196019602012年洞庭湖區(qū)日照時數(shù)的變化特征及影響因素

196019602012年洞庭湖區(qū)日照時數(shù)的變化特征及影響因素

時間不僅在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局、城市建設(shè)規(guī)劃、旅游資源開發(fā)和太陽能電廠設(shè)計中發(fā)揮著重要作用（馬淑紅和熊中華人民共和國成立，2000年；呂魁東等，2008；劉琦和王德，2008；吳普等，2010）。此外，它也是影響氣候變化和地球生態(tài)系統(tǒng)的重要動力之一（wld等人，2007；李福等人，2011）。因此，在氣候變化的研究中越來越受到重視。近年來,大多數(shù)研究發(fā)現(xiàn),全球太陽輻射量表現(xiàn)出逐年降低的趨勢,并把這種現(xiàn)象稱為“全球變暗”(Stanhill&Cohen,2001;Wildetal.,2005),對全球大多數(shù)地區(qū)太陽輻射或日照時數(shù)的研究也證實了這一結(jié)論,如美國、西歐和中歐的大多數(shù)地區(qū)及印度等(Power,2003;Norris&Wild,2007;Sanchez-Lorenzoetal.,2007;Kumarietal.,2007)。這些研究發(fā)現(xiàn)使得“全球變暗”成為當前全球變化研究領(lǐng)域的又一個熱點內(nèi)容。與世界大多數(shù)地區(qū)一樣,20世紀50年代以來,中國日照時數(shù)也呈明顯的下降趨勢(任國玉等,2005),而且東北、西北、華北、西南、華南、青藏高原中東部和黃河流域等不同區(qū)域日照時數(shù)下降速率差異非常明顯(姚莉和吳慶梅,2002;楊彥武等,2004;Zhangetal.,2004;徐宗學和趙芳芳,2005;Yangetal.,2008;陳少勇等,2010)。洞庭湖位于長江中游,跨湘、鄂兩省,為中國第二大淡水湖。洞庭湖區(qū)是久負盛名的“魚米之鄉(xiāng)”,是我國重要的糧食、棉花、淡水水產(chǎn)等農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地(朱玉林等,2012),同時又是國際著名的重要濕地自然保護區(qū)(鐘福生等,2007)。洞庭湖區(qū)位于中亞熱帶向北亞熱帶過渡氣候區(qū),對全球氣候變化非常敏感。但是,目前對洞庭湖區(qū)氣候變化的研究多是關(guān)注溫度和降水(王國杰等,2006),對日照時數(shù)的研究少見報道,特別是對日照時數(shù)變化原因的分析還很缺乏。本文利用洞庭湖區(qū)多個氣象站的最新觀測資料,分析了洞庭湖區(qū)日照時數(shù)的時空變化特征,探討日照時數(shù)變化的影響因素,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局、資源開發(fā)利用、區(qū)域氣候變化認識提供依據(jù)。1季節(jié)氣象資料使用的資料為洞庭湖區(qū)包括湖北荊州、湖南常德、益陽、岳陽四市24個氣象站(圖1)1960—2012年的季、年總?cè)照諘r數(shù)、年平均氣溫、年總降水量、年平均低云量、年平均總云量、年輕霧總?cè)諗?shù)、年大霧總?cè)諗?shù)、年平均風速等氣象資料,24站平均采用算術(shù)平均,季節(jié)劃分為春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12月—次年2月)。1.2時鐘與其他相關(guān)關(guān)系采用線性趨勢法(魏鳳英,1999)分析日照時數(shù)年、季變化趨勢,并用T檢驗方法進行顯著性檢驗顯著性檢驗(魏鳳英,1999)。采用Mann-Kendall法(簡稱為M-K法)(魏鳳英,1999)進行日照時數(shù)的突變檢驗。采用小波變換(崔錦泰,1995;林振山和鄧自旺,1999)分析日照時數(shù)的特征尺度和變化周期。采用Pearson相關(guān)系數(shù)分析日照時數(shù)與其他因素的相關(guān)關(guān)系(施能,1995)。進行線性變化趨勢和相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗時,通過0.05水平檢驗時為顯著,否則為不顯著。2結(jié)果與分析2.1巖庭湖區(qū)日特征2.1.1日照時數(shù)的年際、年代際變化圖2顯示,1960—2012年洞庭湖區(qū)年日照時數(shù)多年平均值為1650.8h,最多為1963年(1947.3h),最少為1989年(1351.1h),二者相差596.2h,占多年平均值的36%。洞庭湖區(qū)日照時數(shù)階段性明顯,大體分為2個時段:1960—1979年為偏多時段,平均值為1750.4h,且20年間洞庭湖區(qū)年日照時數(shù)除4年(1964、1970、1973、1975)少于平均值,其余16年多于多年平均值;1980—2012年為偏少時段,平均值為1590.5h,較第一個時段少159.9h,33年間除8年(1986、1990、1992、1995、1998、2001、2004、2008)日照時數(shù)多于多年平均值外,其余年份均少于多年平均值。因此,洞庭湖區(qū)日照時數(shù)距平在1980年以前以正值為主,1980年及以后以負值為主。總體來看,過去53年間,洞庭湖區(qū)日照時數(shù)呈顯著減少的趨勢,其氣候傾向率為-46.0h·10a－1,且通過0.05信度顯著性檢驗,表明洞庭湖區(qū)年日照時數(shù)呈顯著減少的趨勢。洞庭湖區(qū)日照時數(shù)60年代(1960—1969)最多,10年平均值為1771.4h,10年間僅1964年少于多年平均值;70年代(1970—1979)為次多,比60年代少42.0h,10年間1970、1973、1975年少于多年平均值;80年代(1980—1989)、90年代(1990—1999)、本世紀13年(2000—2012)基本相當,分別為1589.7、1593.3和1606.6h,33年中僅1981、1986、1990、1992、1995、1998、2001、2004、2008年多于多年平均值。因此,洞庭湖區(qū)日照時數(shù)60、70年代偏多,80年代急劇減少后,年代際變化不明顯。1960—2012年平均各季日照時數(shù)中,夏季標準差最大為85.4h,春季最小為46.6h,表明夏季日照時數(shù)年際變化較大,而春季較小。各季日照時數(shù)中夏季日照時數(shù)最多,占年日照時數(shù)的36%;春季、秋季基本相當,分別占年日照時數(shù)的23%、25%;冬季日照時數(shù)最少,占年日照時數(shù)的16%。從各季日照時數(shù)氣候傾向率來看(圖略),春季、秋季沒有通過顯著性檢驗,夏季、冬季氣候傾向率分別為-29.5和-14.6h·10a－1,均通過0.05信度顯著性檢驗。因此洞庭湖區(qū)的日照時數(shù)春季、秋季沒有顯著變化,夏季、冬季呈顯著減少的趨勢。2.1.2日照時數(shù)的突變和周期特征圖3中,UF代表年日照時數(shù)的順序統(tǒng)計,UB為年日照時數(shù)的逆序統(tǒng)計曲線,給定顯著水平α=0.05,顯著水平臨界線為±1.96。若UF或UB值>0,則表明序列呈上升趨勢,反之則表明呈下降趨勢。當統(tǒng)計曲線超過臨界值時,表明上升或下降趨勢顯著。若統(tǒng)計曲線在臨界值之間出現(xiàn)交點,則交點對應的時間就是開始突變的時間。洞庭湖區(qū)年日照時數(shù)在1980年發(fā)生突變,突變時間與各區(qū)域和全國平均值基本一致,且1987年以后顯著性減少。圖4a中,1960—2012年洞庭湖區(qū)年日照時數(shù)序列變化的主要周期為2、6、10~11a,說明這3個特征時間尺度的準周期在近52a平均日照時數(shù)序列中起主要作用。圖4b中,2a準周期振蕩信號最為顯著,近52a中始終存在,且較穩(wěn)定;6a準周期振蕩在60年代比較顯著;10~11a準周期振蕩在70年代至90年代中期比較顯著。2.2桃江、創(chuàng)造3h2.2.1日照時數(shù)的空間分布圖5a中,1960—2012年洞庭湖區(qū)各站平均年日照時數(shù)分布為由東北向西南逐漸減少的趨勢,位于東北部的安鄉(xiāng)、監(jiān)利、洪湖超過1800h,尤以洪湖最多,為1895.7h,位于西南部的安化、桃江、桃源不到1500h,尤以安化最少,為1332.2h。2.2.2日照時數(shù)變化幅度的空間分布圖5b中,汨羅、安化2站氣候傾向率為2.2~3.2h·10a－1,湘陰、岳陽、臨澧、安鄉(xiāng)4站氣候傾向率-26.6~-1.4h·10a－1,但以上6站均未通過0.05信度顯著性檢驗,表明這些站點年日照時數(shù)變化不顯著,其余18站氣候傾向率為-97.8(監(jiān)利)~-32.7(漢壽)h·10a－1,且均通過0.05以上信度顯著性檢驗,表明1960—2012年這些站點年日照時數(shù)呈顯著減少的趨勢,且北部減少程度整體上大于南部。2.3平均降水量和平均風速對戰(zhàn)時的影響2.3.1云量、降水量對日照時數(shù)的影響24站平均低云量、總云量與日照時數(shù)相關(guān)系數(shù)分別為-0.55、-0.52,均通過0.05信度顯著性檢驗,因此,洞庭湖區(qū)云量與日照時數(shù)呈顯著負相關(guān)。桃江、沅江、華容、監(jiān)利、安鄉(xiāng)、益陽、汨羅、漢壽、石門9站低云量與日照時數(shù)相關(guān)系數(shù)為-0.69(桃江)~-0.38(石門),其他15站相關(guān)性不顯著,因此洞庭湖區(qū)部分站點低云量與日照時數(shù)呈顯著負相關(guān)。常德、岳陽2站總云量與日照時數(shù)相關(guān)不顯著,其他22站相關(guān)系數(shù)為-0.66(南縣)~-0.27(常德),表明洞庭湖區(qū)絕大部分站點總云量與日照時數(shù)呈顯著負相關(guān)。24站平均降水量與日照時數(shù)相關(guān)系數(shù)為-0.39,呈顯著負相關(guān)。汨羅、安化、平江3站降水量與日照時數(shù)相關(guān)性不顯著外,其他21站降水量與日照時數(shù)相關(guān)系數(shù)為-0.41(監(jiān)利)~-0.27(沅江),因此,絕大部分站點降水量與日照時數(shù)呈顯著負相關(guān)。2.3.2輕霧日數(shù)、平均風速對日照時數(shù)的影響24站平均輕霧日數(shù)與日照時數(shù)相關(guān)系數(shù)為-0.52,呈顯著負相關(guān)。因此,洞庭湖區(qū)輕霧日數(shù)增多導致日照時數(shù)減少。圖6a中,石首、松滋、南縣3站輕霧日數(shù)與日照時數(shù)相關(guān)系數(shù)為0.33(石首)~0.48(南縣),呈顯著正相關(guān);益陽、沅江、荊州、華容、常德5站相關(guān)性不顯著;其他16站相關(guān)系數(shù)為-0.61(石門)~-0.30(監(jiān)利),呈顯著負相關(guān)。因此,洞庭湖區(qū)大部分站點輕霧日數(shù)增多導致日照時數(shù)減少。平均風速與日照時數(shù)相關(guān)系數(shù)為0.61,呈顯著正相關(guān),因此,洞庭湖區(qū)平均風速減小導致日照時數(shù)減少。圖6b中,常德、安化平均風速與日照時數(shù)相關(guān)不顯著,其他22站相關(guān)系數(shù)為0.29(平江)~0.63(石首),呈顯著正相關(guān),因此,洞庭湖區(qū)絕大部分站點平均風速減小導致日照時數(shù)減少。3討論3.1時數(shù)減少速率本研究發(fā)現(xiàn),洞庭湖區(qū)年日照時數(shù)顯著減少,這與其他地區(qū)的研究結(jié)果相一致,但減少速率的大小有所不同。全國近50a日照時數(shù)呈明顯減少趨勢,平均每10年減少36.9h(任國玉等,2005;虞海燕等,2011)。東北黑龍江省年日照時數(shù)減少速率為26.7h·10a－1(裴宇航等,2012),西北地區(qū)為13.6h·10a－1(黃小燕等,2011),華北地區(qū)為11.5h·10a－1(馬潔華等,2010),華東地區(qū)的上海和太湖地區(qū)分別為72.9h·10a－1和99.7h·10a－1(張運林等,2003;靳利梅,2012),西南為31.9h·10a－1(楊小梅等,2012),華南為40.9h·10a－1(伍紅雨等,2011)。本文得到的洞庭湖區(qū)年日照時數(shù)減少速率為46.0h·10a－1,高于我國東北、西北、華北、西北、西南地區(qū)和全國平均值,與華南地區(qū)接近,但低于華東地區(qū)的上海和太湖地區(qū),這與經(jīng)濟發(fā)展水平有一定關(guān)系(任國玉等,2005)。3.2日特征結(jié)果不一致20世紀60年代之后本研究發(fā)現(xiàn),洞庭湖區(qū)年日照時數(shù)在1980年發(fā)生突變,20世紀60年代、70年代、80年代急劇減少后,年代際變化不明顯。這與全國、東北黑龍江、西北、上海、華南等地區(qū)的研究結(jié)果相一致(黃小燕等,2011;伍紅雨等,2011;虞海燕等,2011;靳利梅,2012;裴宇航等,2012),但與西南地區(qū)和世界其他地區(qū)20世紀60年代開始的“變暗”和90年代開始的“變亮”的結(jié)果不一致(Martin,etal.,2005;楊小梅等,2012)。洞庭湖區(qū)夏季日照時數(shù)的減少最為明顯,冬季次之,而春季、秋季日照時數(shù)沒有顯著變化,這也與全國及其他區(qū)域的變化不一致,在全國4季日照時數(shù)變化中,夏、秋、冬季日照時數(shù)的減少都是極顯著的,春季為弱顯著減少,其中夏、冬季日照減少最快,其次是秋季,春季減少最慢(虞海燕等,2011)。東北黑龍江省春季日照時數(shù)減少最為明顯,其次為冬季、夏季,秋季日照時數(shù)減少最不明顯(裴宇航等,2012)。西北地區(qū)夏季和冬季減少趨勢最為顯著,春季大部分地區(qū)表現(xiàn)為增加趨勢(黃小燕等,2011)。上海夏季、秋季和冬季的日照時數(shù)顯著減少,春季日照時數(shù)變化不顯著(靳利梅,2012)。西南地區(qū)夏季減少最大,其次是春季(楊小梅等,2012)。年代際和季節(jié)變化反映了日照時數(shù)變化的區(qū)域差異性。3.3日氣溶膠隨時間的變化主要表現(xiàn)為云量、降水量、輕霧、風速和濕度變化一般認為,日照時數(shù)減少的原因可能主要與人為排放的氣溶膠濃度增加有關(guān)。中國日照時間減少最多的區(qū)域主要在人口密集、經(jīng)濟活動強烈的華東、華南和華北地區(qū),說明人類活動引起