近54年罗城日照变化特征及其影响因子分析

黄肖寒,杨 睿,贺春江

(1.河池市气象局,广西河池 547000;2.西安市气象局,西安 710016)

近54年罗城日照变化特征及其影响因子分析

黄肖寒1,杨 睿2,贺春江1

(1.河池市气象局,广西河池 547000;2.西安市气象局,西安 710016)

基于广西罗城气象站1958—2011年的观测资料,采用累积距平、Manna-Kendall检验法、Morlet小波分析等方法,分析了罗城日照时数年际和四季变化、突变分析以及周期性变化特征,并对影响日照的气象、非气象因子进行了分析。结果表明:广西罗城年日照时数有下降趋势,下降倾向率为31.98h/10a,变化幅度较大,峰值和谷值相差786.4h;日照时数还存在着明显的季节差异,春、夏季变化较明显,秋、冬季次之;年日照时数在1991年发生了由多到少的突变;54a日照时数存在多个时间尺度变化规律,在25a、15a尺度上,显示出强周期位相结构;同时,罗城全年、四季的日照时数与气象因子的相关性存在差异。

日照变化特征;线性趋势;Manna-Kendall法;小波分析;广西罗城

日照是气候变化的重要因素之一,日照时数的变化特征与当地的气候变化情况、能源的开发与利用、农业的生产以及人类活动密切相关。深入开展日照时数分布规律和变化趋势研究,对当地的资源利用、城镇规划建设、合理布局农业生产等具有较大的参考价值和现实意义。近年,随着全球气候变化研究的深入开展,广西各地区的日照时数的变化趋势已引起很多学者的关注。覃峥嵘[1]分析了南宁日照时数减少的气候变化特征,找出了夏季日照时数与降水量、废气排放总量的关系。梁琼芳[2]分析了百色市近58年日照时数的气候变化特征,发现百色市各季中夏季日照时数减少最多,冬季减少最缓,年日照时数在1980年发生了明显的突变现象。这些分析结果与广西平均的日照时数变化特征是一致的[3]。

罗城县位于广西地区北部、河池市东部,地处低纬,属亚热带季风气候区。在全球气候变暖的大背景下,罗城县日照时数也发生了相应的变化。虽然已有学者[4]对罗城县日照时数年际变化、季节特征进行线性趋势分析,但是缺少对日照时数的周期性、突变时间等进行更深入的分析。鉴于此,本文在研究罗城县日照时数年际变化、季节变化的基础上,运用Manna-Kendall法找出年日照时数突变的时间点,采用Morlet小波分析方法找出年日照时数的周期变化特征,并找出影响罗城日照时数的气象因子,对可能的影响因素进行了相关性分析,找出日照时数变化的可能原因,以期为合理布局农业生产、开发旅游资源、城镇规划建设等提供科学依据。

1 资料选取与方法介绍

以罗城县气象观测资料为基础,选取1958—2011年日照时数、降水、相对湿度、气温和水汽压资料序列作为研究对象,对该地区的年日照时数变化特点进行分析。对春、夏、秋、冬进行气象学划分,即3—5月为春季,6—8月为夏季,9—11月为秋季,12月—次年2月为冬季[]。

日照时数的变化趋势采用线性趋势分析[7];年日照时数的周期性分析采用小波分析法,该方法可以有效地从信号序列中提取有用信息,然后可以对信号进行多尺度细化分析。本文选用非正交的Morlet小波作为基函数进行小波变换[8],它的实频两域都具有很好的局部性。

利用累积距平检验方法[8]判断年日照时数阶段性变化,它是一种由曲线直观判断变化趋势的方法,由曲线明显的上下起伏,可以诊断出发生突变的大致时间。年日照时数的突变检测方法采用Manna-Kendall非参数统计检验法[8],即通过绘制UF和UB曲线,找出突变的开始时间,并指出突变区域。该方法计算简单,可以明确突变开始的时间和区域,不易受异常值的干扰。

2 日照时数变化特征

2.1 年际变化

图1数据分析表明,1958—2011年期间,罗城年日照时数有下降趋势,下降倾向率为31.98h/10a,相关系数为-0.2853。日照时数多年平均值1324.97h,年日照时数最多的1979年(1634.6h)和最少的1997年(848.2h)两者相差786.4h,为多年平均值的59.35%。1977—1990年,罗城年日照时数偏多,年日照时数均大于多年平均值。20世纪90年代以来,日照时数明显减少,仅2004、2009、2010、2011年年日照时数偏多,其他年份均偏少。

图1 1958—2011年广西罗城年日照时数曲线图(粗直线为趋势线,虚线为54a平均值)

2.2 季节变化

罗城各季日照时数的年际变化存在着明显差异,近54a来,各季节日照时数总量均呈下降趋势(图2),以春、夏较为明显,秋、冬季次之,各季节日照时数下降时段存在一定的差异。春季日照时数下降时段为1988—2007年,夏季日照时数下降时段为1991—2010年,秋季日照时数下降时段为1993—2008年,冬季日照时数波动性强,下降时段不明显。1988—1990年间日照时数年总量减少的主要贡献者是春季, 1991—1992年间日照时数年总量减少的主要贡献者是春季、夏季,1992—2007年间日照时数年总量减少的主要贡献者是春季、夏季、秋季。各季节日照时数最低值、最高值出现的年份不同。春季最低值、最高值分别出现在2005年和1963年;夏季最低值、最高值分别出现在1959年和1988年;秋季最低值、最高值分别出现在1997年和1978年;冬季最低值、最高值分别出现在1997年和1979年。

2.3 突变分析

年日照时数累积距平(图3)1958—1990年为正距平,呈增加趋势,而1991—2011年累积距平为负距平,呈减少趋势。分析表明年日照时数历经了1958—1990年的偏多期、1991—2011年的偏少期。

图2 1958—2011年广西罗城各季节日照时数距平变化特征(实线为5a滑动平均值)

图3 1958—2011年广西罗城年日照时数累积距平值

为了分析年日照时数突变,利用Manna-Kendall检验法对1958—2011年广西罗城年日照时数序列进行突变分析 (图4),给定显著性水平0.05临界线值为1.96。由UF曲线可见, 1988年以来,年日照时数有明显下降的趋势。图中在显著性水平0.05的临界线之间,UF和UB曲线在1991年出现一个交点,表明年日照时数在1991年发生了由多到少的突变。虽然年日照时数总的趋势是下降的(图1),但1991年以前是在平均值以上的范围内下降,而1991年以后是在平均值以下的范围内下降。基于年日照时数序列数据,计算得到:日照时数54a平均值为1324.97h。1958—1990年间,年平均时数为1404.17h,比平均值偏多约6%;1992—2011年,年平均时数为1205.26h,比平均值偏少约9%。

图4 1958—2011年广西罗城年日照时数突变判别曲线

2.4 周期分析

Morlet小波系数的实部时频变化图中,在较长时间尺度上,等值线稀疏;较短时间尺度上,等值线密集。正值区域表示日照时数偏多,负值区域表示日照时数偏少[9]。

图5中,54a日照时数存在多个时间尺度变化规律。在25a尺度上,显示出强周期位相结构,主要存在3个时间段的变化,正负位相以12a左右的周期震荡;1958—1973年和1991—2003年为正位相,表示这段时间年日照时数较多;而1974—1988年为负位相,表示这段时间年日照时数较少。且等值线稀疏变化不大,说明日照时数的变化相对平稳。而在15a左右的时间尺度上,20世纪60年代到90年代有4个周期最明显,日照时数2次增加,2次减少。从图中还可以看出,在6a左右时间尺度上,明显存在1次日照时数减少。

图5 1958—2011年广西罗城年日照时数小波变换分布图

3 成因分析

3.1 影响日照时数的主要气象因子

影响日照时数的气象因子很多,云量是影响日照时数变化的重要因子。相关的云量分析的研究已很多,龙红、Stanhilal等的研究中已进行详细阐述[10-11]。本文分析水汽压、降水量和相对湿度对日照时数的影响,其中水汽压为14:00观测值。分析显示:年、季日照时数均与水汽压、降水量、相对湿度呈负相关(表1)。

一年四季,罗城夏长冬短,冬无严寒,夏少酷暑,雨量多,光照足。1958—2011年,水汽压以0.017mm/10a的速率下降,相对湿度以0.275%/10a的速率下降,降水量以2.315mm/10a的速率增多。全年日照时数的变化趋势与水汽压、降水量、相对湿度均有关。

春季,罗城常有阴雨、暴雨、强对流、寒潮等天气,雨日较多,湿度较大。春季年日照时数和湿度的相关系数值为-0.5697,呈显著相关关系。1958—2011年,相对湿度以0.179%/ 10a的速率增加,与降水量、水汽压的上升趋势相比,变化显著。因此,春季的日照时数的变化趋势主要与相对湿度有关。

夏季,受锋面低槽、热带气旋、季风云团等天气系统的影响,罗城常有高温、暴雨、雷暴等天气。高温酷暑天气的日照时数较多,暴雨、雷暴天气的降水量大,相对湿度较大,日照时数相对较少。相对湿度对夏季日照时数的影响较显著,水汽压和降水量与日照时数的负相关系数也在0.3以上。1958—2011年,降水量以9.678 mm/10a的速率增加,水汽压以0.012hPa/10a的速率上升,与降水量的上升趋势相比,变化不显著。因此,夏季的日照时数主要与湿度、水汽压的变化有关。

表1 1958—2011年广西罗城年/季日照时数与气象因子的相关系数

表2 1958—2011年广西罗城年/季气象因子趋势系数

秋季,罗城易发生干旱,降水量的多少,在很大程度上影响日照时数的多寡。秋季日照时数和相对湿度、降水呈较明显负相关关系。1958—2011年,降水量以5.893mm/10a的速率增多,相对湿度以0.365%/10a的速率下降。秋季的日照时数主要与相对湿度、降水量的变化有关,与降水量的大幅变化趋势关系较密切。

冬季,罗城常有冷空气带来大风、寒潮、低温、霜冻等灾害性天气,降水日数较少,空气干燥。冬季日照时数和水汽压、降水量、相对湿度呈负相关关系。1958—2011年,水汽压以0.058 mm/10a的速率增多,相对湿度以0.804%/ 10a的速率下降,降水量以4.532mm/10a的速率增多。因此,冬季的日照时数主要与水汽压、相对湿度的变化有关。

3.2 影响日照时数的非气候因素

20世纪90年代之前,广西罗城县的气象探测环境较好。90年代之后,随着地方区域的规划发展需要,观测场所在地由城郊变为县中心地带,周围的楼房也逐年增高增多,气象探测环境也随之恶化。由于观测场周围的高大建筑挡住了部分阳光,致使观测场的日照仪器记录到的实际日照时数减少。在一定程度上,非气候因素致使观测到的日照时数减少,这与图1的年日照时数变化趋势分析结果吻合。

4 结论

(1)1958—2011年,罗城日照时数呈下降趋势,其中变化倾向率为31.98h/10a。日照时数54a平均值1324.97h,年日照时数最多的1979年(1634.6h)和最少的1997年(848.2 h)两者相差786.4h,为多年平均值的59.35%。1991年是日照时数发生由多到少突变的时间点。

(2)1958—2011年,罗城各季节日照时数总量均呈下降趋势,以春、夏较为明显,秋、冬季次之。同时,54年日照时数存在多个时间尺度变化规律,在25a、15a尺度上,显示出强周期位相结构。

(3)年、季日照时数与水汽压、降水量、相对湿度均呈负相关,但存在差异。全年日照时数的变化趋势与水汽压、降水量、相对湿度均有关;春季主要与相对湿度有关;夏季主要与相对湿度、水汽压有关;秋季主要与相对湿度、降水量有关,与降水量的大幅变化趋势关系较密切;冬季主要与相对湿度、水汽压有关。

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[2] 梁琼芳,黄琳,凌莉.百色市日照时数变化特征分析[J].气象研究与应用,2010,31(4):32 -33.

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黄肖寒,杨睿,贺春江.近54年罗城日照变化特征及其影响因子分析[J].陕西气象,2014(1):13-17.

1006-4354(2014)01-0013-05

2013-09-22

黄肖寒(1987—),女,壮族,广西都安人,硕士,助理工程师,从事业务管理以及气候变化研究。