1958—2017年漢江流域日照時數(shù)時空變化特征

安 彬， 李偉金， 肖薇薇，4， 張淑蘭，3

（1.安康學院旅游與資源環(huán)境學院，陜西安康 725000；2.安康市漢江水資源保護與利用工程技術(shù)研究中心，陜西安康 725000；3.秦巴國土資源利用與環(huán)境保護協(xié)同創(chuàng)新中心，陜西安康 725000；4.陜西省科協(xié)院士專家工作站，陜西安康 725000）

工業(yè)化革命以來，全球氣候呈顯著變暖態(tài)勢已成為一個不爭的事實［1］. 相關(guān)研究表明，自1880年以來，全球地表平均氣溫上升了0.85 ℃［2］，預(yù)計到21世紀末將繼續(xù)升高1.1～6.4 ℃［3］. 氣候變暖將導(dǎo)致大氣性質(zhì)及環(huán)流狀況發(fā)生系列變化，進而影響太陽輻射量的強弱［4］. 日照時數(shù)是表征太陽輻射的最重要指標［5］，對其時空演變特征的研究引起了學者的關(guān)注. 在日照時數(shù)變化趨勢方面，Wild等［6］研究發(fā)現(xiàn)，全球大范圍的日照時數(shù)在20世紀80年代中期由下降轉(zhuǎn)為上升趨勢；李慧群等［7］研究指出，中國多數(shù)地區(qū)日照時數(shù)呈減少趨勢，但在20世紀90年代之后有所放緩；西藏［8］、祁連山［9］、淮河上中游［10］、遼寧［11］、甘肅［12］等地區(qū)的年日照時數(shù)都呈不同程度減少，河南省年、季日照時數(shù)皆表現(xiàn)為下降［13］. 而楊小梅等［14］對我國西南地區(qū)1961—2009 年日照時數(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，高海拔區(qū)多數(shù)站點的日照時數(shù)呈增加趨勢；云南盤龍河［15］、新疆石羊河［16］、青海東南部［17］、新疆哈密［18］也有類似情況. 相關(guān)研究［5，9-13，15-18］對日照時數(shù)的突變特征進行分析，發(fā)現(xiàn)突變時間、突變前后特征也存在著區(qū)域差異. 日照時數(shù)影響因素方面，涉及氣象要素中的降水［8-9，16］、風速［11，14］、水汽壓［9，11］、氣溫［11，15］、相對濕度［9，19］、總云量［5，9，11，18-19］、氣溶膠［16］以及下墊面中的地形要素［16］、地表接收的太陽輻射通量［14］等都不同程度影響著日照時數(shù)的變化. 以上研究對區(qū)域性的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局及太陽能資源利用等相關(guān)研究提供了科學依據(jù).

漢江是長江流域內(nèi)的重要支流之一，流域總面積約15.9×104km2，是我國重要的水源涵養(yǎng)地. 漢江流域戰(zhàn)略地位突出，是陜南、鄂西的經(jīng)濟核心地帶［20］. 該流域?qū)俦眮啛釒Ъ撅L區(qū)，最冷、最熱月平均氣溫分別為0 ℃和26 ℃，年內(nèi)季節(jié)、月降水分配極不均衡，區(qū)內(nèi)光、熱空間差異較大，是我國南北氣候過渡帶的重要分支，也是氣候變化敏感區(qū)之一. 近年來，漢江流域極端性氣候頻發(fā)［21-22］，日照時數(shù)作為流域內(nèi)氣候變化的關(guān)鍵因子，應(yīng)結(jié)合近期資料對其進行深入研究. 本文全面分析1958—2017年漢江流域日照時數(shù)的變化規(guī)律，以期為漢江流域生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供理論服務(wù).

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

實測數(shù)據(jù)由中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn/）提供. 根據(jù)研究區(qū)范圍及數(shù)據(jù)的完整性原則，選取了1958—2017年漢江流域內(nèi)的漢中、安康、房縣、鐘祥等15個氣象站逐月日照時數(shù)資料并進行質(zhì)量核查. 年日照時數(shù)為當年1—12月累加值，將日照時數(shù)按照3—5月、6—8月、9—11月和12—2月（翌年）進行累加，以作為春、夏、秋、冬季日照時數(shù)序列.

1.2 方法

年及四季多年平均日照時數(shù)為1958—2017 年流域15 個站點的年及對應(yīng)季節(jié)日照時數(shù)平均值. 采用線性方程擬合方法計算氣候傾向率，并借助F 檢驗方程的顯著性［23］，結(jié)合累積距平和Mann-Kendall 檢驗（M-K）法對日照時數(shù)進行突變檢驗［23］. 采用ArcGIS10.2空間分析模塊中的樣條插值法（Spline）完成［24］. 圖件全部采用Origin 9.0軟件繪制.

異常特征分析采用年（季）日照時數(shù)的多年平均值（x）與對應(yīng)標準差（σ）的關(guān)系判斷：日照時數(shù)為x±1.5σ，日照時數(shù)屬正常波動范圍；日照時數(shù)為x±1.5σ和x±2σ，屬偏少或偏多；日照時數(shù)為x±2σ以外時，屬特少或特多［25］.

2 結(jié)果與分析

2.1 日照時數(shù)時間變化特征

2.1.1 長期變化趨勢 圖1顯示了1958—2017年漢江流域年及季節(jié)日照時數(shù)的長期變化趨勢. 從圖1（a）可知，漢江流域多年平均日照時數(shù)為1 824.96 h，變化在1 375.65 h（1989年）～2 159.82 h（1966年）之間，最大值與最小值相差784.17 h，占多年平均值的42.97%. 年均日照時數(shù)以1979年為界，之前多為正距平，之后轉(zhuǎn)為多負距平. 1958—2017年，漢江流域年日照時數(shù)以54.93 h/10 a的速率呈極顯著下降趨勢（p＜0.001），下降速率高于西藏（-20.15 h/10 a）［8］、祁連山（-20.80 h/10 a）［9］、遼寧（-31.16 h/10 a）［11］、甘肅（-0.29 h/10 a）［12］，但低于淮河中上游（-102.2 h/10 a）［10］和河南（-91.44 h/10 a）［13］，這可能與區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展速度［26］及城市化進程有關(guān).

圖1 1958—2017年漢江流域年及四季日照時數(shù)趨勢變化Fig.1 Tendency change of annual and seasonal sunshine duration in the Hanjiang River Basin during 1958-2017

受太陽周年運動影響，四季多年平均日照時數(shù)冬季（350.09 h）＜秋季（401.12 h）＜春季（475.35 h）＜夏季（596.71 h）. 漢江流域春季日照時數(shù)以2.98 h/10 a的速率呈不顯著增加（p＞0.05），夏、秋、冬季日照時數(shù)分別以-28.93、-14.30、-13.91 h/10 a的速率顯著下降（p＜0.01）. 對比各季日照時數(shù)占比及其變化情況，可以發(fā)現(xiàn)夏季日照不僅占比最高，而且變幅也最大，表明夏季是年日照時數(shù)減少的關(guān)鍵季節(jié). 依據(jù)各季日照時數(shù)的標準差（σ）能判斷年際變化的穩(wěn)定程度. 結(jié)果顯示，春季日照的標準差最?。?3.23 h），變化最穩(wěn)定；夏季變化的標準差最大（85.23 h），變化最不穩(wěn)定. 春季日照時數(shù)在1958—1999年多為負距平，1999年之后多為正距平；夏季和冬季日照時數(shù)在1958—1979年多為正距平，1979年之后多為負距平；秋季日照時數(shù)在1979年之前多為正距平，1980—1998年期間正負距平相當，1998年之后多為負距平.

2.1.2 突變分析 圖2為1958—2017年漢江流域年及四季日照時數(shù)的M-K突變檢驗曲線. 由圖可知，全年日照時數(shù)正（UF）、反（UB）序列曲線僅相交于1980 年，而后UF曲線突破了-1.96 臨界線，說明年日照時數(shù)在1980年突變下降. 進一步計算發(fā)現(xiàn)，突變前較突變后的減少幅度達233.53 h，表明漢江流域出現(xiàn)了“全球變暗”效應(yīng)［27］. 春季日照時數(shù)正、反序列雖多次相交，但均未突破0.05顯著性臨界線，說明春季日照未發(fā)生突變；其累積距平曲線在1999年達到谷值，2000—2017年平均日照時數(shù)較1958—1999年增加33.77 h. 夏、秋、冬季的UF和UB曲線在臨界線均只有唯一交點，對應(yīng)時間分別為1980、2006和1972年，而后UF曲線均突破了0.05顯著性臨界線，說明夏、秋、冬季日照分別在1980、2006、1972年發(fā)生顯著突變下降. 突變后較突變前相比，夏、秋和冬季日照的減少幅度分別達到115.67、63.52、62.32 h，再次印證了漢江流域夏季對年日照時數(shù)減少影響最大的結(jié)論.

圖2 漢江流域年及四季日照時數(shù)的M-K突變檢驗特征Fig.2 M-K mutation test characteristics of annual and seasonal sunshine duration in the Hanjiang River Basin

2.1.3 異常特性分析 漢江流域年及四季日照時數(shù)正常波動50～54 a，占研究總年份的83.33%～90.00%（表1）. 四季日照時數(shù)特多年份都發(fā)生1次，其中冬季出現(xiàn)的最早（1962年），春季出現(xiàn)最晚（2006年），超出對應(yīng)季節(jié)多年平均日照時數(shù)介于115.97（春）～195.25 h（夏）；夏、秋季日照時數(shù)特少年份都出現(xiàn)1 次，均在1989年，而春、秋季未出現(xiàn)過特少情形. 整體上，漢江流域四季日照時數(shù)偏多年份發(fā)生了14次，偏少年份發(fā)生了12次. 具體來看，春季日照時數(shù)發(fā)生偏多情況最多（5次），集中出現(xiàn)在20世紀60年代初期和21世紀初期以后；夏季偏多年份最少（2 次），均出現(xiàn)在20 世紀70 年代以前；秋季日照時數(shù)偏多出現(xiàn)了4 次，冬季3 次偏多年份全部出現(xiàn)在20世紀60年代. 各季中，春季日照時數(shù)發(fā)生偏少年份最多（4次），夏、秋季均發(fā)生3 次偏少情形，主要集中在21世紀初期，冬季偏少出現(xiàn)2 次，為各季最少. 進一步統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，1958—2017年漢江流域四季日照時數(shù)共發(fā)生了32次異常，其中20世紀60年代發(fā)生次數(shù)最多（11次），占全部異常的34.38%，其次是21世紀初期的6次，占到全部異常的18.75%，20世紀80年代和2011—2017年各出現(xiàn)了5次、4次異常.

受1962年春、冬季和1966年夏季日照時數(shù)異常偏多的影響，年日照時數(shù)異常偏多年份集中出現(xiàn)在20世紀60年代，異常偏少年份在21世紀初期出現(xiàn)2次. 年日照時數(shù)特少情形出現(xiàn)在1989年，與夏、冬季日照時數(shù)異常特少疊加有關(guān)，致使年日照時數(shù)為漢江流域1958—2017年最低值，較歷年平均值偏少449.31 h. 值得注意的是，盡管四季日照時數(shù)均出現(xiàn)過特多情形，但受年內(nèi)其他季節(jié)日照時數(shù)消減的影響，年日照時數(shù)未出現(xiàn)特多情況.

表1 漢江流域年及四季日照時數(shù)異常特性分析Tab.1 Anomalous characteristics of annual and seasonal sunshine duration in the Hanjiang River Basin

2.2 日照時數(shù)空間變化特征

表2 漢江流域15氣象站年及季節(jié)日照時數(shù)的長期變化趨勢Tab.2 Long term tends of annual and seasonal sunshine duration at 15 weather stations in the Hanjiang River Basin 單位：h/10 a

從四季日照時數(shù)的空間分布看，流域內(nèi)春季日照時數(shù)為380～540 h，其等值線由下游地區(qū)逐漸向北部秦嶺地區(qū)遞增，呈較明顯的緯向地帶性規(guī)律. 夏季日照時數(shù)空間格局呈中間高、兩端低的形式，上游地區(qū)由西北向東南遞增，其中偏西北地區(qū)的日照時數(shù)為流域最少，僅為500～540 h，川陜交界處達到600～620 h；中游地區(qū)形成以老河口為中心的相對低值閉合中心；下游自西南向東北遞增，其中武漢北側(cè)的640 h 為流域最高. 秋季日照時數(shù)自西南向東北遞增，上游偏南地區(qū)即巴山北坡日照時數(shù)最低，僅為270～300 h，下游偏東北地區(qū)最高，達到450～480 h. 冬季日照時數(shù)呈“南低北高”，川陜秦嶺處日照時數(shù)最高，達到400～440 h. 總體上看，上游偏南地區(qū)即巴山北坡的春、秋、冬季形成日照時數(shù)低值區(qū)，中上游北部即秦嶺南坡的春、夏、冬季形成高值區(qū).

圖3 漢江流域年、季平均日照時數(shù)及其變率的空間格局Fig.3 Spatial pattern of annual and seasonal sunshine duration and their tendency rate in the Hanjiang River Basin

漢江流域四季日照時數(shù)以減少趨勢為主，整體上呈中間增加、兩端減少的空間形態(tài)，表現(xiàn)出高度一致性. 春、夏、秋、冬季日照均形成以中游鄖西地區(qū)為增加趨勢的閉合中心，且該地春季對年日照時數(shù)增加的貢獻量最大，其次為秋、冬季，夏季最低. 中下游地區(qū)的夏季日照時數(shù)的變率在-52.81～-43.11 h/10 a范圍之間，為各季降幅最高，對年日照時數(shù)減少的影響最為關(guān)鍵，其次為秋、冬季，春季最低. 四季中，上游西北地區(qū)冬季日照時數(shù)的減幅較大，夏、秋季其次，春季最小. 進一步統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)（表2），漢江流域春季有7個站日照呈增加趨勢，其中上游地區(qū)的西峽、鎮(zhèn)安、鄖西和房縣4個站增加顯著（p＜0.05），對春季日照微弱的增加作用明顯. 除夏、秋、冬季鄖西站和冬季鎮(zhèn)安站外，其余各站各季日照均表現(xiàn)出下降趨勢，其中夏季日照減少趨勢顯著（p＜0.05）的站點最多，達到12個，占全部下降站點的85.71%；其次是秋季9個、冬季8個，春季只有鐘祥站減少趨勢顯著（p＜0.05）.

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

利用線性方程擬合、異常特征分析等分析方法，全面研究了1958—2017年漢江流域日照時數(shù)的時空變化規(guī)律，得出如下結(jié)論：

1）1958—2017年漢江流域年均日照時數(shù)為1 824.96 h，冬季（350.09 h）＜秋季（401.12 h）＜春季（475.35 h）＜夏季（596.71 h）；除春季呈不顯著增加外，年、夏、秋、冬季日照時數(shù)顯著減少.

2）Mann-Kendall檢驗表明，全年、夏、秋、冬季皆顯著突變下降，而春季未發(fā)生突變，全年和夏季在1980年發(fā)生突變，秋、冬季分別在2006年和1972年發(fā)生突變.

3）異常特征分析顯示，春、秋、冬季日照多發(fā)生偏多情形，夏季則多發(fā)生偏少情形；20世紀60年代日照時數(shù)異常情形出現(xiàn)次數(shù)最多. 受夏、冬季日照時數(shù)異常特少疊加的影響，年日照時數(shù)1989年異常特少.

4）流域內(nèi)全年及四季日照時數(shù)空間差異明顯，年均日照時數(shù)由南向北遞增，春季由下游地區(qū)逐漸向北部秦嶺地區(qū)遞增，夏季呈中間高兩端低、秋季西南低東北高、冬季南低北高的空間格局.

5）流域多數(shù)站點全年及四季日照時數(shù)呈減少趨勢，呈中間增加、兩端減少的空間特征.

3.2 討論

研究表明，日照時數(shù)會隨著降水量的增加而減少［8］，降水增加會降低大氣的清潔能力，使能見度下降，太陽輻射減弱，致使日照時數(shù)減少［9，28］；相對濕度減少會降低氣溶膠顆粒濃度及其滯留時間，有利于日照時數(shù)的增加［29］；風速是空氣流動的重要參數(shù)之一，風速降低引起云層易集聚、污染物擴散慢、大氣透明度變低等現(xiàn)象，進而降低日照時數(shù)［11］；氣溫上升會使日照時數(shù)增加［15］，但也有學者指出氣溫的變化與日照時數(shù)的關(guān)系不大，甚至呈相反關(guān)系［7］. 需要指出的是，影響日照時數(shù)變化的因素是多方面的，且隨著階段、區(qū)域的不同，其影響因素也存在階段性和區(qū)域性. 在全球氣候變暖背景下，漢江流域氣候變化整體表現(xiàn)出暖干化，而相對濕度、風速均呈減少趨勢［20］，年日照時數(shù)的減少可能受流域風速降低的影響. 未來研究中，一方面需要獲取更多站點精細化的日照數(shù)據(jù)，以便能夠精確刻畫漢江流域日照時數(shù)的時空特征；一方面在獲取流域內(nèi)降水、風速、云量等氣象指標的基礎(chǔ)上，定量分析影響漢江流域日照時數(shù)減少的原因，還應(yīng)進一步考慮大氣污染特征、城市發(fā)展、地形等因素的影響.