近43a山西東南部日照時數時空變化特征及其影響因素

李晶晶,張 卉,王 艷,趙尚卓,裴 育

（山西省長治市氣象局，長治 046000）

引言

日照時數表示一天中日照時間的長短，是太陽輻射最直觀的表現，也是表征一個地方光照條件優劣和熱量大小的重要指標，是氣候形成的重要因子，它與農業生產、人類活動和動植物的生長發育密切相關。因此，研究日照時數的氣候特征、變化趨勢以及與其他氣象因子的相關性，對于指導當地農業合理生產布局、調整種植結構、清潔能源利用、旅游資源開發乃至社會經濟的可持續發展等都具有重要意義[1]。

近年來，不少學者對各地日照時數的變化特征進行了研究[2?17]。王文川等[18]通過分析秦嶺-淮河區域1960～2016年104個氣象站的日照時數年、月時空變化特征與影響因素，發現20世紀90年代之前，相對濕度是影響日照時數的重要因素，20世紀90年代之后影響日照時數的主要因素由相對濕度變為降水或氣溫，在秦嶺-淮河區域內的4個省份的任何時段，降水和相對濕度都是影響日照時數的重要因素。郝智文等[19]對山西省1959～2008年108個地面氣象觀測站的年日照時數次數進行分析，發現92.6%的站年日照時數呈下降趨勢，7.4%的站年日照時數呈上升趨勢。付建新等[20]對祁連山東段、中段與西段1960～2014年期間的日照時數時空特征以及影響因素進行了分析，發現多年平均日照時數整體上表現出下降態勢，其中東段下降最快；日照時數年內變化5月出現最大值，這與該月的天氣多晴天有關；祁連山區日照時數的主要影響因素為水汽壓、云量、年降水量以及相對濕度。陳小敏等[21]不僅分析了海南島1961～2010年日照時數的時空分布特征，還對日照時數有影響的總云量、低云量、相對濕度和降雨量進行了相關分析，發現年、季和月日照時數減少與該地區低云量增加有密切關系。

山西東南部為太行山、太岳山所環繞，屬典型暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，全年冬無嚴寒，夏無酷暑，雨熱同季、四季分明。近年來，由于自然和人類活動的共同作用，使得大氣污染加劇，從而加劇了氣候變化，生存環境的變化對人類健康也產生了一定影響。目前，對山西東南部溫度、降水等的變化特征，很多學者已從不同的時空尺度進行了大量的分析[22?25]，但對反映氣候狀況的另一個重要因子?日照時數的研究較少。因此深入研究山西東南部日照時數的變化趨勢和影響因素，不僅對認識本地氣候背景狀況和氣候資源變化有重要作用，而且可以為該區域加強作物的田間管理、合理農業生產布局、優化調整種植結構、環境污染防治、開發利用太陽能資源及發展生態農業生產等提供重要的參考依據。

1 資料來源和研究方法

1.1 資料來源

本文所用資料為山西東南部11個地面氣象觀測站1976～2018年日照時數、總云量、低云量、水汽壓、降水量、霧日數和霾日數逐月整編資料，均經過質量控制，數據合理且真實可靠。

1.2 研究方法

本文運用氣候傾向率、Mann-Kendall突變檢驗、R/S分析、顯著性檢驗、相關分析等方法，對日照時數和對日照有影響的總云量、低云量、水汽壓、降水量、霧日數、霾日數等氣象因子資料進行統計分析。

1.2.1 氣候傾向率

氣候傾向率采用一元線性方程表示，公式如下：

式中：Y為氣象要素；t為時間；a0為常數項；a1為線性趨勢項，將a1擴大10倍定義為氣象要素每10a的氣候傾向率（或變化率）。a1的正負表示氣象要素的趨勢變化，當a1為正，則表示呈上升趨勢，反之為下降趨勢。對日照時數、總云量、低云量、水汽壓、降水量、霧日數、霾日數做氣候傾向率分析，可以得到各氣象要素的時間演變特征。

1.2.2 Mann-Kendall突變檢驗

Mann-Kendall檢驗法是一種非參數檢驗方法，用于研究氣候序列中氣候因子的突變特征。在時間序列隨機獨立的假設下，構建統計量UFk，公式如下：

式中，UF1=0，E(Sk)、Var(Sk)分別是累計數Sk的均值和方差。UFk為標準正態分布，是按照時間序列計算的統計量序列。給定顯著性水平α，若|UFi|>Uα，則表明序列存在明顯的趨勢變化。把UF沿時間繪成曲線，再將序列反向計算UF，繪成曲線UB，若UF和UB交點位于置信區間內，則此點為突變開始的時間。

1.2.3 R/S分析

R/S分析法一般用于分析時間序列的分形特征和長期記憶過程。基于R/S分析計算的Hurst指數大小，可以判斷該時間序列未來的變化趨勢。

當H=0.5，表示氣候指標完全獨立，是隨機性的；當0.5

1.2.4 季節劃分原則

春季3～5月，夏季6～8月，秋季9～11月，冬季12月～翌年2月。

2 結果與分析

2.1 日照時數的空間分布特征

圖1為山西東南部11個區（縣）近43a平均年日照時數空間分布，呈南北多、東西和中部少的分布特征，其中東部黎城日照時數最少為2222.9h，南部壺關日照時數最多為2658.7h，其他地區介于兩者之間，最大值比最小值偏多19.6%，說明日照時數空間差異顯著。

圖1 山西東南部近43a平均年日照時數空間分布

2.2 日照時數的時間變化特征

2.2.1 年日照時數變化趨勢

1976～2018年山西東南部日照時數年際變化趨勢如圖2所示，可以看出：（1）日照時數總體呈減少趨勢，年平均值為2379.8h；（2）1976～1997年為日照時數偏多期，大多數年份（22a中有15a）在多年平均水平上，其中1979年日照時數最多，為2699.3h，比平均值偏高319.5h；1998～2018年為日照時數偏少期，大多數年份（21a中有15a）低于年平均值，其中2016年日照時數最少，為2047.5h，比平均值偏低332.3h。從日照時數的年際變化幅度分析，最多年份與最少年份日照時數相差651.8h，說明日照時數的年際變化比較大。（3）年日照時數氣候變化傾向率為?7.19h/a，即每10a日照時數減少71.9h。年日照時數與時間的相關系數為?0.613，通過99%的信度檢驗，表明山西東南部年日照時數減少趨勢顯著。

圖2 1976～2018年山西東南部日照時數年際變化趨勢

2.2.2 年日照時數突變分析

氣候突變是指氣候從一種穩定狀態跳躍式地轉變到另一種穩定狀態[26]。圖3是山西東南部年日照時數Mann-Kendall突變檢驗。如圖所示，20世紀80年代中期以后山西東南部年日照時數呈明顯減少趨勢，2009年以后減少趨勢通過了0.05水平的顯著性檢驗，表明山西東南部年日照時數的減少趨勢十分顯著。UF和UB兩條曲線相交于2005年，且交點在±1.96臨界線之間，山西東南部年日照時數在2005年發生由多轉少的突變。

圖3 山西東南部年日照時數Mann-Kendall突變檢驗

2.2.3 年日照時數R/S分析

從表1可以看出，山西東南部及其各區（縣）年日照時數序列長期相關特征表現為持續性，即過去年日照時數總體減少的趨勢預示未來年日照時數仍可能繼續減少。其中沁縣和黎城的Hurst指數均超過0.65，說明這兩個地區未來年日照時數減少幅度較為明顯。

表1 山西東南部各區（縣）年日照時數的Hurst指數

2.2.4 四季日照時數及其變化趨勢

圖4是1976～2018年山西東南部四季日照時數及其變化趨勢。從圖中可以看出：（1）山西東南部日照時數變化存在季節差異。經統計，山西東南部近43a平均日照時數為2379.8 h。四季日照時數由多到少依次為春季>夏季>秋季>冬季，四季多年平均日照時數分別為：春季為678.3h，約占全年28.5%；夏季為630.7h，約占全年26.5%；秋季為546.3h，約占全年22.9%；冬季為525.6h，約占全年22.1%。（2）從近43a四季日照時數的變化趨勢來看，均表現為一致的減少趨勢。秋季減少最明顯，為?25.1h/10a，其余季節依次為夏季（?21.7h/10a）、冬季（?19.4h/10a）和春季（?5.5h/10a）。除春季以外，夏季、秋季和冬季均通過0.01水平的顯著性檢驗，其中秋季對山西東南部年日照時數的減少貢獻最大。

圖4 1976～2018年山西東南部四季日照時數及其變化趨勢

2.2.5 月日照時數及其變化趨勢

從1976～2018年山西東南部各月日照時數及其變化趨勢（圖5）可以看出：（1）山西東南部2月的日照時數最少，為169.9h；5月的日照時數最多，為251.6h。各月日照時數分布不均勻，日照時數最多月份是最少月份的1.5倍。（2）除3月日照時數呈增加趨勢外，其余各月均呈一致的減少趨勢。1月、6月和9月減少最為明顯，均超過?10h/10a，通過了0.01水平的顯著性檢驗，其中9月減少最為顯著（?11.5h/10a）；7月通過了0.05水平的顯著性檢驗；2～5月、8月、10～12月均未通過顯著性檢驗；6月和9月對山西東南部年日照時數的減少貢獻最大。

圖5 1976～2018年山西東南部各月日照時數及其變化趨勢

2.3 影響日照時數的主要氣象要素

影響日照時數的氣象因子有很多。大氣透明度是表征大氣對太陽輻射透明度的一個參數，它受大氣中的水汽含量以及大氣氣溶膠含量等因子影響[27]，大氣氣溶膠粒子不僅會造成空氣污染，還會吸收、散射太陽輻射，減少到達地面的太陽輻射，造成日照時數減少。由于未收集到大氣氣溶膠資料，故本文將重點分析總云量、低云量、水汽壓、降水量、霧日數和霾日數對日照時數的影響。大氣氣溶膠對日照時數的影響，則有待今后進一步研究。

2.3.1 影響因子的變化趨勢

從1976～2018年山西東南部總云量、低云量、水汽壓、降水量、霧日數、霾日數的四季和年氣候變化傾向率（表2）可以看出：除春季總云量、低云量和秋季、冬季、年低云量呈減少趨勢，其余各氣象因子均呈增加趨勢；秋季、冬季、年總云量和四季、年霧日數、霾日數均通過顯著性檢驗，表現為顯著的增加趨勢，但低云量、水汽壓、降水量的四季和年變化情況沒有通過顯著性檢驗。

表2 1976～2018年山西東南部總云量、低云量、水汽壓、降水量、霧日數和霾日數的氣候變化傾向率（/10a）

2.3.2 影響因子與日照時數的相關性

利用相關分析法分別對總云量、低云量、水汽壓、降水量、霧日數、霾日數與年日照時數、四季日照時數進行相關分析，其相關系數如表3所示。

表3 1976～2018年山西東南部日照時數與總云量、低云量、水汽壓、降水量、霧日數、霾日數的相關系數

從1976～2018年四季和年日照時數與同期總云量、低云量、水汽壓、降水量、霧日數、霾日數的相關分析（表3）可知：（1）春季日照時數與霾日數呈不顯著正相關，與低云量的相關性通過α=0.05顯著性水平檢驗，與總云量、水汽壓、降水量、霧日數的相關性均通過0.01水平的顯著性檢驗，其中霧日數增加對春季日照時數的影響最為顯著。（2）夏季日照時數與低云量、水汽壓、霾日數呈不顯著負相關，與總云量、降水量、霧日數的相關性均通過0.01水平的顯著性檢驗，其中總云量增加、降水量增加對夏季日照時數影響最為顯著。（3）秋季日照時數與霾日數呈不顯著負相關，與低云量的相關性通過0.05水平的顯著性檢驗，與總云量、水汽壓、降水量、霧日數的相關性均通過0.01水平的顯著性檢驗，其中總云量增加、霧日數增加對秋季日照時數影響最為顯著。（4）冬季日照時數與低云量呈不顯著負相關，與總云量、水汽壓、降水量、霧日數、霾日數的相關性均通過0.01水平的顯著性檢驗，其中總云量增加、霧日數增加對冬季日照時數影響最為顯著。（5）年日照時數與低云量呈不顯著負相關，與水汽壓的相關性通過0.05水平的顯著性檢驗，與總云量、降水量、霧日數、霾日數的相關性均通過0.01水平的顯著性檢驗，其中總云量增加、霧日數增加對年日照時數影響最為顯著。

通過上述分析可知，霧日數增加，大氣透明度降低，太陽輻射減弱，是導致春季、秋季、冬季和年日照時數減少的重要因子之一，尤其是秋季；總云量的多少與日照時數的長短有密切的關系，總云量增加是導致夏季、秋季、冬季和年日照時數減少的重要因子之一。另外，夏季降水頻繁，降水量增加對夏季日照時數減少也有一定影響。

3 結論和討論

本文應用1976～2018年山西東南部11個地面氣象觀測站的逐月觀測資料，分析了該地區日照時數的時空變化特征，以及多個氣象因子對日照時數的影響，主要結論如下：

(1)山西東南部近43a年平均日照時數空間差異顯著，呈南北多、東西和中部少的分布特征。其中東部黎城日照時數最少為2222.9h，南部壺關日照時數最多為2658.7h，其他地區介于兩者之間，最大值比最小值偏多19.6%。

(2)山西東南部年日照時數在2005年發生突變。近43a年日照時數呈顯著減少趨勢，年日照時數平均每10a減少71.9h。最多年份與最少年份日照時數相差651.8h，日照時數的年際變化比較大。山西東南部及其各區（縣）年日照時數未來總體趨勢仍然繼續減少，其中沁縣和黎城減少幅度較為明顯。

(3)山西東南部近43a日照時數變化存在季節差異，四季日照時數由多到少依次為春季>夏季>秋季>冬季。四季日照時數均呈一致的減少趨勢，春季減速最小?5.5h/10a，秋季減速最大?25.1h/10a。秋季對山西東南部年日照時數的減少貢獻最大。

(4)山西東南部近43a各月日照時數分布不均勻，最多的月份是5月，為251.6h；最少的月份是2月，為169.9h。除3月日照時數呈增加趨勢外，其余各月均呈一致的減少趨勢，其中6月和9月對山西東南部年日照時數的減少貢獻最大。

(5)對日照時數有影響的氣象因子?總云量、低云量、水汽壓、降水量、霧日數、霾日數中，總云量、霧日數、霾日數總體呈顯著增加趨勢，低云量、水汽壓、降水量變化趨勢不顯著。

(6)從四季和年日照時數與同期總云量、低云量、水汽壓、降水量、霧日數、霾日數的相關分析可知，霧日數增加是導致春季、秋季、冬季和年日照時數減少的重要因子之一，尤其是秋季；總云量增加是導致夏季、秋季、冬季和年日照時數減少的重要因子之一。另外，降水量增加對夏季日照時數減少也有一定影響。

秦明凱[28]和李潤春等[29]分析了日照時數的變化與城市化發展的關聯性，以及與地形的關系，認為隨著城市化的快速發展，空氣中煙、灰、粉塵、汽車尾氣等大氣污染物明顯增多，在海拔低、山間或盆地地區不易擴散，是導致霾日數增加、大氣透明度下降、日照時數減少的重要原因。可見影響日照時數的因子較為復雜，本文僅對近43a山西東南部日照時數時空變化特征與氣象因素的關系進行了初步探討，其具體物理機制還需進一步研究。