论文部分内容阅读
摘要 利用梁山地区近50年日照时数实测资料,采用线性趋势分析、三本(Yamamoto)检验法,分析了梁山地区日照时数年际、季度和月的气候变化特征,并对影响日照时数的气候因子进行了分析。结果表明:1961—2010年期间,梁山地区日照时数呈显著减少的趋势,其中夏季、秋季和冬季的日照时数显著减少,春季日照时数变化不显著;1982年是梁山地区日照时数由正距平占优势转为负距平占优势的转折点,也是梁山地区日照时数突变转折点;风速和能见度与日照时数变化趋势呈正相关,水汽压与日照时数变化趋势呈负相关。
关键词 日照时数;趋势系数;突变检验;影响因素;山东梁山;1961—2010年
中图分类号 P412 文献标识码 A 文章编号 1007-5739(2016)19-0224-03
作为地球气候系统的主要能源,太阳辐射对地球可产生深远影响,如引起大气环流、导致气候变化等;同时也是供人类开发利用的可再生能源,对农作物生长发育具有无可替代的作用。日照时数作为重要的气象要素,可以表征太阳辐射的强弱程度,是太阳辐射最直观的表现。因此,日照时数的长短不仅对人类的日常生活产生直接影响,而且对农业、林业生产也产生直接影响。近年来,各地高度关注节能减排和风能、太阳能等新能源的开发利用,并提出了新的要求,以促进社会经济的可持续发展。为此,本着促进农业结构调整、合理布局农业生产、科学开发利用太阳能的目的,利用梁山气象站1961—2010年日照资料,对梁山地区日照时数的变化特征及影响因素进行分析。
1 资料与方法
1.1 研究资料
研究资料为整编历史资料,并且已经过初步质量控制,主要包括梁山地区气象局1961—2010年逐月日照时数、风速、能见度和水汽压。研究资料中四季是按照气象学方法划分,即春季为3—5月、夏季为6—8月、秋季为9—11月、冬季为12月至翌年2月。
1.2 研究方法
1.2.1 线性趋势分析。气象要素的变化趋势可以采用公式(1)进行预测分析[1]:
公式(1)中:ti为时间(1961—2010年),a1为线性趋势,Yi为气象要素,将a1×10定义为气象要素每10年的趋势系数,其中a1的最小二乘估计用公式(2)计算,ti与Yi之间的相关系数r用公式(3)计算,相关计算公式如下:
a1的符号决定日照时数是呈上升还是下降趋势,即趋势系数为正时日照时数呈上升趋势,趋势系数为负时日照时数呈下降趋势。同时,用相关系数r来判断趋势的显著性,一般超过α=0.05显著性水平则认为趋势显著。
1.2.2 三本(Yamamoto)检验法[1]。三本(Yamamoto)检验法[1]主要从2个部分讨论突变问题,即气候噪声和气候信息。对于时间序列x,具有n个样本量,可以人为设置某一时刻为基准点,基准点前后样本量分别为n1和n2的2段子序列,子序列x1和x2的均值分别为x1和x2,标准差分别为S1和S2,定义信噪度比为:
2 结果与分析
2.1 梁山地区日照时数的时间变化
2.1.1 日照时数的年际变化。梁山地区在1961—2010年期间,年日照时数最多为1965年的2 808.4 h,最少为2003年的1 934.6 h,多年平均值为2 372.4 h,最多和最少年日照时数相差873.8 h,占多年平均值的36.8%,由此可知梁山地区年日照时数变化振幅比较大。在1961—1981年间,梁山地区日照时数偏多,只有1961年、1964年这2年的年日照时数低于多年平均值,其余年份均接近或高于多年平均值。1980年以后,梁山地区日照时数开始大幅降低,1981—2010年这30年期间,除1986年、1997年这2年的日照时数略高于多年平均值外,其余年份均低于多年平均值(图1)。
从总体上进行分析发现,1961—2010年间,梁山地区日照时数变化趋势为显著减少,其趋势系数为-94.88 h/10年,日照时数相关系数r=0.649,表明在α=0.01水平上梁山地区日照时数的减少趋势是显著的(表1)。
2.1.2 日照时数的季节变化。1961—2010年梁山地区日照时数夏季、秋季、冬季3个季节均呈减少趋势,尤其以夏季减少趋势最为显著,只有春季增减趋势不明显。由表1可知,春季日照时数以-1.619 h/10年的趋势减少,但其下降趋势的相关系数未通过α=0.05的显著性检验,表明春季的减少趋势在统计上不显著;夏季、秋季、冬季日照时数分别以 -15.765、-6.382、-7.425 h/10年的趋势减少,并且下降趋势的相关系数都通过了α=0.01的显著性检验,表明夏季、秋季和冬季的下降趋势显著。减少量以夏季最多,春季最少,分别为-142.20、-0.52 h/10年,可以看出春季日照时数基本无变化,各季节日照时数的年际变化是以夏季和冬季变化幅度最大,其日照时数最多年份和最少年份分别相差126.3 h和125.7 h,春季、秋季分别相差123.3 h和92.3 h。
2.1.3 日照时数月变化。1961—2010年,除4月出现13.9 h/50年的增加外,其余各月日照时数均为减少,以8月共减少了75.9 h/50年最多,其次是7月共减少了69.3 h/50年,3月减少最缓,共减少了5.2 h/50年,其次是11月,共减少6.0 h/50年。各月日照时数的趋势系数和相关系数见表2。可以看出,4月日照时数以2.641 h/10年的趋势增加,3月、5月变化趋势为减少,但3月、4月、5月的日照时数增加和下降趋势的相关系数都未通过α=0.05的显著性检验,这也再次证明春季的减少趋势在统计上不显著。6月日照时数以16.8 h/10年的趋势减少,7月日照时数以15.4 h/10年的趋势减少,8月日照时数以18.1 h/10年的趋势减少,而且这3个月的日照时数下降趋势的相关系数均通过了α=0.01的显著性检验,表明夏季的下降趋势在统计上显著。9月、10月日照时数下降趋势的相关系数均通过了α=0.05的显著性检验,即这2个月的减少趋势在统计上为弱显著;11月日照时数变化趋势为减少,没有通过α=0.05的显著性检验。1月、2月、12月日照时数下降趋势的相关系数均通过了α=0.05的显著性检验,即这3个月的减少趋势在统计上为弱显著。 2.1.4 日照时数的突变分析。由图2可知,在1961—1982年,梁山地区日照时数累积距平曲线呈上升趋势,而在1983—2010年,则呈下降趋势。表明1961—1982年梁山地区年日照时数距平值增加,即这个时间段梁山地区日照时数处于偏多阶段;1983—2010年梁山地区年日照时数距平值减小,即1982年以后梁山地区日照时数处于偏少阶段,年日照时数以负距平占优势。梁山地区1961—2010年日照时数发生突变的时间可以根据该地区日照时数累积距平曲线进行诊断,根据研究资料诊断出的大致时间为1982年。因为1982年之前,累积距平曲线为上升,距平值以正距平占优势;而1982年之后,累积距平曲线为下降,距平值以负距平占优势。
为了检验转折是否达到气候突变的标准,用三本(Yamamoto)法检验[1],经计算1961—1982年梁山地区日照时数平均x1=2 557.8,标准差S1=145,1983—2010年日照时数平均x2=2 226.8,标准差S2=140。根据公式(4)计算,得知1982年梁山地区日照时数转折的信噪比为1.16,该年日照时数信噪比值大于1,可以认为1982年是气候突变年[1]。
2.2 影响梁山地区日照时数的主要气象因子
云量和大气透明度都是影响日照时数变化的重要因子,除此之外还有许多因子可以影响日照时数的变化。考虑到大气中的水汽含量以及大气气溶胶含量等因子可以对大气透明度产生影响[2],因此笔者选择分析风速对大气透明度的影响,分析能见度、水汽压(水汽含量)对日照时数的影响。
2.2.1 风速对能见度的影响。雾霾的形成原因主要是风速减少,不能吹散空气污染物,如大气中的水汽、气溶胶颗粒物、氧化合物、碳氢化合物、光化学烟雾等。这些污染物漂浮在空气中会给人类产生许多不利影响。首先这些污染物会对水平视程产生影响,使人类水平能见距离缩短;其次它们会影响地面的太阳辐射量,通过吸收和散射太阳辐射,使到达地面的太阳辐射量减少[3-4],从而缩短日照时数。由图3可知,梁山地区风速变化与年日照时数变化(图1)趋势相似,1982年以前以正距平为主,1982年以后均为负距平,但基本上呈逐渐减少趋势。
2.2.2 能见度对日照时数的影响。在全球气候变暖和工业化发展加速的大背景下,伴随着风速越来越低的趋势,水汽、浮尘颗粒、气溶胶颗粒等污染物在大气中呈现逐渐增多的趋势,这些因素使水平能见度也呈现减小的趋势,甚至还进一步影响到日照时数,导致其也呈现减少的趋势[5-7]。分析1961—1982年8:00大于10 km能见度的出现频次变化,得出能见度的变化趋势为:1982年以前以正距平为主,但基本上呈逐渐减少趋势,1982年以后均为负距平,与年日照时数变化相似。说明1982年以前梁山地区大气中的空气污染物呈现逐年逐多的趋势,导致水平能见度和日照时数也呈现逐渐减少的趋势;1982年以后梁山地区大气中的空气污染物继续增多,导致水平能见度和日照时数继续呈现减少的趋势。
2.2.3 水汽压(水汽含量)对日照时数的影响。大气中的水汽压可以影响大气的透明度,对梁山地区1961—1982年的水汽压资料进行分析,得出梁山地区水汽压的变化趋势为:1982年以前以负距平为主,1982年以后均为正距平,但基本上呈逐渐增加趋势,这一趋势与年日照时数变化趋势正好呈负相关。
3 结论
经过分析资料发现,1961—2010年梁山地区日照时数呈显著减少的趋势,按照季节划分,其中春季日照时数变化不显著,减少量最少,而夏季、秋季和冬季显著减少,尤以夏季减少量最多;按照月份划分,8月日照时数减少量最多,6月、7月、9月、10月、12月、1月、2月日照时数显著减少,3月、5月、11月减少不显著,只有4月略有增加(不显著)。根据梁山地区日照时数累积距平曲线诊断出1982年是日照时数减少突变的时间点,1982年以前累积距平曲线呈上升趋势,距平值在正距平范围内呈下降趋势;1982年以后累积距平曲线呈下降趋势,距平值在负距平范围内呈显著下降趋势。而且1982年是日照时数由正距平占优势转为负距平占优势的转折点,因此1982年是梁山地区日照时数突变转折点。
梁山地区日照时数的变化与许多气象因子有关,年日照时数与水汽压呈显著的负相关,与风速、能见度呈极显著正相关,各季日照时数与水汽压呈显著的负相关。梁山地区年日照时数的减少与年能见度的减少有正相关;夏季、秋季、冬季日照时数的显著减少主要是由水汽压增加和风速的减少造成的;梁山地区春季风速一年中最大,空气干燥,春季风速虽然也在减少,但平均风速为3.5 m/s,大气中水汽、浮尘颗粒、气溶胶颗粒等污染物依北风吹散,因此春季日照时数减少不显著。
在全球气候变暖和工业化发展加速的大背景下,伴随着风速越来越低的趋势,水汽、浮尘颗粒、气溶胶颗粒等污染物在大气中呈现逐渐增多的趋势,这些因素使水平能见度也呈现减小的趋势,甚至还进一步影响到日照时数,导致其也呈现减少的趋势[8]。分析发现,风速和8:00大于10 km能见度出现频次与年日照时数变化趋势相似,1982年以前以正距平为主,但均呈逐渐减小的趋势;1982以后以负距平为主,继续呈减小的趋势。
4 参考文献
[1] 魏凤英.现代气候统计诊断预测技术[M].2版.北京:气象出版社,2007.
[2] 李跃清.近40年青藏高原东侧地区云、日照、温度及日较差的分析[J].高原气象,2002,21(3):327-332.
[3] 王少彬,苏维翰.气溶胶污染对地面太阳紫外辐射的影响[J].环境科学学报,1993,13(4):498-502.
[4] 张武,张蕾,张婕,等.兰州城区太阳紫外辐射及其与空气污染的关系[J].兰州大学学报(自然科学版),2004,40(5):100-105.
[5] 范晓辉,郝智文,王孟本.山西省近50年日照时数时空变化特征研究[J].生态环境学报,2010(3):605-609.
[6] 虞海燕,刘树华,赵娜,等.我国近59年日照时数变化特征及其与温度、风速、降水的关系[J].气候与环境研究,2011(3):389-398.
[7] 陈少勇,张康林,邢晓宾,等.中国西北地区近47a日照时数的气候变化特征[J].自然资源学报,2010(7):1142-1152.
[8] 杜军,边多,胡军,等.西藏近35年日照时数的变化特征及其影响因素[J].地理学报,2007(5):492-500.
关键词 日照时数;趋势系数;突变检验;影响因素;山东梁山;1961—2010年
中图分类号 P412 文献标识码 A 文章编号 1007-5739(2016)19-0224-03
作为地球气候系统的主要能源,太阳辐射对地球可产生深远影响,如引起大气环流、导致气候变化等;同时也是供人类开发利用的可再生能源,对农作物生长发育具有无可替代的作用。日照时数作为重要的气象要素,可以表征太阳辐射的强弱程度,是太阳辐射最直观的表现。因此,日照时数的长短不仅对人类的日常生活产生直接影响,而且对农业、林业生产也产生直接影响。近年来,各地高度关注节能减排和风能、太阳能等新能源的开发利用,并提出了新的要求,以促进社会经济的可持续发展。为此,本着促进农业结构调整、合理布局农业生产、科学开发利用太阳能的目的,利用梁山气象站1961—2010年日照资料,对梁山地区日照时数的变化特征及影响因素进行分析。
1 资料与方法
1.1 研究资料
研究资料为整编历史资料,并且已经过初步质量控制,主要包括梁山地区气象局1961—2010年逐月日照时数、风速、能见度和水汽压。研究资料中四季是按照气象学方法划分,即春季为3—5月、夏季为6—8月、秋季为9—11月、冬季为12月至翌年2月。
1.2 研究方法
1.2.1 线性趋势分析。气象要素的变化趋势可以采用公式(1)进行预测分析[1]:
公式(1)中:ti为时间(1961—2010年),a1为线性趋势,Yi为气象要素,将a1×10定义为气象要素每10年的趋势系数,其中a1的最小二乘估计用公式(2)计算,ti与Yi之间的相关系数r用公式(3)计算,相关计算公式如下:
a1的符号决定日照时数是呈上升还是下降趋势,即趋势系数为正时日照时数呈上升趋势,趋势系数为负时日照时数呈下降趋势。同时,用相关系数r来判断趋势的显著性,一般超过α=0.05显著性水平则认为趋势显著。
1.2.2 三本(Yamamoto)检验法[1]。三本(Yamamoto)检验法[1]主要从2个部分讨论突变问题,即气候噪声和气候信息。对于时间序列x,具有n个样本量,可以人为设置某一时刻为基准点,基准点前后样本量分别为n1和n2的2段子序列,子序列x1和x2的均值分别为x1和x2,标准差分别为S1和S2,定义信噪度比为:
2 结果与分析
2.1 梁山地区日照时数的时间变化
2.1.1 日照时数的年际变化。梁山地区在1961—2010年期间,年日照时数最多为1965年的2 808.4 h,最少为2003年的1 934.6 h,多年平均值为2 372.4 h,最多和最少年日照时数相差873.8 h,占多年平均值的36.8%,由此可知梁山地区年日照时数变化振幅比较大。在1961—1981年间,梁山地区日照时数偏多,只有1961年、1964年这2年的年日照时数低于多年平均值,其余年份均接近或高于多年平均值。1980年以后,梁山地区日照时数开始大幅降低,1981—2010年这30年期间,除1986年、1997年这2年的日照时数略高于多年平均值外,其余年份均低于多年平均值(图1)。
从总体上进行分析发现,1961—2010年间,梁山地区日照时数变化趋势为显著减少,其趋势系数为-94.88 h/10年,日照时数相关系数r=0.649,表明在α=0.01水平上梁山地区日照时数的减少趋势是显著的(表1)。
2.1.2 日照时数的季节变化。1961—2010年梁山地区日照时数夏季、秋季、冬季3个季节均呈减少趋势,尤其以夏季减少趋势最为显著,只有春季增减趋势不明显。由表1可知,春季日照时数以-1.619 h/10年的趋势减少,但其下降趋势的相关系数未通过α=0.05的显著性检验,表明春季的减少趋势在统计上不显著;夏季、秋季、冬季日照时数分别以 -15.765、-6.382、-7.425 h/10年的趋势减少,并且下降趋势的相关系数都通过了α=0.01的显著性检验,表明夏季、秋季和冬季的下降趋势显著。减少量以夏季最多,春季最少,分别为-142.20、-0.52 h/10年,可以看出春季日照时数基本无变化,各季节日照时数的年际变化是以夏季和冬季变化幅度最大,其日照时数最多年份和最少年份分别相差126.3 h和125.7 h,春季、秋季分别相差123.3 h和92.3 h。
2.1.3 日照时数月变化。1961—2010年,除4月出现13.9 h/50年的增加外,其余各月日照时数均为减少,以8月共减少了75.9 h/50年最多,其次是7月共减少了69.3 h/50年,3月减少最缓,共减少了5.2 h/50年,其次是11月,共减少6.0 h/50年。各月日照时数的趋势系数和相关系数见表2。可以看出,4月日照时数以2.641 h/10年的趋势增加,3月、5月变化趋势为减少,但3月、4月、5月的日照时数增加和下降趋势的相关系数都未通过α=0.05的显著性检验,这也再次证明春季的减少趋势在统计上不显著。6月日照时数以16.8 h/10年的趋势减少,7月日照时数以15.4 h/10年的趋势减少,8月日照时数以18.1 h/10年的趋势减少,而且这3个月的日照时数下降趋势的相关系数均通过了α=0.01的显著性检验,表明夏季的下降趋势在统计上显著。9月、10月日照时数下降趋势的相关系数均通过了α=0.05的显著性检验,即这2个月的减少趋势在统计上为弱显著;11月日照时数变化趋势为减少,没有通过α=0.05的显著性检验。1月、2月、12月日照时数下降趋势的相关系数均通过了α=0.05的显著性检验,即这3个月的减少趋势在统计上为弱显著。 2.1.4 日照时数的突变分析。由图2可知,在1961—1982年,梁山地区日照时数累积距平曲线呈上升趋势,而在1983—2010年,则呈下降趋势。表明1961—1982年梁山地区年日照时数距平值增加,即这个时间段梁山地区日照时数处于偏多阶段;1983—2010年梁山地区年日照时数距平值减小,即1982年以后梁山地区日照时数处于偏少阶段,年日照时数以负距平占优势。梁山地区1961—2010年日照时数发生突变的时间可以根据该地区日照时数累积距平曲线进行诊断,根据研究资料诊断出的大致时间为1982年。因为1982年之前,累积距平曲线为上升,距平值以正距平占优势;而1982年之后,累积距平曲线为下降,距平值以负距平占优势。
为了检验转折是否达到气候突变的标准,用三本(Yamamoto)法检验[1],经计算1961—1982年梁山地区日照时数平均x1=2 557.8,标准差S1=145,1983—2010年日照时数平均x2=2 226.8,标准差S2=140。根据公式(4)计算,得知1982年梁山地区日照时数转折的信噪比为1.16,该年日照时数信噪比值大于1,可以认为1982年是气候突变年[1]。
2.2 影响梁山地区日照时数的主要气象因子
云量和大气透明度都是影响日照时数变化的重要因子,除此之外还有许多因子可以影响日照时数的变化。考虑到大气中的水汽含量以及大气气溶胶含量等因子可以对大气透明度产生影响[2],因此笔者选择分析风速对大气透明度的影响,分析能见度、水汽压(水汽含量)对日照时数的影响。
2.2.1 风速对能见度的影响。雾霾的形成原因主要是风速减少,不能吹散空气污染物,如大气中的水汽、气溶胶颗粒物、氧化合物、碳氢化合物、光化学烟雾等。这些污染物漂浮在空气中会给人类产生许多不利影响。首先这些污染物会对水平视程产生影响,使人类水平能见距离缩短;其次它们会影响地面的太阳辐射量,通过吸收和散射太阳辐射,使到达地面的太阳辐射量减少[3-4],从而缩短日照时数。由图3可知,梁山地区风速变化与年日照时数变化(图1)趋势相似,1982年以前以正距平为主,1982年以后均为负距平,但基本上呈逐渐减少趋势。
2.2.2 能见度对日照时数的影响。在全球气候变暖和工业化发展加速的大背景下,伴随着风速越来越低的趋势,水汽、浮尘颗粒、气溶胶颗粒等污染物在大气中呈现逐渐增多的趋势,这些因素使水平能见度也呈现减小的趋势,甚至还进一步影响到日照时数,导致其也呈现减少的趋势[5-7]。分析1961—1982年8:00大于10 km能见度的出现频次变化,得出能见度的变化趋势为:1982年以前以正距平为主,但基本上呈逐渐减少趋势,1982年以后均为负距平,与年日照时数变化相似。说明1982年以前梁山地区大气中的空气污染物呈现逐年逐多的趋势,导致水平能见度和日照时数也呈现逐渐减少的趋势;1982年以后梁山地区大气中的空气污染物继续增多,导致水平能见度和日照时数继续呈现减少的趋势。
2.2.3 水汽压(水汽含量)对日照时数的影响。大气中的水汽压可以影响大气的透明度,对梁山地区1961—1982年的水汽压资料进行分析,得出梁山地区水汽压的变化趋势为:1982年以前以负距平为主,1982年以后均为正距平,但基本上呈逐渐增加趋势,这一趋势与年日照时数变化趋势正好呈负相关。
3 结论
经过分析资料发现,1961—2010年梁山地区日照时数呈显著减少的趋势,按照季节划分,其中春季日照时数变化不显著,减少量最少,而夏季、秋季和冬季显著减少,尤以夏季减少量最多;按照月份划分,8月日照时数减少量最多,6月、7月、9月、10月、12月、1月、2月日照时数显著减少,3月、5月、11月减少不显著,只有4月略有增加(不显著)。根据梁山地区日照时数累积距平曲线诊断出1982年是日照时数减少突变的时间点,1982年以前累积距平曲线呈上升趋势,距平值在正距平范围内呈下降趋势;1982年以后累积距平曲线呈下降趋势,距平值在负距平范围内呈显著下降趋势。而且1982年是日照时数由正距平占优势转为负距平占优势的转折点,因此1982年是梁山地区日照时数突变转折点。
梁山地区日照时数的变化与许多气象因子有关,年日照时数与水汽压呈显著的负相关,与风速、能见度呈极显著正相关,各季日照时数与水汽压呈显著的负相关。梁山地区年日照时数的减少与年能见度的减少有正相关;夏季、秋季、冬季日照时数的显著减少主要是由水汽压增加和风速的减少造成的;梁山地区春季风速一年中最大,空气干燥,春季风速虽然也在减少,但平均风速为3.5 m/s,大气中水汽、浮尘颗粒、气溶胶颗粒等污染物依北风吹散,因此春季日照时数减少不显著。
在全球气候变暖和工业化发展加速的大背景下,伴随着风速越来越低的趋势,水汽、浮尘颗粒、气溶胶颗粒等污染物在大气中呈现逐渐增多的趋势,这些因素使水平能见度也呈现减小的趋势,甚至还进一步影响到日照时数,导致其也呈现减少的趋势[8]。分析发现,风速和8:00大于10 km能见度出现频次与年日照时数变化趋势相似,1982年以前以正距平为主,但均呈逐渐减小的趋势;1982以后以负距平为主,继续呈减小的趋势。
4 参考文献
[1] 魏凤英.现代气候统计诊断预测技术[M].2版.北京:气象出版社,2007.
[2] 李跃清.近40年青藏高原东侧地区云、日照、温度及日较差的分析[J].高原气象,2002,21(3):327-332.
[3] 王少彬,苏维翰.气溶胶污染对地面太阳紫外辐射的影响[J].环境科学学报,1993,13(4):498-502.
[4] 张武,张蕾,张婕,等.兰州城区太阳紫外辐射及其与空气污染的关系[J].兰州大学学报(自然科学版),2004,40(5):100-105.
[5] 范晓辉,郝智文,王孟本.山西省近50年日照时数时空变化特征研究[J].生态环境学报,2010(3):605-609.
[6] 虞海燕,刘树华,赵娜,等.我国近59年日照时数变化特征及其与温度、风速、降水的关系[J].气候与环境研究,2011(3):389-398.
[7] 陈少勇,张康林,邢晓宾,等.中国西北地区近47a日照时数的气候变化特征[J].自然资源学报,2010(7):1142-1152.
[8] 杜军,边多,胡军,等.西藏近35年日照时数的变化特征及其影响因素[J].地理学报,2007(5):492-500.