1961~2013年山东东明日照时数变化特征及影响因素分析

Analysis of Sunshine Time Variation Characteristics and Influence Factors of Dongming during 1961-2013

摘要: 本文选取东明地面气象观测站1961~2013年日照、云量、降水、相对湿度和雾、轻雾、霾天气现象资料，统计分析了东明日照时数变化特征及影响因素。结果表明：1961~2013年东明年日照时数极显著减少，平均每10年减少109.2小时；夏季和冬季极显著减少，秋季显著减少，春季减少趋势不显著；东明日照时数在1998年发生了由高到低的突变，在1990年代末期以来明显偏少且急剧减少。东明年日照时数与总云量、轻雾日数极显著负相关，与雾日数显著负相关；四季日照时数除夏季与降水量和雾日数、秋季与轻雾日数负相关关系不显著外，其余均与总云量、降水量、降水日数和轻雾日数呈显著负相关。东明春季、夏季和年日照时数主要影响因子为总云量、降水日数和轻雾日数，秋季主要影响因子为总云量、雾和轻雾日数，冬季主要影响因子为总云量、雾日数和降水量。

Abstract: The paper statistically analyses the characteristics and influencing factors of Dongming sunshine times changes by using data of sunshine times, cloud cover, precipitation, relative humidity, fog and mist from 1961a to 2013a of Dongming ground meteorological observatory. The result showed: The sunshine times of 53 years reduced significantly and the decreasing trend was 109.2 hours on average every 10 years. In summer and winter, it reduced significantly and in fall ordinarily. But in spring, the reducing trend was not so significant. Mutation of sunshine times in 1998 presented from high to low. It was obviously less and sharply reduced since the late 1990 year. The annual sunshine times showed a very significant negative correlation with the total cloud cover and the light fog days and a significant negative correlation with fog days. Sunshine times in all seasons showed a significant negative correlation with the total cloud cover, the precipitation, the rainfall and the light fog days except the summer rainfall and fog days. The main influence factors of the spring, the summer and the annual sunshine times were total cloud cover, precipitation days and light fog days. In fall, the main factors were the total cloud cover, the fog and the light fog days and in winter were total cloud cover, the fog days and the precipitation.

1. 引言

日照是重要的气候因子，也是可供人类开发利用的一种重要的可再生能源，更是农作物生长发育不可缺少的条件。诸多学者对中国或者某地日照变化特征和成因的研究表明[1] -[12] ，中国及黄河流域、厦门等地日照时数呈明显减少趋势。东明地处黄河下游鲁西南平原地区，属暖温带季风型大陆性气候，四季分明，光热资源丰富，既适于农作物栽培，又具有很大的太阳能资源潜能。目前，尚未见到对东明日照时数变化特征及影响因素的系统分析。因此，分析东明日照时数变化及其影响因素，对确定农业间套复种模式及作物合理布局都有着十分重要的意义，可为合理开发利用太阳能资源提供科学依据，也为前人研究结论提供佐证，现附上东明位置图(如图1)。

2. 资料和方法

2.1. 资料

选取1961~2013年东明地面气象观测站资料，包括日照、云量、雾、轻雾、霾、相对湿度、降水等，由于缺失1962年6月至1963年6月的日照资料，本文选取与东明站纬度接近且距离最近的菏泽站同时段资料代替。按12~2月为冬季、3~5月为春季、6~8月为夏季、9~11月为秋季生成逐季序列。多年均值为1961~2013年平均值。

2.2. 方法

用线性倾向估计法计算气象要素随时间变化趋势及大小[13] 。当气候倾向率为正时，表示序列随时间呈上升趋势，反之则为下降趋势。对气候倾向率进行显著性检验，给定显著性水平α，若，表明变化趋势是显著的，否则变化趋势是不显著的。用Mann-Kendall非参数统计检验法(M-K检验法)进行时

Figure 1. Dongming plan

图1. 东明位置图

间序列突变检验[13] 。

3. 结果分析

3.1. 日照时数变化特征

3.1.1. 年际及年代际变化

1961~2013年东明累年平均日照时数为2283.1小时。由图2看出，日照时数呈明显减少趋势，平均每10年减少109.2小时，通过了α = 0.001的显著性检验，与济南日照时数减少速率(129.7小时/10年)相近[12] ，约是全国日照时数减少速率(37.6小时/10年) [3] 的2.9倍，说明东明日照时数随时间的减少是非常明显的。东明日照时数最大值出现在1965年为2649.0小时，最小值出现在2006年为1754.5小时，两者之间的差值为894.5小时。按年代际划分，1960年代比多年均值偏多169.3小时，1970年代偏多175.6小时，1980年代偏多25.6小时，1990年代偏多10.7小时，2001~2013年偏少293.3小时。从5年滑动平均曲线可以看出，1961年至1980年代中期，东明日照时数明显偏多且波动较大呈减少趋势；1980年代中后期至1990年代中后期，东明日照时数在多年均值上下浮动且波动变化较小；1990年代末期至2013年，东明日照时数明显偏少且呈急剧减少趋势。

3.1.2. 季节变化

1961~2013年东明日照时数四季均呈减少趋势。春季日照时数平均为645.3小时，以8.7小时/10年的速度递减；夏季均值为641.3小时，以46.3小时/10年的速度递减(图3)；秋季均值为536.3小时，以21.7小时/10年的速度递减；冬季均值为457.3小时，以32.7小时/10年的速度递减。全年当中日照时数最多的季节是春季，最少的是夏季；减少趋势最快的季节是夏季，最小的是春季。从显著性检验看，春季没有通过α = 0.05的显著性检验，表明东明春季日照时数的减少趋势在统计上不显著；秋季通过了α = 0.01的显著性检验，表明东明秋季日照时数的减少趋势显著；夏季和冬季均通过了α = 0.001的显著性检验，表明东明夏季和秋季日照时数的减少趋势极显著。

Figure 2. The annual variation curve of shine times at Dongming of 1961-2013y

图2. 1961~2013年东明日照时数年变化曲线

Figure 3. The summer variation curve of shine times at Dongming of 1961-2013y

图3. 1961~2013年东明日照时数夏季变化曲线

3.1.3. 月变化特征

给出1961~2013年东明各月平均日照时数及其气候变化倾向率(表1)。可以看出：1961~2013年东明月平均日照时数最大值出现在5月为240.5小时，其次是6月为239.9小时；最小值出现在2月为150.4小时，其次是1月为154.4小时。倾向率变化范围在−16.4~2.8小时/10年之间，除4月呈微弱的增加趋势之外，其余各月份都呈减少趋势，尤其以8月(其次是7月)减少趋势最为明显。除3、4、11月之外，其余各月的减少趋势均通过一定的显著性检验，说明其减少趋势显著。

3.1.4. 突变检验

给定α = 0.05 (U_α = ±1.96)的显著性标准，用Mann-Kendall检验法分析1961~2013年东明日照时数序列的突变，得出UF和UB曲线(图4)。可以看出，UF和UB两条曲线的交点分别在1996年和1998年，由于1996年的交点不在临界值内，此处不考虑为突变开始时间。所以东明日照时数在1998年发生了由高到低的突变，且于1998年开始持续通过α = 0.05的显著性水平。

3.2. 主要气象因子年际变化特征及对日照时数的影响

3.2.1. 总云量

分析1961~2013年东明平均总云量资料发现，1961~2013年东明总云量年均5.7成，以0.01成/10年

Table 1. The variation trend of every month shine times at Dongming of 1961-2013y

表1. 1961~2013年东明各月日照时数变化趋势

注：^*、^**、^***分别表示通过0.05、0.01、0.001显著性检验。

Figure 4. The M-K curve of shine times at Dongming of 1961~2013y

图4. 1961～2013年东明日照时数M-K曲线

的微弱速度递增，未通过α = 0.1的显著性检验。最少值出现在1997年为4.8成；最多值出现在1964年为6.6成。分析东明总云量与日照时数的相关关系，两者呈明显的反相关(图5)，相关系数为−0.443，通过了α = 0.001的显著性检验，说明总云量是影响东明日照时数的重要因子。

3.2.2. 降水

分析1961~2013年东明降水资料发现，1961~2013年东明降水量年均617.4毫米，以11.43毫米/10年的速度递减，未通过α = 0.1的显著性检验。年均降水日数73.3天，以1.25天/10年的速度递减，未通过α = 0.1的显著性检验。分析东明降水量以及降水日数与日照时数的相关关系，均呈反相关(图略)，相关系数分别为−0.229、−0.227，均通过了α = 0.1的显著性检验，说明降水量及降水日数均是影响东明日照时数的显著因子。

3.2.3. 相对湿度

分析1961~2013年东明平均相对湿度资料发现，1961~2013年东明相对湿度年均70.9%，以0.13%/10年的速度递减，未通过α = 0.1的显著性检验。由于东明年平均相对湿度变化趋势不显著，与日照时数有一定的反相关但未通过α = 0.1的显著性检验，说明相对湿度不是影响东明日照时数的重要因子。

3.2.4. 雾和轻雾

分析1961~2013年东明雾和轻雾资料，1961~2013年东明雾日年均21.5天，以1.82天/10年的速度递增，通过了α = 0.05的显著性检验。东明是中原油田的石化冶炼主产地，随着石化工业大发展，雾和轻雾日数显著增加，可能与大气气溶胶颗粒显著增加有关。分析东明雾日与日照时数的相关关系，呈反相关(图6(a))，相关系数为-0.265，通过了α = 0.05的显著性检验。1961~2013年东明轻雾日数年均157.1天，以15.92天/10年的速度增加，通过了α = 0.001的显著性检验；分析东明轻雾与日照时数的相关关系，呈反相关(图6(b))，相关系数为−0.394，通过了α = 0.01的显著性检验。由此可见，雾和轻雾均是影响日

Figure 5. The relation between total clouds and shine times at Dongming of 1961-2013y

图5. 1961~2013年东明总云量与日照时数相关关系

(a) 雾日/天 (b) 轻雾日数/天

Figure 6. The relation between shine times and fog days, light fog days at Dongming of 1961~2013y

图6. 1961~2013年东明雾日(a)及轻雾日数(b)与日照时数相关关系

照时数变化的重要因子。

3.2.5. 扬沙、浮尘及沙尘暴

分析1961~2013年东明扬沙、浮尘及沙尘暴资料，1961~2013年东明扬沙年均9.0天，浮尘年均1.7天，沙尘暴年均1.0天。扬沙、浮尘及沙尘暴在1961~2013年均呈显著减少趋势。因此，对东明日照时数的影响分析均不再考虑这些因子，但扬沙、浮尘及沙尘暴出现日数明显减少说明东明沙尘气溶胶在减少。

3.3. 日照时数影响因子的综合统计分析

表2为各影响因子与日照时数的相关系数表。可以看出，就全年而言，日照时数与总云量和轻雾日数呈极显著负相关关系；与雾日数呈显著负相关关系。东明四季日照时数除夏季与降水量和雾日数、秋季与轻雾日数负相关关系不显著外，其余均与总云量、降水量、降水日数和轻雾日数呈显著负相关。

综合上述分析，选取1961~2013年东明总云量(x₁)、降水量(x₂)、降水日数(x₃)、雾日数(x₄)、轻雾日数(x₅)，用多元回归分析分别得出年、季日照时数拟合方程的系数(表3)，表中b₀~b₅为各因子回归系数，R为复相关系数。

由此可见，各气象因子共同作用对日照时数的影响以冬季最为明显，相关系数为0.797，其次是秋季。从回归系数来看，对东明年及四季日照时数变化贡献最大的均为总云量。另外，春夏季节均以降水日数

Table 2. The relation between shine times and each factors at Dongming of 1961-2013y

表2. 1961~2013年东明各因子与日照时数相关系数

注：^*、^**、^***分别表示通过0.05、0.01、0.001显著性检验。

Table 3. The multiple regression results between shine times and meteorological factors

表3. 日照时数与气象要素多元回归计算结果

为次大，轻雾日数为第三贡献；秋冬季节均以雾日数为次大，秋季轻雾日数为第三贡献，冬季降水量为第三贡献。

4. 结论

1) 1961~2013年东明年日照时数极显著减少，平均每10年减少109.2小时；夏季和冬季极显著减少，秋季显著减少，春季减少趋势不显著；日照时数最多的月份是5月，2月最少，除4月呈微弱的增加趋势之外，其余各月份都呈减少趋势，8月减少趋势最为明显。

2) 东明日照时数在1998年发生了由高到低的突变，且在1990年代末期至2013年，日照时数明显偏少且呈波动急剧减少趋势，相应地该时段雾日则显著增加了。

3) 1961~2013年东明年日照时数与总云量、轻雾日数极显著负相关，与雾日数显著负相关；四季日照时数除夏季与降水量和雾日数、秋季与轻雾日数负相关关系不显著外，其余均与总云量、降水量、降水日数和轻雾日数呈显著负相关。东明春季、夏季和年日照时数主要影响因子为总云量、降水日数和轻雾日数，秋季主要影响因子为总云量、雾和轻雾日数，冬季主要影响因子为总云量、雾日数和降水量。