1970—2020 年昌吉地區(qū)日照時數(shù)時空變化特征分析

葉爾克江·霍依哈孜，黃 健，王 森，阿帕爾·肉孜*

（1.昌吉州氣象局，新疆 昌吉 831100；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002；3.新疆農(nóng)業(yè)氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002）

近些年來，氣候變化越來越受人類的重視，同時區(qū)域性氣候已引起人們普遍關(guān)注[1]。 據(jù)科學(xué)研究表明，平均地表溫度一直在增高，近50 a 來平均地表氣溫增幅約為1.1 ℃，每10 a 增溫速率約為0.22 ℃，21 世紀(jì)以來增溫趨勢更加明顯[2]。氣候變暖背景下，風(fēng)速、氣溫、降水、光照等氣象要素都有不同程度的變化[3]。 日照時數(shù)是太陽直射光線照射地面的時間，是太陽輻射變化的直接反映， 日照時數(shù)的長短與大氣熱力狀況、 動植物生長發(fā)育、 農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)，是植物光合作用必不可少的條件，是重要的農(nóng)業(yè)氣候資源，也是影響氣候變化的主要要素之一[4-5]。隨著氣候的變暖、 城市的發(fā)展和人為污染物排放的加劇，各地日照時間的長短發(fā)生了巨大的變化。日照時數(shù)時空變化研究對氣候資源開發(fā)利用、 農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)合理布局具有重要意義[6-7]。 眾多學(xué)者對各地區(qū)日照時數(shù)的變化進(jìn)行了研究。 李慧群等[8]指出中國絕大部分地區(qū)近50 a 來日照時數(shù)總量呈減少的趨勢，黃小燕等[9]研究表明中國西北地區(qū)大部分地區(qū)日照時數(shù)呈明顯的減少趨勢，苗運玲[10]、楊艷玲等[11]研究了新疆哈密地區(qū)，劉強(qiáng)吉等[12]研究了新疆巴州地區(qū)，禹樸家等[13]研究新疆天山北坡，鄭玉萍等[14]研究烏魯木齊市北部農(nóng)區(qū)，趙勇等[15]研究新疆天山地區(qū)日照時數(shù)的氣候特征， 結(jié)果顯示日照時數(shù)均呈減少趨勢。 昌吉地區(qū)是新疆主要的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)地，也是太陽能豐富的地區(qū)，研究其日照時數(shù)的變化對指導(dǎo)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。目前，昌吉地區(qū)日照時數(shù)變化趨勢和規(guī)律及其影響因子的研究較少，因此，本文選取1970—2020 年昌吉地區(qū)10 個氣象站逐月日照時數(shù)資料，對昌吉地區(qū)近51 a 日照時數(shù)時空變化及其影響因素進(jìn)行分析。

1 研究區(qū)氣候特征及研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

新疆昌吉回族自治州地處天山北麓、 準(zhǔn)噶爾盆地東南緣，43°20′～45°00′N，85°17′～91°32′E。地勢南高北低，由東南向西北傾斜，南部是天山山地，中部為廣袤的沖積平原，北部為浩瀚的沙漠盆地。昌吉回族自治州轄有5 縣2 市（圖1）。 昌吉位于歐亞大陸腹地、四周環(huán)山的盆地中，降水少，干燥度大，蒸發(fā)強(qiáng)烈，氣溫變化劇烈，為典型的大陸性干旱氣候。 具有冬季寒冷漫長，夏季炎熱，光照充足，熱量豐富，氣溫年較差、日較差大，春、秋季氣溫變化劇烈，春、夏季多風(fēng)的氣候特點。 各地常年平均氣溫在2.3～8.0 ℃，無霜期為145～172 d，≥0 ℃的活動積溫為2 446.3～4 161.8 ℃，≥10 ℃的活動積溫為1 849.6～3 671.8 ℃，年降水量為153.8～343.5 mm，年蒸發(fā)量為1 606.8～2 163.3 mm，年日照時數(shù)為2 701.8～3 075.8 h，年平均大風(fēng)日數(shù)為4～22 d。

圖1 研究區(qū)域地形

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)與分析方法

選用1970—2020 年新疆昌吉回族自治州（下稱昌吉地區(qū)）各縣市10 個國家氣象觀測站的日照時數(shù)觀測資料； 同時參照地貌和氣候特點將昌吉地區(qū)劃分為西部、中部、東部和山區(qū)4 個區(qū)域，其中，瑪納斯縣和呼圖壁縣氣象站代表西部，昌吉市、蔡家湖和阜康市氣象站代表中部，吉木薩爾縣、奇臺縣和木壘縣氣象站代表東部，天池和北塔山氣象站代表山區(qū)。季節(jié)的劃分根據(jù)北半球典型的劃分方法，3—5 月為春季，6—8 月為夏季，9—11 月為秋季，12 月—次年2月為冬季。

本文采用反距離加權(quán)（IDW）插值法、突變檢驗、氣候傾向率和趨勢變化等分析昌吉地區(qū)日照時數(shù)空間分布和趨勢變化特征， 運用Pearson 相關(guān)性分析昌吉地區(qū)10 個氣象站近51 a 總云量、揚沙日數(shù)、水汽壓、 大風(fēng)日數(shù)和霧日數(shù)等5 個氣象因子與日照時數(shù)的相關(guān)性。

1.2.2 氣候傾向率

氣候傾向率可以用來顯示氣候要素隨時間的變化趨勢[16]，用yi表示樣本量為n 某一氣候變量，用表示xi所對應(yīng)的時間序列，建立yi與xi之間的一元線性回歸方程[17-21]：

式中，i 為年序列，a 為回歸系數(shù)（線性方程的斜率），也就是氣候要素的線性變化趨勢和速率， 也稱為傾向率。a＞0 表示氣候要素隨時間x 的增加氣候變量y呈增加趨勢；若a＜0，則說明隨時間x 的增加y 呈下降趨勢。b 為常數(shù)，可通過最小二乘法求取[16-21]。本文運用趨勢分析法探究近51 a 昌吉地區(qū)日照趨勢變化，采用一元線性回歸進(jìn)行氣候趨勢傾向估計。

1.2.3 突變檢驗

借助Matlab R 2018b 和Origin 2018 等軟件，主要從最常見的Mann-Kendall（簡稱M-K）檢驗[16-22]著手， 再考慮日照時數(shù)演變趨勢和累積距平值的變化情況， 進(jìn)一步檢驗昌吉地區(qū)日照變化趨勢和突變特征。

1.2.4 反距離權(quán)重插值方法

運用ArcGIS10.7 中的反距離權(quán)重插值IDW（Inverse Distance Weighted）方法將昌吉地區(qū)日照數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，得到相應(yīng)的空間分布。 IDW 是一種常用而簡便的空間插值方法， 它以插值點與樣本點間的距離為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均， 是基于相近相似的原理，每個采樣點都對插值點有一定的影響，即權(quán)重。 權(quán)重隨著采樣點和插值點之前距離的增加而減小，離插值點越近的樣本點賦予的權(quán)重越大，而且當(dāng)采樣點在距離插值點一定范圍以外時， 權(quán)重可以忽略不計[23-24]。 IDW 通過對鄰近區(qū)域的每個采樣點值平均運算獲得內(nèi)插單元值。 IDW 是一個均分過程，這一方法要求離散點均勻分布， 并且密集程度足以滿足在分析中反映局部表面變化。

設(shè)平面上分布一系列離散點， 任一離散點的值是各采樣點權(quán)重之和， 已知其坐標(biāo)和值為xi，yi，zi，（i=1，2，3，…，n），根據(jù)周圍離散點的值，通過距離權(quán)值求目標(biāo)插值Zp，表示為：

式中，zi為第i 個采樣點數(shù)值，di為第i 個采樣點到插值點距離，di2=（x-xi）2（y-yi）2，d-μ為距離衰減函數(shù)，權(quán)指數(shù)μ 表示距離越大而影響越小。 當(dāng)μ=0 時，距離沒有影響；當(dāng)μ=1 時，距離的影響為線性；當(dāng)μ＞1時， 遙遠(yuǎn)位置的影響快速減少。 μ 通常取值為1 或2，但多數(shù)學(xué)者認(rèn)為μ=2 得到的試驗效果更好，本文中μ 值取2。

1.2.5 Pearson 相關(guān)系數(shù)分析

采用Pearson 相關(guān)系數(shù)分析法對每一個像元相應(yīng)的年日照時數(shù)與相應(yīng)的各年總云量、揚沙日數(shù)、水汽壓、 大風(fēng)日數(shù)和霧日數(shù)等氣象因子進(jìn)行相關(guān)性分析，以此分析日照時數(shù)與氣候因子之間的響應(yīng)關(guān)系。Pearson 相關(guān)分析是一種準(zhǔn)確度量2 個變量之間的關(guān)系密切程度的統(tǒng)計學(xué)方法， 系數(shù)大小可以反映2個變量相關(guān)關(guān)系的密切程度， 將兩組氣象要素記為（xi，yi）（i=1,2,…，n），則相關(guān)系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為[25-26]：

2 結(jié)果分析

2.1 日照時數(shù)年際和年代變化

統(tǒng)計昌吉地區(qū)各縣市10 個國家氣象觀測站近51 a 各年累計日照時數(shù)， 分析其變化特征和趨勢（圖2a）。昌吉地區(qū)近51 a 日照時數(shù)呈明顯的減少趨勢，氣候傾向率為-62.8 h/10 a，并通過0.001 的顯著性檢驗，51 a 來減少320 h， 并且1987 年以來減少速率有加快趨勢。昌吉地區(qū)近51 a 日照時數(shù)年際間波動較大， 多年平均為2 840.3 h， 最小值出現(xiàn)在2016 年，為2 531.4 h；最大值出現(xiàn)在1974 年，為3 044.5 h； 有24 a 的日照時數(shù)超過多年平均值，有27 a 的日照時數(shù)低于多年平均值；最大與最小年日照時數(shù)之差為513.1 h。 從5 a 滑動平均曲線來看，近51 a 日照時數(shù)逐年下降， 其中1972—1987 年、1993—2002 年和2011—2015 年3 個階段日照時數(shù)呈現(xiàn)較大的減少趨勢， 其中， 第1 階段減少幅度最大， 其次是第3 階段。 從不同年代日照時數(shù)總量來看，20 世紀(jì)70—90 年代的日照時數(shù)偏多，均高于多年平均值；21 世紀(jì)以來，各年代日照時數(shù)明顯偏少，遠(yuǎn)低于多年平均值（表1）。 在M-K 檢驗中（圖2b），日照時數(shù)M-K 統(tǒng)計曲線和年際變化趨勢線基本吻合， 整體呈減少趨勢，UFk和UBk曲線在1987 年出現(xiàn)交點， 是突變開始的年份，UFk曲線在2002 年超出0.05 顯著性水平臨界線， 在2016 年超出0.01 顯著性水平臨界線，說明昌吉地區(qū)日照時數(shù)逐年減少趨勢十分顯著，1987 年開始突變減少并在2002 年開始減少比較明顯， 突變前多年平均日照時數(shù)比突變后多180.41 h。

圖2 昌吉地區(qū)日照時數(shù)年際、年代變化（a）及M-K 檢驗（b）

表1 昌吉地區(qū)年和四季平均日照時數(shù)變化 h

2.2 日照時數(shù)季節(jié)變化

對昌吉地區(qū)10 個站近51 a 各年各季平均日照時數(shù)的分析表明， 各季日照時數(shù)均呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢（圖3）。 日照時數(shù)春季平均為803.0 h，下降速率為-7.2 h/10 a；夏季平均為912.5 h，下降速率為-11.9 h/10 a； 秋季平均為672.8 h， 下降速率為-12.9 h/10 a； 冬季平均為452.4 h， 下降速率最大，為-31.7 h/10 a；其中，春季下降趨勢未通過顯著性檢驗，變化趨勢不顯著，其它季度通過0.001 的顯著性檢驗。 日照時數(shù)夏季最多，其次是春季和秋季，冬季最少。各季度日照時數(shù)均有下降趨勢，冬季日照時數(shù)下降趨勢最快，其次是秋季和夏季，春季最慢，說明冬季日照時數(shù)的逐年減少對全年日照時數(shù)逐年減少作用最大，是年日照時數(shù)減少的主要貢獻(xiàn)者；各季年代際變化與全年年代際變化基本一致（表1）。

圖3 昌吉地區(qū)春、夏、秋、冬季日照時數(shù)逐年變化

2.3 日照時數(shù)月變化

昌吉地區(qū)10 個站近51 a 各月多年平均日照時數(shù)年內(nèi)變化基本一致，均呈現(xiàn)雙峰型（圖4）。最大值出現(xiàn)在5、7 和8 月，分別為312.1、308.8、302.9 h，最小值出現(xiàn)在12 月， 為128.7 h；1—5 月日照時數(shù)持續(xù)上升，5 月達(dá)到最大值，8 月以后不斷下降， 在12月達(dá)到最小值（圖5）。1—12 月各月的日照時數(shù)均呈現(xiàn)不同速率的減少趨勢， 減少速率為-1.37～-0.15 h/10 a（表2），其中，1 月日照時數(shù)減少最為明顯，近51 a共減少了68.5 h，12 月次之。 各月各站最高日照時數(shù)依次為： 呼圖壁＞蔡家湖＞阜康＞瑪納斯＞昌吉＞北塔山＞木壘＞奇臺＞吉木薩爾＞天池。

圖4 昌吉地區(qū)各站日照時數(shù)逐月變化

圖5 昌吉地區(qū)日照時數(shù)逐月變化

表2 昌吉地區(qū)日照時數(shù)各月變化趨勢

2.4 日照時數(shù)空間變化特征

昌吉地區(qū)日照時數(shù)年平均值為2 840.3 h，空間分布呈現(xiàn)“東部多、中西部少，山區(qū)多、平原少”的格局（表3）。 木壘縣和北塔山日照時數(shù)在3 000 h以上，呼圖壁和奇臺縣日照時數(shù)在2 900 h 以上，蔡家湖和吉木薩爾縣日照時數(shù)在2 800 h 以上， 瑪納斯、昌吉市和阜康市日照時數(shù)在2 700 h 以上，天池日照時數(shù)最小，為2 603 h（圖6a）。 從空間變化趨勢來看， 阜康市近51 a 日照時數(shù)減少趨勢最為明顯（圖6b），減少率為-113.4 h/10 a；其次是呼圖壁縣和蔡家湖，減少速率分別為-77.6、-75.9 h/10 a；吉木薩爾縣、奇臺縣和北塔山，減少速率分別為-69.9、-71.4、-70.9 h/10 a； 其余縣市減少速率較慢，在-2.54～-59.8 h/10 a。 中西部地區(qū)的日照時數(shù)減少速率明顯大于東部地區(qū)和山區(qū)。

圖6 昌吉地區(qū)日照時數(shù)空間分布（a）和變化趨勢空間分布（b）

表3 昌吉地區(qū)不同區(qū)域日照時數(shù)變化

2.5 日照時數(shù)的主要影響因子分析

氣象因子是造成日照時數(shù)變化的主要原因，在全球變暖的氣候背景下， 日照時數(shù)的年際變化與氣象因子變化有密切的關(guān)系， 為深入分析影響日照時數(shù)變化的主要氣象因子， 選取與日照時數(shù)變化密切相關(guān)的總云量、揚沙日數(shù)、水汽壓、大風(fēng)日數(shù)和霧日數(shù)等氣象因子，并對選取的氣象因子進(jìn)行趨勢分析，對氣象因子與日照時數(shù)進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析。結(jié)果顯示（表4），各氣象因子變化趨勢有一定差異，總云量中西部呈增加趨勢，東部和山區(qū)呈減少趨勢；揚沙日數(shù)和大風(fēng)日數(shù)各地均呈減少趨勢； 水汽壓和霧日數(shù)各地均呈增加趨勢。昌吉地區(qū)總云量、水汽壓和霧日數(shù)呈增加趨勢，增加趨勢顯著，其中霧日數(shù)增加速率最大，為11.72 d/10 a；揚沙日數(shù)和大風(fēng)日數(shù)呈減少趨勢，減少趨勢顯著。

表4 昌吉地區(qū)各站總云量、揚沙日數(shù)、水汽壓、大風(fēng)日數(shù)和霧日數(shù)的變化

各站日照時數(shù)與氣象因子相關(guān)分析結(jié)果表明（表5），昌吉地區(qū)日照時數(shù)與總云量、水汽壓和霧日數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，其中水汽壓和霧日數(shù)通過0.01 的顯著性檢驗，與大風(fēng)日數(shù)和揚沙日數(shù)呈顯著正相關(guān)，并通過0.01 的顯著性檢驗。

表5 昌吉地區(qū)各站日照時數(shù)與有關(guān)因子之間的相關(guān)性

日照時數(shù)與水汽壓和霧日數(shù)的負(fù)相關(guān)性最強(qiáng)，這表明水汽壓逐年增加和霧日數(shù)的增多是日照時數(shù)減少的主要原因。 昌吉地區(qū)各地日照時數(shù)減少趨勢明顯，其中阜康較突出，從瑪納斯到奇臺是水汽壓和霧日數(shù)分布較多區(qū)域，近51 a 昌吉地區(qū)各地水汽壓顯著增加趨勢， 水汽壓的增加表明大氣中的水汽含量增多，水汽對太陽輻射的散射、折射及吸收等直接影響著日照時數(shù)， 大氣中水汽含量的高低也直接影響霧日數(shù)的多或少（尤其是冬季），這表明水汽壓和霧日數(shù)顯著增加是影響昌吉地區(qū)日照時數(shù)減少的主要因素。另外日照時數(shù)與大風(fēng)日數(shù)呈顯著正相關(guān)，大風(fēng)日數(shù)變少引起云層易集聚、污染物擴(kuò)散慢、不同程度地降低大氣透明度，削弱太陽輻射，進(jìn)而降低日照時數(shù)， 因此大風(fēng)日數(shù)也是影響昌吉地區(qū)日照時數(shù)的因素之一。

日照時數(shù)與水汽壓和霧日數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，并通過0.01 的顯著性檢驗，與大風(fēng)日數(shù)和揚沙日數(shù)呈顯著正相關(guān)，并通過0.01 的顯著性檢驗。 水汽壓的增大、霧日數(shù)的增多、大風(fēng)日數(shù)的減少是造成昌吉地區(qū)日照時數(shù)減少的主要原因。

3 討論

昌吉地區(qū)近51 a 日照時數(shù)呈減少趨勢，這與李慧群、陳少勇、張山清[27-29]等研究結(jié)論一致。 昌吉地區(qū)51 a 水汽壓的增大、霧日數(shù)的增多、大風(fēng)日數(shù)的減少是造成昌吉地區(qū)日照時數(shù)減少的主要原因，這與肖風(fēng)勁[30]、虞海燕[31]、黃小燕[32]、張立波[33]、武鵬飛等[34]研究日照時數(shù)減少與降水、空氣濕度、風(fēng)、能見度有關(guān)的結(jié)論基本一致。本研究發(fā)現(xiàn)水汽壓的增大、霧日數(shù)增多、大風(fēng)日數(shù)減少對日照時數(shù)減少作用大；冬季日照時數(shù)減少的最快， 且對全年日照時數(shù)減少的影響最大；這很可能是由于當(dāng)?shù)毓I(yè)活動增加，大氣污染排放增加， 環(huán)境中氣溶膠等污染物增加造成霧日數(shù)增加（尤其是冬季）而導(dǎo)致能見度降低所致，這與孔鋒[35]等研究結(jié)論一致。 本文分析了昌吉地區(qū)日照時數(shù)時空變化規(guī)律特征并初步分析了日照時數(shù)與氣象因子的關(guān)系， 研究結(jié)果對明確區(qū)域氣候變化特征及其驅(qū)動因子具有一定的科學(xué)指導(dǎo)意義。 影響日照時數(shù)變化的因素是多方位和復(fù)雜的， 隨著階段和區(qū)域的不同，其影響因素也存在階段性和區(qū)域性。本文只對各氣象因素對日照時數(shù)的影響進(jìn)行了初步研究， 并未具體分析大氣污染等其它環(huán)境因素的影響，后期結(jié)合氣象因素進(jìn)一步考慮大氣環(huán)流、大氣污染特征、城市發(fā)展、人類活動和地形等因素對日照時數(shù)的影響，日照時數(shù)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響方面的分析。

4 結(jié)論

（1）昌吉地區(qū)日照時數(shù)年際波動較大，且呈明顯的減少趨勢，氣候傾向率為-62.8 h/10 a，昌吉地區(qū)各季日照時數(shù)變化不一， 不同季的日照時數(shù)均呈下降趨勢， 其中冬季減少趨勢最為顯著， 氣候傾向率為-31.7 h/10 a， 且對全年日照時數(shù)的減少影響最大。

（2）昌吉地區(qū)日照時數(shù)年內(nèi)變化呈雙峰型，最大值出現(xiàn)在5、7、8 月，分別為312.1、308.8、302.9 h，最小值出現(xiàn)在12 月，為128.7 h，日照時數(shù)最高月份是最低月份的2.4 倍；各月日照分布不均，波動較大，1—12 月日照時數(shù)均呈減少趨勢，減少速率為-1.37～-0.15 h/10 a，其中，1 月減少最為明顯，近51 a 共減少了68.5 h，12 月次之。

（3） 昌吉地區(qū)日照時數(shù)多年平均為2 840.3 h，東部地區(qū)的日照時數(shù)明顯高于中西部地區(qū)，呈現(xiàn)“東部多、中西部少，山區(qū)多、平原少”的分布特征。 昌吉地區(qū)各縣市日照時數(shù)均呈減少趨勢，其中，阜康市日照時數(shù)減少最為明顯，減少速率為-113.4 h/10 a；其余縣市減少速率為-2.54～-77.6 h/10 a。 中西部地區(qū)的日照時數(shù)減少速率明顯大于東部地區(qū)和山區(qū)。

（4）昌吉地區(qū)日照時數(shù)在1987 年發(fā)生突變，在2002 年超出0.05 顯著性水平臨界線，在2016 年超出0.01 顯著性水平臨界線， 說明昌吉地區(qū)日照時數(shù)減少十分明顯。水汽壓的增大、霧日數(shù)的增多、大風(fēng)日數(shù)的減少是造成昌吉地區(qū)日照時數(shù)減少的主要原因。