常偏少各出現過2次，京山站異常偏多和異常偏少各出現過1次；夏季日照時數以異常偏多為主，荊門站異常偏多出現過4次，鐘祥站異常偏多出現過3次，京山站異常偏多出現過3次，異常偏少出現過1次；秋季日照時數荊門站異常偏多出現過2次，鐘祥站異常偏多出現過2次，異常偏少出現過1次，京山站異常偏多和異常偏少各出現過1次；冬季日照時數荊門站和鐘祥站異常偏多各出現過2次和1次，京山站異常偏多和異常偏少各出現過1次。日照時數異常在四季之中均有可能發生，異常偏多比異常偏少出現頻率更高。

年日照時數以異常偏多為主，荊門站異常偏多出現過5次，鐘祥站異常偏多出現過4次，荊門站和鐘祥站異常偏多主要集中在20世紀60年代。京山站異常偏多和異常偏少各出現過1次。

表4 近60年荊門市年、季日照時數異常年份 Table 4 The abnormal years of sunshine duration in spring, summer, autumn, winter and whole year at three stations in Jingmen municipality in recent 60 years

3 影響日照時數的主要氣象因子

3.1 日照時數與影響因子的相關性

影響日照時數的因子較多，云量是影響日照時數最主要的因子。大氣透明度對日照時數也有很大的影響。大氣透明度是表征太陽輻射透過大氣程度的參數，其受水汽含量和大氣氣溶膠含量等因子影響。能見度是反映大氣透明度的一個指標，在其他因素不變的條件下，能見度與大氣氣溶膠質量密度成反相關，因此，能見度可以在很大程度上反映大氣氣溶膠含量[9-11]。本文選取云量（總云量、低云量）、水汽壓（水汽含量）、相對濕度和能見度等氣象要素分析影響荊門市日照時數的主要氣象因子。

從荊門站年、季日照時數與云量、水汽壓、相對濕度和能見度的線性相關系數來看（表5），年、季日照時數與總云量呈顯著的負相關，尤其在秋、冬兩季。年日照時數與低云量呈顯著的負相關，四季日照時數與低云量呈不顯著的負相關。四季和年日照時數與總云量的相關性均優于同時期與低云量的相關性。夏、冬兩季日照時數與水汽壓呈顯著的負相關，而春季、秋季和年呈不顯著的負相關。春、夏、秋、冬四季日照時數與相對濕度呈顯著的負相關，全年呈不顯著的負相關。日照時數與能見度在全年和春、夏、冬三季呈顯著正相關，秋季雖然相關性不顯著，但相關系數較大。

表5 荊門站年、季日照時數與影響因子的相關系數 Table 5 The correlation coefficient between sunshine duration and influencing factors at Jingmen station

對比鐘祥、京山兩站日照時數與云量、水汽壓、相對濕度和能見度等影響因子的相關系數與荊門站的相關性可以看出，鐘祥、京山兩站的相關系數與荊門站的相關系數非常相似。

3.2 日照時數減少的主要原因

通過對日照時數與總云量、低云量、水汽壓、相對濕度和能見度的相關性以及上述影響因子的變化趨勢的分析可以看出（表5—10），荊門站年日照時數與水汽壓和相對濕度呈不顯著的負相關，相關系數小，其影響較小，不可能是導致日照時數減少的主要原因，因此主要考慮總云量、低云量和能見度對年日照時數的影響。荊門站年日照時數與總云量和低云量呈顯著的負相關，與能見度呈顯著的正相關，也就是總云量、低云量增加，能見度降低，將導致日照時數減少。從表7可以看出荊門站年總云量基本持平，低云量和能見度均呈顯著減少（下降）趨勢，因此荊門站年日照時數減少主要與能見度下降有關。

同理可得出，鐘祥站、京山站年日照時數減少也主要與能見度下降有關，春季日照時數減少荊門站、鐘祥站、京山站主要與能見度下降有關；夏季日照時數減少荊門站主要和總云量增加、相對濕度增加以及能見度下降有關，鐘祥站和京山站主要和能見度下降有關；秋季日照時數減少荊門站、鐘祥站和京山站主要與能見度下降和水汽壓增加有關；冬季日照時數減少荊門站、鐘祥站和京山站主要與總云量增加、能見度下降和水汽壓增加有關。

表6 鐘祥站年、季日照時數與影響因子的相關系數 Table 6 The correlation coefficient between sunshine duration and influencing factors at Zhongxiang station

表8 荊門站年/季總云量、低云量、水汽壓、相對濕度、能見度（單位：總云量、低云量（成/10 a），水汽壓（hPa/10 a），相對濕度（%/10 a），能見度（km/10 a），下同）趨勢系數及顯著性 Table 8 The trend coefficient and significant level of total cloud amount, low-level cloud amount, vapor pressure, relative humidity, and visibility at Jingmen station

表9 鐘祥站年/季總云量、低云量、水汽壓、相對濕度、能見度趨勢系數及顯著性 Table 9 The trend coefficient and significant level of total cloud amount, low-level cloud amount, vapor pressure, relative humidity, and visibility at Zhongxiang station

表10 京山站年/季總云量、低云量、水汽壓、相對濕度、能見度趨勢系數及顯著性 Table 10 The trend coefficient and significant level of total cloud amount, low-level cloud amount, vapor pressure, relative humidity, and visibility at Jingshan station

綜上所述，年日照時數主要與能見度下降有關，四季日照時數減少均與能見度下降有較大關系，另外，總云量、相對濕度和水汽壓增加也是個別季節、個別站點日照時數減少的影響因素。由此可見，能見度顯著下降是造成年/季日照時數減少的最主要的原因。

4 結論與討論

1）荊門市年日照時數大致在1300～2300 h，總體上呈東多西少分布規律，三站平均年日照時數為1870.0 h，夏季最多，冬季最少，兩季日照時數相差近一倍。

2）年日照時數荊門、鐘祥減少趨勢顯著，減少速率為104.3～108.0 h/10 a，20世紀60年代和70年代以偏多為主，80年代為過渡時期，90年代以后日照時數減少的趨勢非常明顯。京山日照時數變化呈不顯著的減少趨勢，減少速率為35.0 h/10 a。

3）近60年荊門、鐘祥兩站四季日照時數均為顯著的減少趨勢，其中減少速率最大的是日照時數最多的夏季，秋、冬季次之，春季最小。京山站夏季為顯著的減少趨勢，秋冬兩季為不顯著的減少趨勢，春季為不顯著的增加趨勢。

4）京山站年、季日照時數的穩定性均大于荊門、鐘祥兩站；春季日照時數穩定性最大，秋季次之，冬、夏兩季穩定性最小。

5）年日照時數異常出現過11站次，分別是2009年荊門站、2003年鐘祥站、1989年京山站，都是異常偏少；季日照時數異常出現過33站次，以異常偏多為主。

6）能見度顯著下降是造成年/季日照時數減少的最主要的原因；總云量、相對濕度和水汽壓增加也是個別季節、個別站點日照時數減少的原因。

7）京山站年/季日照時數下降趨勢明顯小于荊門站和鐘祥站的原因，主要是由于京山站能見度下降趨勢明顯小于荊門、鐘祥兩站，這可能與京山縣低山、丘陵較多植被較好，以及大力發展第三產業的經濟發展模式對環境的破壞較小有關。