京西生态涵养区日照时数变化特征及影响因素

吴辉,曹久才,缪明榕,李超

(1北京市门头沟区气象局,北京 102300;2江苏省南通市气象局,江苏 南通 226000)

0 引 言

近年来,气候变化受到越来越多的关注。日照时数是指太阳在某地实际照射的时数[1],是影响气候变化的重要气象要素之一[2]。日照时数的变化对农业、太阳能的利用等有着较大的影响。日照时数受多方面因素影响,其变化特征在不同地区具有明显差异。虞海燕等[3]研究发现全国年日照时数呈显著减少的趋势;武鹏飞[4]发现天山的年及季节日照时数均呈减少趋势,且各区域变化差异显著,山区及天山北坡变化趋势明显大于南坡;贺莉微和夏青[5]发现近57年湖北省咸宁市日照时数呈减少趋势,且中部少、南北部多;张嘉雪和杨慧楠[6]发现吉林省白城市日照时数呈显著减少趋势,5月日照时数最多,12月最少;安彬和肖薇薇[7]指出陕西省年日照时数出现了“全球变暗”效应;李颜颜等[8]指出河南省日照时数空间分布呈现“北部多、南部少、平原多、山地少”的特点;华维等[9]发现西藏中东部和青海南部、青藏高原西部地区日照时数呈显著增加趋势;贺俊杰等[10]指出内蒙古锡林浩特市近年的日照时数呈显著增加趋势。

门头沟区是首都北京西部的市辖区,地处华北平原向蒙古高原过渡地带,地势西北高、东南低。为了保护生态环境,门头沟区被列为北京市五个生态涵养区之一。门头沟国家一般气象站位于东部平原区,属于平原站。斋堂国家一般气象站位于西部山区,属于高山站。近年来,学者对门头沟区降水[11-13]、日照[14,15]等方面有一定研究,但在日照方面研究不够详细深入。因此,本文详细分析了1975–2019年门头沟区日照时数的时空变化特征及其影响因素,对门头沟站和斋堂站的年、季节、月、日日照时数的变化趋势及其与总云量、低云量、平均湿度、降水量、分钟风速、能见度的相关关系做了具体分析,研究结果对首都京西生态涵养区建设和气候评价有重要参考价值。

1 资料与方法

1.1 资料选取

选取北京市门头沟、斋堂两个国家气象站1975–2019年逐日总云量、低云量、相对湿度、日照时数,降水等多年观测资料进行研究。四季划分方法:春季(3–5月)、夏季(6–8月)、秋季(9–11月)、冬季(12月–翌年 2月)。

1.2 计算方法

用线性关系Y=at+b分析估算气候变化趋势,一阶系数a乘以10称为该要素变化倾向率(或变化率)。用最小二乘法通过实际资料计算得出a、b。日照时数是上升趋势或下降趋势取决于a的符号,“+”为上升,“-”为下降。趋势是否显著,用t和Y之间的相关性来判断,p值超过0.05显著性水平则认为趋势显著。

利用t检验法对日照时数及相关气象影响因子的关系进行分析,利用Mann-Kendall(M-K)方法对序列突变检验,明确突变开始时间和突变区域。

2 日照时数的时空变化特征

2.1 日照时数空间分布的相关性

对门头沟站(东南平原区,下同)与斋堂站(西部山区,下同)1975–2019年的逐日日照时数利用差值公式Xi=Ai-Ui(Ai为门头沟第i天日照时数值,Ui为斋堂第i天日照时数值)进行差值分析,并用线性回归方法进行线性模拟和显著性检验。表1和图1分别给出了门头沟站和斋堂站逐日日照时数差值分布情况和相关关系。结果表明,门头沟站与斋堂站逐日日照时数存在显著相关性(p=0.01),二者的差值约60%在-1～1 h范围内,约80%在-2～2 h范围内。表明京西生态涵养区东西部日照时数变化趋势具有一致性且存在线性关系。观测员可通过对比两站日照时数判断气象站日照计是否发生故障,并对异常数据进行订正。

图1 1975–2019年门头沟站与斋堂站逐日日照时数的相关关系Fig.1 Correlation between daily sunshine duration of Mentougou Station and Zhaitang Station from 1975 to 2019

表1 1975–2019年门头沟站与斋堂站逐日日照时数差值分布情况Table 1 Distribution of daily sunshine duration difference between Mentougou Station and Zhaitang Station from 1975 to 2019

2.2 日照时数月变化趋势

图2为门头沟站和斋堂站月平均日照时数分布情况。由图可以看出,1975–2019年斋堂站所有月份平均日照时数均多于门头沟站,形成西部山区多、东南平原少的特征,且两站月均日照时数峰值均出现在4–5月,谷值出现在11–12月。郭军和任国玉[16]、胡德奎等[17]、付建新等[18]研究也发现5月份是中国北部大多数地区全年日照时数最多月。出现上述变化特征的主要原因是:4–5月白天时长开始渐长于夜间,日照时间长,且阵性降水少、白天云量少;6–7月多阵性降水;9–10月后,秋季白天虽逐渐变短,但降水较少,日照时数有所回升;11月–翌年2月雾霾天气增多,日照时数变少[17]。

图2 1975–2019年门头沟站与斋堂站月平均日照时数Fig.2 Average monthly sunshine duration at Mentougou Station and Zhaitang Station from 1975 to 2019

从气候倾向率可以看出(表2),门头沟区日照时数在6月、9月、10月减少趋势最明显。其中,门头沟站除3月、12月外,其他月份均呈减少趋势,减少率最大的是6月[-12.0 h·(10a)-1]和9月[-10.4 h·(10a)-1],其次是10月[-9.2 h·(10a)-1]和7月[-8.7 h·(10a)-1],均通过了显著性检验;斋堂站除3–5月外,其他月份均呈减少趋势,减少率最大的是6月[-10.7 h·(10a)-1]和10月[-7.7 h·(10a)-1],其次是9月[-7.1 h·(10a)-1]和1月[-5.0 h·(10a)-1],也均通过了显著性检验。

表2 1975–2019年门头沟站与斋堂站月平均日照时数气候倾向率Table 2 Climate tendency rate of average monthly sunshine duration at Mentougou Station and Zhaitang Station from 1975 to 2019

2.3 日照时数年际和季节变化趋势

图3为门头沟站和斋堂站年日照时数变化情况。研究结果表明,1975–2019年门头沟站平均年日照时数为2295.3 h,最多日照时数为2646.4 h(1983年),最少日照时数为1860.8 h(2006年),表现为-51.6 h·(10a)-1的显著下降趋势,通过了显著性检验。近一半的年份(22年)日照时数低于平均值(2294.1 h),其中,2001–2010年连续10年低于平均值;斋堂站平均年日照时数为2551.1 h,最多日照时数为2802.3 h(1982年),最少日照时数为2042.9 h(2006年),表现为-39.5 h·(10a)-1的下降趋势,但未通过显著性检验。近一半的年份(20年)日照时数低于平均值(2551.7 h),其中2002–2012年连续11年低于平均值。可见,2002–2010年门头沟区年日照时数均连续低于平均值,东南平原区日照时数减少趋势大于西部山区。近30年(1990–2019年)门头沟区年日照时数均有上升趋势,但未通过显著性检验。

图3 1975–2019年门头沟站和斋堂站日照年际变化趋势Fig.3 Interannual variations of sunshine duration at Mentougou Station and Zhaitang Station from 1975 to 2019

图4为门头沟站和斋堂站日照时数季节变化趋势。由图可以看出,门头沟站日照时数四季分布较为均匀,但仍呈现春季最多、冬季最少的特征。春季为681.3 h,约占全年29.7%;夏季为557.1 h,约占全年24.3%;秋季为547.1 h,约占全年23.8%;冬季为509.5 h,约占全年22.2%。斋堂站日照时数春季为720.2 h,约占全年28.2%;夏季为637.5 h,约占全年25.0%;秋季为615.1 h,约占全年24.1%;冬季为578.3 h,约占全年22.7%。

图4 1975–2019年门头沟站和斋堂站日照时数季节变化趋势Fig.4 Seasonal variations of sunshine duration at Mentougou Station and Zhaitang Station from 1975 to 2019

从空间分布来看,斋堂站年、季节日照时数较门头沟站均偏多,京西生态涵养区呈现西部山区多、东南平原少的空间分布特征。

通过对门头沟站和斋堂站年、四季日照时数气候倾向率分析表明(见表3),1975–2019年门头沟站四季日照时数均呈减小趋势,尤以秋季减少最多[-23.7 h·(10a)-1],夏季次之[-22.5 h·(10a)-1],且通过了显著性检验,春季和冬季也呈减少趋势,但未通过显著性检验;斋堂站四季日照时数也以秋季减少最多[-18.1 h·(10a)-1],且通过了显著性检验,而夏季和冬季呈减少趋势、春季呈增加趋势,均未通过显著性检验。

表3 门头沟站和斋堂站年、季日照时数气候倾向率Table 3 Climate trend rate of annual and seasonal sunshine duration at Mentougou Station and Zhaitang Station

从1990–2019年近30年门头沟站和斋堂站年、四季日照时数气候倾向率来看,门头沟站日照时数除秋季呈减少趋势外,其他季节均呈增加趋势,但均未通过显著性检验;斋堂站日照时数春季呈增加趋势明显[36.9 h·(10a)-1],通过了显著性检验,夏季呈增加趋势,秋季、冬季呈减少趋势,均未通过显著性检验。门头沟站年日照时数呈增多趋势,虽没有通过显著性检验,与近45年对比日照时数减少趋势有所减缓。

2.4 日照时数的阶段性变化特征

2.4.1 日照时数的异常年分析

世界气象组织对气候异常提出两种判别标准,一是其出现的几率为25年以上一次,二是距平超过标准差的2倍以上。因研究年限较短,采用方法二分析门头沟区日照时数的异常特征,即距平大于标准差的2倍视为异常数据,标准差的1.5～2.0倍视为接近异常数据。

表4和表5分别为门头沟站和斋堂站年、季日照时数异常情况(“—”表示没有出现此类情况),图5为年日照时数距平情况。结果显示,门头沟站和斋堂站的年、季日照时数均出现较多异常偏少年份,2000年以后异常偏少年份较集中,而接近异常偏多年份在20世纪80–90年代较集中。门头沟站春、夏、冬季日照时数均以异常或(接近异常)偏少年份为主,分别出现5次、3次、4次,秋季异常偏多和偏少年份均出现4次。其中,春季2003年异常偏少180.6 h,1989年偏多120.0 h;夏季2008年异常偏少183.7 h,1983年异常偏多153.6 h;秋季2016年异常偏少121.6 h,1986年异常偏多88.5 h;冬季2013年异常偏少164.5 h,1988年异常偏多106.1 h。年日照时数异常偏多偏少年份均出现3次,其中1983年偏多351.1 h,2006年偏少434.5 h。

表4 1975–2019年门头沟站年、季日照时数的异常年份Table 4 Abnormal years of annual and seasonal sunshine duration at Mentougou station from 1975 to 2019

表5 1975–2019年斋堂站年、季日照时数的异常年份Table 5 Abnormal years of annual and seasonal sunshine duration at Zhaitang station from 1975 to 2019

图5 1975–2019年门头沟站(a)和斋堂站(b)年日照时数距平情况Fig.5 Anomaly of annual sunshine duration at Mentougou Station(a)and Zhaitang Station(b)from 1975 to 2019

斋堂站春、夏、秋、冬季日照时数均以异常或(接近异常)偏少为主,分别出现3次、3次、6次、4次。斋堂站年日照时数只出现4次异常偏少年份,其中,2006年偏少508.2 h。

2.4.2 年日照时数突变特征

用M-K方法检测1975–2019年门头沟区年日照时数序列的突变,显著性水平α=0.05,查标准正态分布表,双侧临界值U0.05=1.96。统计变量UF为标准正态分布,用来描述序列的增长趋势,UF>0为增长趋势,UF<0为减少趋势。统计变量UB为UF的负值,UB时间序列为UF的逆序列。通过分析统计变量UF和UB可以进一步分析序列的趋势变化,两曲线的交点对应的年份即为突变年份。结果如图6所示,1982–1990年门头沟站年日照时数呈现增加趋势,1975–1981年和1991–2019年呈现减少趋势;斋堂站年日照时数1975–1979年时增时减,1980–1990年呈现增加趋势,1991–2019年呈现减少趋势。根据曲线交点位置,门头沟站和斋堂站年日照时数的这种突变均是从1991年开始的。

图6 1975–2019年门头沟站(a)和斋堂站(b)年日照时数M-K检验Fig.6 M-K inspection of annual sunshine duration at Mentougou Station(a)and Zhaitang Station(b)from 1975 to 2019

3 气象因子影响分析

相关研究表明,云量、降水、相对湿度等气候因子对日照时数变化有着重要影响。气象要素之间又存在着密切的相关性,为此计算了1997年(代表少雨年)、1983年(代表平均年)和1998年(代表多雨年)3年逐日日照时数和各相关气象要素的相关系数,结果如表6所示。由表可看出,门头沟、斋堂国家站在少雨年、平均年、多雨年的日照时数与各气象要素均具有相关关系。其中,日照时数与总云量、低云量、降水量、平均湿度呈负相关关系,而与分钟风速、能见度呈正相关关系。统计资料结果表明,那些对太阳光线有较强阻挡和吸收作用的云层[17]、水汽和气溶胶[19-21],能有效减小太阳光线的透过率,对地面日照时数减小的作用较强。因此,在云量多、降水量大、平均湿度大、能见度低、分钟风速小的情况下,太阳光线的透过率较低,地面日照时数较少。

表6 气象要素与日照时数的相关关系Table 6 Correlation between meteorological elements and sunshine duration

4 结 论

1)门头沟站与斋堂站日照时数存在显著相关性,二者的差值约80%在(-2～2 h)范围。通过对比两站日照时数,为观测员判断气象站日照仪是否发生故障以及异常数据订正提供参考。

2)斋堂站所有月份平均日照时数均多于门头沟站,总体呈现西部山区多、东南平原少的特征,峰值均出现在4–5月,谷值出现在11–12月。6月、9月和10月日照时数减少趋势最为明显,其中,门头沟站减少率最大的是6月[-12.0 h·(10a)-1]和9月[-10.4 h·(10a)-1];斋堂站减少率最大的是6月[-10.7 h·(10a)-1]和10月 [-7.7 h·(10a)-1]。

3)门头沟站、斋堂站平均年日照时数分别为2295.3 h、2551.1 h。在1975–2019年间,门头沟站出现-51.6 h·(10a)-1的显著下降趋势,通过显著性检验;而斋堂站出现-39.5 h·(10a)-1的下降趋势,未通过显著性检验。2002–2010年门头沟区年日照时数均连续低于均值,东南平原区减少趋势大于西部山区。

4)斋堂国家站年、季节日照时数较门头沟国家站均偏多,表明了西部山区多、东南平原少的空间分布特征。门头沟区日照时数四季分布较均匀,各占20%以上,但仍呈现春季最多、冬季最少的特征。秋季日照时数减少最明显,其中,门头沟国家站以-23.7 h·(10a)-1显著减少,斋堂国家站以-18.1 h·(10a)-1显著减少。

5)年、四季日照时数均出现较多异常偏少年份,且异常偏少年份主要集中在2000年以后,而接近异常偏多年份在20世纪80–90年代较集中。

6)年日照时数在1982–1990年期间呈现明显增加趋势,而在1991–2019年间呈现明显减少趋势,突变开始于1991。

7)日照时数与各气象要素均具有相关关系。其中,日照时数与总云量、低云量、平均湿度、降水量呈负相关,与分钟风速、能见度呈正相关。