葫芦岛市近48年日照变化及突变分析

廖晶晶，张凤鸣

(1.葫芦岛市气象局，辽宁 葫芦岛 125000； 2.朝阳市气象局，辽宁 朝阳 122000)

1 资料与方法

1.1 资料

本研究以葫芦岛地区1964—2011年月平均日照、各季节平均日照和逐年平均日照相关资料为理论基础，一年四季划分标准如下：春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12—2月)。

1.2 方法

1.2.1 线性倾向估计

在对气象要素资料序列进行趋势分析时，最常用的方法是线性倾向估计法[1-2]。在这种方法中，用yi表示n个样本在阶段内的气候变量，而xi就代表研究观察的时间，利用上述理论可以建立xi与ti之间的一元线性回归：

yi=a+bxi，i=1，2，…，n。

b在该线性回归中表示气候变量y在阶段内的变化走向，如果b>0，就表示时间x与y之间存在正比关系，b又可以被称为趋势变化率，它的得出途径是最小二乘法，即10b表示气候变化率，其单位为：h·10 a-1。此时还可以通过计算得出r值，并将其结果进行显著性检验。

1.2.2 累积距平法

累积距平[2]是利用目标曲线形态观察变化趋势及其走向的一种方法。序列x在某时刻的累积距平的表示方法:

本文利用累积距平图观察阶段内目标数值的变化趋势及其未来走向，累积距平曲线呈上升状态时，我们可认为气象要素偏高(多)，而曲线呈下降状态时则表示此时的气象要素偏低(少)。

1.2.3 Mann-Kendall法

Mann-Kendall法(简称为M-K法)是用途极广的一种突变检验法，其主要用于气候和径流趋势突变分析，利用这种方法得出的分析结果精度极高，算法简便，并且可以明确突变开始的时间，其具体算法如下：

将样本量为n的时间序列利用该分析法构造成一秩序列Sk：

式中，Sk是表示时刻i大于时刻j时刻个数的累计总数，假设时间序列为独立且随机的定量，此时定义统计值UFk：

其中UF=0，E(Sk)和var(Sk)表示Sk阶段内的平均值和方差，所有的UF值可组成一条显示其变化走向和趋势的UF曲线，本研究利用M-K法可同时得出2个准确时间点，即时间序列的突变初始时间和上升下降趋势明显发生变化的时间。

2 日照的年、季变化特征

2.1 年代际变化

由图1得出，葫芦岛市区年代间日照时数变化显著。日照时数从20世纪60年代开始呈现下降趋势，而60年代期平均日照时数的最大值为2 870.5 h，60年代至80年代的平均日照时数则逐渐减少，90年代该数值略有上浮，2001—2011年的平均日照时数达到史上最低点(2 504.7 h)。

2.2 年平均日照变化特征

葫芦岛市区48年平均日照时数为2 621.5 h。图2显示，葫芦岛在近48年间的市区日照时数呈现总体下降趋势，气象倾向率为-85.6 h·a-1，减少趋势符合0.001显著性检验的要求。总体上，60年代到70年代的葫芦岛市区日照时数最多，80年代大幅减少，90年代有小幅回升，之后一直呈现下降趋势。从日照年变化情况来看，最高值出现在1968年，为3 037.1 h；最低值出现在2010年，为2 217.2 h，最高值与最低值相差819.9 h。由此可见，日照时数的年际变化差异性很大。

图1 葫芦岛市区各年代平均日照时数

图2 葫芦岛市区年日照时数变化曲线特征和线性趋势

2.3 季节日照变化特征

进一步分析葫芦岛市区日照时数的季节变化走向，图3显示，葫芦岛在48年中的四季日照时数变化状况和年日照时数变化状况大体一致，均为平稳减少。表1显示，夏秋两季日照时数变化情况与0.001显著性检验要求相符，春季日照时数变化状况则与0.01的显著性检验要求相符，但是冬季日照时数变化状况与0.05的显著性检验要求不符，而且由于各个季节的温度特性差异较大，所以导致春季、夏季和秋季的平均日照时数变化远大于冬季平均日照时数变化。春、夏、秋、冬四季的气候倾向率分别为-20.224、-34.714、-22.641、-9.363 h·10 a-1，表明夏季平均日照时数在48年间的变化最大，而冬季平均日照时数最小。四季中夏季的平均日照时数在近48年间的变化幅度最大，其中变化最为显著的年份是1968年，858.4 h；最少年份为1996年，475.8 h，相差382.6 h。春和冬季次之，分别为277.1 h和210.9 h，而秋季最小为183.5 h。

表1 葫芦岛市线性倾向估计值 h·10 a-1

注：***通过0.001信度，**通过0.01信度，*通过0.10信度。

3 日照的突变性和阶段性

本文旨在利用M-K法得出葫芦岛市区日照的精确突变时间和阶段内日照变化趋势和走向，然后利用累积距平曲线图得出日照时数变化的阶段特征，图4为表现葫芦岛市区各年和和季节日照变化趋势的M-K检验曲线图：其中的虚线为0.05的显著水平线，具体数值为±1.96。

图3 葫芦岛市区四季日照时数变化曲线特征和线性趋势

图4 葫芦岛市区年和各季日照时数M-K法检验曲线

图4表明，葫芦岛市区日照时数突变年份在1979年。1981年又出现了日照时数明显下降的情况，已超过0.05的显著水平线；而春季日照时数在1976年发生显著突变，1981年超过0.05显著水平线，以后呈现出更加明显的下降趋势；夏季日照时数在1984年发生突变，1986年超过0.05显著水平线，下降趋势显著；秋季日照时数1980年发生突变，1981年超过0.05显著水平线，下降趋势显著；冬季日照时数没有发生突变，虽有下降趋势，但是不显著。

从图5可以看出，葫芦岛市区年、春季和冬季日照时数1964—1978年处于偏高阶段，1979—2011年处于偏低阶段；夏季和秋季日照时数1964—1983年处于偏高阶段，1984—2011年略有下降。利用线性倾向估计、M-K法和累积距平对葫芦岛市区全年和各季节日照时数变化的研究结果没有太大差别，三种方法的检测结果均显示年、春、夏和秋季日照时数显著下降，冬季日照时数下降不显著。

图5 葫芦岛市区年和四季日照时数累积距平

4 小结

近48年来，葫芦岛市区年、春、夏和秋季的日照时数都具有明显的下降趋势，且都与0.001的信度检测要求相符合，冬季的日照时数变化并不明显。用Mann-Kendall检验法对葫芦岛进行年和四季日照时数变化的突变检测，结果为年和春季日照时数1979年左右发生突变，夏季和秋季分别在1980年和1984年发生突变，冬季没有发生突变。通过Mann-Kendall检验法和累积距平得出葫芦岛市区年和春、夏、秋季日照时数20世纪80年代初超过0.05显著水平线，下降趋势显著。冬季日照时数没有发生突变，有下降趋势，但不显著。

[1] 徐宗学，隋彩虹．黄河流域平均气温变化趋势分析[J]．气象，2005，31(11)：7-16．

[2] 魏凤英．现代气候统计诊断与预测技术[M]．北京：气象出版社，1999：37-40，4344，63-66．