1958—2017年汉江流域日照时数时空变化特征

安 彬， 李伟金， 肖薇薇，4， 张淑兰，3

（1.安康学院旅游与资源环境学院，陕西安康 725000；2.安康市汉江水资源保护与利用工程技术研究中心，陕西安康 725000；3.秦巴国土资源利用与环境保护协同创新中心，陕西安康 725000；4.陕西省科协院士专家工作站，陕西安康 725000）

工业化革命以来，全球气候呈显著变暖态势已成为一个不争的事实［1］. 相关研究表明，自1880年以来，全球地表平均气温上升了0.85 ℃［2］，预计到21世纪末将继续升高1.1～6.4 ℃［3］. 气候变暖将导致大气性质及环流状况发生系列变化，进而影响太阳辐射量的强弱［4］. 日照时数是表征太阳辐射的最重要指标［5］，对其时空演变特征的研究引起了学者的关注. 在日照时数变化趋势方面，Wild等［6］研究发现，全球大范围的日照时数在20世纪80年代中期由下降转为上升趋势；李慧群等［7］研究指出，中国多数地区日照时数呈减少趋势，但在20世纪90年代之后有所放缓；西藏［8］、祁连山［9］、淮河上中游［10］、辽宁［11］、甘肃［12］等地区的年日照时数都呈不同程度减少，河南省年、季日照时数皆表现为下降［13］. 而杨小梅等［14］对我国西南地区1961—2009 年日照时数的研究发现，高海拔区多数站点的日照时数呈增加趋势；云南盘龙河［15］、新疆石羊河［16］、青海东南部［17］、新疆哈密［18］也有类似情况. 相关研究［5，9-13，15-18］对日照时数的突变特征进行分析，发现突变时间、突变前后特征也存在着区域差异. 日照时数影响因素方面，涉及气象要素中的降水［8-9，16］、风速［11，14］、水汽压［9，11］、气温［11，15］、相对湿度［9，19］、总云量［5，9，11，18-19］、气溶胶［16］以及下垫面中的地形要素［16］、地表接收的太阳辐射通量［14］等都不同程度影响着日照时数的变化. 以上研究对区域性的农业生产布局及太阳能资源利用等相关研究提供了科学依据.

汉江是长江流域内的重要支流之一，流域总面积约15.9×104km2，是我国重要的水源涵养地. 汉江流域战略地位突出，是陕南、鄂西的经济核心地带［20］. 该流域属北亚热带季风区，最冷、最热月平均气温分别为0 ℃和26 ℃，年内季节、月降水分配极不均衡，区内光、热空间差异较大，是我国南北气候过渡带的重要分支，也是气候变化敏感区之一. 近年来，汉江流域极端性气候频发［21-22］，日照时数作为流域内气候变化的关键因子，应结合近期资料对其进行深入研究. 本文全面分析1958—2017年汉江流域日照时数的变化规律，以期为汉江流域生态环境的可持续发展提供理论服务.

1 数据与方法

1.1 数据

实测数据由中国气象数据网（http：//data.cma.cn/）提供. 根据研究区范围及数据的完整性原则，选取了1958—2017年汉江流域内的汉中、安康、房县、钟祥等15个气象站逐月日照时数资料并进行质量核查. 年日照时数为当年1—12月累加值，将日照时数按照3—5月、6—8月、9—11月和12—2月（翌年）进行累加，以作为春、夏、秋、冬季日照时数序列.

1.2 方法

年及四季多年平均日照时数为1958—2017 年流域15 个站点的年及对应季节日照时数平均值. 采用线性方程拟合方法计算气候倾向率，并借助F 检验方程的显著性［23］，结合累积距平和Mann-Kendall 检验（M-K）法对日照时数进行突变检验［23］. 采用ArcGIS10.2空间分析模块中的样条插值法（Spline）完成［24］. 图件全部采用Origin 9.0软件绘制.

异常特征分析采用年（季）日照时数的多年平均值（x）与对应标准差（σ）的关系判断：日照时数为x±1.5σ，日照时数属正常波动范围；日照时数为x±1.5σ和x±2σ，属偏少或偏多；日照时数为x±2σ以外时，属特少或特多［25］.

2 结果与分析

2.1 日照时数时间变化特征

2.1.1 长期变化趋势 图1显示了1958—2017年汉江流域年及季节日照时数的长期变化趋势. 从图1（a）可知，汉江流域多年平均日照时数为1 824.96 h，变化在1 375.65 h（1989年）～2 159.82 h（1966年）之间，最大值与最小值相差784.17 h，占多年平均值的42.97%. 年均日照时数以1979年为界，之前多为正距平，之后转为多负距平. 1958—2017年，汉江流域年日照时数以54.93 h/10 a的速率呈极显著下降趋势（p＜0.001），下降速率高于西藏（-20.15 h/10 a）［8］、祁连山（-20.80 h/10 a）［9］、辽宁（-31.16 h/10 a）［11］、甘肃（-0.29 h/10 a）［12］，但低于淮河中上游（-102.2 h/10 a）［10］和河南（-91.44 h/10 a）［13］，这可能与区域经济发展速度［26］及城市化进程有关.

图1 1958—2017年汉江流域年及四季日照时数趋势变化Fig.1 Tendency change of annual and seasonal sunshine duration in the Hanjiang River Basin during 1958-2017

受太阳周年运动影响，四季多年平均日照时数冬季（350.09 h）＜秋季（401.12 h）＜春季（475.35 h）＜夏季（596.71 h）. 汉江流域春季日照时数以2.98 h/10 a的速率呈不显著增加（p＞0.05），夏、秋、冬季日照时数分别以-28.93、-14.30、-13.91 h/10 a的速率显著下降（p＜0.01）. 对比各季日照时数占比及其变化情况，可以发现夏季日照不仅占比最高，而且变幅也最大，表明夏季是年日照时数减少的关键季节. 依据各季日照时数的标准差（σ）能判断年际变化的稳定程度. 结果显示，春季日照的标准差最小（53.23 h），变化最稳定；夏季变化的标准差最大（85.23 h），变化最不稳定. 春季日照时数在1958—1999年多为负距平，1999年之后多为正距平；夏季和冬季日照时数在1958—1979年多为正距平，1979年之后多为负距平；秋季日照时数在1979年之前多为正距平，1980—1998年期间正负距平相当，1998年之后多为负距平.

2.1.2 突变分析 图2为1958—2017年汉江流域年及四季日照时数的M-K突变检验曲线. 由图可知，全年日照时数正（UF）、反（UB）序列曲线仅相交于1980 年，而后UF曲线突破了-1.96 临界线，说明年日照时数在1980年突变下降. 进一步计算发现，突变前较突变后的减少幅度达233.53 h，表明汉江流域出现了“全球变暗”效应［27］. 春季日照时数正、反序列虽多次相交，但均未突破0.05显著性临界线，说明春季日照未发生突变；其累积距平曲线在1999年达到谷值，2000—2017年平均日照时数较1958—1999年增加33.77 h. 夏、秋、冬季的UF和UB曲线在临界线均只有唯一交点，对应时间分别为1980、2006和1972年，而后UF曲线均突破了0.05显著性临界线，说明夏、秋、冬季日照分别在1980、2006、1972年发生显著突变下降. 突变后较突变前相比，夏、秋和冬季日照的减少幅度分别达到115.67、63.52、62.32 h，再次印证了汉江流域夏季对年日照时数减少影响最大的结论.

图2 汉江流域年及四季日照时数的M-K突变检验特征Fig.2 M-K mutation test characteristics of annual and seasonal sunshine duration in the Hanjiang River Basin

2.1.3 异常特性分析 汉江流域年及四季日照时数正常波动50～54 a，占研究总年份的83.33%～90.00%（表1）. 四季日照时数特多年份都发生1次，其中冬季出现的最早（1962年），春季出现最晚（2006年），超出对应季节多年平均日照时数介于115.97（春）～195.25 h（夏）；夏、秋季日照时数特少年份都出现1 次，均在1989年，而春、秋季未出现过特少情形. 整体上，汉江流域四季日照时数偏多年份发生了14次，偏少年份发生了12次. 具体来看，春季日照时数发生偏多情况最多（5次），集中出现在20世纪60年代初期和21世纪初期以后；夏季偏多年份最少（2 次），均出现在20 世纪70 年代以前；秋季日照时数偏多出现了4 次，冬季3 次偏多年份全部出现在20世纪60年代. 各季中，春季日照时数发生偏少年份最多（4次），夏、秋季均发生3 次偏少情形，主要集中在21世纪初期，冬季偏少出现2 次，为各季最少. 进一步统计发现，1958—2017年汉江流域四季日照时数共发生了32次异常，其中20世纪60年代发生次数最多（11次），占全部异常的34.38%，其次是21世纪初期的6次，占到全部异常的18.75%，20世纪80年代和2011—2017年各出现了5次、4次异常.

受1962年春、冬季和1966年夏季日照时数异常偏多的影响，年日照时数异常偏多年份集中出现在20世纪60年代，异常偏少年份在21世纪初期出现2次. 年日照时数特少情形出现在1989年，与夏、冬季日照时数异常特少叠加有关，致使年日照时数为汉江流域1958—2017年最低值，较历年平均值偏少449.31 h. 值得注意的是，尽管四季日照时数均出现过特多情形，但受年内其他季节日照时数消减的影响，年日照时数未出现特多情况.

表1 汉江流域年及四季日照时数异常特性分析Tab.1 Anomalous characteristics of annual and seasonal sunshine duration in the Hanjiang River Basin

2.2 日照时数空间变化特征

表2 汉江流域15气象站年及季节日照时数的长期变化趋势Tab.2 Long term tends of annual and seasonal sunshine duration at 15 weather stations in the Hanjiang River Basin 单位：h/10 a

从四季日照时数的空间分布看，流域内春季日照时数为380～540 h，其等值线由下游地区逐渐向北部秦岭地区递增，呈较明显的纬向地带性规律. 夏季日照时数空间格局呈中间高、两端低的形式，上游地区由西北向东南递增，其中偏西北地区的日照时数为流域最少，仅为500～540 h，川陕交界处达到600～620 h；中游地区形成以老河口为中心的相对低值闭合中心；下游自西南向东北递增，其中武汉北侧的640 h 为流域最高. 秋季日照时数自西南向东北递增，上游偏南地区即巴山北坡日照时数最低，仅为270～300 h，下游偏东北地区最高，达到450～480 h. 冬季日照时数呈“南低北高”，川陕秦岭处日照时数最高，达到400～440 h. 总体上看，上游偏南地区即巴山北坡的春、秋、冬季形成日照时数低值区，中上游北部即秦岭南坡的春、夏、冬季形成高值区.

图3 汉江流域年、季平均日照时数及其变率的空间格局Fig.3 Spatial pattern of annual and seasonal sunshine duration and their tendency rate in the Hanjiang River Basin

汉江流域四季日照时数以减少趋势为主，整体上呈中间增加、两端减少的空间形态，表现出高度一致性. 春、夏、秋、冬季日照均形成以中游郧西地区为增加趋势的闭合中心，且该地春季对年日照时数增加的贡献量最大，其次为秋、冬季，夏季最低. 中下游地区的夏季日照时数的变率在-52.81～-43.11 h/10 a范围之间，为各季降幅最高，对年日照时数减少的影响最为关键，其次为秋、冬季，春季最低. 四季中，上游西北地区冬季日照时数的减幅较大，夏、秋季其次，春季最小. 进一步统计发现（表2），汉江流域春季有7个站日照呈增加趋势，其中上游地区的西峡、镇安、郧西和房县4个站增加显著（p＜0.05），对春季日照微弱的增加作用明显. 除夏、秋、冬季郧西站和冬季镇安站外，其余各站各季日照均表现出下降趋势，其中夏季日照减少趋势显著（p＜0.05）的站点最多，达到12个，占全部下降站点的85.71%；其次是秋季9个、冬季8个，春季只有钟祥站减少趋势显著（p＜0.05）.

3 结论与讨论

3.1 结论

利用线性方程拟合、异常特征分析等分析方法，全面研究了1958—2017年汉江流域日照时数的时空变化规律，得出如下结论：

1）1958—2017年汉江流域年均日照时数为1 824.96 h，冬季（350.09 h）＜秋季（401.12 h）＜春季（475.35 h）＜夏季（596.71 h）；除春季呈不显著增加外，年、夏、秋、冬季日照时数显著减少.

2）Mann-Kendall检验表明，全年、夏、秋、冬季皆显著突变下降，而春季未发生突变，全年和夏季在1980年发生突变，秋、冬季分别在2006年和1972年发生突变.

3）异常特征分析显示，春、秋、冬季日照多发生偏多情形，夏季则多发生偏少情形；20世纪60年代日照时数异常情形出现次数最多. 受夏、冬季日照时数异常特少叠加的影响，年日照时数1989年异常特少.

4）流域内全年及四季日照时数空间差异明显，年均日照时数由南向北递增，春季由下游地区逐渐向北部秦岭地区递增，夏季呈中间高两端低、秋季西南低东北高、冬季南低北高的空间格局.

5）流域多数站点全年及四季日照时数呈减少趋势，呈中间增加、两端减少的空间特征.

3.2 讨论

研究表明，日照时数会随着降水量的增加而减少［8］，降水增加会降低大气的清洁能力，使能见度下降，太阳辐射减弱，致使日照时数减少［9，28］；相对湿度减少会降低气溶胶颗粒浓度及其滞留时间，有利于日照时数的增加［29］；风速是空气流动的重要参数之一，风速降低引起云层易集聚、污染物扩散慢、大气透明度变低等现象，进而降低日照时数［11］；气温上升会使日照时数增加［15］，但也有学者指出气温的变化与日照时数的关系不大，甚至呈相反关系［7］. 需要指出的是，影响日照时数变化的因素是多方面的，且随着阶段、区域的不同，其影响因素也存在阶段性和区域性. 在全球气候变暖背景下，汉江流域气候变化整体表现出暖干化，而相对湿度、风速均呈减少趋势［20］，年日照时数的减少可能受流域风速降低的影响. 未来研究中，一方面需要获取更多站点精细化的日照数据，以便能够精确刻画汉江流域日照时数的时空特征；一方面在获取流域内降水、风速、云量等气象指标的基础上，定量分析影响汉江流域日照时数减少的原因，还应进一步考虑大气污染特征、城市发展、地形等因素的影响.