近57年川东区域日照变化特征分析

周示凯，张涵斌，李 靖

(1.中国民用航空日喀则站，西藏日喀则 857000；2.中国气象局北京城市气象研究所，北京 100089；3.中国卫星海上测控部，江苏江阴 214431)

气候变化已经成为全球科学家普遍关注的一个热点问题。气候变化涉及到多个方面的气候要素，随着研究的不断深入，人们逐渐对太阳辐射产生了越来越多的关注。太阳辐射(主要指到达地面的太阳辐射)是地球表层上的物理、生物和化学过程的主要能源，也是生态系统过程模型、水文模拟模型和生物物理模型研究中必要参数[1]，对太阳辐射的研究意义也显得越来越重要。

对太阳辐射能量的研究主要针对日照时数和日照百分率2个重要因子。日照时数反映了一地接受太阳辐射时间的长短，是太阳辐射最直接的表现，是气候形成的重要因素，也是表征一地气候变化的主要气象要素之一。研究日照时数变化及时空分布规律，不仅有助于了解某地区气候变化的规律，还可以通过日照时数的变化状况，间接推断该地区云的变化以及大气成分的变化情况[2]。国内外很多学者针对日照变化规律及其原因进行了研究，任国玉等[3]研究发现，近50年全国平均日照时数呈下降趋势，陈志军等[4]在研究重庆日照时数变化中得出重庆市日照时数在40年间发生明显减少，并且总结出其变化与云量有明显的负相关关系。伍红雨等[5]分析指出，近48 年华南大部分地区日照时数的显著下降与总云量的明显增加密切相关。川东地区地理位置较为独特，在气候变化的大背景下，该地区日照时数和日照百分率也发生了相应的变化。笔者选用近57年来川东达州、巴中、南充3站以及川中东部的绵阳站日照时数、日照百分率资料,采用线性倾向估计法、Mann-Kendall(M-K)检验法，分析了川东地区日照变化特征,为研究川东气候变化提供参考。

1　资料与方法

1.1研究区概况四川盆地地势西高东低,东部是川东盆地，典型的城市有巴中、达州、南充等。该地区群山环绕，气候特征也比较鲜明，具有冬暖夏热的特点，且多云雾多降水，空气湿度较大，而日照较少。盆地是全国日照时数最少的区域，全年日照时数为900～1 600 h。

1.2资料选取选取的资料为达州、巴中、南充3个台站57年来(1954—2010年)各月的日照时数与日照百分率，同时选取了四川中东部地区的绵阳站作为对比参考站，来突出川东地区气候变化区别于其他地区的区域性特征。

1.3研究方法

1.3.1线性倾向估计。对于气候时间序列的分析诊断，应首先关注它的趋势特征，另外，该序列是否存在突变特征也值得研究。该研究采用的分析趋势的方法是线性倾向估计法[6]。

用xi表示某一气候变量序列，样本量为n，用ti表示与样本xi所对应的时间，建立xi与ti之间的一元线性回归方程：

xi=a+bti(i=1,2,…,n)

(1)

其中，a是回归常数，b是回归系数。对于某一气候变量x的变化趋势，可以根据回归系数b来判断。当b>0时，说明x随时间t增加而增加；反之，说明x随时间t的增加而减少。一般将b称作倾向值，其绝对值的大小反映了增加或减少的倾向程度，统计上将这种方法称为线性倾向估计[6]。相关系数r表示变量x与时间t之间线性相关的密切程度。

为了确定回归方程是否有统计意义，需要检验时间序列的显著水平，该研究采取对回归方程的F检验，因为对一元线性回归来说，回归方程的检验和相关系数的检验是一致的，所以统计量F的计算，可以由相关系数得到，即

(2)

给定了显著性水平α，查自由度为(1，n-2)的F分布临界值表，可得临界值Fα，当F>Fα，则认为回归方程是显著的，否则不显著。

1.3.2曼-肯德尔(Mann-Kendall)检验法。采用气候统计中较为常用的Mann-Kendall (M-K)检验法[6]进行突变检验。该方法计算步骤为：首先计算顺序时间序列的秩序列Sk，从而计算出统计量UFk；其次计算逆序时间序列的秩序列Sk，也计算出统计量UBk；确定给定显著性水平的临界值，如α=0.05，那么临界值U=±1.96；最后将UFk和UBk2个统计量序列曲线和临界值(±1.96)2条直线绘在同一张图上。若UFk或UBk的值大于0，则表明序列呈上升趋势，小于0则表明呈下降趋势，若超过临界线的范围，表明该上升或下降趋势是明显的，确定为出现突变的时间区域。如果UFk和UBk2条曲线有交点，且交点位于临界线(±1.96)之间，那么交点对应的时刻便是该时间序列的突变开始时间[6]。

2　结果与分析

2.1日照时数变化特征

2.1.1年际变化。从图1a可以看出，近57年达州地区逐年日照时数变化总体呈下降趋势，气候倾向率为-8.147 h/a，1954—1980年为日照时数偏多期,多年在平均值以上，1977年达最大值，达1 394.00 h，而1980年以后年日照时数开始明显减少，只有少数年份超过了平均值，年日照时数变化较大，最低值出现在1993年，为711.25 h。根据R2=0.459，带入公式(2)得F=4.66，而根据F分布表可知，Fα=4.03，则F>Fα，表明该序列是显著的。

从图1b～d可看出，近57年巴中、南充、绵阳地区日照时数也呈减少趋势，1954—2010年的日照时数平均值分别为1 134.55、1 002.67和978.96 h，气候倾向率分别为-3.088、-5.973和-5.385 h/a，其中巴中下降的趋势不如达州、南充、绵阳。将逐年日照时数与多年平均值对比发现，近57年来巴中、南充和绵阳日照时数也可分为2个阶段，20世纪70年代末之前为日照时数偏多期，多数年份位于平均值之下；70年代末后为日照时数偏少期，其各年日照时数均在平均值以下或在平均值附近波动，利用线性倾向估计，得到F值分别为10.09、27.40、24.20，而Fα=4.02，则F>Fα，表明这3个地区日照时数序列均通过了显著性检验。

2.1.2季节变化。从表1可以看出，近57年来达州、巴中、南充和绵阳4个测站春、夏、秋、冬四季的日照时数均呈减少趋势，且各季气候倾向率的大小具有较大差异，其中夏季和冬季的气候倾向率明显小于春秋季，如达州地区，夏季和冬季倾向率分别为-10.830和-8.824 h/a，而春秋季气候倾向率分别为-3.920和-3.960 h/a，夏季比春季的倾向率低了6.910 h/a;其他3个地区情况也类似，夏季和冬季的气候倾向值明显小于春季和秋季；对于绵阳地区，春季和夏季的气候倾向率差异更大，夏季比春季的倾向率低9.463 h/a。总体上，4个地区冬夏两季日照时数的下降趋势更加明显，对比各地区全年日照时数变化特征，说明夏季和冬季日照时数的减少在全年日照时数减少的趋势中占主要部分。

图1　1954—2010年达州(a)、巴中(b)、南充(c)和绵阳(d)日照时数年际变化Fig.1　Annual variation trend of sunshine hours for Dazhou(a),Bazhong(b),Nanchong(c) and Mianyang(d) from 1954 to 2010

综上所述，川东的达州、巴中、南充3站日照时数的年际、季节变化趋势与绵阳地区的变化较为一致，同时与陈志军等[4]、陈碧辉等[7]对重庆、成都地区日照时数的变化趋势所得的研究结果基本一致，年、季节日照时数均是减少的，且冬夏季的减少趋势比春秋季更明显。

表11954—2010年4个测站不同季节日照时数气候倾向率

Table1Climatictendencyrateofsunshinehoursforfourregionsduringdifferentseasonsfrom1954to2010h/a

季节Season达州Dazhou巴中Bazhong南充Nanchong绵阳Mianyang春季Spring-3.920-1.196-4.581-1.737夏季Summer-10.830-3.484-8.368-11.200秋季Autumn-3.960-0.453-2.863-3.702冬季Winter-8.824-6.424-7.810-6.027

2.2日照百分率变化特征

2.2.1年际变化。从图2可以看出，1954—2010年达州站年日照百分率总体呈下降趋势，气候倾向率为-0.191%/a,1980年之前总体高于平均值28.094%，而1980年后有很少年份高于平均值，仅1986年达28.17%，1995年为29.42%，1997年为28.08%，其他年份均低于平均值。用线性倾向估计对达州日照百分率序列进行显著性检验，求得R2=0.387，F=34.70，Fα=4.03，显然F>Fα,回归方程是显著的。近57年来巴中、南充和绵阳地区日照百分率总体趋势也是下降的，气候倾向率分别是-0.070、-0.173和-0.153%/a，其中巴中地区与其他3个地区相比较，下降趋势不明显。总体上，近57年来巴中、南充和绵阳地区日照百分率趋势变化也可以大致分为2个阶段，1980年之前各年日照百分率较高，巴中最高值出现在1977年，达36.41%，南充最高值出现在1978年，达36.00%，绵阳最高值出现在1969年，达34.41%；到1980年之后日照百分率均较低，巴中1996年低至20.91%，南充1999年低至17.10%，绵阳1991年低至17.60%。分别对巴中、南充和绵阳日照百分率序列进行显著性检验，得出巴中、南充和绵阳的F值分别为7.43、33.50、45.90，而Fα=4.03，表明这3个站的线性回归方程也是显著的。

图2　1954—2010年达州(a)、巴中(b)、南充(c)和绵阳(d)日照百分率年际变化Fig.2　Annual variation trend of sunshine percentage for Dazhou(a),Bazhong(b),Nanchong(c) and Mianyang(d) from 1954 to 2010

2.2.2季节变化。从表2可以看出，近57年来达州、巴中、南充和绵阳春、夏、秋、冬四季的日照百分率多数也呈现出减少趋势，而对于巴中站，春季日照百分率气候倾向率为正值(0.001%/a)，说明巴中地区春季日照百分率存在略微上升趋势。与日照时数各季气候倾向率类似，夏季和冬季日照百分率的气候倾向率也明显小于春秋季，说明冬夏季日照时数的下降趋势更加明显。

表21954—2010年4个测站不同季节日照百分率气候倾向率

Table2Climatictendencyrateofsunshinepercentageforfourregionsduringdifferentseasonsfrom1954to2010%/a

季节Season达州Dazhou巴中Bazhong南充Nanchong绵阳Mianyang春季Spring-0.1030.001-0.160-0.042夏季Summer-0.279-0.097-0.201-0.264秋季Autumn-0.155-0.030-0.087-0.095冬季Winter-0.270-0.182-0.252-0.190

综合上述，近57年来达州、巴中、南充和绵阳地区日照百分率的年际、季节变化趋势也是减少的，而年际日照百分率的减少特征主要归因于冬夏两季的显著减少趋势。

2.3气候突变分析

2.3.1年日照时数突变检验。由图3a可见，自20世纪80年代以来，达州日照时数有明显的减少趋势；90年代以后均超过了显著性水平0.05的临界线(U=±1.96)，同时也超过了显著性水平0.001的临界线(U=±2.56)，表明达州日照时数减少十分显著；UF和UB曲线交点位于临界线之间，从而可以确定达州年日照时数的突变年份为1980年。

由图3b可见，自20世纪80年代以来，巴中日照时数的年际变化也有明显的减少趋势，与达州的检验结果类似，90年代以后均超过了显著性水平0.05的临界线，但只有部分年份超过了0.001显著性水平的临界线。综合而言，巴中日照时数减少也十分显著，但不如达州地区明显。根据UF和UB曲线交点的位置，确定巴中年日照时数的突变年份也是1980年。

由图3c可见，自20世纪80年代以来，南充日照时数亦有明显的减少趋势，与达州的检验结果类似，90年代以后均超过了显著性水平0.05的临界线，甚至超过了0.001显著性水平的临界线，表明南充日照时数减少十分显著；根据UF和UB曲线交点的位置，确定达州年日照时数的突变年份是1980年。

由图3d可见，与达州、巴中和南充的情况类似，自20世纪80年代以来，绵阳日照时数亦有明显的减少趋势，90年代以后均超过了显著性水平0.05的临界线，甚至超过了0.001显著性水平的临界线；根据UF和UB曲线交点的位置，确定绵阳年日照时数的突变年份是1982年，相对于达州、巴中和南充的突变年份略晚。

综上所述，川东3个站年际日照时数存在很大的一致性，即20世纪80年代为突变期，具体的突变年份为1980年，而绵阳地区突变年份略晚。

2.3.2年日照百分率突变检验。由图4a可看出，从20世纪80年代以来，达州年日照百分率表现出明显的减少趋势，与达州日照时数的检验结果类似，从80年代后期之后均超过了显著性水平0.05的临界线，表明达州日照百分率减少也十分显著；根据UF和UB曲线交点的位置，确定达州年日照百分率的突变年份是1980年。

图3　1954—2010年达州(a)、巴中(b)、南充(c)和绵阳(d)年日照时数M-K检验Fig.3　M-K test curve of annual sunshine hours for Dazhou(a),Bazhong(b),Nanchong(c) and Mianyang(d) from 1954 to 2010

由图4b可看出，从20世纪80年代以来，巴中年日照百分率也表现出明显的减少趋势，从90年代初期之后也均超过了显著性水平0.05的临界线，表明巴中日照百分率减少也较为显著，但巴中地区日照百分率的减少趋势不如达州地区明显。根据UF和UB曲线交点的位置，确定巴中年日照百分率的突变年份是1980年。

由图4c可看出，南充年日照百分率也在20世纪80年代后表现出明显的减少趋势，从80年代中后期之后也均超过了显著性水平0.05的临界线，表明南充日照百分率减少也十分显著；根据UF和UB曲线交点的位置，确定南充年日照百分率的突变年份是1980年。

由图4d可看出，绵阳年日照百分率也在20世纪80年代后表现出明显的减少趋势，从80年代中后期之后也均超过了显著性水平0.05的临界线，表明绵阳日照百分率减少也十分显著；根据UF和UB曲线交点的位置，确定绵阳年日照百分率的突变年份是1984年。

综上所述，川东地区3个站点日照百分率的突变与日照时数的突变也类似，均是从20世纪80年代(具体为1980年)之后开始显著减少的，而绵阳地区日照百分率的突变年份略晚，为1984年。

2.4影响日照时数变化的因素分析日照时数的变化与许多因子有关，云量、大气透明度都会对某一地区日照特征产生重要影响。云量是决定日照时数变化的最重要因子之一，张云林等[8]研究指出，云量的增加会导致日照时数的减少，即两者关系近似呈负相关。川东地区本来就多云雾，近些年来，随着大气中各种尘粒的增多，水汽更加容易凝结形成云、雾等天气现象，导致太阳辐射被显著削弱。大气透明度对日照时数也具有很大的影响，大气透明度表征了大气对太阳辐射的透明度程度，它受大气中的水汽含量和大气气溶胶含量等因子影响，随着我国人口数量的增加和经济的飞速发展，工业化进程也在逐渐加速，因此，工业排放的各种烟尘、废气不断增多，极大地降低了大气透明度，从而使得到达地表的太阳光线被严重削弱。另外，川东地区地理位置独特，盆地的三面环山，并且该地区冬季往往出现贴地逆温层现象，使得空气污染物的囤积，难以消散，在减少了太阳辐射的同时，也形成了较严重的污染。因此，综合以上因素，川东地区日照时数的减少是有根据的。

图4　1954—2010年达州(a)、巴中(b)、南充(c)和绵阳(d)年日照百分率M-K检验Fig.4　M-K test curve of annual sunshine percentage for Dazhou(a),Bazhong(b),Nanchong(c) and Mianyang(d) from 1954 to 2010

3　结论

基于1954—2010年川东地区达州、巴中和南充站以及中东部地区绵阳的日照时数和日照百分率资料，采用线性倾向估计方法和M-K检验方法，对近57年来川东地区日照变化特征进行了趋势分析和突变检验，得出以下结论。

(1)近57年来川东地区年日照时数总体呈减少趋势，达州、巴中、南充和绵阳的气候倾向率分别是-8.147、-3.088、-5.973和-5.385 h/a。57年来各地区的日照时数特征大致可分为2个阶段，1980年之前为日照时数偏多期，1980年之后为日照时数偏少期；且通过线性倾向估计得出川东地区日照时数变化趋势是显著的。

(2)近57年来川东地区年日照百分率总体呈减少趋势，达州、巴中、南充和绵阳的气候倾向率分别是-0.191、-0.070、-0.173和-0.153%/a；57年来各地区的日照百分率特征大致可分为2个阶段，1980年之前为日照百分率偏多期，1980年之后为日照百分率偏少期。通过线性倾向估计得出川东地区日照百分率变化趋势也是显著的。

(3)近57年来川东地区年际日照时数和日照百分率的减少趋势主要体现在夏季和冬季，而春季和秋季的减少趋势明显小于夏季和冬季。

(4)M-K突变检验表明，近57年来川东地区日照在20世纪80年代左右发生了较为明显的突变现象，具体突变年份为1980年，而西部的绵阳地区突变年份略晚于川东地区。

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