荊門市近60年日照時(shí)數(shù)變化特征及其影響因素

梁濤 何盛浩 王佳麗 王露 楊津

（湖北省荊門市氣象局，荊門 448000）

0 引言

關(guān)于氣候變化及其影響的研究，大部分學(xué)者主要從氣溫和降水兩方面來(lái)探討氣候變化趨勢(shì)以及全球氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)系統(tǒng)影響等方面的影響[1-4]。日照也是影響氣候變化的主要?dú)庀笠刂?。日照時(shí)數(shù)是指太陽(yáng)每天在垂直于其光線的平面上的輻射強(qiáng)度超過(guò)或等于120 W/m2的時(shí)間長(zhǎng)度，是表示太陽(yáng)輻射強(qiáng)弱的氣象要素之一。

日照時(shí)間的長(zhǎng)短不僅直接影響著農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)，而且對(duì)人類的日常生活有重要的影響，因而也有部分學(xué)者對(duì)日照時(shí)數(shù)的時(shí)空分布特征及其主要影響因子開(kāi)展了研究。靳利梅等[5]基于上海地區(qū)11個(gè)氣象站的氣象資料，對(duì)影響日照時(shí)數(shù)的氣候因子進(jìn)行了分析，結(jié)果表明上海年日照時(shí)數(shù)與降水量和降水日數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，年日照時(shí)數(shù)的減少與年降水量的增加有關(guān)。周曉宇等[6]根據(jù)1961—2009年?yáng)|北地區(qū)104個(gè)氣象站日照時(shí)數(shù)、氣溫、降水、風(fēng)速和相對(duì)濕度資料，研究了東北地區(qū)日照時(shí)數(shù)月、季、年的時(shí)空變化特征，結(jié)果表明東北地區(qū)年日照時(shí)數(shù)呈顯著減少趨勢(shì)，平均每10 a減少40.5 h。郭曉寧等[7]利用柴達(dá)木盆地格爾木站及周邊9個(gè)氣象站近60 a的資料，對(duì)格爾木日照時(shí)數(shù)的氣候變化特征進(jìn)行了綜合分析，結(jié)果表明近60 a來(lái)格爾木日照時(shí)數(shù)變化呈下降趨勢(shì)，大氣環(huán)流、氣溫、總云量、低云量、相對(duì)濕度等因素是格爾木及周邊地區(qū)日照時(shí)數(shù)變化的主要影響因子。

荊門市地處江漢平原北部，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，日照時(shí)數(shù)年際差異大，年日照時(shí)數(shù)最大值與最小值相差560.6 h，近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人類活動(dòng)的加劇，日照時(shí)數(shù)的減少趨勢(shì)非常明顯，對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。研究日照時(shí)數(shù)的氣候特征、變化趨勢(shì)和影響因素，對(duì)于合理安排農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等有著非常重要的作用。

1 資料和方法

1.1 資料

采用荊門、鐘祥、京山三站逐月日照時(shí)數(shù)、總云量、低云量、水汽壓、相對(duì)濕度、地面能見(jiàn)度資料。日照時(shí)數(shù)采用暗筒式日照計(jì)進(jìn)行觀測(cè)，總云量、低云量、能見(jiàn)度采用人工觀測(cè)，相對(duì)濕度采用毛發(fā)濕度計(jì)觀測(cè)。由于1980年地面氣象觀測(cè)規(guī)范變更對(duì)能見(jiàn)度資料有較大的影響，為保證資料連續(xù)性，能見(jiàn)度資料選取1980—2017年，其余要素為1961—2017年的資料。文中四季按照氣象學(xué)方法劃分，即前一年12月—當(dāng)年2月為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季。多年平均值采用最近30年（即1981—2010年）平均值。

1.2 氣候傾向率和變異系數(shù)

采用線性趨勢(shì)分析來(lái)估算氣象要素的氣候變化趨勢(shì)。利用變異系數(shù)來(lái)分析荊門市不同站點(diǎn)年和四季日照時(shí)數(shù)的穩(wěn)定性，變異系數(shù)CV=σ/μ（σ為標(biāo)準(zhǔn)差，μ為平均值）。

1.3 異常年份分析

世界氣象組織對(duì)天氣、氣候異常，提出了兩種定量的判斷標(biāo)準(zhǔn)[8]：一是距平值達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)差（又稱均方差）2倍以上（不管近年是否出現(xiàn)過(guò)）；二是在最近完整的30年氣象資料中未出現(xiàn)過(guò)的情況（不一定距平值超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差的2倍），或稱30年以上一遇的罕見(jiàn)天氣現(xiàn)象。本文采用距平值大于標(biāo)準(zhǔn)差的2倍作為異常來(lái)分析荊門市日照異常特征。

2 日照時(shí)數(shù)變化特征

2.1 日照時(shí)數(shù)的基本特征

表1 給出荊門市各站四季和年日照時(shí)數(shù)的平均值。1961—2017年荊門市三站的年日照時(shí)數(shù)大致在1300～2300 h，從空間分布看，總體上呈東多西少分布規(guī)律，東部京山最多，年平均日照時(shí)數(shù)在1937.2 h，西部荊門最少，年平均日照時(shí)數(shù)為1793.1 h。三站平均年日照時(shí)數(shù)為1870.0 h，其中冬季為344.9 h，占全年的18.4%；春季為458.1 h，占全年的24.6%；夏季為612.5 h，占全年的32.8%；秋季為450.2 h，占全年的24.2%。夏季最多，冬季最少，兩季日照時(shí)數(shù)相差近一倍，從一個(gè)側(cè)面顯示出荊門市四季氣候差異明顯。

表1 荊門市各站四季和年平均日照時(shí)數(shù)（單位：h） Table 1 The interdecadal average of sunshine duration in spring, summer, autumn, winter and annual values of three station in Jingmen municipality (unit: h)

2.2 日照時(shí)數(shù)的年（代）際變化趨勢(shì)

分析荊門、鐘祥、京山年、季日照時(shí)數(shù)變化趨勢(shì)，圖1給出了荊門市各站日照時(shí)數(shù)的年際變化曲線，由圖1和表2可以看出：荊門、鐘祥兩站的年日照時(shí)數(shù)呈顯著下降趨勢(shì)（P＜0.01），其下降的氣候傾向率為104.3～108.0 h/10 a，20世紀(jì)60年代和70年代日照時(shí)數(shù)基本上都在平均值以上波動(dòng)（正距平），其中60年代偏多趨勢(shì)最為明顯，80年代為過(guò)渡時(shí)期，90年代以后日照時(shí)數(shù)減少的趨勢(shì)非常明顯，基本上在平均值以下波動(dòng)。京山日照時(shí)數(shù)呈不顯著的下降趨勢(shì)（P＞0.05），下降的氣候傾向率為35.0 h/10 a，下降幅度明顯小于荊門、鐘祥兩站。

從近60年四季日照時(shí)數(shù)的變化趨勢(shì)（表2）來(lái)看，春季荊門為顯著減少趨勢(shì)（P＜0.01），鐘祥為不顯著的減少趨勢(shì)（P＞0.05），京山為不顯著的增加趨勢(shì)（P＞0.05）；夏季日照時(shí)數(shù)各站均表現(xiàn)為顯著減少趨勢(shì)（P＜0.01）。在減少速率上，荊門與鐘祥基本相當(dāng)，減少速率約為全年的一半，京山的減少速率明顯小于上述兩站，可見(jiàn)年日照時(shí)數(shù)的減少主要是由于夏季日照時(shí)數(shù)的減少；秋季日照時(shí)數(shù)荊門和鐘祥兩站表現(xiàn)為顯著的減少趨勢(shì)（P＜0.01），京山表現(xiàn)為不顯著的下降趨勢(shì)（P＞0.05）；冬季日照時(shí)數(shù)荊門和鐘祥為顯著的減少趨勢(shì)（P＜0.01），京山為不顯著的減少趨勢(shì)（P＞0.05）。

圖1 荊門市各站1961—2010年年日照時(shí)數(shù)及變化趨勢(shì)（紅線為近30年平均值） Fig. 1 Annual sunshine duration of three stations in Jingmen municipality from 1961 to 2010 (The red line was the average in recent 30 years)

表2 荊門市各站四季和年日照時(shí)數(shù)變化率（單位：h/10 a） Table 2 The changing rate in sunshine duration for spring, summer, autumn, winter and whole year at three stations in Jingmen municipality (unit: h/10 a)

綜上所述，近60年荊門、鐘祥兩站年和季日照時(shí)數(shù)均為顯著的減少趨勢(shì)，其中四季減少速率最大的是日照時(shí)數(shù)，夏季減少最多，秋、冬季次之，春季最小。京山站只有夏季減少趨勢(shì)顯著，減少速率明顯小于荊門、鐘祥兩站，秋冬兩季為不顯著的減少趨勢(shì)，春季為不顯著的增加趨勢(shì)。

2.3 日照時(shí)數(shù)的穩(wěn)定性分析

表3給出了全市年季日照時(shí)數(shù)的變異系數(shù)，從地域分布來(lái)看，荊門站、鐘祥站的變異系數(shù)明顯大于京山站，說(shuō)明京山站年、季日照時(shí)數(shù)的穩(wěn)定性大于荊門、鐘祥兩站；從季節(jié)分布來(lái)看，冬季變異系數(shù)最大，夏季其次，秋季再次，春季最小，表明春季日照時(shí)數(shù)穩(wěn)定性最大，秋季次之，冬、夏兩季穩(wěn)定性最小。

表3 荊門站年/季日照時(shí)數(shù)的變異系數(shù)（單位：%） Table 3 The coefficient of variation of sunshine duration in spring, summer, autumn, winter and whole year at three stations in Jingmen municipality (unit：%)

2.4 日照時(shí)數(shù)的異常分析

就荊門市全市來(lái)看（表4），春季日照時(shí)數(shù)荊門站異常偏多出現(xiàn)過(guò)3次，異常偏少出現(xiàn)過(guò)1次，鐘祥站異常偏多和異常偏少各出現(xiàn)過(guò)2次，京山站異常偏多和異常偏少各出現(xiàn)過(guò)1次；夏季日照時(shí)數(shù)以異常偏多為主，荊門站異常偏多出現(xiàn)過(guò)4次，鐘祥站異常偏多出現(xiàn)過(guò)3次，京山站異常偏多出現(xiàn)過(guò)3次，異常偏少出現(xiàn)過(guò)1次；秋季日照時(shí)數(shù)荊門站異常偏多出現(xiàn)過(guò)2次，鐘祥站異常偏多出現(xiàn)過(guò)2次，異常偏少出現(xiàn)過(guò)1次，京山站異常偏多和異常偏少各出現(xiàn)過(guò)1次；冬季日照時(shí)數(shù)荊門站和鐘祥站異常偏多各出現(xiàn)過(guò)2次和1次，京山站異常偏多和異常偏少各出現(xiàn)過(guò)1次。日照時(shí)數(shù)異常在四季之中均有可能發(fā)生，異常偏多比異常偏少出現(xiàn)頻率更高。

年日照時(shí)數(shù)以異常偏多為主，荊門站異常偏多出現(xiàn)過(guò)5次，鐘祥站異常偏多出現(xiàn)過(guò)4次，荊門站和鐘祥站異常偏多主要集中在20世紀(jì)60年代。京山站異常偏多和異常偏少各出現(xiàn)過(guò)1次。

表4 近60年荊門市年、季日照時(shí)數(shù)異常年份 Table 4 The abnormal years of sunshine duration in spring, summer, autumn, winter and whole year at three stations in Jingmen municipality in recent 60 years

3 影響日照時(shí)數(shù)的主要?dú)庀笠蜃?/h2>

3.1 日照時(shí)數(shù)與影響因子的相關(guān)性

影響日照時(shí)數(shù)的因子較多，云量是影響日照時(shí)數(shù)最主要的因子。大氣透明度對(duì)日照時(shí)數(shù)也有很大的影響。大氣透明度是表征太陽(yáng)輻射透過(guò)大氣程度的參數(shù)，其受水汽含量和大氣氣溶膠含量等因子影響。能見(jiàn)度是反映大氣透明度的一個(gè)指標(biāo)，在其他因素不變的條件下，能見(jiàn)度與大氣氣溶膠質(zhì)量密度成反相關(guān)，因此，能見(jiàn)度可以在很大程度上反映大氣氣溶膠含量[9-11]。本文選取云量（總云量、低云量）、水汽壓（水汽含量）、相對(duì)濕度和能見(jiàn)度等氣象要素分析影響荊門市日照時(shí)數(shù)的主要?dú)庀笠蜃印?/p>

從荊門站年、季日照時(shí)數(shù)與云量、水汽壓、相對(duì)濕度和能見(jiàn)度的線性相關(guān)系數(shù)來(lái)看（表5），年、季日照時(shí)數(shù)與總云量呈顯著的負(fù)相關(guān)，尤其在秋、冬兩季。年日照時(shí)數(shù)與低云量呈顯著的負(fù)相關(guān)，四季日照時(shí)數(shù)與低云量呈不顯著的負(fù)相關(guān)。四季和年日照時(shí)數(shù)與總云量的相關(guān)性均優(yōu)于同時(shí)期與低云量的相關(guān)性。夏、冬兩季日照時(shí)數(shù)與水汽壓呈顯著的負(fù)相關(guān)，而春季、秋季和年呈不顯著的負(fù)相關(guān)。春、夏、秋、冬四季日照時(shí)數(shù)與相對(duì)濕度呈顯著的負(fù)相關(guān)，全年呈不顯著的負(fù)相關(guān)。日照時(shí)數(shù)與能見(jiàn)度在全年和春、夏、冬三季呈顯著正相關(guān)，秋季雖然相關(guān)性不顯著，但相關(guān)系數(shù)較大。

表5 荊門站年、季日照時(shí)數(shù)與影響因子的相關(guān)系數(shù) Table 5 The correlation coefficient between sunshine duration and influencing factors at Jingmen station

對(duì)比鐘祥、京山兩站日照時(shí)數(shù)與云量、水汽壓、相對(duì)濕度和能見(jiàn)度等影響因子的相關(guān)系數(shù)與荊門站的相關(guān)性可以看出，鐘祥、京山兩站的相關(guān)系數(shù)與荊門站的相關(guān)系數(shù)非常相似。

3.2 日照時(shí)數(shù)減少的主要原因

通過(guò)對(duì)日照時(shí)數(shù)與總云量、低云量、水汽壓、相對(duì)濕度和能見(jiàn)度的相關(guān)性以及上述影響因子的變化趨勢(shì)的分析可以看出（表5—10），荊門站年日照時(shí)數(shù)與水汽壓和相對(duì)濕度呈不顯著的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)小，其影響較小，不可能是導(dǎo)致日照時(shí)數(shù)減少的主要原因，因此主要考慮總云量、低云量和能見(jiàn)度對(duì)年日照時(shí)數(shù)的影響。荊門站年日照時(shí)數(shù)與總云量和低云量呈顯著的負(fù)相關(guān)，與能見(jiàn)度呈顯著的正相關(guān)，也就是總云量、低云量增加，能見(jiàn)度降低，將導(dǎo)致日照時(shí)數(shù)減少。從表7可以看出荊門站年總云量基本持平，低云量和能見(jiàn)度均呈顯著減少（下降）趨勢(shì)，因此荊門站年日照時(shí)數(shù)減少主要與能見(jiàn)度下降有關(guān)。

同理可得出，鐘祥站、京山站年日照時(shí)數(shù)減少也主要與能見(jiàn)度下降有關(guān)，春季日照時(shí)數(shù)減少荊門站、鐘祥站、京山站主要與能見(jiàn)度下降有關(guān)；夏季日照時(shí)數(shù)減少荊門站主要和總云量增加、相對(duì)濕度增加以及能見(jiàn)度下降有關(guān)，鐘祥站和京山站主要和能見(jiàn)度下降有關(guān)；秋季日照時(shí)數(shù)減少荊門站、鐘祥站和京山站主要與能見(jiàn)度下降和水汽壓增加有關(guān)；冬季日照時(shí)數(shù)減少荊門站、鐘祥站和京山站主要與總云量增加、能見(jiàn)度下降和水汽壓增加有關(guān)。

表6 鐘祥站年、季日照時(shí)數(shù)與影響因子的相關(guān)系數(shù) Table 6 The correlation coefficient between sunshine duration and influencing factors at Zhongxiang station

表8 荊門站年/季總云量、低云量、水汽壓、相對(duì)濕度、能見(jiàn)度（單位：總云量、低云量（成/10 a），水汽壓（hPa/10 a），相對(duì)濕度（%/10 a），能見(jiàn)度（km/10 a），下同）趨勢(shì)系數(shù)及顯著性 Table 8 The trend coefficient and significant level of total cloud amount, low-level cloud amount, vapor pressure, relative humidity, and visibility at Jingmen station

表9 鐘祥站年/季總云量、低云量、水汽壓、相對(duì)濕度、能見(jiàn)度趨勢(shì)系數(shù)及顯著性 Table 9 The trend coefficient and significant level of total cloud amount, low-level cloud amount, vapor pressure, relative humidity, and visibility at Zhongxiang station

表10 京山站年/季總云量、低云量、水汽壓、相對(duì)濕度、能見(jiàn)度趨勢(shì)系數(shù)及顯著性 Table 10 The trend coefficient and significant level of total cloud amount, low-level cloud amount, vapor pressure, relative humidity, and visibility at Jingshan station

綜上所述，年日照時(shí)數(shù)主要與能見(jiàn)度下降有關(guān)，四季日照時(shí)數(shù)減少均與能見(jiàn)度下降有較大關(guān)系，另外，總云量、相對(duì)濕度和水汽壓增加也是個(gè)別季節(jié)、個(gè)別站點(diǎn)日照時(shí)數(shù)減少的影響因素。由此可見(jiàn)，能見(jiàn)度顯著下降是造成年/季日照時(shí)數(shù)減少的最主要的原因。

4 結(jié)論與討論

1）荊門市年日照時(shí)數(shù)大致在1300～2300 h，總體上呈東多西少分布規(guī)律，三站平均年日照時(shí)數(shù)為1870.0 h，夏季最多，冬季最少，兩季日照時(shí)數(shù)相差近一倍。

2）年日照時(shí)數(shù)荊門、鐘祥減少趨勢(shì)顯著，減少速率為104.3～108.0 h/10 a，20世紀(jì)60年代和70年代以偏多為主，80年代為過(guò)渡時(shí)期，90年代以后日照時(shí)數(shù)減少的趨勢(shì)非常明顯。京山日照時(shí)數(shù)變化呈不顯著的減少趨勢(shì)，減少速率為35.0 h/10 a。

3）近60年荊門、鐘祥兩站四季日照時(shí)數(shù)均為顯著的減少趨勢(shì)，其中減少速率最大的是日照時(shí)數(shù)最多的夏季，秋、冬季次之，春季最小。京山站夏季為顯著的減少趨勢(shì)，秋冬兩季為不顯著的減少趨勢(shì)，春季為不顯著的增加趨勢(shì)。

4）京山站年、季日照時(shí)數(shù)的穩(wěn)定性均大于荊門、鐘祥兩站；春季日照時(shí)數(shù)穩(wěn)定性最大，秋季次之，冬、夏兩季穩(wěn)定性最小。

5）年日照時(shí)數(shù)異常出現(xiàn)過(guò)11站次，分別是2009年荊門站、2003年鐘祥站、1989年京山站，都是異常偏少；季日照時(shí)數(shù)異常出現(xiàn)過(guò)33站次，以異常偏多為主。

6）能見(jiàn)度顯著下降是造成年/季日照時(shí)數(shù)減少的最主要的原因；總云量、相對(duì)濕度和水汽壓增加也是個(gè)別季節(jié)、個(gè)別站點(diǎn)日照時(shí)數(shù)減少的原因。

7）京山站年/季日照時(shí)數(shù)下降趨勢(shì)明顯小于荊門站和鐘祥站的原因，主要是由于京山站能見(jiàn)度下降趨勢(shì)明顯小于荊門、鐘祥兩站，這可能與京山縣低山、丘陵較多植被較好，以及大力發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式對(duì)環(huán)境的破壞較小有關(guān)。