淮河上中游流域日照時數(shù)時空分布特征

甄自強+王景才+徐蛟+汪雨+郭佳香

摘要：為揭示淮河上中游流域日照時數(shù)時空變化特征及突變情況，基于1960-2014年日照時數(shù)資料，采用氣候傾向率、MannKendall趨勢與突變檢驗、滑動t檢驗、克里金插值等方法，對流域日照時數(shù)的時空變化特征進行剖析。結(jié)果表明，淮河上中游流域近55年來日照時數(shù)以20世紀80年代為界由多變寡，其中年日照時數(shù)大約每10 a減少1022 h，四季日照時數(shù)的氣候傾向率排序為夏[-488 h（10a）]、冬[-293 h（10a）]、秋[-197 h（10a）]、春[-54 h（10a）]。流域日照時數(shù)的減小趨勢除春季不顯著外，年與夏、秋、冬三季的日照時數(shù)均呈現(xiàn)出顯著的減少趨勢?？臻g上，流域北部的中間地帶（商丘站附近）與西北部（寶豐、鄭州站附近）的日照時數(shù)減小趨勢較明顯（Z<-2），減少幅度較大，而東部（盱眙站除外）減少幅度則偏小。年與夏季日照時數(shù)的極顯著突變年份為1980年，年日照時數(shù)的弱顯著突變年為1984年。秋季、冬季的突變年份分別為1999年、1983年，春季的突變年份在20世紀70年代內(nèi)。研究成果可為淮河上中游流域的氣候研究、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等提供科學(xué)的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：日照時數(shù)；趨勢分析；突變檢驗；特征分析；淮河上中游流域

中圖分類號：P466文獻標識碼：A文章編號：

16721683（2017）06003306

Abstract：In order to reveal the spatialtemporal variation characteristics of sunshine duration in the upper and middle reaches of Huaihe River Basin and determine the year of mutation，we adopted such methods as the climate tendency rate，MannKendall trend and mutation test，sliding ttest，and Kriging interpolation，and analyzed the spatialtemporal variation characteristics of sunshine duration based on the data of sunshine duration from 1960 to 2014The results indicated that the sunshine duration in the past 55 years decreased to a lower level in the 1980s；the annual sunshine duration decreased by about 1022 h every 10 years；and the climate tendency rates of sunshine duration in the four seasons were as follows：summer （-488 h（10a）），winter （-293 h（10a）），autumn （-197 h（10a）），and spring（-54 h（10a））The sunshine duration in a year and in all three seasons except spring showed a significant decreasing trendSpatially，the decreasing trend of sunshine duration was more obvious and sharp in the middle of the northern basin （near Shangqiu station） and in the northwest （near Zhengzhou and Baofeng stations） （Z<-2），but the decrease was small in the east （except for Xuyi station）The highly significant mutation year of annual and summer sunshine durations was 1980，and the weakly significant mutation year of annual sunshine duration was 1984The mutation years of autumn and winter were 1999 and 1983 respectively，and the mutation year of spring was in the 1970sThe research results are expected to provide scientific basis for the climate studies and agricultural production in the upper and middle reaches of Huaihe River Basin

Key words：sunshine duration；trend analysis；test of mutation；characteristic analysis；upper and middle reaches of Huaihe River Basin

[HJ19mm]日照時數(shù)的變化情況對氣候研究具有重要意義，其數(shù)量大小能夠合理地表征太陽能源的豐富程度[1]。具體來講，日照對水文要素具有間接影響；日照時數(shù)影響植物的光合作用，其直接決定著植物的生長發(fā)育尤其是農(nóng)作物的產(chǎn)量與質(zhì)量；日照還與異常氣候現(xiàn)象的發(fā)生有關(guān)，如近年來出現(xiàn)的厄爾尼諾現(xiàn)象等[2]。對氣候因子時間序列的變化情況進行分析，借助統(tǒng)計學(xué)方法進行研究更加有效[3]。近年來，國內(nèi)很多學(xué)者運用各種統(tǒng)計學(xué)方法對日照時數(shù)時間序列進行了趨勢及突變情況的分析。吳昊旻等[4]通過Morlet連續(xù)小波變化、功率譜檢驗及MannKendall檢驗方法，得出浙江省近39年日照時數(shù)的時間變化趨勢、周期演變規(guī)律和突變點。趙娜等[5]由線性趨勢法與累計距平曲線方法分析出城市化影響下的北京地區(qū)日照時數(shù)變化趨勢。王釗等[6]利用日照時數(shù)距平與5年滑動平均曲線得到西安地區(qū)近60年的日照時數(shù)變化趨勢，并計算出該城市內(nèi)部各地區(qū)間的日照時數(shù)下降百分率的相關(guān)系數(shù)。張山清等[7]通過線性傾向率與MannKendall突變檢測方法對新疆近50年101個站點的日照時數(shù)進行了突變年的討論。王珂清[8]通過線性傾向估計法對近48年淮河流域日照時數(shù)進行了研究，得出流域日照時數(shù)呈下降趨勢且氣溶膠為其減小的主要影響因素。第15卷 總第93期·南水北調(diào)與水利科技·2017年12月endprint

甄自強等·淮河上中游流域日照時數(shù)時空分布特征

淮河上中游流域跨越了秦嶺淮河南北分界線，近年來流域的區(qū)域性極端氣候現(xiàn)象頻發(fā)，日照時數(shù)作為流域的關(guān)鍵氣候因子，對流域的氣候變化情況具有重要的影響[911]。此外，日照時數(shù)對光合作用至關(guān)重要，決定著植物的產(chǎn)出效益，直接影響當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展狀況[1213]。本文利用趨勢與突變檢驗方法對日照時數(shù)的時間變化情況進行分析，再通過ArcGis100軟件對研究區(qū)內(nèi)各個站點進行空間插值分析，實現(xiàn)對淮河上中游流域近55年來日照時數(shù)的時空變異性比較，以期了解淮河上中游流域日照時數(shù)的時間變化特征及空間差異性，從而為研究區(qū)內(nèi)季節(jié)及區(qū)域性的農(nóng)業(yè)規(guī)劃、極端氣候分析等相關(guān)研究提供科學(xué)的參考。

1材料及方法

11研究區(qū)概況

淮河流域位于中國東部地區(qū)，流經(jīng)湖北、河南、安徽、江蘇、山東五大省份。氣候上屬于濕潤氣候與半濕潤氣候的過渡區(qū)域，日照充足，農(nóng)業(yè)較為發(fā)達，作物主要包含稻作與旱作兩類。研究區(qū)選取為淮河上中游流域，其中淮河上游以洪河口為界，淮河中游以洪澤湖出口處的三河閘為界[1415]。研究區(qū)多年平均日照時數(shù)約為2 080 h，地形西高東低，高程多位于20～140 m之間[16]。本文基于淮河上中游流域內(nèi)的19個氣象站點（圖1） 1960-2014年的日照時數(shù)資料作為計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（圖2）。

12研究方法

121氣候傾向率

利用氣候傾向率對日照時數(shù)進行變化趨勢的分[HJ18mm]析，確定趨勢變化的方向及變化幅度的大小[1719]。

[AKx^]t=a1·t+a0（1）

式中：[AKx^]t為日照時數(shù)的擬合值（h）；a1×10為日照時數(shù)氣候傾向率大小[h（10a）]；a0為回歸常數(shù)；t為時間因子。

122MannKendall趨勢檢驗

對日照時數(shù)時間變化趨勢的檢驗選用MannKendall趨勢檢驗方法，此法已經(jīng)被證明為氣象因子時間序列趨勢檢驗中一種比較有效的檢驗途徑。MannKendall趨勢檢驗方法通過計算統(tǒng)計量Z，并得到顯著性水平α下的統(tǒng)計值大小，進而可確定出日照時數(shù)的時間變化趨勢。Z值為正代表增加趨勢，Z值為負代表減少趨勢。|Z|的大小表征了變化趨勢的顯著性程度：當(dāng)|Z|>Z1-α2，認為在顯著性水平為α的條件下拒絕原假設(shè)，日照時數(shù)有顯著的變化趨勢，否則認為變化趨勢不顯著。經(jīng)與氣候傾向率進行結(jié)合，二者互相驗證，可實現(xiàn)對日照時數(shù)變化趨勢情況的綜合性分析[2022]。

123突變檢驗

對氣象因子的時間序列進行突變檢驗，一般可應(yīng)用累計距平曲線、滑動t檢驗、MannKendall突變檢驗或信噪比方法等。為避免檢驗過程中人為干擾性的存在，研究優(yōu)先采用MannKendall突變檢驗法。MannKendall突變檢驗方法不受主觀因素的影響，得到正逆統(tǒng)計量兩條曲線，只需曲線交點處的統(tǒng)計量達到一定的顯著度水平即可認為突變結(jié)果可信，研究中選取α=005的顯著性水平作為突變點的界限進行判斷[3，5]。通過MannKendall突變檢驗的年份可以確定為突變年，而未通過信度線檢驗的交點年份僅能考慮為可能突變點，此時仍需借助其他方法進行驗證。為此本研究采用滑動t檢驗、累計距平曲線法結(jié)合MannKendall方法進行日照時數(shù)突變年份的檢驗，即利用滑動t檢驗法驗證MannKendall突變檢驗未通過信度線的交點及累計距平曲線出現(xiàn)拐點處的可能突變點[2324]。

2日照時數(shù)變化特征分析

21年際變化特征

近55年淮河上中游流域的日照時數(shù)在時間上總體呈下降趨勢。年日照時數(shù)最大值發(fā)生在1966年，最小值發(fā)生在2003年，峰谷差值8392 h，占近55年日照時數(shù)的年均值的比例高達404%。由表1可知，近55年研究區(qū)年日照時數(shù)的氣候傾向率為-1022 h（10a），說明每10 a日照時數(shù)減少量大約為1022 h。四季內(nèi)夏季日照時數(shù)的減少幅度較大[-488 h（10a）]，其次為冬季與秋季[-293、[HJ]-197 h（10a）]，春季較小[-54 h（10a）]。說明四季中夏季對年日照時數(shù)減少的貢獻量較大，其次為冬季與秋季，而春季對年日照時數(shù)減少的貢獻量較小。年、夏季與冬季的Z值均通過了0001顯著性水平檢驗，說明三者的日照時數(shù)減小趨勢均表現(xiàn)為極顯著的狀態(tài)。秋季Z值通過001顯著性水平檢驗，說明此季節(jié)的日照時數(shù)減小趨勢為顯著，而春季未通過005顯著性水平檢驗，說明此季的日照時數(shù)變化趨勢并不明顯。這與王珂清[8]對近50年來淮河流域日照時數(shù)的變化趨勢分析結(jié)果基本一致。信度，極顯著。22年代際變化特征

如圖3所示，從近55年內(nèi)的日照時數(shù)年代際變化來看，近55年中，20世紀60年代（年均值）達到最大值，為2 3353 h；20世紀80年代之前的年日照時數(shù)為偏多階段（距平為正），20世紀80年代之后一般表現(xiàn)為距平為負的偏少階段；21世紀初出現(xiàn)最小值，為1 8674 h。從20世紀60年代以來，時間上隨著年代的更替，日照時數(shù)年代均值表現(xiàn)為依次遞減的趨勢。以近55年內(nèi)各年代每10 a的年均日照時數(shù)變化量作為年代日照時數(shù)的變化幅度，各個相鄰年代間的變化幅度存在一定的差異，最大變幅發(fā)生于20世紀70年代到80年代的交替期，日照時數(shù)明顯減少（減小量為1912 h）；最小變幅為20世紀80年代到90年代的交替期，日照時數(shù)幾乎未變動（減小量僅42 h）?？傮w來看，近55年內(nèi)淮河上中游流域日照時數(shù)年代（年均值）峰谷點的差值高達4679 h，約占年代均值的222%。

23空間變化特征

根據(jù)淮河上中游流域各個站點計算得到的日照時數(shù)氣候傾向率與MannKendall趨勢檢驗的Z值，通過ArcGis軟件中的空間克里金插值功能可以實現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)的日照時數(shù)變化趨勢的空間分析（圖4）。endprint

如圖4所示，從MannKendall趨勢檢驗結(jié)果來看，流域內(nèi)19個站點的年日照時數(shù)均存在減小趨勢，除蚌埠站（Z=-182）減小趨勢不明顯外，其余站點（Z=-7～-413）均有極顯著的減小趨勢。從氣候傾向率來看，年日照時數(shù)氣候傾向率的空間變化范圍為-1717～-282 h（10a），時間上年日照時數(shù)減小量在蚌埠、宿州兩站出現(xiàn)較小值[-282、-487 h（10a）]；減小量較大的為商丘站[-1717 h（10a）]，其次為寶豐、阜陽、鄭州、亳州站附近[范圍在-1450～-1255 h（10a）]。

四季中，春季日照時數(shù)僅在4個站點（商丘、鄭州、寶豐、亳州站）具有顯著的減小趨勢（Z=-32～-22），其余各站點的變化趨勢均不顯著（Z=-2～2）。其中有6個站點表現(xiàn)為不顯著的增加趨勢，增幅較大的為蚌埠站[-124 h（10a）；另外5站增幅偏小，大約每10 a僅增加0～35 h；其它9個站點出現(xiàn)不顯著的減小趨勢且減小量也偏小（大約每10 a僅增加2～25 h）。夏、秋、冬三季所有站點的日照時數(shù)在時間上均為減小趨勢。其中，夏季所有站點日照時數(shù)的減小趨勢均為極顯著（Z=-670～-331），減小量大約每10 a減小270～693 h：夏季期間，蚌埠站的減小量較小[-270 h（10a）]，其次為徐州、宿州站[-305、-346 h（10a）]；減小量較大的站為商丘站[-693 h（10a）]，其次為阜陽、鄭州、寶豐、亳州站，這與年日照時數(shù)變化趨勢的空間分布情況較為類似。研究區(qū)內(nèi)冬季日照時數(shù)的氣候傾向率的變化范圍為-470～-114 h（10a），秋季日照時數(shù)的氣候傾向率的變化范圍為-356～-22 h（10a）。冬季與秋季的減小趨勢在宿州、蚌埠站附近不明顯，兩個季節(jié)的日照時數(shù)每10 a減小量在這兩站附近也較小，而兩個季節(jié)的日照時數(shù)每10 a減小量的較大值則出現(xiàn)在商丘、鄭州，西華、寶豐站附近。

總體來看，年與四季日照時數(shù)的氣候傾向率與Z值的空間大小分布情況較為一致。對日照時數(shù)空間變化特征的分析也再次驗證了各個站點對年日照時數(shù)的變化貢獻較大的季節(jié)為夏季，較小的為春季。研究區(qū)內(nèi)西部區(qū)域日照時數(shù)一般比東部區(qū)域日照時數(shù)遞減的趨勢更為明顯。其中東部的蚌埠、宿州等站點附近對研究區(qū)日照時數(shù)的減小趨勢貢獻程度較小，甚至這些站點春季的日照時數(shù)的變化對年日照時數(shù)的減少具有削弱作用，但春季日照時數(shù)的增加趨勢并不顯著，對年日照時數(shù)減小情況的削弱效果也不明顯；貢獻程度較大的位置集中于研究區(qū)北部中間地區(qū)的商丘、亳州等站附近，其次為西部的鄭州、寶豐站附近。

3突變檢驗

MannKendall突變檢驗結(jié)果如圖5所示。對MannKendall突變檢驗結(jié)果曲線未通過信度線的交點年份，再利用滑動t檢驗進行驗證，并選擇累計距平曲線拐點進行滑動t檢驗的突變計算，計算結(jié)果如表2所示。近55年研究區(qū)的年日照時數(shù)突變檢驗中，1986年未通過滑動t檢驗，1987年僅通過了顯著性水平為005的滑動t檢驗，說明可將1987年作為研究區(qū)年日照時數(shù)的弱顯著突變年份。由年日照時數(shù)累計距平曲線查到1980年可能為突變年，而此年又通過了顯著性水平為0001的滑動t檢驗，可以確定此年為年日照時數(shù)的極顯著突變年份。春季日照時數(shù)的UFUB曲線在信度線內(nèi)存在若干交點，可以認為20世紀70年代期間春季日照時數(shù)存在突變。夏季UFUB曲線交點未通過α=005的MannKendall突變檢驗，但根據(jù)曲線交點處的滑動t檢驗結(jié)果仍能夠確定夏季日照時數(shù)的突變年份為1980年，且與年日照時數(shù)突變相同，夏季在此年的突變結(jié)果也通過了0001信度檢驗。比較t檢驗值絕對值的大小可以得到1980年研究區(qū)夏季日照時數(shù)較年日照時數(shù)相比突然減小的情況更為明顯。進一步說明1980年附近可作為近55年研究區(qū)內(nèi)年與夏季日照時數(shù)由偏多期明顯轉(zhuǎn)變?yōu)槠倨诘姆纸琰c，這與何斌方[25]對近50年來安徽省日照時數(shù)的分析結(jié)果基本相同。秋季UFUB曲線交點位于信度線以內(nèi)，其統(tǒng)計量的值為-0650（>-1960），確定突變年份為1999年。冬季UFUB曲線交點統(tǒng)計量的值為-1956（>-1960），故冬季突變年份可確定為1983年。

4結(jié)論

通過近55年淮河上中游流域日照時數(shù)的變化趨勢及突變年份檢測的計算結(jié)果，分析研究區(qū)日照時數(shù)的時空分布特征，得到的具體結(jié)論如下。

（1）1960-2014年內(nèi)淮河上中游流域日照時數(shù)

在20世紀60年代（年均值）較大，并向之后各個年代依次減小。全年、夏季、冬季的日照時數(shù)均有極顯著的減小趨勢，減小量分別為每10 a減少1022 h、488 h、2934 h。四季中夏季日照時數(shù)對年日照時數(shù)減小的貢獻較大，其次為冬季、秋季，春季日照時數(shù)對年日照時數(shù)減小的貢獻較小。

（2）淮河上中游流域的東部（除盱眙站）對整個研究區(qū)日照時數(shù)減小的貢獻程度較小，而北部的中間地帶（商丘站附近）與西北部（寶豐、鄭州站附近）對整個淮河上中游流域的日照時數(shù)減小的貢獻程度較大。

（3）研究區(qū)內(nèi)全年與夏季的日照時數(shù)的時空變化情況不僅具有較好的一致性，突變年份也有類似之處。由累計距平曲線結(jié)合滑動t檢驗方法，得到年與夏季日照時數(shù)的極顯著突變年份均為1980年；根據(jù)MannKendall突變檢驗，可以得到年日照時數(shù)的另一個弱顯著突變年份為1984年。秋季、冬季的突變年份為1999年、1983年，而春季的突變年份確定為20世紀70年代。

研究成果期待為淮河上中游流域的氣候研究及農(nóng)業(yè)發(fā)展等提供科學(xué)的參考。

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