1954—2017年磴口縣日照時數(shù)變化特征及突變分析

陸占東

摘要 ?為了解磴口縣日照時數(shù)的變化規(guī)律，利用磴口縣1954—2017年逐月日照時數(shù)資料，運用線性擬合、氣候傾向率、Mann？鄄Kendall檢測法、Mann？鄄Kendall突變分析、滑動t檢驗等方法，對磴口縣四季和年日照時數(shù)的變化趨勢和突變特征等進行了分析。結果表明，磴口縣1954—2017年年平均日照時數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，變化傾向率為14.2 h/10年，遠高于全國平均值-36.9 h/10年。變化趨勢通過了95%顯著性檢驗。年日照時數(shù)在1974、1994年存在明顯的突變，突變點通過0.05檢驗。磴口縣春、夏、秋、冬四季的日照時數(shù)變化傾向率分別為11.58、4.06、-2.83、0.914 h/10年，除秋季外，其他3季均呈現(xiàn)上升趨勢，且春季變化趨勢通過了99%顯著性檢驗，說明春季日照時數(shù)增幅非常顯著。磴口縣四季的突變檢驗存在較大差異，春季日照時數(shù)的突變發(fā)生在2010年，該突變點通過了0.01顯著性檢驗;夏季日照時數(shù)的突變發(fā)生在1975和1997年，該突變點通過了0.05顯著性檢驗;秋季日照時數(shù)的突變發(fā)生在1994和2006年，該突變點通過了0.05顯著性檢驗;冬季日照時數(shù)的突變發(fā)生在1993和2003年，該突變點通過了0.05顯著性檢驗。磴口縣1954—2017年各月日照時數(shù)變化呈現(xiàn)一峰一谷，其中5月份最多，2月份最少，年平均日照百分率為73%。磴口縣各月日照時數(shù)變化與降水呈較強的負相關，相關系數(shù)為-0.858。

關鍵詞磴口縣;日照時數(shù);變化特征;突變分析

中圖分類號：P412.14文獻標識碼：A文章編號：2095-3305（2019）03-031-05

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.03.013

日照是指太陽在一地實際照射的時數(shù)。在給定時間，日照時數(shù)定義為太陽直接輻照度達到或超過120 W/m2的那段時間總和，以小時（h）為單位，取1位小數(shù)，日照時數(shù)也稱實照時數(shù)[1]。

磴口縣位于內(nèi)蒙古巴彥淖爾市西南部，農(nóng)牧業(yè)是磴口縣的主要經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)，日照時數(shù)是制約農(nóng)作物生產(chǎn)的重要因素，日照時數(shù)的改變對作物的生長和產(chǎn)量具有重大的影響，因此，深入研究日照時數(shù)的變化規(guī)律，對合理布局農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)業(yè)，調整農(nóng)牧業(yè)結構具有重要的意義。虞海燕等的研究表明，我國絕大部分地區(qū)1951—2009年日照時數(shù)總量呈減少趨勢，尤其夏季的日照時數(shù)變化最為顯著[2-3]。高蓓等對陜西省日照時數(shù)的研究表明，陜西省日照時數(shù)在春、秋季為上升趨勢，夏、冬季為下降趨勢，且夏季日照時數(shù)下降最顯著[4];李全平等對祁連山地區(qū)日照時數(shù)的研究表明，祁連山地區(qū)日照時數(shù)呈減少趨勢，且日照時數(shù)的長短受海拔、維度和太陽高度角的影響最大[5];李顏顏等對河南省日照時數(shù)的研究表明，河南省年、四季日照時數(shù)均呈現(xiàn)較少趨勢[6];楊麗桃等對內(nèi)蒙古生長季日照時數(shù)的研究表明，內(nèi)蒙古生長季（4—9月）日照時數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢[7]。在全國、各地區(qū)日照時數(shù)均減少的大環(huán)境下，結合前人的研究方法，筆者對磴口縣1954—2017年日照時數(shù)進行研究分析，闡明磴口縣日照時數(shù)年、四季和月的變化規(guī)律，對當?shù)胤N植模式和種植結構的調整具有重要的指導意義。

1資料與方法

1.1資料來源

利用磴口縣氣象觀測站1954—2017年的日照時數(shù)觀測資料，計算出月、季、年平均日照時數(shù)，按照春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月至次年2月）的季節(jié)劃分。

1.2研究方法

1.2.1氣候傾向率采用線性傾向估計方法[8-10]。用xi表示序列長度為n的某一氣候變量，用ti表示xi所對應的時間，建立xi與ti間的一元線性回歸方程：

1.2.3Mann？鄄Kendall趨勢檢驗原假設H0為時間序列數(shù)據(jù)（x，x2，…，xn），是n個獨立的、隨機變量同分布的樣本;備擇假設H1是雙邊檢驗[13-15]。對于所有的i，j≤n，且i≠j，xi和xj的分布是不相同的。定義檢驗統(tǒng)計量S：

在雙邊趨勢檢驗中，對于給定的置信水平α，若|Z|≥Z1-α/2，則原假設H0是不可接受的，即在置信水平α上，時間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢。Z為正值表示增加趨勢，負值表示減少趨勢。Z的絕對值在大于等于1.28、 1.64、 2.32時表示分別通過了信度90%、95%、 99%顯著性檢驗。

給定顯著性水平，如α=0.05或0.01，那么臨界值U0.05=±1.96或U0.01=±2.56。將UFk和UBk 2個統(tǒng)計量序列曲線和U0.05=±1.96，U0.01=±2.56直線均繪在同一張圖上。若UFk或UBk的值大于0，則表明序列呈上升趨勢，小于 0 則表明呈下降趨勢。當它們超過臨界直線時，表明上升或下降趨勢顯著。超過臨界線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時間區(qū)域。如果UFk和UBk 2條曲線出現(xiàn)交點，且交點在臨界線之間，那么交點對應的時刻便是突變開始的時間。

1.2.5滑動t檢驗滑動t檢驗是通過序列中2段子序列的均值有無顯著差異來驗證突變。如果子序列的均值差異超過一定的顯著性水平，則認為該隨機變量發(fā)生突變。將隨機變量X分為x1和x2 2個子序列，用ni表示第i個子序列的樣本個數(shù)，xi表示第i個子序列的平均值，si表示第i個子序列的方差，統(tǒng)計量t用以下公式計算求得[20-21]：

從圖1可以看出，磴口縣1954—2017年平均日照時數(shù)為3 211.5 h，其中最多出現(xiàn)在1995年，為3 475.3 h，最少出現(xiàn)在1985年，為2 662.9 h，與最多年相差812.4 h;1954—2017年磴口日照時數(shù)呈上升趨勢，變化傾向率為14.2 h/10年，遠高于全國日照時數(shù)變化率-36.9 h/10年[3]。通過Mann？鄄Kendall趨勢檢驗得到Z=2.03>1.64>0（表1），通過了95%顯著性檢驗，說明磴口縣日照時數(shù)增長趨勢十分明顯。

從5年滑動平均可以看出，1954—1974年日照時數(shù)波動增加，1975—1993年有明顯的下降，1994年之后又有明顯上升。結合M-K突變分析（圖2）可以看出，磴口縣年日照時數(shù)正序列UF（k）和逆序列UB（k）在1954—1974年為上升趨勢，1975—1994年為下降趨勢，1995年之后又開始上升，在1973—1974年、1993—1994年相交，突變點通過了0.05檢驗，說明年日照時數(shù)在1974、1994年存在明顯的突變。1954—1974年、1975—1994年、1995—2007年平均日照時數(shù)分別為3 216.5、3 117.5、3 288.7 h，變化量分別為-99.0和171.2 h。

磴口縣日照時數(shù)年代變化經(jīng)歷了增-減-增-減階段（見圖1a中5年滑動、表2），20世紀60年代有較大的增長，20世紀70年代到80年代初變化平穩(wěn)，20世紀80年代后期到90年代初減幅明顯，1984—1992年年平均日照時數(shù)為3 029.5 h，較歷年平均偏少182 h;20世紀90年代中后期到21世紀前10年有大幅增加，21世紀20年代又有較明顯的減少。

2.2季日照時數(shù)變化特征分析

2.2.1春季日照時數(shù)變化特征分析磴口縣1954—2017年春季平均日照時數(shù)為861.9 h（圖1b），最多年為970.7 h，出現(xiàn)在2005年，最少年為647.5 h，出現(xiàn)在1985年，相差323.3 h。春季日照時數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，變化傾向率為11.58 h/10年，通過Mann？鄄Kendall檢驗（表1）得到春季Z=3.2>2.32>0，通過99%顯著性檢驗，說明春季日照時數(shù)增長趨勢十分明顯。從表2可以看出，春季日照時數(shù)年代變化與年日照時數(shù)的變化大致相同，20世紀80年代日照時數(shù)下降明顯，21世紀前10年又有較大的上升。

由圖2b的M？鄄K突變檢驗可以看出，磴口縣1954—2017年春季日照時數(shù)正序列的UF（k）和逆序列的UB（k）在1999—2000年有一個交點，21世紀20年代開始正序列UF（k）通過了0.05顯著性檢驗（U0.05=1.96），甚至通過0.001顯著性檢驗 （U0.001=2.56），這表明磴口縣的春季日照時數(shù)上升趨勢是十分顯著的。磴口縣春季平均日照時數(shù)突變后（903.9 h）較突變前（845.4 h）增加了58.5 h。

2.2.2夏季日照時數(shù)變化特征分析磴口縣1954—2017年夏季平均日照時數(shù)為902.0 h（圖1c），最多年為1 023.6 h，出現(xiàn)在2010年，最少年為684.4 h，出現(xiàn)在1985年，相差339.2 h。夏季日照時數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，變化傾向率為4.06 h/10年，通過Mann？鄄Kendall檢驗（表1）得到夏季Z=1.09<1.28，未通過90%檢驗，說明春季日照時數(shù)增長趨勢不明顯。從表2可以看出，夏季年代變化中，20世紀80年代日照時數(shù)下降明顯，21世紀前10年出現(xiàn)較大的上升，21世紀20年代減幅明顯。

由圖2c的M？鄄K突變檢驗可以看出，磴口縣1954—2017年夏季日照時數(shù)正序列的UF（k）和逆序列的UB（k）有5個交點，分別為1962—1963年、1965—1966年、1970—1971年、1974—1975年和1996—1997年，1983年逆序列UB（k）通過了0.05顯著性檢驗（U0.05=1.96），距離該點最近的交點為1974—1975年，且在1975年后正序列UF（k）具有顯著的下降趨勢;第2個突變點為1996—1997年，1997年后，正序列UF（k）又有明顯的上升趨勢。2個突變點前后平均日照時數(shù)分別為907.6、870.4和929.3 h，突變前后變化量為-37.2和58.9 h。

2.2.3秋季日照時數(shù)變化特征分析磴口縣1954—2017年秋季平均日照時數(shù)為769.5 h（圖1d），最多年為836.9 h，出現(xiàn)在1995年，最少年為684.0 h，出現(xiàn)在1984年，相差152.9 h。秋季日照時數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢，變化傾向率為-2.83 h/10年，通過Mann？鄄Kendall檢驗（表1）得到秋季Z=-0.88，|Z|<1.28，未通過90%顯著性檢驗，說明秋季日照時數(shù)減少趨勢不明顯。從表2可以看出，秋季日照時數(shù)年代變化與年日照時數(shù)的變化大致相同，20世紀80年代日照時數(shù)下降明顯，21世紀前10年又有較大的上升。

由圖2d的M？鄄K突變檢驗可以看出，磴口縣1954—2017年秋季日照時數(shù)正序列的UF（k）和逆序列的UB（k）在1960—1961、1964—1965、1968—1969、1977—1978、1983—1984、1985—1986、

2012—2013、2016年出現(xiàn)交點，對于突變年份分析比較困難。利用滑動t檢驗，對秋季日照時數(shù)進行進一步分析（圖3a），子序列長度取10年，給定顯著性水平α=0.05進行檢驗。t統(tǒng)計值在1994年出現(xiàn)負極大值，2006年出現(xiàn)正極大值，說明在1994年出現(xiàn)由減到增，2006年出現(xiàn)由增到減。2個突變點前后平均日照時數(shù)分別為766.6、806.7和740.0 h，突變前后變化量為40.1和-66.7 h。

2.2.4冬季日照時數(shù)變化特征分析磴口縣1954—2017年冬季平均日照時數(shù)為678.5 h（圖1e），最多年為749.2 h，出現(xiàn)在1995年，最少年為594.1 h，出現(xiàn)在1989年，相差155.1 h。冬季日照時數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢，變化傾向率為0.914 h/10年，通過Mann？鄄Kendall檢驗（表1）得到冬季Z=0.3<1.28，未通過90%顯著性檢驗，說明冬季日照時數(shù)增加趨勢不明顯。從表2可以看出，冬季日照時數(shù)年代變化與年日照時數(shù)變化有較大差異，20世紀60年代日照時數(shù)呈上升趨勢，20世紀70、80年代日照時數(shù)呈下降趨勢，且在80年代下降明顯， 90年代又有明顯的上升。進入21世紀，日照時數(shù)整體呈現(xiàn)下降趨勢。

由圖2e的M？鄄K突變檢驗可以看出，磴口縣1954—2017年冬季日照時數(shù)正序列的UF（k）和逆序列的UB（k）出現(xiàn)15個交點，且UF（k）和UB（k）均未突破95%顯著性檢驗。為進一步研究冬季日照時數(shù)突變情況，利用滑動t檢驗進行分析（圖3b），子序列長度取10年，給定顯著性水平α=0.05進行檢驗。t統(tǒng)計值在1993年出現(xiàn)負極大值，2003年出現(xiàn)正極大值，說明在1993年出現(xiàn)由減到增，2003年出現(xiàn)由增到減。2個突變點前后平均日照時數(shù)分別為672.8、705.8和675.4 h，突變前后變化量為33.0和-30.4 h。

2.3月日照時數(shù)變化特征分析

從圖4可以看出，1954—2017年磴口縣各月日照時數(shù)變化呈現(xiàn)一峰一谷，其中5月份最多，為314.2 h，2月份最少，為227.6 h，兩極值相差86.6 h。從日照百分率來看，夏季（6—8月）為最少3個月，日照百分率均在70%以下，主要原因是磴口縣的降水量主要集中在6—8月份，降水量占全年的62.2%;其他月份日照百分率均在70%以上。通過計算，各月日照百分率和白天降水量（08：00—20：00）相關系數(shù)為-0.858，這說明日照百分率與白天降水量存在較強的負相關。

3小結

（1） 磴口縣1954—2017年年平均日照時數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，變化傾向率為14.2 h/10年，遠高于全國平均值-36.9 h/10年。變化趨勢通過了95%顯著性檢驗，說明磴口縣日照時數(shù)增長趨勢十分明顯。磴口縣年日照時數(shù)經(jīng)歷了增-減-增-減的變化趨勢，且在1974、1994年存在明顯的突變，突變點通過0.05檢驗。

（2） 磴口縣春、夏、秋、冬四季的日照時數(shù)變化傾向率分別為11.58、4.06、-2.83、0.914 h/10年，除秋季外，其他3季均呈現(xiàn)上升趨勢，且春季變化趨勢通過了99%顯著性檢驗，說明春季日照時數(shù)增幅非常顯著。磴口縣四季的突變檢驗存在較大差異，春季的突變發(fā)生在2010年，該突變點通過了0.01顯著性檢驗，春季日照時數(shù)呈現(xiàn)減-增的變化趨勢;夏季日照時數(shù)的突變發(fā)生在1975和1997年，該突變點通過了0.05顯著性檢驗，夏季日照時數(shù)呈現(xiàn)增-減-增的變化趨勢;秋季日照時數(shù)的突變發(fā)生在1994和2006年，該突變點通過了0.05顯著性檢驗，秋季日照時數(shù)呈現(xiàn)減-增-減的變化趨勢;冬季日照時數(shù)的突變發(fā)生在1993和2003年，該突變點通過了0.05顯著性檢驗，冬季日照時數(shù)呈現(xiàn)減-增-減的變化趨勢。

（3） 磴口縣1954—2017年各月日照時數(shù)變化呈現(xiàn)一峰一谷，其中5月份最多，2月份最少。年平均日照百分率為73%，其中夏季（6—8月）各月日照百分率均在70%以下，其他月份日照百分率均在70%以上。磴口縣月日照時數(shù)變化與降水有較強的負相關，相關系數(shù)為-0.858。

參考文獻

[1] 中國氣象局，地面氣象觀測規(guī)范[M].北京：氣象出版社，2003：81.

[2] 李慧群，付遵濤，聞新宇，等.中國地區(qū)日照時數(shù)近50年來的變化特征[J].氣候與環(huán)境研究，2013，18（2）：203-209.

[3] 虞海燕，劉樹華，趙娜，等.我國近59年日照時數(shù)變化特征及其與溫度、風速、降水的關系[J].氣候與環(huán)境研究，2011，16（3）：289-298.

[4] 高蓓，衛(wèi)海燕，郭彥龍，等.陜西省日照時數(shù)季節(jié)變化特征分析[J].水土保持通報，2013，33（1）：178-181.

[5] 李全平，高君元，朱寶文.祁連山地區(qū)日照時數(shù)氣候變化特征[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2017，45（1）：178-180.

[6] 李顏顏，康國華，張鵬巖，等.1951—2014年河南省不同季節(jié)日照時數(shù)時空變化特征及突變分析[J].河南大學學報，2018，48（1）：33-44.

[7] 楊麗桃，江像評.內(nèi)蒙古近50年生長季日照時數(shù)變化特征[J].氣象科技，2012，40（5）：854-857.

[8] 張卉，程永明，楊梅紅.五臺山站氣候資料均一性檢驗及氣候變化趨勢分析[J].中國農(nóng)學通報，2016，32（7）：168-173.

[9] 陳時東，陳丹彤，李惠清.1981—2015年陽春市日照時數(shù)變化特征[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2017，45（16）：170-172，178.

[10] 王春娟.陜西關中西部近50年無霜期氣候特征分析[J].中國農(nóng)學通報，2016，32（35）：166-170.

[11] 高西寧，蔣姍姍，王聳，等.東北地區(qū)1961—2014年降水量變化分區(qū)及其區(qū)域特征[J].生態(tài)學雜志，2016，35（5）：1301-1307.

[12] 徐盼盼，張奇瑩，錢會，等.寶雞地區(qū)降水特征分析及降水量預測[J].南水北調與水利科技，2017，15（5） ： 63-69.

[13] 張盛霖，鄧高燕，黃勇奇.Mann-Kendall檢驗法在Excel中的實現(xiàn)與應用[EB/OL]. 北京：中國科技論文在線.[2014-06-27]. http：//www.paper.edu.cn/release paper/con？鄄tent/201406-448.

[14] 魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計診斷與預測技術[M].北京：氣象出版社，2007：63-34.

[15] 王秀麗，竇坤，高學芹.1966-2015年山東省曹縣日照變化特征分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2016，44（10）：212-213，253.

[16] 胡安霞，孫秀邦，李龍.宣城市1966—2015年氣候變化趨勢及突變分析[J].中國農(nóng)學通報，2018，34（4）：113-117.

[17] 孔鋒，郭君，王一飛，等.近56年來中國雷暴日數(shù)的時空分異特征[J].災害學，2018，33（3）：87-95.

[18] 鐘晨晨，崔寧博，譚暢，等.近53年長江流域氣溫的時空變化特征分析[J].灌溉排水學報，2019，35（12）：88-96.

[19] 何佳，薛亞永，周旗，等.關中-天水經(jīng)濟區(qū)氣候變化特征分析[J].中國農(nóng)學通報，2016，32（18）：151-159.

[20] 閻凌云.農(nóng)業(yè)氣象[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2001：l57-162.

[21] 陳立華，劉為福，張利娜. 西江下游年月徑流變化特征研究[J].水力發(fā)電，2018，44（6）：38-43.

責任編輯：鄭丹丹