張立波

(浙江省紹興市氣象局，浙江紹興 312000)

近年來，氣候與環(huán)境的變化已受到越來越多的關(guān)注。氣候變化會引起大氣化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)的改變，進(jìn)而影響到太陽輻射狀況的變化。日照時數(shù)是太陽輻射能最直接的反映，探討氣候與環(huán)境變化對日照時數(shù)的影響具有重要意義。由于日照變化受太陽常數(shù)、云量、降水量、大氣透明度、水汽壓和平均風(fēng)速等許多要素的影響，區(qū)域性日照變化研究往往更具現(xiàn)實意義。近年來，許多學(xué)者對不同區(qū)域太陽輻射和日照時數(shù)的變化及其影響因素進(jìn)行了分析研究［1-6］，得出了許多有意義的結(jié)論。任國玉等［7］研究了1956-2002年中國年日照時數(shù)變化，指出近50年來我國年日照時數(shù)呈顯著減少趨勢，減少最明顯的地區(qū)在華北和華東，新疆次之。王釗等［8］分析了近60年西安日照時數(shù)變化特征及其影響因子，指出近60年西安日照時數(shù)明顯下降，以春、夏季最為明顯，秋、冬季次之，西安及其以東地區(qū)日照時數(shù)的下降不是氣溶膠的間接效應(yīng)引起的，很可能是氣溶膠的直接輻射效應(yīng)所致。Stanhill等［9］研究指出，氣溶膠和云量的增加是近年來全球太陽輻射下降的主要原因。杜軍等［10］分析指出，西藏近35年大部分地區(qū)年、季日照時數(shù)的顯著下降與水汽壓的增加密切相關(guān)。彭云峰等［11］研究表明近50年福建省年及四季日照時數(shù)的顯著減少與低云量增加關(guān)系密切，冬季日照時數(shù)的減少還與水汽壓增加有關(guān)。浙江省地處中國東部沿海，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，具有光照充足、雨熱同季、四季分明等氣候特點。目前，對浙江省降水、溫度等的變化特征，很多學(xué)者已從不同角度進(jìn)行了大量的研究［12-13］，但對整個浙江省日照時數(shù)的時空變化及其變化原因的研究報道還很少見。作者對浙江省近50年來 (1961-2010年)年、季、月的日照時數(shù)的變化特征及其影響因素進(jìn)行全面的分析，以期了解近50年浙江省日照時數(shù)的變化規(guī)律及其變化原因，為合理布局農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，城市規(guī)劃設(shè)計及太陽能資源利用等方面提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

材料來源于中國氣象局國家氣象信息中心提供的浙江省16個測站逐日、逐月和逐年日照時數(shù)、降水量、平均相對濕度、平均風(fēng)速、總云量和低云量材料，數(shù)據(jù)時段以1961年1月至2010年12月為主，冬季數(shù)據(jù)時段為1961年12月至2011年2月，材料年代為50年。16個站分別是杭州、平湖、慈溪、嵊泗、定海、金華、嵊州、鄞州、石浦、衢州、麗水、龍泉、溫州、洪家、大陳島、玉環(huán)。測站東部分布較密集，西部分布較稀疏一些。春季為3-5月，夏季為6-8月，秋季為9-11月，冬季為12-2月。晝雨日定義為8:00-20:00降水量≥0.1 mm的日數(shù)，從逐日降水量材料中統(tǒng)計年晝降水量和晝雨日數(shù)。

1.2 方法

在建立浙江省平均日照時數(shù)時間序列時，采用Jones等［14］提出的計算區(qū)域平均時間序列的方法。首先把浙江省整個區(qū)域按經(jīng)緯度劃分為10×10網(wǎng)格，然后求每個網(wǎng)格內(nèi)所有站點日照時數(shù)的算術(shù)平均值，最后應(yīng)用面積加權(quán)法求所有網(wǎng)格的加權(quán)平均值。為了解氣象要素的長期趨勢變化，計算了氣象要素的時間序列與自然數(shù)序列之間的相關(guān)系數(shù)［15］(稱為趨勢系數(shù))。對趨勢系數(shù)的統(tǒng)計檢驗采用隨機(jī)Monte Carlo顯著性檢驗［16］。為定量地表示兩幅圖的相似程度，計算了圖型之間的相似系數(shù)［13］。EOF分解方法采用的是施能［17］的方法，為檢測氣象要素序列的變化是否有突變，采用Yamamoto檢驗方法［18］?？臻g插值方法采用 Regularized Spline(規(guī)則樣條函數(shù))，并用ArcGIS進(jìn)行空間表達(dá)。

2 結(jié)果與分析

2.1 空間分布特征

浙江省區(qū)域平均年日照時數(shù)1 875.2 h，季節(jié)日照時數(shù)從大到小依次為夏 (617.6 h)、秋、春、冬 (360.3 h)。月日照時數(shù)從大到小依次為7月(238.2 h)、8月、9月、10月、5月、6月、11月、12月、4月、3月、1月、2月 (104.1 h)，月日照時數(shù)的年變化基本表現(xiàn)為從7月向前后兩端減少的特征，其與太陽高度角的變化規(guī)律基本一致，但略有滯后，此外梅雨期對6月及春季連陰雨對2-3月日照時數(shù)的影響也比較明顯。從季、月均方差看，春季和4月日照時數(shù)均方差最小，而夏季和8月均方差最大。

由圖1可見，浙江省多年平均的年日照時數(shù)呈東北多西南少的分布形式，日照時數(shù)最多的在嵊泗(2 064.2 h)，其次為平湖 (2 033.3 h)，最少的是麗水 (1 701.5 h)。浙江省多年平均的季和月總?cè)照諘r數(shù)的空間分布特征與年總?cè)照諘r數(shù)的空間分布極為相似，相似系數(shù)在0.99以上，均呈東北多西南少，其差異主要體現(xiàn)在高、低值區(qū)的分布上。與年日照時數(shù)的空間分布相比，夏季及6-8月在金衢盆地為一日照時數(shù)高值區(qū)，秋季及9-12月沿海站點日照較多，全省其他地區(qū)分布均勻。

圖1 浙江省多年平均年日照時數(shù)空間分布

2.2 時間變化

2.2.1 年總?cè)照諘r數(shù)

圖2中a是浙江省16站平均的年總?cè)照諘r數(shù)的時間序列，可以看出，日照時數(shù)總體呈減少趨勢。經(jīng)計算年日照時數(shù)趨勢系數(shù)為-0.66(P＜0.001)，回歸系數(shù)為每10年-74.2 h(即平均每10年減少74.2 h)］。從高斯濾波線的變化上看，較明顯的年代際轉(zhuǎn)折發(fā)生在20世紀(jì)80年代初期，此期以前，年日照時數(shù)以偏多為主，20世紀(jì)60年代偏多最為明顯，之后日照時數(shù)明顯減少 (基本都是負(fù)距平)。圖2中b是對16站的年日照時數(shù)EOF分解的第1時間系數(shù) (數(shù)值已標(biāo)準(zhǔn)化)。圖2中b與a非常相似，都可以說明浙江省的年日照時數(shù)在大幅明顯減少，從20世紀(jì)80年代初期開始日照時數(shù)減少更明顯一些。各季節(jié)的日照時數(shù)也都呈減少趨勢，夏、秋、冬3季都達(dá)0.01信度檢驗，其中夏季日照時數(shù)減少最明顯也最多，其次依次是秋季、冬季和春季。近30年 (1981-2010年)，年及四季日照時數(shù)減幅縮小，年及夏、秋、冬3季仍呈減少趨勢，但都不顯著，春季轉(zhuǎn)為每10年以18.1 h的速度增加。

為了解空間變化，我們逐站地計算趨勢系數(shù)，并做出年日照時數(shù)趨勢系數(shù)的空間分布圖 (圖3中a)，同時給出年日照時數(shù)回歸系數(shù)的空間分布(圖3中b)。由圖3中a與b可見，浙江省年日照時數(shù)呈大范圍減少趨勢，除大陳島顯著上升外(趨勢系數(shù)0.32，回歸系數(shù)每10年36.6 h)，其余站點均明顯下降 (P＜0.01)，除東北部的平湖和嵊泗2站外減少幅度每10年都在80 h以上，最強(qiáng)的負(fù)趨勢在溫州 (趨勢系數(shù)-0.71，回歸系數(shù)為每10年-89.5 h)，減少最多的是玉環(huán) (趨勢系數(shù)-0.70，回歸系數(shù)每10年-110.7 h)。

圖2 浙江省年日照時數(shù)的時間變化 (a)和年日照時數(shù)EOF分解的第1時間系數(shù) (b)

圖3 浙江省年日照時數(shù)趨勢系數(shù) (a)及回歸系數(shù) (b)的空間分布

2.2.2 季日照時數(shù)

由圖4可見，浙江省四季日照時數(shù)趨勢變化空間分布基本一致，由北到南，減少趨勢逐步增強(qiáng)，最強(qiáng)的負(fù)趨勢位于浙江省東南部，在浙江省東北部秋季和冬季呈弱減少趨勢，春季則為弱增加趨勢。夏、秋、冬3季除大陳島呈增加趨勢外，其他地區(qū)基本都是顯著的負(fù)趨勢。春季大陳島呈顯著正趨勢，玉環(huán)為顯著負(fù)趨勢，其余測站正負(fù)趨勢變化都不顯著。

用Yamamoto檢驗方法對16個站年日照時數(shù)的時間序列進(jìn)行了突變檢驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鄞州、衢州、玉環(huán)和大陳島存在突變，其中鄞縣、衢州和玉環(huán)年日照時數(shù)在20世紀(jì)80年代中期以后明顯減少，而大陳島在80年代中期以后則明顯增加。

2.3 影響日照時數(shù)的主要?dú)夂蛞?/h3>

2.3.1 影響因子的變化趨勢

日照變化與許多因子有關(guān)，已有研究表明［7-11］，云量、降水量、大氣透明度、水汽壓、平均風(fēng)速等對日照時數(shù)變化都有很大影響，由于材料限制，作者重點分析云量、降水量和平均風(fēng)速對日照時數(shù)的影響。

浙江省1961-2010年近50年來，全省晝降水量普遍增加，但大都不顯著，僅在東北部的平湖、定海和嵊泗降水量增加超過0.05顯著水平;與降水量趨勢變化不同的是，全省的晝雨日數(shù)卻是大范圍減少，只在東北部區(qū)域呈弱增加趨勢。全省年平均總云量和低云量變化趨勢基本相反 (相似系數(shù)-0.47)，年平均總云量大范圍減少，僅在慈溪和平湖2站呈弱增加趨勢，而年平均低云量則是大范圍顯著增加，只有大陳島1站呈弱減少趨勢。近50年來，年平均風(fēng)速除麗水站無明顯趨勢變化外，全省其余站點均顯著下降。

圖4 浙江省春季 (a)、夏季 (b)、秋季 (c)、冬季 (d)日照時數(shù)趨勢系數(shù)空間的分布

2.3.2 影響因子與日照時數(shù)的相關(guān)分析

對16個站點年日照時數(shù)與同站總云量、低云量、晝降水量、晝雨日、平均風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計結(jié)果 (表1)發(fā)現(xiàn)，所有站點年日照時數(shù)與總云量、低云量、晝降水量、晝雨日均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且絕大多數(shù)站點達(dá)到0.05及以上顯著水平，符合降水量和云量增加時日照減少的一般規(guī)律;除大陳島年平均風(fēng)速與日照時數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)外，其余大部分站點兩者呈顯著正相關(guān)關(guān)系。計算全省加權(quán)平均的年總云量、低云量、晝降水量、晝雨日和平均風(fēng)速與日照時數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為 -0.53，-0.82，-0.64，-0.44和0.65，全都達(dá)0.01以上顯著水平。綜上說明，無論從區(qū)域平均還是單站來看，年日照時數(shù)與總云量、低云量、晝降水量和晝雨日的負(fù)相關(guān)關(guān)系及其與平均風(fēng)速的正相關(guān)關(guān)系都是十分顯著的。

表1 浙江省16個站年日照時數(shù)與其影響因子相關(guān)系數(shù)的統(tǒng)計特征

2.3.3 日照時數(shù)減少的原因

根據(jù)上述分析，年日照時數(shù)與晝降水量、晝雨日、總云量和低云量均呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與平均風(fēng)速則呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，也就是晝降水量、晝雨日和云量增加，日照時數(shù)減少，而平均風(fēng)速減小，日照時數(shù)也減少。由近50年浙江省云量、降水和平均風(fēng)速的趨勢分布來看，總云量和晝雨日都呈減少趨勢，降水量呈弱增加趨勢，只有低云量和平均風(fēng)速分別呈顯著增加和顯著減少趨勢，說明中高層云量和降水量變化并不是主要原因，而低云量的增加及平均風(fēng)速的減小是浙江省日照時數(shù)減少的主要原因，這可能與氣溶膠的云、反照率間接效應(yīng)有關(guān)。由于風(fēng)速逐年減小，低層大氣中水汽和污染物不易擴(kuò)散，使大氣低層氣溶膠濃度增大，云量增加，空氣透明度下降，導(dǎo)致到達(dá)地面的太陽輻射減少，日照時數(shù)也減少。

3 小結(jié)與討論

研究了浙江省近50年年、季、月的日照時數(shù)的空間分布特征。浙江省夏季日照時數(shù)最多，其次為秋、春與冬季。月日照時數(shù)的年變化基本表現(xiàn)為從7月向前后兩端減少的特征。夏季及8月日照時數(shù)的年際變化最大，春季及4月的均方差最小。浙江省年日照時數(shù)為1 701.5～2 064.2 h，多年平均的年、季、月日照時數(shù)空間分布均呈東北多西南少的規(guī)律。

在分析期內(nèi)，浙江省平均年日照時數(shù)表現(xiàn)為極顯著的減少趨勢，平均每10年減少74.2 h。各季的日照時數(shù)都是負(fù)趨勢，夏、秋、冬3季減少趨勢明顯，夏季減少最明顯也最多，其次依次是秋季、冬季和春季，春季為弱減少趨勢。近30年的年及夏季、秋季和冬季日照時數(shù)減幅縮小，春季則轉(zhuǎn)為以每10年18.1 h的速度在增加。浙江省年及夏、秋、冬3季日照時數(shù)除大陳島呈增加趨勢外，其他各地一致呈顯著減少趨勢，春季各站趨勢變化大都不明顯。日照時數(shù)長期趨勢變化有明顯空間變化。浙東南地區(qū)日照時數(shù)減少最明顯，由南向北，減少趨勢逐步減弱，春季在浙東北地區(qū)呈弱增加趨勢。鄞州、衢州、玉環(huán)和大陳島年日照時數(shù)有明顯突變，突變主要發(fā)生在20世紀(jì)80代中期，其他地區(qū)的年日照時數(shù)沒有明顯的突變。

年日照時數(shù)與晝降水量、晝雨日、總云量和低云量均呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與平均風(fēng)速呈顯著正相關(guān)關(guān)系。近50年浙江省日照時數(shù)減少主要與低云量的增加和平均風(fēng)速減少有密切關(guān)系，這可能與氣溶膠的云、反照率間接效應(yīng)有關(guān)。

本研究表明近50年浙江省四季日照時數(shù)明顯減少，相關(guān)研究［19-20］表明該區(qū)域春季和秋季降水量略有減少，夏季和冬季略有增加，各季熱量資源均呈增加趨勢，這些既有有利于作物生長的變化，也有作物生長的制約因素，非常值得有關(guān)生產(chǎn)部門注意。此外，有關(guān)該區(qū)域光、溫、水等氣候資源的不同配置對作物生長的影響，有待于今后繼續(xù)深入研究。

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