近43a山西东南部日照时数时空变化特征及其影响因素

李晶晶,张 卉,王 艳,赵尚卓,裴 育

（山西省长治市气象局，长治 046000）

引言

日照时数表示一天中日照时间的长短，是太阳辐射最直观的表现，也是表征一个地方光照条件优劣和热量大小的重要指标，是气候形成的重要因子，它与农业生产、人类活动和动植物的生长发育密切相关。因此，研究日照时数的气候特征、变化趋势以及与其他气象因子的相关性，对于指导当地农业合理生产布局、调整种植结构、清洁能源利用、旅游资源开发乃至社会经济的可持续发展等都具有重要意义[1]。

近年来，不少学者对各地日照时数的变化特征进行了研究[2−17]。王文川等[18]通过分析秦岭-淮河区域1960～2016年104个气象站的日照时数年、月时空变化特征与影响因素，发现20世纪90年代之前，相对湿度是影响日照时数的重要因素，20世纪90年代之后影响日照时数的主要因素由相对湿度变为降水或气温，在秦岭-淮河区域内的4个省份的任何时段，降水和相对湿度都是影响日照时数的重要因素。郝智文等[19]对山西省1959～2008年108个地面气象观测站的年日照时数次数进行分析，发现92.6%的站年日照时数呈下降趋势，7.4%的站年日照时数呈上升趋势。付建新等[20]对祁连山东段、中段与西段1960～2014年期间的日照时数时空特征以及影响因素进行了分析，发现多年平均日照时数整体上表现出下降态势，其中东段下降最快；日照时数年内变化5月出现最大值，这与该月的天气多晴天有关；祁连山区日照时数的主要影响因素为水汽压、云量、年降水量以及相对湿度。陈小敏等[21]不仅分析了海南岛1961～2010年日照时数的时空分布特征，还对日照时数有影响的总云量、低云量、相对湿度和降雨量进行了相关分析，发现年、季和月日照时数减少与该地区低云量增加有密切关系。

山西东南部为太行山、太岳山所环绕，属典型暖温带半湿润大陆性季风气候，全年冬无严寒，夏无酷暑，雨热同季、四季分明。近年来，由于自然和人类活动的共同作用，使得大气污染加剧，从而加剧了气候变化，生存环境的变化对人类健康也产生了一定影响。目前，对山西东南部温度、降水等的变化特征，很多学者已从不同的时空尺度进行了大量的分析[22−25]，但对反映气候状况的另一个重要因子−日照时数的研究较少。因此深入研究山西东南部日照时数的变化趋势和影响因素，不仅对认识本地气候背景状况和气候资源变化有重要作用，而且可以为该区域加强作物的田间管理、合理农业生产布局、优化调整种植结构、环境污染防治、开发利用太阳能资源及发展生态农业生产等提供重要的参考依据。

1 资料来源和研究方法

1.1 资料来源

本文所用资料为山西东南部11个地面气象观测站1976～2018年日照时数、总云量、低云量、水汽压、降水量、雾日数和霾日数逐月整编资料，均经过质量控制，数据合理且真实可靠。

1.2 研究方法

本文运用气候倾向率、Mann-Kendall突变检验、R/S分析、显著性检验、相关分析等方法，对日照时数和对日照有影响的总云量、低云量、水汽压、降水量、雾日数、霾日数等气象因子资料进行统计分析。

1.2.1 气候倾向率

气候倾向率采用一元线性方程表示，公式如下：

式中：Y为气象要素；t为时间；a0为常数项；a1为线性趋势项，将a1扩大10倍定义为气象要素每10a的气候倾向率（或变化率）。a1的正负表示气象要素的趋势变化，当a1为正，则表示呈上升趋势，反之为下降趋势。对日照时数、总云量、低云量、水汽压、降水量、雾日数、霾日数做气候倾向率分析，可以得到各气象要素的时间演变特征。

1.2.2 Mann-Kendall突变检验

Mann-Kendall检验法是一种非参数检验方法，用于研究气候序列中气候因子的突变特征。在时间序列随机独立的假设下，构建统计量UFk，公式如下：

式中，UF1=0，E(Sk)、Var(Sk)分别是累计数Sk的均值和方差。UFk为标准正态分布，是按照时间序列计算的统计量序列。给定显著性水平α，若|UFi|>Uα，则表明序列存在明显的趋势变化。把UF沿时间绘成曲线，再将序列反向计算UF，绘成曲线UB，若UF和UB交点位于置信区间内，则此点为突变开始的时间。

1.2.3 R/S分析

R/S分析法一般用于分析时间序列的分形特征和长期记忆过程。基于R/S分析计算的Hurst指数大小，可以判断该时间序列未来的变化趋势。

当H=0.5，表示气候指标完全独立，是随机性的；当0.5

1.2.4 季节划分原则

春季3～5月，夏季6～8月，秋季9～11月，冬季12月～翌年2月。

2 结果与分析

2.1 日照时数的空间分布特征

图1为山西东南部11个区（县）近43a平均年日照时数空间分布，呈南北多、东西和中部少的分布特征，其中东部黎城日照时数最少为2222.9h，南部壶关日照时数最多为2658.7h，其他地区介于两者之间，最大值比最小值偏多19.6%，说明日照时数空间差异显著。

图1 山西东南部近43a平均年日照时数空间分布

2.2 日照时数的时间变化特征

2.2.1 年日照时数变化趋势

1976～2018年山西东南部日照时数年际变化趋势如图2所示，可以看出：（1）日照时数总体呈减少趋势，年平均值为2379.8h；（2）1976～1997年为日照时数偏多期，大多数年份（22a中有15a）在多年平均水平上，其中1979年日照时数最多，为2699.3h，比平均值偏高319.5h；1998～2018年为日照时数偏少期，大多数年份（21a中有15a）低于年平均值，其中2016年日照时数最少，为2047.5h，比平均值偏低332.3h。从日照时数的年际变化幅度分析，最多年份与最少年份日照时数相差651.8h，说明日照时数的年际变化比较大。（3）年日照时数气候变化倾向率为−7.19h/a，即每10a日照时数减少71.9h。年日照时数与时间的相关系数为−0.613，通过99%的信度检验，表明山西东南部年日照时数减少趋势显著。

图2 1976～2018年山西东南部日照时数年际变化趋势

2.2.2 年日照时数突变分析

气候突变是指气候从一种稳定状态跳跃式地转变到另一种稳定状态[26]。图3是山西东南部年日照时数Mann-Kendall突变检验。如图所示，20世纪80年代中期以后山西东南部年日照时数呈明显减少趋势，2009年以后减少趋势通过了0.05水平的显著性检验，表明山西东南部年日照时数的减少趋势十分显著。UF和UB两条曲线相交于2005年，且交点在±1.96临界线之间，山西东南部年日照时数在2005年发生由多转少的突变。

图3 山西东南部年日照时数Mann-Kendall突变检验

2.2.3 年日照时数R/S分析

从表1可以看出，山西东南部及其各区（县）年日照时数序列长期相关特征表现为持续性，即过去年日照时数总体减少的趋势预示未来年日照时数仍可能继续减少。其中沁县和黎城的Hurst指数均超过0.65，说明这两个地区未来年日照时数减少幅度较为明显。

表1 山西东南部各区（县）年日照时数的Hurst指数

2.2.4 四季日照时数及其变化趋势

图4是1976～2018年山西东南部四季日照时数及其变化趋势。从图中可以看出：（1）山西东南部日照时数变化存在季节差异。经统计，山西东南部近43a平均日照时数为2379.8 h。四季日照时数由多到少依次为春季>夏季>秋季>冬季，四季多年平均日照时数分别为：春季为678.3h，约占全年28.5%；夏季为630.7h，约占全年26.5%；秋季为546.3h，约占全年22.9%；冬季为525.6h，约占全年22.1%。（2）从近43a四季日照时数的变化趋势来看，均表现为一致的减少趋势。秋季减少最明显，为−25.1h/10a，其余季节依次为夏季（−21.7h/10a）、冬季（−19.4h/10a）和春季（−5.5h/10a）。除春季以外，夏季、秋季和冬季均通过0.01水平的显著性检验，其中秋季对山西东南部年日照时数的减少贡献最大。

图4 1976～2018年山西东南部四季日照时数及其变化趋势

2.2.5 月日照时数及其变化趋势

从1976～2018年山西东南部各月日照时数及其变化趋势（图5）可以看出：（1）山西东南部2月的日照时数最少，为169.9h；5月的日照时数最多，为251.6h。各月日照时数分布不均匀，日照时数最多月份是最少月份的1.5倍。（2）除3月日照时数呈增加趋势外，其余各月均呈一致的减少趋势。1月、6月和9月减少最为明显，均超过−10h/10a，通过了0.01水平的显著性检验，其中9月减少最为显著（−11.5h/10a）；7月通过了0.05水平的显著性检验；2～5月、8月、10～12月均未通过显著性检验；6月和9月对山西东南部年日照时数的减少贡献最大。

图5 1976～2018年山西东南部各月日照时数及其变化趋势

2.3 影响日照时数的主要气象要素

影响日照时数的气象因子有很多。大气透明度是表征大气对太阳辐射透明度的一个参数，它受大气中的水汽含量以及大气气溶胶含量等因子影响[27]，大气气溶胶粒子不仅会造成空气污染，还会吸收、散射太阳辐射，减少到达地面的太阳辐射，造成日照时数减少。由于未收集到大气气溶胶资料，故本文将重点分析总云量、低云量、水汽压、降水量、雾日数和霾日数对日照时数的影响。大气气溶胶对日照时数的影响，则有待今后进一步研究。

2.3.1 影响因子的变化趋势

从1976～2018年山西东南部总云量、低云量、水汽压、降水量、雾日数、霾日数的四季和年气候变化倾向率（表2）可以看出：除春季总云量、低云量和秋季、冬季、年低云量呈减少趋势，其余各气象因子均呈增加趋势；秋季、冬季、年总云量和四季、年雾日数、霾日数均通过显著性检验，表现为显著的增加趋势，但低云量、水汽压、降水量的四季和年变化情况没有通过显著性检验。

表2 1976～2018年山西东南部总云量、低云量、水汽压、降水量、雾日数和霾日数的气候变化倾向率（/10a）

2.3.2 影响因子与日照时数的相关性

利用相关分析法分别对总云量、低云量、水汽压、降水量、雾日数、霾日数与年日照时数、四季日照时数进行相关分析，其相关系数如表3所示。

表3 1976～2018年山西东南部日照时数与总云量、低云量、水汽压、降水量、雾日数、霾日数的相关系数

从1976～2018年四季和年日照时数与同期总云量、低云量、水汽压、降水量、雾日数、霾日数的相关分析（表3）可知：（1）春季日照时数与霾日数呈不显著正相关，与低云量的相关性通过α=0.05显著性水平检验，与总云量、水汽压、降水量、雾日数的相关性均通过0.01水平的显著性检验，其中雾日数增加对春季日照时数的影响最为显著。（2）夏季日照时数与低云量、水汽压、霾日数呈不显著负相关，与总云量、降水量、雾日数的相关性均通过0.01水平的显著性检验，其中总云量增加、降水量增加对夏季日照时数影响最为显著。（3）秋季日照时数与霾日数呈不显著负相关，与低云量的相关性通过0.05水平的显著性检验，与总云量、水汽压、降水量、雾日数的相关性均通过0.01水平的显著性检验，其中总云量增加、雾日数增加对秋季日照时数影响最为显著。（4）冬季日照时数与低云量呈不显著负相关，与总云量、水汽压、降水量、雾日数、霾日数的相关性均通过0.01水平的显著性检验，其中总云量增加、雾日数增加对冬季日照时数影响最为显著。（5）年日照时数与低云量呈不显著负相关，与水汽压的相关性通过0.05水平的显著性检验，与总云量、降水量、雾日数、霾日数的相关性均通过0.01水平的显著性检验，其中总云量增加、雾日数增加对年日照时数影响最为显著。

通过上述分析可知，雾日数增加，大气透明度降低，太阳辐射减弱，是导致春季、秋季、冬季和年日照时数减少的重要因子之一，尤其是秋季；总云量的多少与日照时数的长短有密切的关系，总云量增加是导致夏季、秋季、冬季和年日照时数减少的重要因子之一。另外，夏季降水频繁，降水量增加对夏季日照时数减少也有一定影响。

3 结论和讨论

本文应用1976～2018年山西东南部11个地面气象观测站的逐月观测资料，分析了该地区日照时数的时空变化特征，以及多个气象因子对日照时数的影响，主要结论如下：

(1)山西东南部近43a年平均日照时数空间差异显著，呈南北多、东西和中部少的分布特征。其中东部黎城日照时数最少为2222.9h，南部壶关日照时数最多为2658.7h，其他地区介于两者之间，最大值比最小值偏多19.6%。

(2)山西东南部年日照时数在2005年发生突变。近43a年日照时数呈显著减少趋势，年日照时数平均每10a减少71.9h。最多年份与最少年份日照时数相差651.8h，日照时数的年际变化比较大。山西东南部及其各区（县）年日照时数未来总体趋势仍然继续减少，其中沁县和黎城减少幅度较为明显。

(3)山西东南部近43a日照时数变化存在季节差异，四季日照时数由多到少依次为春季>夏季>秋季>冬季。四季日照时数均呈一致的减少趋势，春季减速最小−5.5h/10a，秋季减速最大−25.1h/10a。秋季对山西东南部年日照时数的减少贡献最大。

(4)山西东南部近43a各月日照时数分布不均匀，最多的月份是5月，为251.6h；最少的月份是2月，为169.9h。除3月日照时数呈增加趋势外，其余各月均呈一致的减少趋势，其中6月和9月对山西东南部年日照时数的减少贡献最大。

(5)对日照时数有影响的气象因子−总云量、低云量、水汽压、降水量、雾日数、霾日数中，总云量、雾日数、霾日数总体呈显著增加趋势，低云量、水汽压、降水量变化趋势不显著。

(6)从四季和年日照时数与同期总云量、低云量、水汽压、降水量、雾日数、霾日数的相关分析可知，雾日数增加是导致春季、秋季、冬季和年日照时数减少的重要因子之一，尤其是秋季；总云量增加是导致夏季、秋季、冬季和年日照时数减少的重要因子之一。另外，降水量增加对夏季日照时数减少也有一定影响。

秦明凯[28]和李润春等[29]分析了日照时数的变化与城市化发展的关联性，以及与地形的关系，认为随着城市化的快速发展，空气中烟、灰、粉尘、汽车尾气等大气污染物明显增多，在海拔低、山间或盆地地区不易扩散，是导致霾日数增加、大气透明度下降、日照时数减少的重要原因。可见影响日照时数的因子较为复杂，本文仅对近43a山西东南部日照时数时空变化特征与气象因素的关系进行了初步探讨，其具体物理机制还需进一步研究。