东北地区近70a日照时数的时空变化特征.pdf

江西农业学报 2023，35（09）：128134ActaAgriculturaeJiangxiDOI:10.19386/ki.jxnyxb.2023.09.020东北地区近70 a日照时数的时空变化特征张玮琦1，张萌萌2*，于亚鑫3，庞 哲2，张晋广4（1.沈阳市苏家屯区气象局，辽宁 沈阳 110179；2.辽宁省气象服务中心，辽宁 沈阳 110166；3.辽宁省气象台，辽宁 沈阳 110166；4.辽宁省人工影响天气办公室，辽宁 沈阳 110166）摘 要:基于近70 a东北地区199个气象观测站日照时数的数据资料，利用趋势分析、小波分析及Mann-Kendall（M-K）非参数检验等方法，探究了19532022年东北地区的年日照时数及四季日照时数的时空变化特征。结果表明：东北地区年平均日照时数为2532.16 h，春季最多，夏季次之，冬季最少；其中5月最多，12月最少。平均日照时数在空间上呈现出西高东低的经向分布特征；日照时数的时间变化总体呈现出减少的趋势，夏季减少幅度最大，秋季减少幅度最小。全年和春夏秋冬四季的日照时数分别在1989、1976、1990、1986和1970年发生了年代际突变；大部分地区日照时数的空间变化呈减少趋势，辽宁东部、黑龙江北部和东部以及吉林部分地区呈增加趋势；21世纪初期之后，春季和冬季的日照时数明显存在25 a的年际变化周期。关键词:东北地区；日照时数；时空变化；年际变化 中图分类号：P422.1+1 文献标志码：A 文章编号：1001-8581（2023）09-0128-07 Spatial and Temporal Variation Characteristics of Sunshine Duration in Northeast China in Recent 70 Years ZHANGWei-qi1,ZHANGMeng-meng2*,YUYa-xin3,PANGZhe2,ZHANGJin-guang4 (1.ShenyangSujiatunDistrictMeteorologicalBureau,Shenyang110179,China;2.LiaoningMeteorologicalServiceCenter,Shenyang110166,China;3.LiaoningMeteorologicalObservatory,Shenyang110166,China;4.LiaoningWeatherModificationOffice,Shenyang110166,China)Abstract:Basedonthesunshinedurationdataof199meteorologicalobservationstationsinNortheastChinainthepast70years,thespatialandtemporalcharacteristicsofannualandseasonalsunshinedurationinNortheastChinafrom1953to2022werestudiedbytrendanalysis,waveletanalysis,andMann-Kendall(M-K)non-parametrictest.TheresultsshowthattheannualaveragesunshinedurationinNortheastChinais2532.16h.Thesunshinedurationisthelongestinspring,followedbysummer,andtheshortestinwinter.Amongthem,Mayhasthemostsunshineduration,whileDecemberhastheleast.Intermsofspace,itshowsalongitudinaldistributioncharacteristicofhighinthewestandlowintheeast.Thetimechangeofsunshinedurationgenerallyshowsadecreasingtrend,withthemostdecreaseinsummerandtheleastdecreaseinautumn.Annualandquarterlysunshinedurationsunderwentdecadalabruptchangesin1989,1976,1990,1986and1970.Thespatialchangesofsunshinedurationofmostregionsshowadecreasingtrend,andeasternLiaoning,northernandeasternHeilongjiangandpartsofJilinshowanincreasingtrend.Afterthebeginningofthe21stcentury,thereisanobvious25yearsinterannualchangecycleinthesunshinedurationofspringandwinter.Key words:NortheastChina;Sunshineduration;Spatialandtemporalchange;Interannualchange0 引言东北地区是我国重要的粮食生产基地之一，日照时数是影响农作物生长的重要因素，对农业生产发展有极其重要的作用。随着全球气候变暖和日渐频繁的人类活动，东北地区粮食生产的不稳定性进一步增强，因此积极应对气候变化及其对粮食生产造成的影响极其重要。其中，日照时数是最能直接反映出太阳辐射情况的指标，日照也是最有利于农作物生长发育的能量来源，同时也是影响气候变化的关键因素之一，因此对日照时数的研究尤为重要1，东北地区日照时数的时空变化特征便成为研究气候变化及其对农业生产影响的关键所在2。收稿日期：2023-06-18基金项目：辽宁省科学技术计划项目农业攻关及产业化指导计划（2019JH2/10200019）。作者简介：张玮琦（1994），男，山东龙口人，工程师，研究方向为气象灾害。*通信作者：张萌萌。9 期张玮琦等：东北地区近70 a日照时数的时空变化特征129我国日照时数的空间分布特征表现为北高南低，并整体呈现出明显减少的趋势，减少速率为45.8h/10a3-4。东北地区日照时数整体呈减少趋势，其中以吉林北部地区减少最为显著5-6。周晓宇等7研究了19612009年东北地区日照时数在月、季、年的时空变化特征，结果发现5月和12月的日照时数分别为最高和最低，秋季的日照时数变化不明显，其他季节的日照时数均显著减少。裴宇航等8研究发现黑龙江省的年和各季日照时数均呈减少的趋势，除8月和9月的日照时数有所增加外，其他月份的日照时数也呈减少趋势。李岚等9研究表明辽宁省的年日照时数以31.8h/10a的速率显著减少，并在1982年发生了突变。焦敏等10研究发现辽宁省的年和各季日照时数在空间上呈现西高东低的经向分布特征，春季的日照时数最长，夏季次之，冬季最短。杨东等11研究发现辽宁省年和各季的日照时数均呈减少趋势，夏季的减少趋势最为显著，而冬季的减少幅度最小。曹永强等12研究发现辽宁省年及各季的日照时数均存在突变，年日照时数的突变始于1980年初，其中冬季的突变最早，夏季最晚。关于东北地区日照时数的研究相对较少，数据分析方法也相对单一。近年来，由于自然环境的变化和人类活动的干扰，大气污染和温室气体浓度的加剧，气候变化不断加剧13-14。因此本研究采用全面分析的方法进一步探究了东北地区近70a日照时数的时空变化特征，这对于合理布局农业生产、规划城市建设、开发旅游资源、设计太阳能电站等都具有重要的现实意义15-17。1 数据来源与方法1.1 数据来源采用19532022年东北三省（黑龙江、吉林、辽宁）短期气候预测业务质量评估的199个气象站的日照时数站点资料。1.2 研究方法1.2.1 气候倾向率 气候倾向率是一种度量气候变化速率的指标，可用于分析气候变化的速率和趋势。其计算公式为：xi=a+bti （1）式（1）中，xi表示样本量为n的气候变量；ti表示xi所对应的时间；a为回归常数，b为回归系数，a和b用最小二乘法进行估算。气候倾向率用b10表示，单位为/10a或mm/10a。若b0，则表明该气象参数呈现出上升趋势，反之b0，则呈下降趋势；b的绝对值越大，则表明气象参数的变化速率越大。1.2.2 滑动平均 对于某样本数量为k的x序列，其滑动平均值的计算公式为：xm=1nni=1xi+m-1,m=1,2,k-n+1 （2）式（2）中，n为滑动长度，一般取奇数。使用滑动平均方法可以消除时间序列数值受到周期变动和随机波动的影响，以反映数据的长期趋势。1.2.3 Mann-Kendall（M-K）非参数检验 M-K非参数检验不需要样本遵循一定的分布，也不受少数异常值的干扰，多采用水文、气象等非正态分布的数据。具体方法如下：设原始时间序列为y1,y2,yn，mi表示第i个样本yiyj（1ji）的累积数，定义统计量：dk=ki=1mi（2kn）（3）在原始序列随机独立等假设下，dk的均值和方差的计算公式分别为：E（dk）=k（k-1）/4 （4）var（dk）=k（k-1）（2k+5）/72 （5）将上述的dk标准化，计算公式为：UFk=dk-E（dk）var（dk）（6）将式（6）中的UFk组成一条UF曲线，并对其的变化趋势进行信度检验。将此方法引用到反序列中，计算得到另一条曲线，则2条曲线在置信区间内的交点确定为突变点。设定显著性水平=0.05，则统计量UF和UB的临界值为1.96，若UF0，则表示序列呈上升趋势；反之，则呈下降趋势。2 结果与分析2.1 日照时数的时间变化特征2.1.1 月、季节的变化特征 通过对东北地区日照时数逐月变化特征的分析，发现该地区的日照时数呈现出明显的季节性变化特征。由图1可知，5月的日照时数最多，为254.91h，占全年日照总时长的9.95%；12月的日照时数最短，仅为165.83h，占全年日照总时长的6.47%。这表明东北地区春季和夏季的光照充足，而秋季和冬季的光照则相对较少。310月期间东北地区的日照时数相对较多，日照时数为210260h。23月日照时数显著增加，此时是东北地区冬春的交接时期，气候情况江 西 农 业 学 报35 卷130相对不稳定，这种季节性的转换会导致云层覆盖减少，进而会提高日照时数。34月由于冬季冰雪消融，湿度逐渐增加，阴雨天气多，因此日照时数小幅减少。1011月为东北地区秋冬的交接时期，温度骤降，易发生雾霾，从而导致日照时数显著降低。57月的日照时数虽然整体较多，但也存在显著降低的趋势，这可能是受东北冷涡的影响，降雨天气增多，日照时数减少。日照时数的季节性变化对东北地区的农业生产具有重要影响。春季和夏季光照充足，有利于植物生长和提高农作物产量。而秋季和冬季光照较少，则需要合理安排农业生产，以适应光照条件的变化。图1 东北地区日照时数的逐月变化特征2.1.2 年际、年代际变化特征 由图2可知，19532022年东北地区全年平均日照时数为2532.16h；春季日照时数最多，平均为728.79h；夏季次之，平均为672.11h；秋季平均为606.89h；冬季最少，平均为543.49h。春、夏、秋、冬4季和全年的日照时数均呈现减少趋势，全年日照时数的气候倾向率为-6.64h/10a，其中夏季减少趋势最显著，为-9.79h/10a，秋季减少幅度最小，为-6.09h/10a。春、冬两季的气候倾向率分别为-6.83、-6.94h/10a。这种减少趋势可能与气候环流系统的变化有关。全球气候变暖导致强降水事件增多，日照时数减少。此外，环境污染加剧、城市化和工业化发展进程加快等多种因素对日照时数的减少也有一定影响。就年代际变化特征而言，1965年之前东北地区的年日照时数整体呈现增加的趋势，19652010年呈波动下降的趋势，20102020年再次增加。春季日照时数在2010年之前呈现减少趋势，2010年之后开始增加；夏季日照时数则在19651990年出现了明显的减少，1990年之后下降趋势有所缓和；秋季日照时数整体变化趋于平稳；冬季日照时数则在1990年之前呈减少趋势，1990年之后开始呈波动增加趋势。这可能与历史时期的气候特点以及人类活动有关，1965年以前，自然环境和气候条件较为稳定，影响日照时数的因素较少。19652010年期间日照时数减少，可能与工业化、城市化和环境污染等因素相互作用而导致气候条件恶化有关。2010年之后，随着我国环保政策的不断推进，环保力度加大，尤其是大气污染治理等方面政策的出台和执行，有利于生态环境的可持续健康发展，因此日照时数呈现增加趋势。由图3a可知，1989年之前年日照时数整体呈现波动减少的趋势，1989年之后则呈现波动上升的趋势。此外，UF和UB在1989年产生了交点，交点处于置信区间内，表明1989年日照时数的变化趋势发生了突变，由显著减少变化为缓慢增加，并且从正距平转为负距平。由图3b图3e可知，不同季节的日照时数变化趋势有一定差异。春季日照时数在1976年左右发生了突变，减少趋势变为平缓；夏季日照时数在1990年左右发生了突变，减少趋势变为平缓；秋季日照时数在1986年左右发生了突变，下降趋势变显著；冬季日照时数在1970年左右发生了突变，下降趋势变显著。东北三省位于中国东北部，纬度较高，气候类型主要为温带大陆性气候。降雨量的变化对日照时数具有较大影响。过去几十年间，东北地区的整体降雨量有所增加，特别是近年来极端降雨事件增多，可能导致不同季节日照时数的变化。2.1.3 日照时数的周期特征 小波分析是分析日照时数周期特征的重要工具，本文使用Morlet小波变换对东北地区四季和全年日照时数的周期特征进行了分析。由图4可知，全年和四季的日照时数整体没有明显的年代际周期性特征，但春季的日照时数在21世纪初期之后明显表现出24a的年际周期变化特征。在21世纪初期之后，冬季日照时数也具有显著的35a的年际周期变化特征。这种周期性特征可能是因为太平洋海温的年际变化（如厄尔尼诺现象）对东北地区的降水造成了影响，进而影响日照时数的周期性变化。2.2 日照时数的空间分布特征分析2.2.1 日照时数的空间分布 东北地区的全年日照时数呈现出西高东低的经向分布特征。其中黑龙江西南部、吉林西北部和辽宁西部是日照时数高值区（图5a）。春季日照时数高值区主要分布在黑龙江西部和北部、吉林西北部以及辽宁西北部9 期张玮琦等：东北地区近70 a日照时数的时空变化特征131（图5b）；夏季平均日照时数高值区主要分布在吉林西部、黑龙江东部和西北部（图5c）；秋季平均日照时数高低值区域与全年日照时数相似（图5d）；而冬季日照时数较少，其高值区主要分布在吉林西北部和辽宁西部（图5e）。东北地区的地形以平原、丘陵和山地为主，呈北高南低的分布格局。丘陵和山地的地形特征有助于降低云层的覆盖，日照时数较多；而平原地形容易形成辐射雾、厚云层等，造成日照时数较少。20232023202320232023图2 19532022年东北地区日照时数的年际和年代际变化2.2.2 日照时数气候倾向率的空间分布 通过对19532022年东北地区全年日照时数的气候倾向率空间分布特征的研究发现，东北地区日照时数整体呈现减少的趋势，但也存在一些特殊区域呈现了增加的趋势，如辽宁东部、黑龙江北部和东部以及吉林小部分地区（图6a）。春季日照时数的气候倾向率以吉林东部以及黑龙江东南部降低较为显著（图6b）；夏季日照时数的气候倾向率以辽宁西部、吉林西北部以及黑龙江西南部降低最显著（图6c）；秋季日照时数的气候倾向率整体的减少幅度较小，黑龙江西南部和辽宁中北部的降低趋势较显著（图6d）；冬季日照时数的气候倾向率以黑龙江南部和吉林北部的减少趋势较为明显（图6e）。3 结论本文通过对东北地区不同季节日照时数的时空变化趋势进行分析，揭示了东北地区日照时数减少的整体趋势，得出如下结论：（1）东北地区日照时数的季节性变化特征较为明显。年平均日照时数为2532.16h，春季日照时数最多，夏季次之，冬季最少。5月的日照时数最多，12月最少；23月日照时数显著增加，57月以及冬季10月的日照时数显著减少。江 西 农 业 学 报35 卷1322023统计量统计量202320232023统计量统计量2023统计量图3 19532022年东北地区日照时数的Mann-Kendall检验结果（2）东北地区日照时数的空间分布差异较为明显。东北地区的全年日照时数呈现出西高东低的经向分布特征。其中黑龙江西南部、吉林西北部和辽宁西部是高值区。春季日照时数高值区主要分布在黑龙江西部和北部、吉林西北部以及辽宁西北部。夏季平均日照时数高值区主要在吉林西部、黑龙江东部和西北部。秋季平均日照时数高低值区域与全年日照时数相似。而冬季日照时数较少，其高值区主要分布在吉林西北部和辽宁西部。（3）东北地区日照时数变化总体呈现出减少的趋势。夏季日照时数的下降趋势最明显，秋季减少幅度最小。年日照时数、春季以及冬季日照时数在2010年之前呈现减少趋势，之后开始增加；夏季日照时数整体呈减少的趋势，1990年之后减少趋势趋于平缓；秋季日照时数变化整体趋于平稳。春、夏、秋、冬和全年的日照时数分别在1976、1990、1986、1970和1989年发生了年代际突变。（4）东北地区日照时数气候倾向率的空间变化同时存在增加和减少的区域。东北大部分地区日照时数的气候倾向率整体呈减少的趋势，其中辽宁东部、黑龙江北部和东部以及吉林小部分地区呈增加趋势。春季日照时数的气候倾向率以吉林东部以及黑龙江东南部降低较为显著；夏季日照时数的气候倾向率以辽宁西部、吉林西北部以及黑龙江西南部降低最显著；秋季日照时数的气候倾向率整体的减少幅度较小，黑龙江西南部和辽宁中北部的降低趋势较显著；冬季日照时数的气候倾向率以黑龙江南部和吉林北部的减少趋势较为明显。此外，21世纪初期之后，春季和冬季的日照时数存在明显的25a的年际变化周期。9 期张玮琦等：东北地区近70 a日照时数的时空变化特征133a.全年b.春季c.夏季d.秋季e.冬季左图中网格点处为通过95%显著性检验区域，网格处为边界效应，右图中为功率谱。图4 19532022年东北地区日照时数小波分析a.全年b.春季c.夏季d.秋季e.冬季图5 19532022年东北地区日照时数的空间分布江 西 农 业 学 报35 卷134a.全年b.春季c.夏季d.秋季e.冬季图6 19532022年东北地区日照时数气候倾向率的空间分布参考文献：1 何文鑫,徐玉霞,马凯.赤峰市近60多年气候变化特征分析及对粮食产量的影响 J.河南科学,2019,37(12):2002-2009.2 崔宁波,殷琪荔.气候变化对东北地区粮食生产的影响及对策响应 J.灾害学,2022,37(1):52-57.3 肖风劲,张旭光,廖要明,等.中国日照时数时空变化特征及其影响分析 J.中国农学通报,2020,36(20):92-100.4 李慧群,付遵涛,闻新宇,等.中国地区日照时数近50年来的变化特征 J.气候与环境研究,2013,18(2):203-209.5 刘玉英,韦小丽,李宇凡.19612012年吉林省日照时数的变化特征及影响因素 J.自然资源学报,2015,30(8):1367-1377.6 曾丽红,宋开山,张柏,等.东北地区19602008年生长季日照时数时空变化特征 J.农业系统科学与综合研究,2010,26(3):363-370.7 周晓宇,张新宜,崔妍,等.19612009年东北地区日照时数变化特征 J.气象与环境学报,2013,29(5):112-120.8 裴宇航,孙爽,王春丽.黑龙江省近50年日照时数变化特征分析 J.黑龙江农业科学,2012(8):41-44.9 李岚,林毅,王迪,等.1969年2018年辽宁省日照时数变化特征及影响因素研究 J.环境科学与管理,2020,45(8):44-48.10 焦敏,胡春丽,刘东明,等.19812013年辽宁省日照时数时空变化特征 J.江西农业学报,2020,32(3):118-124.11 杨东,刘洪敏,郭盼盼,等.19562008年辽宁省日照时数变化特征 J.干旱区研究,2010,27(6):885-891.12 曹永强,郭明,刘思然.19642015年辽宁省日照时数演变特征及归因分析 J.水电能源科学,2018,36(2):1-5.13 万辛如,程超源,白德凤,等.气候变化的生态影响及适应对策 J.中国科学院院刊,2023,38(3):518-527.14 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