1961—2010年杭州太阳总辐射及日照时数气候变化

张立波 娄伟平

(1.绍兴市气象局，浙江绍兴312000;2.新昌县气象局，浙江 新昌312500)

0 引言

太阳辐射是地－气系统各种物理和生化过程的主要能量来源，是驱动大气环流的根本动力，是决定天气气候形成及其演变的重要因子。到达地面的太阳总辐射除受天文因子影响外，还受云量、水汽和大气气溶胶等大气因子影响。近年来，气候与环境的变化已受到越来越多的关注，其会引起大气化学成分和物理结构的改变，进而影响到太阳辐射状况的变化，日照时数是太阳辐射能最直接的反映，探讨气候与环境变化对太阳辐射和日照时数的影响具有重要意义。

近年来，国内外不少学者就不同区域太阳辐射的变化及其影响因素进行了分析研究，得出了许多有意义的结论。国外已有研究表明，20世纪90年代初期以前全球多个区域太阳辐射呈显著减少趋势，但这种普遍减少趋势在20世纪90年代以后并未持续，甚至呈普遍上升趋势，但不同区域有所差异［1－6］。国内学者对中国的研究表明，1961—1990年中国太阳辐射呈减少趋势［7－8］，但1990年以后这种减少趋势在中国大部分地区并未继续下去［9－11］。多数学者认为云量和气溶胶的变化可能是近年来全球太阳辐射变化的主要原因［12－14］。

杭州是浙江省省会，位于中国东南沿海北部，是长江三角洲经济圈的中心城市之一，其主要气候特征有光照充足、雨热同季、四季分明等。改革开放以来，由于杭州工业的快速发展、城市规模的不断扩张和汽车拥有量的迅速增加，能源消耗也不断增长，向空气中排放了大量的污染物，对其气候和环境产生了不容忽视的影响。目前，浙江省现有的辐射观测站有两个，都是国家二级辐射观测站，但仅杭州站有自1961年以来完整的辐射观测资料和日照资料，目前将这些资料用于气候变化的研究报道还很少见。为此，本文通过分析杭州太阳总辐射和日照时数的演变趋势和变化差异及其影响因子，以期为浙江省乃至长三角地区气候变化研究提供参考，为合理开发利用太阳能资源提供依据。

1 资料与方法

本文所用的杭州气象站资料由中国气象局国家气象信息中心提供，包括逐日太阳总辐射、日照时数、降水量、平均水汽压、平均风速、总云量、低云量和3种主要视程障碍天气现象(轻雾、雾、霾)日数资料，时间1961—2010年。春季用3—5月，夏季用6—8月，秋季用9—11月，冬季用12—2月。以距平超过标准差的2倍作为异常，以标准差的1.5～2倍为接近异常来分析太阳总辐射和日照时数的异常特征。气候倾向率采用线性方程拟合［15］，其统计检验采用随机Monte Carlo显著性检验［16］。为检测气象要素序列的变化是否有突变，采用Yamamoto检验方法［17］。1993年杭州站太阳总辐射由人工观测改为自动观测。参照文献［18］中的方法，取绍兴、萧山、富阳、海宁、桐乡和德清为参考站，采用Potter法对杭州1961—2010年总辐射资料进行均一性检验，结果发现，近50 a杭州总辐射资料没有出现间断点，1993年的辐射仪器换型对总辐射资料影响不大，这与文献［19］中的结论也基本一致。为了全面、客观地给出杭州站太阳总辐射和日照时数的变化事实，本文分别对1961—2010年、1961—1992年及1993—2010年3个时段的变化情况进行分析。

2 结果与分析

2.1 太阳总辐射和日照时数气候变化

2.1.1 太阳总辐射和日照时数月变化

杭州太阳总辐射和日照时数的年内变化十分相似(图1)，盛夏(7—8月)最大，冬季最小;多年平均最大值均出现在7月份，分别为553.6 MJ/m2和222.5 h，最小值分别出现在2月份和1月份，为216 MJ/m2和102.7 h;6月受江淮梅雨带影响，杭州降水量和云量较多，导致太阳总辐射和日照时数偏低，在年内变化曲线上6月份出现明显回落。月太阳总辐射和日照时数的年内变化基本都表现为从7月向前后两端减少的特征，这与太阳高度角变化基本一致，但略有滞后。

由杭州各月太阳总辐射和日照时数线性趋势分析(表1)可知，近50 a(1961—2010年)除4—6月外，其余各月太阳总辐射全部呈减少趋势，但除1月和8月外，其它月份的趋势减少并不显著;近50 a日照时数除4—5月呈微弱增加趋势外，其它各月均呈减少趋势，其中1月、6—9月及11月趋势减少显著;计算两者的“趋势系数差”(日照时数的趋势系数减太阳总辐射的趋势系数)，12个月全部都是负值，表明近50 a杭州各月日照时数相对于太阳总辐射在减少，即日照时数减少比太阳总辐射明显或日照时数增加没有太阳总辐射明显。

图1 1961—2010年杭州站月平均太阳总辐射和日照时数

表1 杭州月、季、年太阳总辐射和日照时数趋势系数及气候倾向率(太阳总辐射单位:(MJ/m2)/10a，日照时数单位:h/10a)

对各时段而言，太阳总辐射和日照时数在1961—1992年普遍呈负趋势，仅在4—5月呈弱增加趋势，1—3月及7—9月趋势减少显著，以8月份减少最多;1993年以后，除秋季(9—11月)各月下降趋势有所增加外，其余各月太阳总辐射和日照时数下降趋势大都减弱或上升趋势有所增强，尤其是日照时数于3月份及太阳总辐射于3，4，6和12月都由负趋势转为弱增加趋势。

2.1.2 太阳总辐射和日照时数的年及四季变化

图2给出年太阳总辐射和日照时数时间变化曲线，由图看出，近50 a杭州年太阳总辐射和年日照时数都呈波动下降趋势，气候倾向率分别为41.4(MJ/m2)/10 a和 85.9 h/10 a(表 1)，以年日照时数下降更明显，这是由于年日照时数在1961—1992年及1993—2010年两个时段都表现为显著下降趋势，而年太阳总辐射在1993年以后呈波动变化，下降趋势减弱所致。各季节(图略)的情况是，春季太阳总辐射和日照时数在1961—1992年均呈下降趋势，1993年以后则同步转为波动上升趋势。夏、秋、冬3季日照时数在近50 a始终呈下降趋势，气候倾向率分别为40.9 h/10 a，20.9 h/10 a，21.5 h/10 a，到 21 世纪前10 a降至最低;而同期太阳总辐射与年太阳总辐射的变化相似，在1961—1992年显著下降，1993年以后呈波动变化，下降趋势明显减弱。

图2 杭州年太阳总辐射(a)和年日照时数(b)的时间变化曲线

综上所述，近50 a春季太阳总辐射和日照时数变化趋势一致，太阳总辐射在1993年以后存在较明显的“变亮期”;近50 a年及夏、秋、冬3季太阳总辐射的下降趋势弱于同期日照时数的下降，年及夏、秋、冬3季太阳总辐射在1993年以后呈波动变化，1993—2010年及1961—1992年两时段均值差别不大，没有出现明显的“变亮期”。

2.1.3 太阳总辐射和日照时数的异常分析及突变检测

用Yamamoto检验方法对杭州年及四季太阳总辐射和日照时数的时间序列进行了突变检验，结果表明，年太阳总辐射在1975年以后明显减少，其它时段太阳总辐射没有突变;年及夏季日照时数分别在1971和1973年后明显减少，其它时段日照时数没有突变。

对近50 a杭州年及四季太阳总辐射和日照时数的异常情况进行分析，结果表明，四季太阳总辐射和日照时数异常或接近异常偏多年份多发生在20世纪70年代中期以前，异常或接近异常偏少年份多发生在20世纪70年代中期以后，此外，年及春、夏、秋3季太阳总辐射在20世纪90年代中期的偏多也较为明显。近50 a年太阳总辐射异常偏多年份出现过2次，分别在1967和1995年，前者是由于夏、秋、冬3季太阳总辐射偏多所造成的，而后者则主要是由于春、夏两季偏多所致;年太阳总辐射异常偏少年份出现在1977年，是由于四季太阳总辐射都偏少造成的;年日照时数异常偏多年份出现在1963年，主要由春季日照偏多所致，近50 a年日照时数未出现异常偏少年份。

2.2 影响太阳总辐射和日照时数的主要气候要素分析

影响太阳总辐射和日照时数变化的主要因子是太阳高度角和大气透明度。就某一固定地点来说，太阳高度角的变化相对稳定，因此，太阳总辐射和日照时数变化主要由大气透明度决定。大气透明度取决于大气中所含水汽、水汽凝结物和尘埃杂质等的多少，因此，水汽压、降水量、云量和雾霾等视程障碍现象与大气透明度关系密切。已有研究表明［7－11］，大气透明度、云量、降水量和水汽压等对太阳总辐射和日照时数变化都有很大影响，由于缺乏与太阳总辐射和日照时数相匹配的长序列气溶胶资料，本文重点分析云量、降水量、水汽压和视程障碍现象对太阳总辐射和日照时数的影响。所包含的因子有总云量、低云量、降水量、雨日、平均水汽压、轻雾日数、雾日数和霾日数，共8个。

表2给出近50 a杭州年及四季各气候因子的变化趋势，由表可见，近50 a杭州平均水汽压除冬季外，全都呈下降趋势。各季降水量和雨日变化趋势基本一致，春、秋季减少，雨日比降水量减少更明显;夏、冬季增加，降水量较雨日增加更显著;在年降水量增加的同时，年雨日却呈减少趋势。总云量除春季显著减少外，其它各季正负趋势变化都不明显;低云量大都呈增加趋势，年及夏季显著增加，仅在春季呈弱减少趋势。近50 a杭州各季轻雾日和霾日显著增多，但雾日却有所减少。

表2 杭州年及四季各气候因子的趋势系数及气候倾向率

对近50 a年及四季太阳总辐射和日照时数与同期各气候因子的相关系数进行统计发现(表略)，降水量、雨日、总云量、低云量、雾日和轻雾日与太阳总辐射和日照时数几乎都呈显著负相关关系，符合降水量、雨日、云量和(轻)雾日增加，太阳总辐射和日照时数减少的一般规律。除春季外，霾日数与日照时数大都呈显著负相关关系，与太阳总辐射在春季和冬季呈显著正相关关系，在年及夏季和秋季相关关系都不明显。平均水汽压在年及夏季与太阳总辐射和日照时数呈正相关关系，在春、秋和冬季则呈显著负相关关系。

根据上述对影响杭州太阳总辐射和日照时数的各因子的变化趋势及其显著性以及其与同站太阳总辐射和日照时数的相关性分析表明，年及四季太阳总辐射和日照时数与降水量、雨日、总云量、低云量、雾日和轻雾日多呈显著的负相关关系，也就是降水量、雨日、云量和(轻)雾日增加时，日照时数减少。由近50 a杭州降水、云量、雾日和轻雾日的趋势分布来看，降水量、低云量和轻雾日除春季外，以正趋势为主，雨日、总云量和雾日则以负趋势为主，这说明中高层云量变化及雨日和雾日变化并不是杭州年及四季太阳总辐射和日照时数变化的主要原因，杭州年及夏、秋、冬3季太阳总辐射和日照时数减少主要与降水量、低云量和轻雾日的增加有密切关系，春季太阳总辐射的增加主要与降水量、雨日、总云量和低云量减少关系密切。此外，近50 a年及四季日照时数减少与霾日数增加也有一定关系。

3 结语

1)杭州太阳总辐射和日照时数的月际变化十分相似，盛夏最大，冬季最小，都表现为从7月向前后两端减少的特征。1961—1992年杭州各月太阳总辐射和日照时数普遍呈减少趋势，仅在4—5月呈弱增加趋势，1993年以后，除秋季各月下降趋势有所增强外，其余各月两者下降趋势减弱或上升趋势有所增强。近50 a(1961—2010年)除春季各月外，其余各月太阳总辐射和日照时数全部都是负趋势，以日照时数减少更明显。

2)近50 a杭州年太阳总辐射和年日照时数都呈波动下降趋势，气候倾向率分别为41.4(MJ/m2)/10a和85.9h/10a，以年日照时数下降更明显，这是由于年太阳总辐射下降主要出现在1961—1992年，1993—2010年呈波动变化，而年日照时数在上述两个时段都表现为显著下降趋势，至21世纪前10 a降到最低。近50 a夏、秋、冬3季两者趋势变化与年变化一致。春季太阳总辐射和日照时数变化趋势一致，在1961—1992年均呈下降趋势，在1993年以后存在较明显的“变亮期”。

3)近50 a四季太阳总辐射和日照时数异常偏少(多)年份多发生在20世纪70年代中期以后(前)，此外年及春、夏、秋3季太阳总辐射在20世纪90年代中期的偏多也较为明显。1967和1995年太阳总辐射异常偏多，1977年异常偏少;1963年日照时数异常偏多，其主要是由春季日照偏多所致，近50 a年日照时数未出现异常偏少年份。突变分析表明，年太阳总辐射在1975年以后明显减少，各季太阳总辐射没有明显突变;年及夏季日照时数分别在1971和1973年后明显减少，其它时段日照时数没有明显突变。

4)杭州年及夏、秋、冬3季太阳总辐射和日照时数减少主要与降水量、低云量和轻雾日的增加有密切关系，春季太阳总辐射的增加主要与降水量、雨日、总云量和低云量减少关系密切。此外，霾日数变化对日照时数的影响也非常重要。

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